资源简介

(共37张PPT)
人工固氮——合成氨
工业合成氨介绍
合成氨工业的价值
工业合成氨的发展史
合成氨的工业生产条件优化
归纳小结、拓展延伸
课堂训练
工业合成氨介绍
【拓展视野】
19世纪以前，有远见的化学家曾指出：考虑到将来的粮食问题，为使子孙后代免于饥饿，必须寄希望于科学家能实现大气固氮——将空气中丰富的氮固定下来并转化为可被利用的形式。德国化学家哈伯在1913年实现了合成氨的工业生产，满足了20世纪人口由30亿增至60亿对粮食的需求，因此人们赞扬哈伯是“用空气制造面包的圣人”。
弗里茨·哈伯
工业合成氨的条件优化
工业合成氨
合成氨工业是基本无机化工之一。
①农业对化肥的需求是合成氨工业发展的持久推动力。
②与能源工业关系密切。合成氨生产通常以各种燃料为原料，同时生产过程还需燃料供给能量,因此,合成氨是一种消耗大量能源的化工产品。
③工艺复杂、技术密集。氨合成是在高压高温和催化剂存在下进行的，为气固相催化反应过程。
工业合成氨的发展史
从哈勃法到走出实验室的历程
哈伯首先探索合成氨的最佳物理化学条件，终于在 1909 年在600C的高温、200个大气压和铁触媒为催化剂的条件下，能得到产率约为8%的合成氮。随后又成功地设计了原料气的循环工艺
实验室到工业
自从1909年哈伯研究成功工业氨合成方法以来，合成氨工业已走过93年历程近年来合成氨工业发展很快，大型化、低能耗、清洁生产成为了合成氨装置发展主流；
合成氨的发展
哈伯的合成氨的设想在1913 年得以实现，一个日产30吨的合成氨工厂建成并投产。从此合成氨成为化学工业中发展较快，十分活跃的一个部分。
走出实验室
合成氨的生产方法不仅开辟了获取固定氮的途径，更重要的是这一生产工艺的实现对整个化学工艺的发展产生了重大的影响。反过来又推动了科学理论的发展；
合成氨对化工的贡献
1909
进步
1913
意义
1909
合成氨工业生产你将主要考虑哪些问题？
假设你是一个氨厂的厂长，对于合成氨工业生产你将主要考虑哪些问题？
分析：合成氨反应有怎样的特点呢？
反应特点
可逆
正反应为 反应
正反应为气体体积
反应
放热
减小
合成氨的工业生产条件优化
解决问题的路径：
怎么快？
怎么多？
解决问题的方法：
速率快，提高速率的办法
限度大，提高可逆反应的转化率
假设你是一个氨厂的厂长，对于合成氨工业生产你将主要考虑哪些问题？
合成氨的工业生产条件优化
分享从速率的角度选择条件
1.增大压强
2.升高温度
3.加催化剂
4.增大浓度
进步
分享从限度的角度选择条件
1.增大压强
2.升高温度
3.催化剂对限度无影响
4.增加反应物浓度，减小生成物浓度
无影响
使用催化剂
催化剂
增大浓度
增大浓度
反应物浓度
低温
高温
温度
高压
高压
压强
平衡分析
（使NH3产生的多）
反应速率分析
（使NH3产生的快）
分析角度
反应条件
合成氨的反应
矛盾
应用化学反应速率和平衡原理综合考虑：
问题（1）：如果你是一个工程师，如何面对从理论上分析温度对于限度和速率的影响相互矛盾的问题？
【分析】
①因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于平衡正向移动。
②可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。
③催化剂要在一定温度下催化活性最大。
知识海洋
合成氨的工业生产条件优化
解题通法
速率和限度是工业生产需要考虑的两大核心因素，我们需要统筹兼顾，当二者发生矛盾时，优先调控反应速率，并遵循催化剂活性最大化的原则。
2、高温反应速率快，低温平衡转化率高，究竟温度如何选择？
温度如何选择？
此时速率较快,转化率适中，催化剂活性最大。
适宜温度 700K 左右
得出结论
【分析】
①合成氨反应是气态物质系数减小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能使平衡正向移动，所以理论上压强越大越好。
②但是压强越大，对设备的要求高、压缩H2和N2所需要的动力大，因此选择压强应符合实际科学技术。
知识海洋
问题（2）：如果你是一个工程师，面临高温高压条件下，氢气会与碳钢中的碳反应生成甲烷，使碳钢变“脆”、破裂的情况下，如何选择工业合成氨的压强呢？
综合以上两点：根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强。实际生产中压强一般选择在200～500大气压之间。
活动 合成氨的工业生产条件优化
1、增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，压强是否越大越好？
据反应器的钢材质量及综合指标确定。此压强时有利于氨的合成，对动力、材料强度、设备制造要求适中。
高压 107~108 Pa
压强如何选择？
不是
得出结论
螺栓
法兰盘
接触室
接触室中心管
架板
热交换室
列管
顶盖
氮氢混合气体
铁触媒（还原铁＋少量K2O、Al2O3）
塔体
绝热层
内筒
底盖
氨和氮、氢的混合气
为了满足高温、高压的双重要求，合成塔由内件和外筒两部分组成。内件用（Ni、Cr）不锈钢制作，耐500℃高温和腐蚀，不承受压力；外筒用低碳合金钢或优质碳钢制成，承受高压。
知识海洋
活动 合成氨的工业生产条件优化
3、在合成氨工业中要不要使用催化剂？为什么？
使用铁触媒作催化剂
使用催化剂可使工业合成氨反应的速率提高上万亿倍。
得出结论
知识海洋
问题(3)：锇、铂系重金属元素，102元每克，锇金属粉末可自燃，空气中加热易氧化生成剧毒的四氧化锇。锇蒸汽有剧毒，会强烈的刺激人的眼部粘膜，严重时会造成失明。如果你是工程师如何寻找廉价、安全、稳定的催化剂呢？
