2.4 化学反应条件的优化——工业合成氨 课件 2025-2026学年高二上学期化学鲁科版选择性必修1

该高中化学课件聚焦工业合成氨反应条件优化，以三次诺奖史为情境导入，衔接化学反应方向、限度与速率知识，构建从理论可行性分析到工业条件选择的学习支架。 其亮点在于融合实验数据与工业实践，通过限度、速率、经济多维度分析培养科学思维，工艺流程图解与催化剂选择实验体现科学探究与实践，诺奖案例渗透科学态度与责任，助力学生建立化学与工程联系，提升教师教学效率。

第四节 化学反应条件的优化——工业合成氨 第二章 化学反应的方向 、 限度与速率 弗里茨·哈珀 1918年 发现了N2和H2直接合成氨的方法并且完成了合成氨的基础研究工作， 实现工业合成氨的初步设想 博施 1931年 改进了反应条件， 降 低原料价格， 提高合 成产率， 实现氨的规 模化工业生产 埃特尔 2007年 发现了合成氨的反应 机理， 为改良合成效 果提供了研究方向 关于合成氨的三次诺奖 课程导入 判断合成氨的反应是否能够自发进行 ΔH = －92.9 kJ·mol-1 ΔS = －198.2 J·mol-1·K-1 ∆G=∆H - T ∆S = -33.8 KJ·mol-1 < 0 此反应常温可以 自发 可以从哪些角度分析合成氨的反应条件？ \ 环节一：研究合成氨可行性 一、 反应限度角度分析反应条件 N2 + 3H2 ⇌2NH3 ΔH < 0 Δvg < 0 限度角度： 增大N2 、H2 的浓度 及时转移走NH3 限度角度： 低温 限度角度： 高压 限度角度： 无影响 压强 催化剂 \ 环节二：选择反应条件 浓度 温度 【实验结果】 （1） 高压、 低温的反应条件提高产率 \ 环节二：选择反应条件 高压条件对设备提出了苛刻的要求， 而反应温度的降低势必延长达到化 学平衡的时间， 致使生产效率降低， 失去工业化生产的意义。 八 （1） 高压、 低温的反应条件提高平衡产率 （2） 在一定温度、 压强下， 反应物氮气、氢气的物质的量之比为1:3时， 平衡混合 物中氨的含量最高。 \ 环节二：选择反应条件 【实验结果】 二、 反应速率角度分析反应条件 N2 + 3H2 ⇌2NH3 v =kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3) 限度角度： 增大N2 、H2 的浓度 及时转移走NH3 速率角度： 高温 速率角度： 高压 速率角度： 使用 压强 催化剂 \ 环节二：选择反应条件 浓度 温度 选择合成氨的条件时， 既不能片面地追求高转化率， 也不能只追求高反应速率， 而应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。 经济层面 经济效益最优 原料价格、 循环利用或副产物尽可能有经济效益等 质量层面 主产物纯度高 流程中注意除杂， 产物和反应物分离方式简单 开设合成氨工厂， 生产时应该考虑哪些方面的问题？ 限度层面 提高转化率 在固定投料比的情况下反应物转化率最优化 速率层面 提高反应速率 在单位时间内获得最优产量 \ 环节二：选择反应条件 多 快 好 省 催化剂 /种类 特点 最适温度 性质 来源 价格 锇 500-600℃ 难加工 易被空气氧化 稀有金属 世界上储量极少 高昂 铀-碳化铀 600℃ 不稳定 对水敏感 放射性元素 稀少 高昂 铁触媒 400-500℃ 稳定 地壳中含量多 较为廉价 三、 综合分析反应条件 1. 催化剂的选择 \ 环节二：选择反应条件 在较高温度时， 平衡常数几乎无差异， 因此在工业生产中我们就要优先考虑要提高单位时间的产率， 用较高温度提高反应速率， 且保证催化剂发挥活性。 反应温度 平衡常数 298K 4. 1 × 105 623K 1.874 673K 0.507 723K 0. 152 873K 0.009 2. 温度的选择 结论： 实际生产中温度一般选择在700K左右。 \ 环节二：选择反应条件 催化剂催化能力较好 无明显差异 结论： 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。 实际生产中有低压 （10 MPa） 、 中压 （20-30 Mpa） 、 高压 （85～ 100 MPa） · 增大压强既能加快反应速率， 又能增大 · 3. 压强的选择 反应限度， 压强是否越大越好? 