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(共27张PPT)
第四节 化学反应的调控
第二章 化学反应速率与化学平衡
壹
贰
工业合成氨生产条件的选择
化学反应的调控
知识导航
本节重难点
课堂导入
合成氨的发展
我国合成氨工业的发展是在20 世纪30 年代开始的，经过几十年的不懈奋斗和发展，我国已经拥有了许多不同流程、不同规模的合成氨工厂。我国目前拥有了一支能够进行合成氨生产的科研等方面的研究技术团队，让我国已成为世界上最大的合成氨生产国，产量约占世界总产量的1/3。
课堂导入
合成氨工业是关系我国国民经济的重要行业，是我国化肥工业的基础，也是传统煤化工的重要组成部分。氨是重要的化工原料，主要用于制造氮肥、硝酸、丁腈橡胶等；氨在冶金、机械加工、电子、造纸等行业用途广泛。
合成氨的应用
制尿素
制纯碱
制硝酸
制冷剂
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合成氨反应的特点
工业合成氨生产条件的选择
合成氨反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)。已知298 K时：ΔH＝－92.4 kJ·
mol－1，ΔS＝－198.2 J·mol－1·K－1。
(1)自发性：常温(298 K)下，ΔH－TΔS 0，能自发进行。
(2)可逆性：反应为 反应。
(3)熵变：ΔS 0，正反应是气体体积 的反应。
(4)焓变：ΔH 0，是 反应。
<
可逆
<
缩小
<
放热
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原理分析
条件 提高反应速率 提高平衡转化率
压强 _________ _________
温度 _________ _________
催化剂 _____ _______
浓度 反应物浓度 反应物浓度， 生成物浓度
根据合成氨反应的特点，利用我们学过的影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析应如何选择反应条件，以增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量，请填写下表。
增大压强
增大压强
升高温度
降低温度
使用
无影响
增大
增大
降低
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数据分析
在不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况(初始时氮气和氢气的体积比是1∶3)。
升高温度，氨的含量降低，这与反应速率是相矛盾的。
增大压强，氨的含量增大，这与反应速率是相一致的。
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（一）压强：
工业合成氨的适宜条件
合成氨厂一般采用的压强为
10 MPa~30 Mpa。
【思考1】合成氨时压强越大越好，为何不采用比30 MPa更大的压强
提示：压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这会加大生产投资，可能降低综合经济效益。
压强的选择—成本与效益的博弈
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（二）温度：
一般采用的温度为400~500 ℃。
【思考2】合成氨采用低温时可提高转化率，但为何未采用更低的温度
温度的选择—快与少、慢与多的权衡
提示：温度太低，反应速率太小，达到平衡所需的时间变长,不经济。升高温度，转化率降低，另外，合成氨所需的催化剂铁触媒的活性在500 ℃左右活性最大。
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（三）催化剂：
目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。铁触媒在500℃左右时的活性最大，这也是合成氨一般选择400~500℃进行的重要原因。另外，为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”,原料气必须经过净化。
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合成氨催化剂的选择
德国化学家博施
据统计，约90%以上的化学工业过程中都使用催化剂。合成氨需要用到催化剂铁触媒，为了寻找合适的催化剂，博施及其研究组进行了大量的试验，一直到1922年，共进行了超过2 500 种配方的20 000 多次试验，终于筛选出了合成氨工业用催化剂。尽管后来不断地改进，但这种类型的催化剂一直沿用至今。
2016 年，中国科学院大连化学物理研究所的研究团队研制了一种新型催化剂，将合成氨的温度、压强分别降到了350 ℃、1 MPa，这是近年来合成氨反应研究中的重要突破，为发展更加节能的催化剂提供了新的思路。
可见，催化剂在工业生产及能源问题中发挥着巨大作用。
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（四）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。
【思考3】合成氨工业采用迅速冷却法,使气态氨变为液氨后及时从混合物中分离出去的目的是什么
提示：使化学平衡向生成氨的方向移动。
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工业合成氨的适宜条件
外部条件 工业合成氨的适宜条件
压强 根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择压强(10～30 MPa)
温度 适宜温度，400～500 ℃
催化剂 使用铁触媒做催化剂
浓度 N2和H2的物质的量之比为1∶2.8的投料比，氨及时从混合气中分离出去
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工业生产中，必须从反应限度和反应速率两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。
综上所述，工业上通常采用铁触媒、 400-500℃ 、 10-30 MPa的条件下合成氨
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（一）生产流程
合成氨的生产流程
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（二）流程分析
1、原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性。
2、压缩机加压：增大压强。
3、热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。
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（二）流程分析
4、冷却：生成物NH3的液化需较低温度采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。
5、循环使用原料气：因合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气，将NH3分离后的原料气循环利用，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，提高经济效益。
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【例】下列有关合成氨工业的叙述，可用勒夏特列原理来解释的是
A.使用铁触煤，使N2和H2混合气体有利于合成氨
B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应
C.700 K左右比室温更有利于合成氨的反应
D.合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率
B
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化学反应的调控
(1)影响化学反应进行的因素
首先是参加反应的物质的______、结构和______等本身因素，其次是温度、______、浓度、_________等反应条件。
(2)化学反应的调控
①含义：通过改变反应条件使一个可能发生的反应按照某一方向进行。
②考虑实际因素：结合设备条件、安全操作、经济成本等情况，综合考虑影响化学反应速率和化学平衡的因素，寻找适宜的生产条件；根据环境保护及社会效益等方面的规定和要求做出分析﹐权衡利弊，才能实施生产。
组成　
性质　
压强　
催化剂　
探究课堂
探究课堂
1．根据化学理论和以上数据综合分析，为了使二氧化硫尽可能转化为三氧化硫，可控制的条件是什么？
2．在实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，其原因是什么？
3．根据上表中的数据分析，制取SO3时为什么不采用高压？
提示：常压、450 ℃、催化剂。
提示：在此温度下催化剂的活性最高。
提示：在常压下SO2的转化率就已经很高了(97.5%)，若采用高压，平衡能向右移动，但效果并不明显，且采用高压时会增大设备的成本，得不偿失。
探究课堂
4．在生产中，通入过量空气的目的是什么？
5．尾气中的SO2必须回收的原因是什么？
提示：增大反应物中O2的浓度，提高SO2的转化率。
提示：防止污染环境；循环利用，提高原料的利用率。
课堂小结
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【例】对于合成氨反应N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH<0，下列研究结果和示意图相符的是
C
选项 A B C D
研究结果 压强对反应的影响 温度对反应的影响 平衡体系增加N2对反应的影响 催化剂对反应的影响
图示
探究课堂
【例】合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。对于密闭容器中的反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g),在400 ℃、30 MPa下, n(NH3)和n(H2)随时间变化的关系如图所示。据图推测下列叙述正确的是(　　)。
A.正反应速率:MB.点P处反应达到平衡
C.点Q(t1时刻)和点R(t2时刻)处n(N2)不一样
D.其他条件不变时,500 ℃下反应至t1时刻,
n(H2)比图中Q点的n(H2)大
D
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【例】在合成氨工业中，为增加NH3的日产量，下列操作与平衡移动无关的是(　　)
A．不断将氨分离出来
B．使用催化剂
C．采用500 ℃左右的高温而不是700 ℃的高温
D．采用1×107～3×107 Pa的压强
B
THANKS

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