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化学反应的调控
第二章 化学反应速率与化学平衡
1.通过工业合成氨适宜条件的选择与优化认识化学反应速率和化学平衡综合调控在生产生活和科学研究中的重要作用。
2.在合成氨适宜条件的讨论中，形成多角度分析化学反应和化工生产条件的思路，体会化学反应原理的应用价值。
生活中有很多调控化学反应的实例，例如鼓风加快物质的燃烧，高压锅煮饭，将食物保存在冰箱以延长储存时间，降温灭火等等，在工业生产中应当如何对化学反应进行调控呢？
化学反应的调控
工业合成氨是人类科学的一项重大突破，
下面我们将以合成氨为例，研究化学反应的调控问题。
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) ΔH = -92.4kJ/mol ΔS = -198.2 J·mol-1·K-1
(1)可逆性：反应为可逆反应，需要考虑方向与限度等问题。
(2)焓变：ΔH < 0，熵变：ΔS < 0。
(3)自发性：常温(298 K)下，ΔH – TΔS < 0，能自发进行。
(4)转化率：常温下，平衡常数K = 4.1×106。
可行性分析：反应能自发进行，K值较大，反应较为完全，方案可行。
化学反应的调控
理论分析合成氨反应的条件
从理论出发，科学家在实验室模拟该实验，研究发现：室温下将氮气、氢气混合，即使在实验允许的最大压强下也几乎得不到氨气。
原因：反应速率过慢且产氨率较低
反应速率
化学平衡
外界条件
改变
增大合成氨的反应速率
提高平衡混合物中氨的含量
化学反应的调控
理论分析合成氨反应的条件
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
ΔH＝－92.4 kJ·mol－1
对合成氨反应的影响 浓度 温度 压强 催化剂
增大合成氨的反应速率
提高平衡混合物中 氨的含量
根据合成氨反应的特点，如何选择反应条件，以增大氨的反应速率、提高产率？
增大
升温
增大
正催化剂
及时移走氨
降温
增大
不影响
增大C反应物
化学反应的调控
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
ΔH＝－92.4 kJ·mol－1
温度/℃ 氨的含量/% 0.1MPa 10 MPa 20 MPa 30 MPa 60 MPa 100 MPa
200 15.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.8
300 2.20 52.0 64.2 71.0 84.2 92.6
400 0.40 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8
500 0.10 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5
600 0.05 4.50 9.10 13.8 23.1 31.4
温度一定，随着压强越大，反应速率增大，氨的含量升高
压强一定，随着温度升高，反应速率增大，氨的含量逐渐降低
初始时N2和H2的体积比=1：3，不同温度、压强下，平衡混合物中氨的含量的变化情况
化学反应的调控
理论分析合成氨反应的条件
升高温度、增大压强可以使合成氨的反应速率增大；
降低温度、增大压强有利于提高平衡混合物中氨的含量。
对数据进行分析，讨论增大反应速率和提高平衡混合物中的氨的含量
对应的措施是否一致？
二者在温度这一措施上是不一致的
化学反应的调控
那么，在实际生产中到底选择哪些适宜的条件呢？
实际生产中需综合考虑以下因素：
①化学反应速率；
②化学反应限度；
③生产实际：设备条件、安全操作、经济成本等；
④环境保护；
⑤社会效益等
工业合成氨的适宜条件
压强
通过分析：压强越大，反应速率越快，平衡混合物中氨的含量也会越高。
但是压强越大，对材料的强度和设备的要求就越高，需要的动力也越大。
这会大大增加生产投资，导致降低综合经济效益。
目前来说，我国的合成氨厂一般采用的压强为10-30MPa。
约20%~40%
工业合成氨的适宜条件
温度
通过分析：低温有利于提高原料的平衡转化率。但温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。
同时还需要考虑到催化剂的活性，铁触媒在500℃左右时活性最大。
目前来说，我国合成氨厂一般选择400-500℃的反应温度。
约10%~30%
工业合成氨的适宜条件
催化剂
催化剂可以通过降低反应的活化能改变反应历程，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。
合成氨反应通常采用加入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。
原料气还应经过净化后投入，否则可能造成催化剂中毒
工业合成氨的适宜条件
投料比
通过分析：
在N2和H2的物质的量比为1：3时，平衡转化率最大。
因氮气价格低廉，适当提高N2的浓度，促进氢气转化。即N2和H2的物质的量比为1：2.8时，更能促进氨的合成。
工业合成氨的适宜条件
浓度
实际生产中，还需考虑浓度对化学平衡的影响。
①可以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。
②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。
工业合成氨的适宜条件 压强
温度
催化剂
浓度
10～30 MPa
400～500 ℃
铁触媒
及时移走产物氨、
投料比为1∶2.8
工业合成氨的适宜条件
化学反应的调控
工业合成氨流程示意图
制气→净化除杂→压缩→合成→冷却分离→循环压缩
方法引导
化工生产中调控反应的一般思路
可行性分析
分析调控方法
实验摸索
选取恰当的反应
原理分析
确定最佳条件
化学平衡
反应速率
综合考虑：
设备要求
安全操作
经济成本
环境保护
社会效益
考虑参加反应的物质组成结构性质
等本身因素
增大转化率，充分利用原料
选择较快的反应速率
化工生产中调控反应的一般思路
条件 原则
从化学反应速率分析
从化学反应限度分析
从原料的利用率分析
从实际生产能力分析
从催化剂的使用活性分析
既不能过快，又不能太慢
增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本
如设备承受高温、高压能力等
注意温度对催化剂的活性的限制
既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，
又要注意二者影响的矛盾性
1．下列关于工业生产过程的叙述正确的是（ ）
A．联合制碱法中循环使用CO2和NH3，以提高原料利用率
B．硫酸工业中，SO2氧化为SO3时采用常压，因为高压会降低SO2转化率
C．合成氨生产中将NH3液化分离，可加快正反应速率，提高N2、H2的转化率
D．SO2在接触室被氧化成SO3，SO3在吸收塔内被吸收制成浓硫酸
D
2．下图所示为工业合成氨的流程图。下列有关生产条件的调控作用分析错误的是
A．步骤①中“净化”可以防止杂质对催化剂产生影响
B．步骤②中“加压”可以加快反应速率，因此压强越大越好
C．步骤③一般选择控制反应温度为400～500℃左右
D．步骤④⑤有利于提高原料的利用率，能节约生产成本
B

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