【分析】6500次试验，2500种不同配方，最终选用活化温度700K左右的含铅镁促进剂的铁催化剂。
使用催化剂时必须注意其活性温度范围，并防止催化剂“中毒”。
铁触媒催化能力
200
400
600
800
格哈德·埃特尔
铁系催化剂
2007年诺贝尔化学奖——证实了氢气与氮气在铁催化剂表面合成氨的反应过程
活动 合成氨的工业生产条件优化
知识海洋
问题（4）：从化学平衡和化学反应速率两个角度来综合分析，如果你是一位工程师，你认为工业生产合成氨的适宜条件是什么？请根据上面的信息进行讨论。
条件 角度 温度 压强 浓度 催化剂
平衡 降温 加压 N2/H2＝1:3 无影响
速率 升温 加压 N2/H2＝1:2.8 使用
综合分析
700K
15~30MPa
N2/H2＝1:2.8
铁系催化剂
活动 合成氨的工业生产条件优化
【分析】
① N2、H2物质的量之比为1 : 3时转化率最高，但反应速率不大，
② N2、H2物质的量之比为1 : 2.8时，通过提高N2的含量来提高N2的吸附速率，使反应速率增大。
知识海洋
问题（5）：科学家们为什么将氮氢投料比1:2.8？
活动 合成氨的工业生产条件优化
扩散
吸附
表面反应
表面反应
表面反应
表面反应
脱附
解题通法
知识海洋
温度
浓度
压强
催化剂
其他
热力学
理论
计算
热力学
化学平衡
移动
动力学
化学反应
速率
类价二维
ΔH－TΔS
平衡常数
平衡转化率
反应速率
方程
反应条件的优化
热力学动力学综合解决问题
教学程序
交流 研讨
　　对提出的问题进行小组交流研讨，用多方面综合考虑的科学方法解决问题，收获知识和能力的双重提升。
发现不同，交流研讨
压强如何选择？
1、增大压强既可提高反应速率，又可提高氨的产量，压强是否越大越好？
一、二小组
2、降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，温度是否越低越好？
温度如何选择？
三、四小组
3、在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？
用不用催化剂？
为什么？
五、六小组
高压
107-108Pa
适宜温度
700K左右
使用铁作催化剂
浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
实际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化分离出去；及时将氮气和氢气循环利用，使其保持一定的浓度。
反应速率
反应物浓度
反应速率
化学平衡
氮气和氢气的物质的量比
1：3
平衡转化率最大
1：2.8
更能促进氨的合成
外部条件 工业合成氨的适宜条件
压强
温度
催化剂
浓度
氮气和氢气投料比1:2.8；
氨及时分离；氮气、氢气循环利用
适宜温度 700K左右
使用铁触媒作催化剂
高压107~108 Pa
（据反应器的钢材质量及综合指标）
归纳小结
假设你是一个氨厂的厂长，对于合成氨工业生产你将主要考虑哪些问题？
原料的价格
氮气和氢气的循环利用
反应热的综合利用
既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，
化学反应速率和化学平衡等多方面综合考虑。
合成氨的工业条件的选择：
1
工业生产中化学反应条件优化的原则：
不能片面的追求高反应速率或高转化率，而应寻找以较高的反应速率获得适当的平衡转化率的反应条件。还应该考虑原料的价格、未转化的反应物的循环使用、反应热的综合利用等问题。
2
反应速率和化学平衡共同作用的结果。
整理反思
知识整合
归纳小结
请同学们课下上网查阅资料，了解合成氨的具体工业流程。
学无止境
合成氨的压缩机
1.能使合成氨反应进行程度增大的方法是（ ）
A.升高温度 B.降低压强
C.使用催化剂 D.及时分离出氨气
D
2.下列反应达到平衡时，哪种条件下生成物的含量最高：
X2(g)+2Y2(g) X2Y4(g)（正反应为放热反应）( )
A.高温 高压 B.低温 低压
C.高温 低压 D.低温 高压
D
3.合成氨所需的H2可由煤和水蒸气反应制得，其中一步的
反应为：CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)（正反应放热），
下列措施中，能提高CO转化率的是（ ）
A.增大压强 B.升高温度
C.增大水蒸气浓度 D.增大CO浓度
C
4.对于反应: 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)，下列判断正确
的是( )
A.2体积SO2和足量O2反应,必定生成2体积SO3
B.其他条件不变,增大压强,平衡向左移动
C.平衡时, SO2的消耗速率必定等于O2的生成速率的两倍
D.平衡时, SO2浓度必定等于O2浓度的两倍
C
5.（双选）在一定条件下，将N2和H2的混合气体通入固定
容积的密闭容器中进行合成氨反应：N2+3H2 2NH3(正
反应为放热反应)，下列图像表示正确的是（ ）
AC
1.01×105 Pa
1.01×106 Pa
A B C D
温度T
N2
转
化
率
温度T
H2
转
化
率
1.01×107 Pa
1.01×106 Pa
1.01×105 Pa
1.01×107 Pa
温度T
NH3%
NH3%
时间t
T1
T2
谢谢大家！

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