化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化-工業(yè)合成氨 詳細(xì)版課件

1、1. 了解應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理分析合成氨的條件。2通過對合成氨適宜條件的分析，認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在工業(yè) 生產(chǎn)中的重要作用。 第三節(jié) 化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化工業(yè)合成氨1合成氨反應(yīng)是一個 反應(yīng)，同時也是氣體的物質(zhì)的量 的反應(yīng)。因此， 溫度、 壓強將有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動，在一定的溫度、壓強下，反應(yīng)物氮氣、氫氣的體積比為 時，平衡混合物中氨的含量最高。2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：。放熱減小降低增大13vkc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)由此可知，合成氨反應(yīng)的速率與氨氣濃度的 次方成 。在反應(yīng)過程中，隨著氨的濃度的 ，反應(yīng)速率

2、會逐漸 ，因此為了保持足夠高的反應(yīng)速率應(yīng)適時將 從混合氣中分離出來。使用 可以使合成氨的反應(yīng)速率提高上萬億倍，溫度 ，反應(yīng)速率 。3工業(yè)上，氮氣與氫氣合成氨的反應(yīng)是在 表面上進(jìn)行的。這是一個復(fù)雜的過程，一般要經(jīng)歷 ，在 、發(fā)生 、產(chǎn)物從催化劑表面 、產(chǎn)物 離開反應(yīng)區(qū)等五個步驟。1正比增大減小催化劑越高越大催化劑反應(yīng)物擴散至催化劑表面催化劑表面被吸附表面反應(yīng)脫離擴散氨4目前，合成氨生產(chǎn)中一般選擇 作為催化劑，控制反應(yīng)溫度在 左右；根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強，大致可分為 (1107 Pa)，中壓(21073107 Pa)和 (8.51071108 Pa)三種類型，通常采用的氮氣

3、與氫氣的分壓為 的投料比。在目前的工藝條件下合成氨廠出口氣中的氨含量一般為 。鐵觸媒700K低壓高壓12.813%14%【議一議】1化學(xué)反應(yīng)速率快，轉(zhuǎn)化率一定高嗎？答：化學(xué)反應(yīng)速率是描述反應(yīng)進(jìn)行快慢的物理量，反應(yīng)快但轉(zhuǎn)化率 不一 定高，但是單位時間內(nèi)產(chǎn)物的產(chǎn)量大。2在合成氨的適宜條件中，500采用2107 Pa5107 Pa 使用催化劑。其中符合勒夏特列原理的是什么？ 答：符合平衡移動原理的只有壓強。3增大反應(yīng)物濃度，可以增大反應(yīng)速率，也可以使平衡向正反應(yīng)方向移動，在合成氨工業(yè)中，常采用過量的N2還是過量的H2?答：由于N2比H2容易獲得，所以常使用過量的N2以增大H2的轉(zhuǎn)化率?！纠?】 下列

4、事實不能用勒夏特列原理解釋的是()A溫度過高對合成氨不利B合成氨在高壓下進(jìn)行是有利的C高溫及加入催化劑都能使合成氨的反應(yīng)速率加快D增加N2的濃度可提高平衡混合物中NH3的含量解析：勒夏特列原理即化學(xué)平衡移動原理。引起化學(xué)平衡移動的因素主要是濃度、壓強、溫度等，這些因素對化學(xué)平衡的影響都可用勒夏特列原理來概括，催化劑不能引起化學(xué)平衡移動，只能引起反應(yīng)速率的變化，勒夏特列原理不包括反應(yīng)速率的變化規(guī)律。答案：C1化工生產(chǎn)適宜條件的選擇原則化工生產(chǎn)選擇適宜條件的目的是盡可能加快反應(yīng)速率和提高反應(yīng)進(jìn)行的程度，節(jié)約能源和成本。依據(jù)外界條件對反應(yīng)速率及化學(xué)平衡影響的規(guī)律，其原則是：(1)對任一可逆反應(yīng)，增大

