第2章 第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨(Word教参)-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中化学选择性必修1（鲁科版2019）

第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨 一、合成氨反应的限度和速率 合成氨反应的限度 反应 原理 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g) 在298 K时：ΔH＝－92.2 kJ·mol－1，ΔS＝－198.2 J·K－1·mol－1 [微思考] 合成氨过程的基本流程如下所示，其中为了提高原料的利用率，通常对反应后的尾气进行如何处理？ 提示：常采用将未能转化的N2、H2再通入合成塔中循环使用。 反应 特点 可逆性：反应为可逆反应； 体积变化：正反应是气体体积减小的反应； 焓变：ΔH＜0，熵变：ΔS＜0； 自发性：常温下ΔH－TΔS＜0，能自发进行 影响 因素 外界 条件 降低温度、增大压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动 投料比 温度、压强一定时，N2、H2的体积比为1∶3时平衡混合物中氨的含量最高 浓度对化学反应速率的影响 合成氨反应的速率方程 v＝kc(N2)·c1.5(H2)·c－1(NH3) 增大反应速率的方法 ①增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度； ②升高温度； ③增大压强；④加入催化剂等等 二、合成氨生产的适宜条件 合成氨反应条件选择的原则 选择合成氨生产条件时，即不能片面地追求高转化率，也不应只追求高反应速率。而应该寻求以较高的反应速率获取适当转化率 [微思考] 合成氨是气体体积减小的反应，所以实际生产中，采用的压强越大越好吗？ 提示：实际生产中，压强越大，对设备和技术的要求越高，能增加成本，所以实际生产中不是压强越大越好。 考虑原料的价格、未转化的合成气(氮气和氢气)的循环使用、反应热的综合利用等 合成氨反应的适宜条件 温度 反应温度控制在700_K左右 物质的量 N2、H2投料比1∶2.8 压强 1×107～1×108 Pa(低压、中压和高压) 催化剂 选择铁做催化剂 合成氨的生产流程的三阶段 　　　　　　　　　　　　　　　　 [新知探究] 工业生产中适宜条件的选择 [发展认知] 1．合成氨的流程 生产流程 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 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 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，进入合成塔与铁接触反应，从塔上口出气 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 2.合成氨条件的选择 (1)合成氨生产的要求 ①反应要有较大的反应速率； ②要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。 (2)合成氨条件的选择依据 运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。 (3)合成氨条件的理论分析 条件 理论分析 浓度 因为增大反应物浓度，能提高反应速率和使平衡正向移动。另外生产中常使廉价易得的原料适当过量，以提高另一原料的利用率。因此生产中常适当增加N2的比例 压强 无论从反应速率还是化学平衡考虑，压强越大越有利于合成氨。但压强太大，动力消耗大，设备的质量和制造水平要求高，故必须综合考虑。目前我国合成氨厂一般采用的压强在10～30 MPa之间 温度 对于放热反应，升温可提高反应速率，但转化率降低，若温度太低，反应速率又太慢，综合考虑以500 ℃左右为宜。而且在此温度下催化剂活性最大 催化剂 加快反应速率但不影响平衡，可以提高单位时间内氨的产量。目前工业上多以铁触媒为催化剂 3.工业生产中选择适宜生产条件的原则 外界条件 有利于加快速率的条件控制 有利于平衡正向移动的条件控制 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 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 [跟踪训练] 1．下列措施既能加快工业合成氨的速率