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第4節 化學反應條件的優化——工業合成氨
第2章 化學反應的方向、限度與速率
1.了解如何應用化學反應速率和化學平衡原理分析合成氨的適宜條件；
2.了解應用化學反應原理分析化工生產條件的思路和方法，體驗實際生產條件的選擇與理論分析的差異；
3.通過對合成氨適宜條件的分析，認識化學反應速率和化學平衡的調控在工業生產中的重要作用。
聯想 · 質疑
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在歷史上，化學曾在擴大世界糧食供應過程中起過關鍵作用。這就是合成氨的發明和現代農藥的使用，以及它們的工業化。
但自從1784年氨被發現以來，直到1913年才實現了合成氨的工業化生產。
N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
要實現合成氨的工業化生產,必須從反應速率和反應限度兩個方面選擇合適的反應條件。
一、合成氨反應的限度
交流 · 研討
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工業合成氨的反應為：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
298 K
ΔH=－92.2 kJ·mol-1
ΔS=－198.2 J·K-1·mol-1
1.根據反應的焓變和熵變分析在298 K時合成氨反應能否正向自發進行。
合成氨反應是在298 K時能正向自發進行的放熱反應，同時也是熵減反應。
工業合成氨的反應為：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
ΔH=－92.2 kJ·mol-1
2.利用化學平衡移動的知識分析什么條件有利于氨的合成。
目標：合成氨的平衡轉化率越大越好
低溫
高壓
增加反應物濃度，
降低生成物濃度
因素 相應措施
溫度
濃度
壓強
平衡混合物中氨的含量與溫度、壓強的關系
平衡混合物中氨的含量與溫度、壓強的關系
當壓強為p1時，升高溫度，
氨的物質的量分數降低
如何比較相同溫度下，平衡混合物中氨的含量與壓強的關系？
平衡混合物中氨的含量與溫度、壓強的關系
當溫度一定時，壓強越大，氨的物質的量分數越高
低溫、高壓增大了NH3的含量更有利于合成氨
進一步研究發現，在一定的溫度、壓強下N2、H2的體積比為1:3時平衡混合物中氨的含量最高。
工業合成氨的反應為：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)
ΔH=－92.2 kJ·mol-1
2.利用化學平衡移動的知識分析什么條件有利于氨的合成。
目標：合成氨的平衡轉化率越大越好
反應條件：
低溫、
高壓、
增加反應物濃度、分離氨、氮氣與氫氣的體積比為1:3
高要求設備
達到化學平衡的時間延長
二、合成氨反應的速率
3.可以通過控制哪些反應條件來提高合成氨反應的速率？
高溫、增加反應物濃度、高壓、使用催化劑
交流 · 研討
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資料1.合成氨反應速率與參與反應的物質濃度的關系式為：υ=kc(N2) · c1.5(H2) · c-1(NH3)
增加反應物濃度，將氨從混合氣中分離出去。
資料2.催化劑對合成氨反應的速率影響：
條件 Ea/(kJ·mol-1)
無催化劑 335 3.4×1012(700K)
使用鐵催化劑 167
使用鐵作催化劑
根據對合成氨反應的速率及催化反應歷程的研究，氮的吸附分解所需活化能最高，是控制總反應速率的關鍵步驟。應適當提高氮氣的比例，n(N2) : n(H2) = 1 : 2.8 。
合成氨反應的限度 合成氨反應的速率
低溫
高壓
增加反應物濃度、分離氨
n(N2) : n(H2) = 1 : 3
高溫
高壓
增加反應物濃度、分離氨
n(N2) : n(H2) = 1 : 2.8
鐵催化劑
三、合成氨生產的適宜條件
此外，還應該考慮原料的價格、未轉化的合成氣（氮氣和氫氣）的循環使用、反應熱的綜合利用等問題。
反 應 條 件 壓強 溫度 催化劑 濃度
根據反應設備選擇壓強：低壓(1×107Pa) 中壓(2×107~3×107Pa) 高壓(8.5×107~1×107Pa) 700K 左右 鐵 投料比n(N2) : n(H2) = 1 : 2.8
使氣態NH3變成液態NH3并及時分離出去，補充N2和H2
不足：
研究方向：
合成氨工業生產需要高溫、高壓的反應條件且催化劑易中毒、使用壽命不長。
仿生固氮酶催化劑
根瘤菌固氮
合成氨的生產流程
合成氨的整個工業生產包括造氣、凈化、合成氨三大部分。
造氣　原料氣中的氮氣來自空氣，而氫氣來自天然氣、煤和煉油產品。
以天然氣為原料時，反應可簡單表示為:
凈化　 消除造氣過程中夾帶的雜質，防止催化劑中毒。
合成氨 該部分包括終端產品氨的分離，氮氣、氫氣的循環使用，利
用反應產生的熱預熱合成氣等。
CH4 + H2O CO + 3H2
CO + H2O CO2 + H2
高溫
催化劑
高溫
催化劑
合成氨生產過程中，要使用多種催化劑、十幾個反應塔或吸收塔、上百個熱交換器和循環泵以及上千米的管道，這些構成了合成氨廠錯落有致的設備布局。
【練一練】
1.判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯誤的打“×”。
(1)使用鐵做催化劑,可提高合成氨反應的速率和平衡轉化率。 (　　)
(2)高壓比常壓條件更有利于合成氨的反應。(　　)
(3)500 ℃左右比室溫更有利于合成氨的反應,提高H2的平衡轉化率。(　　)
(4)合成氨時采用循環操作,可提高原料的利用率。(　　)
(5)合成氨采用2×107~5×107 Pa,因為該壓強下鐵觸媒的活性最高。(　　)
(6)合成氨工業采用高壓,不僅能提高轉化率,還能縮短到達平衡的時間。(　　)
2.合成氨時采用700 K左右的溫度進行,主要是因為在該溫度時(　　)
A.合成氨的化學反應速率最大
B.N2的轉化率最高
C.催化劑的活性最大
D.NH3在平衡混合氣體中的體積分數最大
C
3.在合成氨時,既要使氨的產率增大,又要使化學反應速率增大,可以采取的措施有(　　)
①增大體積使壓強減小　②減小體積使壓強增大　③升高溫度　④降低溫度　⑤恒溫恒容,再充入等量的N2和H2　⑥恒溫恒壓,再充入等量的N2和H2　⑦及時分離產生的NH3　⑧使用正催化劑
A.①④⑤⑦ B.②③④⑦⑧ C.②⑤ D.②③⑤⑥⑧
C
4.工業合成氨的正反應是放熱反應,下列關于反應N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)的圖像中,錯誤的是(　　)
C
5.有關合成氨工業的下列說法正確的是(　　)
A.從合成塔出來的混合氣體,NH3的含量較小,所以生產氨的工廠的效率都很低
B.由于氨可液化分離出來,N2、H2在實際生產中循環使用,所以總體來說氨的產率較高
C.合成氨工業的反應溫度一般控制在700 K左右,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2×107~3×107 Pa,因在該壓強下鐵催化劑的活性最大
B
工業合成氨
化學反應的方向
化學反應的限度
化學反應速率
實際情況
700K左右
低壓、中壓、高壓
催化劑鐵
氮氣、氫氣循環操作
分離氨

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