表2-2 不同条件下,合成氨反应达到化学平衡时反应混合物中的氨的含量(体积分数) \ 环节二：选择反应条件 （1） 在氮气和氢气的物质的量比为 1： 3时， 平衡转化率最大， 但是生产 中选择氮气和氢气的物质的量为1:2.8。 ①热力学 （平衡移动） 角度 :原料气中N2， 相对易得， 适度过量有利于提高H2转化率。 4. 浓度的选择 v =kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3) 图： NH3 的平衡体积分数随投料比变化的曲线 \ 环节二：选择反应条件 扩散-吸附-表面反应-脱附-扩散 \ 环节二：选择反应条件 研究发现， N2 的吸附分解活化能最大， 是决速步骤 动力学 （反应速率） 角度： N2在Fe 催化剂上的吸附分解是决速步骤， 适度过量有利于保证氮气占有一定份额的催化剂活性中心并提高吸附速率。 n(N2):n(H2)=1:3时平衡转化率最高， 根据催化机理解释为什么调n(N2):n(H2)=1:2.8? 4. 浓度的选择 （1） 在氮气和氢气的物质的量比为1： 3时， 平衡转化率最大， 但 是生产中选择氮气和氢气的物质的量为1:2.8。 ①热力学 （平衡移动） 角度 :原料气中N2， 相对易得， 适度过量有利 于提高H2转化率。 ②动力学 （反应速率） 角度 :N2在Fe 催化剂上的吸附分解是决速步骤，适度过量有利于保证氮气占有一定份额的催化剂活性中心并提高吸附速率。 \ 环节二：选择反应条件 4. 浓度的选择 （2） 及时从体系中分离氨气。 ①热力学角度： 减小氨气浓度， 使反应正向进行， 增大产率。 ②动力学角度： 提高氨的脱附速率， 以空出活性中心供继续合成氨使用。 \ 环节二：选择反应条件 ① n(N2):n(H2)=1:2.8 ② 使用铁催化剂 ③ 温度： 700 K(400~500 ℃) ④ 压强: 有低压 （10 MPa） 、 中压 （20-30 Mpa） 、 高压 （85~100 MPa） ⑤ 将氨及时分离出来， 原料气循环使用 4. 浓度的选择 （3） 将氨分离后的原料气循环使用。 提高转化率 （4） 及时补充氮气和氢气， 使反应物保持一定的浓度。 提高速率， 促进反应正向进行 \ 环节二：选择反应条件 小结：工业合成氨的条件 【工业合成氨的生产流程】 造气 制造氮气和氢气 1. N2:来自于空气， 分离液态空气法获取N2 2. H2:来自天然气、 煤和炼油产品 以天然气为原料时， 反应可简单表示为：造气过程中产生的CO等气体会造成催化剂中毒 \ 环节三：工艺改进与工业流程 净化 消除造气过程中夹带的杂质， 防止催化剂中毒。 合成氨 包括氨的分离， 氮气、 氢气的循环使用， 利用反应产生的热预热反应器等。 \ 环节三：工艺改进与工业流程 造气过程中 合 氨 包括氨的分离反应产生 的杂 ， 防止催化剂中毒 氮气 氢气的循环使用， 利用热反应器等 利用合成氨反应放出的热量预热N2 、 H2利于合成； 降低NH3 出 气温度， 利于NH3 分离 \ 环节三：工艺改进与工业流程 原料气循环使用，提高NH3产率 课本p88 合成氨 造气 净化 1.合成氨反应为N2(g)＋3H2(g) ⇌ 2NH3(g) ΔH ＝－92.2 kJ·mol－ 1， K = 6.6 × 105 mol－2 ·L2。 (1)从平衡常数来看， 反应的限度已经很大了， 还需要使用催化剂的原因是为了加快化学反应速率_，提高单位时间内的产量_。 (2)试分析实际生产中采取700K左右的温度的原因是_温度高于700 K，_会使平衡逆向移动_，反应物的转化率降低_，_温度低于700 K_，__反_应_速__率小_，并且在此温度时_，催化剂的活性最大_，_有利于提高单位时间___内的产量__。 (3)压强越大越有利于合成氨反应的平衡正向移动， 提高反应速率， 而实际采用的最高压强为8.5×107～1× 108 Pa， 不采用更高的压强， 其原因是___实际生产_中_，__从动力_消耗、_设备要求、_生产_成本综合考虑，_ _不_是_压_强_越_大_越_好_。 ( 4 )N 2 和 H2 原 料 气 在 送 入 合 成 塔 之 前 必 须 先 净 化 的 主 要 原 因 是_防_止_催_化_剂_中_毒_。 (5)在合成氨生产中采取循环利用的原因是_合成氨的平衡转化率较小， _为_提_高_原_料_的_利_用_率_采_取_循_环_操_作__。 $