5、反應(yīng)物濃度，能提高反應(yīng)速率和部分(或全部)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。實際生產(chǎn)中常利用提高廉價易得原料的濃度來提高另一原料的轉(zhuǎn)化率，如合成氨中N2過量、工業(yè)制硫酸中O2過量等。(2)對氣體分子數(shù)減少的反應(yīng)，增大壓強既能提高反應(yīng)速率又能使平衡正方向移動。但壓強越大，對設(shè)備和材料的強度要求及動力消耗就越高，使成本增加，故應(yīng)綜合考慮，選擇適當(dāng)?shù)膲簭姟?3)對放熱反應(yīng)，升溫雖能提高反應(yīng)速率，但轉(zhuǎn)化率降低；若溫度太低，轉(zhuǎn)化率雖然較高，反應(yīng)速率又太慢，故需要選擇適當(dāng)?shù)臏囟?，能在較低的溫度下較快的反應(yīng)。對吸熱反應(yīng)，升溫既能提高反應(yīng)速率又能提高轉(zhuǎn)化率，但要防止反應(yīng)物或生成物的過熱分解和設(shè)備成本。(4)使用催化劑可大大提高

6、反應(yīng)速率，但不影響化學(xué)平衡，使用時必須注意其活性溫度范圍，并防止催化劑“中毒”。2合成氨工業(yè)的簡要流程合成氨工業(yè)的簡要流程可用方框圖表示為：(1)原料氣的制取N2：將空氣液化、蒸發(fā)分離出N2或者將空氣中的O2與碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。H2：用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然氣等)在高溫下制取。用煤和水制H2的主要反應(yīng)為：CH2O(g) COH2COH2O(g) CO2H2(2)制得的N2、H2需凈化、除雜質(zhì)，再用壓縮機壓縮至高壓。(3)氨的合成：在適宜的條件下，在合成塔中進(jìn)行。(4)氨的分離：經(jīng)冷凝使氨液化，將氨分離出來，提高原料的利用率，并將沒有完全反應(yīng)的N2和H2循環(huán)送入合成塔

7、，使其充分被利用。1在一定條件下，合成氨反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時，再進(jìn)行如下操作，平衡不發(fā)生移動的是()A恒溫、恒壓時，充入NH3 B恒溫、恒容時，充入N2C恒溫、恒壓時，充入He D恒溫、恒容時，充入He解析：A、B均是改變一種反應(yīng)物或生成物的濃度，平衡要移動；C中通入He，體積增加，反應(yīng)體系中各成分的分壓減小，平衡向逆反應(yīng)方向移動；D中通入He，反應(yīng)體系中各成分的分壓不變，平衡不移動。答案：D2有關(guān)合成氨工業(yè)的下列說法中，正確的是()A從合成塔出來的混合氣體，其中NH3只占15%，所以生產(chǎn)氨的工廠的效率都很低B由于氨易液化，N2、H2在實際生產(chǎn)中是循環(huán)使用的，所以總體來說氨的產(chǎn)率很高C合成氨

8、工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在500，目的是使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動D合成氨廠采用的壓強是20 MPa50 MPa，因在該壓強下鐵觸媒的活性最大解析：本題考查了合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)知識，需要從反應(yīng)速率和化學(xué)平衡兩個角度理解合成氨反應(yīng)的條件選擇。合成氨工業(yè)中從合成塔出來的混合氣體，NH3只占15%，但由于分離出NH3后，N2和H2可循環(huán)使用，所以總體來說氨的產(chǎn)率是很高的，則A說法錯誤，B說法正確；合成氨工業(yè)的反應(yīng)溫度控制在500左右而不選擇常溫，是為了加快反應(yīng)速率，且催化劑鐵觸媒在500時催化活性最高，C說法錯誤；合成氨的反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，增大壓強主要是為了使平衡向正反應(yīng)方向移動，與催化劑活性無關(guān)，

9、D說法錯誤。答案：B3如下圖所示是工業(yè)合成氨的簡單流程示意圖：沿X路線回去的物質(zhì)是()AN2和H2 B催化劑 CN2 DH2解析：合成氨的工藝流程中，從合成塔出來的混合氣體，經(jīng)過降溫，分離出液氨，未反應(yīng)的N2、H2可以循環(huán)使用，以提高原料的利用率。答案：A【例題】 可用右面示意圖表示的是()選項反應(yīng)縱坐標(biāo)甲乙ASO2與O2在同溫、同體積容器中反應(yīng)SO2的轉(zhuǎn)化率2 mol SO2和1 mol O22 mol SO2和2 mol O2B2 mol SO2與1 mol O2在同溫、可變體積容器中反應(yīng)SO2的轉(zhuǎn)化率1106 Pa1105 PaC相同質(zhì)量氨，在同一固定容積容器中反應(yīng)氨氣的濃度400500

