化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化---工業(yè)合成氨

1、新華網(wǎng)銀川月日下午，寧夏捷美豐友化新華網(wǎng)銀川月日下午，寧夏捷美豐友化工有限公司發(fā)生工有限公司發(fā)生氨氣氨氣泄漏事故。事故共造成泄漏事故。事故共造成人中毒，其中，輕微中毒人，中度人中毒，其中，輕微中毒人，中度中毒中毒2人，重度中毒人。人，重度中毒人。化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨氨的用途化肥致冷劑醫(yī)藥纖維炸藥染料你知道從發(fā)現(xiàn)氨氣到實(shí)現(xiàn)氨氣的工業(yè)化生產(chǎn)經(jīng)歷了多長(zhǎng)時(shí)間嗎？自1784年發(fā)現(xiàn)氨氣以后，直到1913年才實(shí)現(xiàn)了氨氣的工業(yè)化生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)努力，幾十年后建造了氨氣日生產(chǎn)能力1000噸的大型裝置。氨的生產(chǎn)設(shè)備氨的生產(chǎn)設(shè)備【交流研討1】l化學(xué)反應(yīng)限度-原料利用率l化學(xué)反應(yīng)的速率-單位時(shí)間的產(chǎn)量l實(shí)際生產(chǎn)中

2、的能源消耗、設(shè)備條件、環(huán)境保護(hù)等因素通常從哪幾個(gè)角度分析一個(gè)可逆的化學(xué)反應(yīng)的工業(yè)化生產(chǎn)條件？氨的生產(chǎn)設(shè)備反應(yīng)N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)看起來(lái)十分的簡(jiǎn)單，為什么合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)會(huì)經(jīng)歷如此漫長(zhǎng)的過(guò)程？合成氨工廠為什么需要那么龐大而復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備和特殊的生產(chǎn)條件？聯(lián)想質(zhì)疑一、合成氨反應(yīng)的限度【交流研討2】已知合成氨反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)：N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)298K時(shí): H= -92.2KJmol-1 S = -198.2JK-1mol-1請(qǐng)根據(jù)反應(yīng)的焓變和熵變分析，298K下合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行？分析該反應(yīng)的特點(diǎn)，利用化學(xué)平衡移動(dòng)的知識(shí)分析什么條件有利于氨的合成。

3、l可逆反應(yīng)l正反應(yīng)為放熱反應(yīng)l正反應(yīng)氣體物質(zhì)的量減小提高反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率（平衡）的條件分析【歸納總結(jié)】二、合成氨反應(yīng)的速率二、合成氨反應(yīng)的速率實(shí)驗(yàn)研究表明，在特定條件下，合成氨反應(yīng)的速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度的關(guān)系式為： v=kc(N2)c1.5(H2) c-1(NH3) 期中【交流研討3】 根據(jù)下面提供數(shù)據(jù)，你認(rèn)為可以通過(guò)控制哪些反應(yīng)條件來(lái)提高合成氨反應(yīng)的速率？催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響催化劑對(duì)合成氨反應(yīng)速率的影響合成氨的條件選擇升溫還是降溫？壓強(qiáng)是否越大越好？最適宜的N2與H2的物質(zhì)的量之比是多少？是否使用催化劑？【交流研討4】在實(shí)際工業(yè)中應(yīng)該如何選擇該反應(yīng)的條件呢？請(qǐng)根據(jù)下表所給數(shù)據(jù)進(jìn)行分

4、析。工業(yè)合成氨混合氣中氨的體積工業(yè)合成氨混合氣中氨的體積分?jǐn)?shù)與壓強(qiáng)和溫度的關(guān)系分?jǐn)?shù)與壓強(qiáng)和溫度的關(guān)系壓強(qiáng)越大對(duì)設(shè)備的要求越高、能耗高，成本高溫度太低，反應(yīng)速率太??；溫度太高催化劑會(huì)失去活性，且能耗高。但是，實(shí)際生產(chǎn)中，氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量之比是采用1:2.8而不是1:3，請(qǐng)根據(jù)所提供材料分析，這是為什么？小資料：小資料：工業(yè)上，合成氨的反應(yīng)是在催化劑表面工業(yè)上，合成氨的反應(yīng)是在催化劑表面上進(jìn)行的。這一過(guò)程一般要經(jīng)歷反應(yīng)物擴(kuò)散至催上進(jìn)行的。這一過(guò)程一般要經(jīng)歷反應(yīng)物擴(kuò)散至催化劑表面、在催化劑表面被吸附、發(fā)生表面反應(yīng)、化劑表面、在催化劑表面被吸附、發(fā)生表面反應(yīng)、產(chǎn)物從催化劑表面脫附、產(chǎn)物擴(kuò)散離開(kāi)五個(gè)

