資源簡介

(共22張PPT)
第四節(jié) 工業(yè)合成氨
第二章 化學反應的方向、限度和速率
授課人：
學習目標
1.理解合成氨生產(chǎn)條件的選擇；
2.知道合成氨工業(yè)生產(chǎn)的主要步驟；
3.體會化學理論對化工生產(chǎn)實踐的指導作用。
課程導入
合成氨工業(yè)的歷史
合成氨工業(yè)是關(guān)系我國國民經(jīng)濟的重要行業(yè)，是我國化肥工業(yè)的基礎，也是傳統(tǒng)煤化工的重要組成部分。氨是重要的化工原料，主要用于制造氮肥、硝酸、丁腈橡膠等；氨在冶金、機械加工、電子、造紙等行業(yè)用途廣泛。
合成氨的應用
制尿素
制純堿
制硝酸
制冷劑
一、合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H ＝－92.4 kJ/mol
合成氨反應是自發(fā)反應，理論上常溫下反應進行的限度大，轉(zhuǎn)化率高。
但反應速率緩慢，反應幾乎不發(fā)生。
如何提高合成氨的化學反應速率和平衡混合物中氨的含量？
！
化學反應速率
化學平衡的移動
一、合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇
合成氨反應為什么慢？
1. 從化學反應速率分析
——活化能高
如何增大合成氨的化學反應速率？
對合成氨 反應的影響 影響因素 濃度 溫度 壓強 催化劑
增大合成氨 的反應速率
增大
升高
增大
使用
怎樣降低反應的活化能？
——改變反應歷程
一、合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇
2. 從化學平衡移動的角度分析
對合成氨 反應的影響 影響因素 濃度 溫度 壓強
提高平衡 混合物中氨 的含量
n(N2):n(H2)≈1:3
及時移走產(chǎn)生的氨
降低
增大
從化學平衡看，合成氨的適宜條件
一、合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇
理論分析：
①溫度
溫度降低，使平衡正向移動，低溫可以提高平衡混合物中氨的含量。
實踐探索——通過實驗驗證理論
②壓強
壓強增大，使平衡正向移動，壓強越大越有利于提高平衡混合物中氨的含量。
一、合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇
對合成氨 反應的影響 影響因素 濃度 溫度 壓強 催化劑
增大合成氨的反應速率 增大 升高 增大 使用
提高平衡混合物中氨的含量 n(N2):n(H2) ≈1:3 及時移走產(chǎn)生的氨 降低 增大 無影響
一、合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇
3. 綜合分析
實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)：綜合考慮成本要低！
①壓強
從化學反應速率與化學平衡考慮，都是壓強越大越好。
綜合動力、材料、設備等條件
20 MPa~50 MPa
一、合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇
合成氨工業(yè)要求催化劑具有活性強、機械強度高、不易中毒、容易制備、價格低廉等特點。
②催化劑
增大化學反應速率，不改變平衡混合物的組成。
目前公認的最適當?shù)拇呋瘎┦且澡F為主體的多成分催化劑。其活性最好的溫度為500 ℃左右。
3. 綜合分析
催化反應主要發(fā)生在催化劑的表面，因此，要提高催化效率、降低成本，增大催化劑的比表面積十分重要。
一、合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇
③溫度
綜合考慮，特別是考慮催化劑的活性。
一般選擇在500 ℃左右
低溫可以提高平衡混合物中氨的含量，但低溫會減小化學反應速率。
3. 綜合分析
一、合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇
所以實際生產(chǎn)中維持氫氮比為 2.8 ～ 2.9。
3. 綜合分析
④反應物和生成物濃度
應將氨液化分離后的原料氣循環(huán)使用，并及時補充氮氣和氫氣，使反應物保持一定的濃度，有利于合成氨反應。
從化學平衡角度講，氫氣和氮氣的物質(zhì)的量之比為 3：1 時，平衡混合物中氨的百分含量最大。
氮氣在催化劑上的吸附活化是總反應中的控速步驟，適當提高氮氣的濃度有利于合成氨反應的進行。
一、合成氨適宜生產(chǎn)條件的選擇
氫氮比為 2.8 ～ 2.9
工業(yè)合成氨常用的生產(chǎn)條件：
以鐵為主的催化劑
500℃左右
20 ～ 50 MPa
2
1
3
4
二、工業(yè)合成氨的生產(chǎn)流程
造氣
01
原料
氮氣
氫氣
將空氣液化、蒸發(fā)，分離出氮氣
將空氣中的O2跟碳作用生成CO2，再除去CO2
用水、煤、天然氣、石油等為原料制得
二、工業(yè)合成氨的生產(chǎn)流程
凈化
02
在制取原料氣的過程中，常混有一些雜質(zhì)氣體，其中如 H2S、CO 等雜質(zhì)會使合成氨所用的催化劑中毒，所以必須除去。
合成
03
二、工業(yè)合成氨的生產(chǎn)流程
合成
03
加壓后且達到催化劑的活性溫度的 H2、N2
混合氣體中氨含量為10% ～ 20%
合成氨反應為放熱反應，可通過熱交換器有效利用此反應熱來預熱反應前的 H2、N2，降低合成氨的成本。
典例解析
例、在一定條件下,可逆反應N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)(正反應是放熱反應)達到平衡,當單獨改變下列條件后,有關(guān)敘述錯誤的是(　　)
A.加催化劑,v(正)、v(逆)都發(fā)生變化且變化的倍數(shù)相等
B.加壓,v(正)、v(逆)都增大,且v(正)增大的倍數(shù)大于v(逆)增大的倍數(shù)
C.降溫,v(正)、v(逆)都減小,且v(正)減小的倍數(shù)小于v(逆)減小的倍數(shù)
D.等容條件下加入氬氣,v(正)、v(逆)都增大,且v(正)增大的倍數(shù)大于v(逆)增大的倍數(shù)
D　
課堂小結(jié)
一、合成氨適宜生產(chǎn) 條件的選擇
二、工業(yè)合成氨的生產(chǎn)流程
不良反應
壓強
溫度
催化劑
反應物生成物濃度
造氣
凈化
合成
隨堂練習
1、有關(guān)合成氨工業(yè)的說法中,正確的是(　　)
A.增大H2的濃度,可提高H2的轉(zhuǎn)化率
B.由于氨易液化,N2、H2在實際生產(chǎn)中會循環(huán)使用,所以總體來說氨的產(chǎn)率很高
C.合成氨工業(yè)的反應溫度控制在400~500 ℃,目的是使化學平衡向正反應方向移動
D.合成氨廠采用的壓強是10 MPa~30 MPa,因為該壓強下鐵觸媒的活性最大
B
隨堂練習
2、NH3是一種重要的工業(yè)原料。下列關(guān)于合成氨的說法中,不正確的是(　　)
A.工藝涉及催化技術(shù)
B.工藝涉及高溫高壓技術(shù)
C.原料之一的氮氣來自空氣
D.從合成塔出來的氣體中,氨的體積分數(shù)為100%
D　
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