第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨-2020-2021学年高中化学选修4【导学教程】同步辅导（鲁科版） word

第4节　化学反应条件的优化——工业合成氨 [学习目标] 1.认识合成氨的化学原理。 2.应用化学平衡和化学反应速率的有关知识选择合成氨的条件。 3.了解合成氨生产的主要流程。 4.了解工业条件选择的依据和原则。 要点　合成氨反应的限度 1.合成氨的化学原理及特点 (1)反应原理：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92.2 kJ·mol－1　ΔS(298 K)＝－198.2 J·K－1·mol－1 (2)化学反应的特点 该反应是一个能自发进行的、放热的、气体体积减小的可逆反应。 2.合成氨反应的限度分析 降低温度、增大压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动，在一定温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为1∶3时，平衡混合物中氨的含量最高。 3.合成氨反应的速率 增大反应物浓度，使用合理催化剂，升高温度均可增大合成氨反应的反应速率。 4.合成氨的适宜条件 (1)合成氨反应条件的选择原则 ①尽量增大反应物的转化率，充分利用原料； ②选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量； ③考虑设备和技术条件。 (2)合成氨反应的适宜条件 ①压强： 压强越大越有利于合成氨，但在实际生产中，应根据反应设备可使用的钢材质量及综合指标来选择压强，大致分为低压、中压和高压三种类型。 ②温度： 温度越高，反应速率越大，但不利于氨的合成，在实际生产中一般控制反应温度在700 K左右(且在此温度时催化剂的活性最大)。 ③催化剂： 使用催化剂可以大幅度提高反应速率，合成氨生产一般选择铁作催化剂。 ④浓度： 合成氨生产通常采用N2和H2物质的量之比为1∶2.8的投料比，及时将氨气从反应混合物中分离出去。此外，还应考虑原料的价格、未转化的合成气的循环使用、反应热的综合利用等问题。 一、工业生产中选择适宜生产条件的思路 1.从可逆性、反应前后气体系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。 2.根据反应特点具体分析外界条件对速率和平衡的影响；从速率和平衡的角度进行综合分析，再充分考虑实际情况，选出适宜的外界条件。 外界条件 有利于加快速率的条件控制 有利于平衡移动的条件控制 综合分析结果 浓度 增大反应物的浓度 增大反应物的浓度、减小生成物的浓度 不断地补充反应物、及时地分离出生成物 催化剂 加合适的催化剂 不需要 加合适的催化剂 温度 高温 ΔH＜0[来源:学*科*网] 低温 兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度 ΔH＞0 高温 在设备条件允许的前提下，尽量采取高温并考虑催化剂的活性 压强 高压(有气体参加) ΔVg＜0 高压 在设备条件允许的前提下，尽量采取高压 ΔVg＞0 低压 兼顾速率和平衡，选取适宜的压强 3.合成氨的适宜条件 (1)温度：700 K左右。 (2)压强：20～50 MPa。 (3)催化剂：铁触媒(700 K时其活性最强)。 此外通常采用N2和H2的物质的量为1∶2.8的投料比，并不断地补充原料气(N2和H2)，并及时将生成的氨分离出来。 【特别提醒】　选择适宜外界条件的基本原则 (1)既要注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性，又要注意其对二者影响的矛盾性。 (2)既要注意温度、催化剂对反应速率影响的一致性，又要注意温度对催化剂活性的影响。 (3)既要注意理论上的需要，又要注意实际生产的可能性。 二、合成氨的工艺流程 1.生产流程 2.原料气的制取 N2：将空气液化、蒸发分离出N2或者将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。 H2：来自于含氢的天然气、煤和炼油产品。以天然气为原料时，反应可简单表示为： CH4＋H2O===CO＋3H2　CO＋H2O===CO2＋H2[来源:学科网] 3.净化气体 制得的N2、H2需净化，除去杂质(防止催化剂中毒)，再用压缩机压缩至高压。 4.NH3的合成 在合成塔中进行。从塔口进气，经热交换器与塔内反应后的高温气体逆流交换热量后，进入接触室与铁接触反应，从塔上口出气。 5.NH3的分离 混合气经冷却后，进入氨分离器，只有氨气在该压强下液化得到液氨，而未反应的N2和H2经循环压缩机压缩后，再通入合成塔中进行反应。 【特别提醒】　现代合成氨工业正向着原料结构更加合理化，生产规模大型化，开发低能耗新工艺，以及实现生产自动化的方向迅速发展。 1.下列有关合成氨工业的叙述，可用勒·夏特列原理来解释的是 A.使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨 B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应 C.500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应 D.合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率 解析　催化剂不影响平衡移动；合成氨采用500 ℃是综合考虑反应速率、转化率及催化剂的活性温度；采用循环操作与平衡移动无关。