5、步驟。產(chǎn)物從催化劑表面脫附、產(chǎn)物擴(kuò)散離開(kāi)五個(gè)步驟。其中，第一步氮的吸附分解所需活化能最高，是其中，第一步氮的吸附分解所需活化能最高，是控制總反應(yīng)速率的關(guān)鍵步驟。控制總反應(yīng)速率的關(guān)鍵步驟。【交流研討5】【歸納總結(jié)】工業(yè)合成氨的適宜條件根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來(lái)選擇壓強(qiáng)，一般分為低壓（1107Pa)、中壓（21073107Pa) 、高壓（8.5107 1108Pa)三種類(lèi)型700K左右；熱量回收，綜合利用使用鐵催化劑N2和H2的物質(zhì)的量比為1:2.8；氨應(yīng)及時(shí)從混合氣中分離；未反應(yīng)的原料氣應(yīng)循環(huán)使用我國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展l1949年生產(chǎn)能力不到6000噸l2000年產(chǎn)量達(dá)到3363.7萬(wàn)

6、噸l2010年1-5月總產(chǎn)量累計(jì)2229.5674萬(wàn)噸閱讀以下材料，預(yù)測(cè)合成氨工業(yè)的研究方向。小材料：小材料：合成氨工業(yè)需要高溫、高壓的反應(yīng)條合成氨工業(yè)需要高溫、高壓的反應(yīng)條件，而且催化劑容易中毒、使用壽命不長(zhǎng)。但在件，而且催化劑容易中毒、使用壽命不長(zhǎng)。但在自然界里，據(jù)估計(jì)，由于生物固氮酶催化劑（如自然界里，據(jù)估計(jì)，由于生物固氮酶催化劑（如根瘤菌）的作用，在常溫、常壓下每年可以從空根瘤菌）的作用，在常溫、常壓下每年可以從空氣中將氣中將1 1億噸氮固定下來(lái)。億噸氮固定下來(lái)。使合成氨反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行，并且具有較強(qiáng)抗毒能力的催化劑；仿生固氮酶催化劑 浙江工業(yè)大學(xué)劉化章教授研究出浙江工業(yè)大學(xué)劉化章

7、教授研究出ZA5ZA5型低溫低型低溫低壓合成氨催化劑，能使合成氨反應(yīng)溫度降低至壓合成氨催化劑，能使合成氨反應(yīng)溫度降低至15251525，操做壓強(qiáng)降低至，操做壓強(qiáng)降低至2-3MP2-3MP，大大降低生，大大降低生產(chǎn)成本，因此此項(xiàng)發(fā)明獲得了浙江省科技進(jìn)步一等產(chǎn)成本，因此此項(xiàng)發(fā)明獲得了浙江省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。獎(jiǎng)。【問(wèn)題歸納】l化學(xué)反應(yīng)限度-原料利用率l化學(xué)反應(yīng)的速率-單位時(shí)間的產(chǎn)量l實(shí)際生產(chǎn)中的能源消耗、設(shè)備條件、環(huán)境保護(hù)等因素通常從哪幾個(gè)角度分析一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的工業(yè)化生產(chǎn)條件？實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)又如何選擇條件呢？l基本原則：尋找以較高的反應(yīng)速率獲得適當(dāng)平衡轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)條件，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件綜合考慮。l一般

8、要使用催化劑：這樣可以大大加快化學(xué)反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，也提高了經(jīng)濟(jì)效益。l選擇合適的溫度：該溫度是催化劑活性最大的溫度。l選擇合適的壓強(qiáng)：既要考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡，還要考慮動(dòng)力、材料、設(shè)備等。一般性可逆反應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)條件的選擇方法【交流研討6】已知二氧化硫的催化氧化反應(yīng)是工業(yè)制硫酸的重要反應(yīng)，請(qǐng)根據(jù)下表SO2轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)分析在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該選擇什么樣的反應(yīng)條件？注：常見(jiàn)催化劑為V2O5，適宜溫度400500溫度400500；常壓化學(xué)熱化學(xué)熱力學(xué)力學(xué)化學(xué)動(dòng)化學(xué)動(dòng)力學(xué)力學(xué)化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的方向的方向化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的限度的限度化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的速率的速率合成氨反合成氨反應(yīng)能否自應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行發(fā)進(jìn)行？怎樣能促怎樣能促使化學(xué)平使化學(xué)平衡向合成衡向合成氨方向移氨方向移動(dòng)動(dòng)？怎樣能提怎樣能提高合成氨高合成氨反應(yīng)速率反應(yīng)速率？適宜的合成氨條件適宜的合成氨條件工藝流程工藝流程化學(xué)工藝學(xué)高壓對(duì)設(shè)備材質(zhì)、加工制造的要求、溫度的催化劑活性的影響等【概括整