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(共18张PPT)
第二章 化学反应速率与化学平衡
第四节 化学反应的调控
学习目标
1、通过工业合成氨适宜条件的选择和优化，了解如何应用化学反应速率和化学平衡原理分析合成氨的适宜条件；
2 、了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法，体验实际生产条件的选择与理论分析的差异，体会化学反应原理的应用价值。
用空气制造面包的天使
用氯气制造化学武器的魔鬼
新课导入
增大化学反应速率
单位时间内产率高
增大化学反应限度
原料的利用率高
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
该反应能不能发生
在什么样的条件下能更快、更多的获取氨气？
反应方向
反应速率
反应限度
合成氨的适宜条件
已知298 K时：ΔH＝-92.4 kJ·mol-1 ， ΔS＝-198.2 J·K-1·mol-1
请根据正反应的焓变和熵变分析298 K下合成氨反应能否自发进行？
ΔH -T ΔS= － 92.4 kJ·mol-1－298 K×(－ 0.1982 kJ·K-1·mol-1)
=－33.3364 kJ·mol-1< 0
反应方向
(1)常温(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自发进行
合成氨的适宜条件
(2)焓变：ΔH<0，熵变：ΔS<0。
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
反应类型
可逆反应
反应能量
正反应是放热，即焓减
气体分子数
正反应是气体分子数减少，即熵减
合成氨的适宜条件
体积变化
正反应是气体体积缩小的反应
合成反应的特点
合成氨的适宜条件
从反应速率的角度，如何选适合的条件反应？
采取哪些措施有利于提高合成氨反应的速率？
外界条件 使NH3生产得多 使NH3生产快
从反应限度分析 从反应速率分析
压强
温度
催化剂
反应物 的浓度
高压
高压
低温
高温
使用
无影响
增大浓度
增大浓度
合成氨的适宜条件
反应速率
通过分析，提高合成氨反应速率的措施：
（1）升高温度；
（2）增大压强；
（3）增大氮气、氢气浓度
（4）使用催化剂
合成氨的适宜条件
反应限度
提高合成氨反应限度的措施：
（1）降低温度；
（2）增大压强；
（3）增大氮气、氢气浓度
减小氨气浓度
如果你是化工厂的老板，对工业生产你主要应考虑哪些问题？
合成氨的化工生产条件调控
反应原理
化工生产
氨的体积分数/%
0
压强/MPa
20 40 60 80 100
80
60
40
20
400℃时平衡体系内氨的体积分数
压强可以选在10～30M Pa之间
合成氨的化工生产条件调控
压强越大，对设备的要求高；压缩气体需要的动力大，成本高。
(1)压强
氨的体积分数/%
0
温度/℃
200 300 400 500 600
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
10MPa下平衡体系内氨的体积分数
实际生产中温度一般选择在400~500℃（主要考虑催化剂的活性）
合成氨的化工生产条件调控
正反应放热，降低温度有利
于平衡正向移动;温度越低，
速率越小，催化剂要在一定
温度下催化活性最大。
化工生产
(2)温度
反应原理
条件 Ea／kJ·mol-1 k(催)/k(无)
无催化剂
使用铁催化剂 选用铁为主体的多成分催化剂（铁触媒）
合成氨的化工生产条件调控
化工生产
335
167
3.4×1012
(700 K)
(3)催化剂
反应原理
合成氨的化工生产条件调控
(4) 浓度
采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡向生成NH3的方向移动。此外，如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔发生反应也是很不经济的，应将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，以利于合成氨反应。
合成氨的化工生产条件调控
合成氨生产流程示意图
干燥
净化
压缩机
加压
10 MPa~30 MPa
热交换
冷却
WWWWWWW
N2+H2
N2+H2
N2+H2
N2+H2
N2+H2
NH3+N2+H2
NH3+N2+H2
液态NH3
铁触媒
400~500℃
从化学平衡的角度分析，在氮气和氢气的物质的量比为1∶3时，平衡转化率最大。
合成氨的化工生产条件调控
及时将气态氨冷却液化分离出去，将氮气和氢气循环利用。N2和H2的物质的量比为1∶2.8
反应原理
化工生产
外部条件 工业合成氨的适宜条件
压强
温度
催化剂
浓度
根据反应器可使用的钢材质量及综合指标等，实际选择压强为低压(1×107Pa)、中压(2×107Pa~3×107Pa)和高压(8.5×107 Pa~1×108Pa)三种类型。
适宜温度 400~500℃
使用铁触媒作催化剂
N2和H2的物质的量比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去
课堂小结
谢 谢

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