10、D體積比13的N2、H2在體積可變的恒壓容器中反應(yīng)氨氣的濃度活性高的催化劑活性一般的催化劑審題視點：1.題目中曲線是某未知量與時間關(guān)系，從圖中知，乙達(dá)到平衡的時間短，反應(yīng)速率快。2甲和乙處于不同的平衡狀態(tài)。3SO2和O2合成SO3、N2和H2合成氨的反應(yīng)特點及外部條件對反應(yīng)的影響。思路點撥：A項中乙的SO2平衡轉(zhuǎn)化率比甲的SO2平衡轉(zhuǎn)化率應(yīng)該更大，故A項錯；壓強大的甲應(yīng)更先達(dá)到平衡，故B項錯；C項中NH3的平衡濃度在高溫下會更低，且更早達(dá)到平衡，故C項正確；催化劑不能影響NH3的平衡濃度，故D項錯。正確答案：C 錯因分析不能正確分析圖像的變化。不能正確運用化學(xué)平衡移動原理分析實際問題。 【例題

11、】 (12分)(2009廣東單科，20)甲酸甲酯水解反應(yīng)方程式為：HCOOCH3(l)H2O(l) HCOOH(l)CH3OH(l)H0某小組通過實驗研究該反應(yīng)(反應(yīng)過程中體積變化忽略不計)。反應(yīng)體系中各組分的起始量如下表：組分HCOOCH3H2OHCOOHCH3OH物質(zhì)的量/mol1.001.990.010.52甲酸甲酯轉(zhuǎn)化率在溫度T1下隨反應(yīng)時間(t)的變化見下圖： (1)根據(jù)上述條件，計算不同時間范圍內(nèi)甲酸甲酯的平均反應(yīng)速率，結(jié)果見下表： 反應(yīng)時間范圍/min05101520253035404550557580平均反應(yīng)速率/ (103 molmin1)1.97.47.84.41.60.8

12、0.0請計算1520 min范圍內(nèi)甲酸甲酯的減少量為_mol，甲酸甲酯的平均反應(yīng)速率為_molmin1(不要求寫出計算過程)。(2)依據(jù)以上數(shù)據(jù)，寫出該反應(yīng)的反應(yīng)速率在不同階段的變化規(guī)律及其原因：_。(3)上述反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為：K 則該反應(yīng)在溫度T1下的K值為_。(4)其他條件不變，僅改變溫度為T2(T2大于T1)，畫出溫度T2下甲酸甲酯轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時間變化的預(yù)期結(jié)果示意圖。 1. 溫度、濃度、壓強和催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響在實際化工生產(chǎn)中都是為了在單位時間內(nèi)產(chǎn)生最大經(jīng)濟效益為目的。而外界條件的改變可能不利于平衡向生成物的方向移動。2. 該反應(yīng)中幾個表格和圖像明確表明了反應(yīng)中各物質(zhì)的變

13、化情況，所以要充分利用這些圖表。(1)15 min時甲酸甲酯轉(zhuǎn)化率為6.7%,20 min時甲酸甲酯轉(zhuǎn)化率為11.2%，則其減少量為：1.0011.2%1.006.7%0.045 mol。平均反應(yīng)速率為：9103 molmin1(2)由表中數(shù)據(jù)及(1)中計算出的1520 min的平均反應(yīng)速率可知，反應(yīng)前期反應(yīng)速率增加，隨著反應(yīng)的進(jìn)行反應(yīng)速率增加更快，反應(yīng)后期反應(yīng)速率又減小。結(jié)合影響反應(yīng)速率的因素可推測是反應(yīng)中生成的甲酸具有催化作用。反應(yīng)初期生成甲酸量少，催化效果不明顯，反應(yīng)速率較慢，隨著生成甲酸量增多，催化效果顯著，反應(yīng)速率明顯增大，到反應(yīng)后期，濃度對反應(yīng)速率的影響起主導(dǎo)作用，使反應(yīng)速率減小。(3)平衡時甲酸甲酯轉(zhuǎn)化率為24.0%，則HCOOCH3H2O HCOOHCH3OH起始量 1.00 1.99 0.01 0.52反應(yīng)量 0.24 0.24 0.24 0.24平衡量 0.76 1.75 0.25 0.76則K 0.14 (4)升高溫度，反應(yīng)速率加快，達(dá)到平衡時間短；該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度時平衡向正反應(yīng)方向移動，故T2比T1溫度下甲酸甲酯轉(zhuǎn)化率要高；抓住這兩點，則不難畫出示意圖。 (1)0.0459.0103(2)該反