1、第4节 化学反应条件的优化 工业合成氨鲁科版（2019） 选择性必修1化学反应原理第2章 化学反应的方向、限度与速率 随着工业革命的进行，世界人随着工业革命的进行，世界人口的规模呈爆炸式增长，需要的更口的规模呈爆炸式增长，需要的更多的粮食。农作物的生长不可或缺多的粮食。农作物的生长不可或缺的营养元素是的营养元素是氮、磷、钾氮、磷、钾，其中对，其中对氮氮元素的需求是最大的。早在元素的需求是最大的。早在18981898年，英国物理学家克鲁克斯就提出年，英国物理学家克鲁克斯就提出“向空气要氮肥向空气要氮肥”的设想。的设想。阅读资料根据你所学过的知识，能否设计出反应实现这样的设想？说根据你所学过的知识
2、，能否设计出反应实现这样的设想？说说你的理由。说你的理由。思考：这两个反应如何选择？理论依据是什么？N2 + 3H2 2NH3N2 + O2 2NO你还需要哪些资料、数据？环节一：设计合适的反应化学反应N2 + 3H2 2NH3N2 + O2 2NO焓变H = - 92.2 kJmol-1H = + 90.25 kJmol-1熵变S = -198.2 Jmol-1K-1S = +12.4 Jmol-1K-1化学反应N2 + 3H2 2NH3N2 + O2 2NO温度298K298K平衡常数4.1 1053.8 10-31常温常压下：小结：化学反应的选择方向： H - TS 0 反应可自发进行限
3、度： 10-5 K 105 可逆反应 可调控环节二：理论分析合成氨条件的选择N2 + 3H2 2NH3提问：如何选择合成氨的条件？选择条件选择依据温度高温度低压强大提高氮气浓度分离出氨气催化剂速率大速率小平衡正移平衡正移平衡正移平衡正移速率大速率大？速率大平衡逆移无影响速率大反应限度反应速率H 0 vg 0压强的选择通过分析，合成氨的反应vg 0，即，气态物质系数减小的气体反应，压强的增大既可以使反应方向正向移动，也可以增大反应速率。压强可以无限度的增大吗？疑问:原料比例对合成氨反应产率的影响理论上：氮气与氢气的比例达到约1:3时，混合气中产物氨的含量最大！资料:N2 + 3H2 2NH3H
4、0反应温度（K）平衡常数298K（25C）4.1 105623K（350C）1.874673K（400C）0.507723K（450C）0.152873K（600C）0.009温度的选择此时，在工业生产中我们就要优先考虑要提高单位时间的产率条件Ea/kJmol-1无催化剂335使用铁催化剂167使用催化剂可使合成氨反应的速率提高3.41012（3.4万亿）倍！催化剂对合成氨反应速率的影响通常700K左右时，铁催化剂的效果最好。不同温度下催化剂对合成氨反应速率的影响小结：调控化学反应化学平衡反应速率工业生产时，更多的要考虑提高单位时间的产率，即生产效率！寻找以较高的反应速率获得适当的平衡转化率的
5、条件。综合考虑合成氨的大致适宜条件：高温、高压、催化剂、适宜的氮氢比（1:3）环节三：合成氨工业生产的条件合适的催化剂：铁催化剂温度：450C（723K）左右压强：2050MPa原料气浓度比 氮氢投料比：1:2.8，不断补充氮气和氢气，及时分离出氨气三明三化合成氨厂一景环节三：合成氨工业生产的条件思考：温度选择450C（723K）的原因？压强为什么选择2050MPa？氮氢投料比为何选择1:2.8，而不是理论上的1:3？环节四：合成氨工业生产的反应历程氮气的吸附分解所需的活化能最高，是反应速率的速控步！为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，要适当提高氮气的比例。1909年，弗里茨
6、哈珀发明的合成氨装置2009年，三明三化现代合成氨装置锇(Os)催化剂500600C17.520MPa平衡时，氨的含量约6%铁催化剂450C（723K）2050MPa氮氢投料比控制在1:2.8平衡时，氨的含量约20%一种稀有贵金属未 反 应 的 氮气 和 氢 气 如何处理？环节五：工业合成氨的生产工艺、价格原料气（氮气、氢气）的循环利用，有效解决了平衡产率低的问题。来源？价格？三明三化合成氨厂压三明三化合成氨厂压缩机厂房缩机厂房获得原料气： N2 由空气液化，依据空气中各成分的沸点不同，蒸发得到 H2 煤、焦炭、与水蒸气或甲烷与水蒸气反应得到产品：产品纯度价格液氨99.99%2400元/吨左右氨水1822%800900元/吨思考问题：合成氨工业未来的发展方向？环节五：工业合成氨的生产工艺、价格调控化学反应化学平衡c、T、P反应速率c、T、P催化剂综合考虑总结催化剂：提高速率最有效的手段温度：会影响催化效率压强：由设备、材料承受极限决定寻找以较高反应速率获得适当平衡转化率的条件投料：由具体条件不断改进而确定欢迎批评指正！
