資源簡介

(共37張PPT)
人工固氮——合成氨
工業(yè)合成氨介紹
合成氨工業(yè)的價(jià)值
工業(yè)合成氨的發(fā)展史
合成氨的工業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)化
歸納小結(jié)、拓展延伸
課堂訓(xùn)練
工業(yè)合成氨介紹
【拓展視野】
19世紀(jì)以前，有遠(yuǎn)見的化學(xué)家曾指出：考慮到將來的糧食問題，為使子孫后代免于饑餓，必須寄希望于科學(xué)家能實(shí)現(xiàn)大氣固氮——將空氣中豐富的氮固定下來并轉(zhuǎn)化為可被利用的形式。德國化學(xué)家哈伯在1913年實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)生產(chǎn)，滿足了20世紀(jì)人口由30億增至60億對糧食的需求，因此人們贊揚(yáng)哈伯是“用空氣制造面包的圣人”。
弗里茨·哈伯
工業(yè)合成氨的條件優(yōu)化
工業(yè)合成氨
合成氨工業(yè)是基本無機(jī)化工之一。
①農(nóng)業(yè)對化肥的需求是合成氨工業(yè)發(fā)展的持久推動力。
②與能源工業(yè)關(guān)系密切。合成氨生產(chǎn)通常以各種燃料為原料，同時生產(chǎn)過程還需燃料供給能量,因此,合成氨是一種消耗大量能源的化工產(chǎn)品。
③工藝復(fù)雜、技術(shù)密集。氨合成是在高壓高溫和催化劑存在下進(jìn)行的，為氣固相催化反應(yīng)過程。
工業(yè)合成氨的發(fā)展史
從哈勃法到走出實(shí)驗(yàn)室的歷程
哈伯首先探索合成氨的最佳物理化學(xué)條件，終于在 1909 年在600C的高溫、200個大氣壓和鐵觸媒為催化劑的條件下，能得到產(chǎn)率約為8%的合成氮。隨后又成功地設(shè)計(jì)了原料氣的循環(huán)工藝
實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)
自從1909年哈伯研究成功工業(yè)氨合成方法以來，合成氨工業(yè)已走過93年歷程近年來合成氨工業(yè)發(fā)展很快，大型化、低能耗、清潔生產(chǎn)成為了合成氨裝置發(fā)展主流；
合成氨的發(fā)展
哈伯的合成氨的設(shè)想在1913 年得以實(shí)現(xiàn)，一個日產(chǎn)30噸的合成氨工廠建成并投產(chǎn)。從此合成氨成為化學(xué)工業(yè)中發(fā)展較快，十分活躍的一個部分。
走出實(shí)驗(yàn)室
合成氨的生產(chǎn)方法不僅開辟了獲取固定氮的途徑，更重要的是這一生產(chǎn)工藝的實(shí)現(xiàn)對整個化學(xué)工藝的發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響。反過來又推動了科學(xué)理論的發(fā)展；
合成氨對化工的貢獻(xiàn)
1909
進(jìn)步
1913
意義
1909
合成氨工業(yè)生產(chǎn)你將主要考慮哪些問題？
假設(shè)你是一個氨廠的廠長，對于合成氨工業(yè)生產(chǎn)你將主要考慮哪些問題？
分析：合成氨反應(yīng)有怎樣的特點(diǎn)呢？
反應(yīng)特點(diǎn)
可逆
正反應(yīng)為 反應(yīng)
正反應(yīng)為氣體體積
反應(yīng)
放熱
減小
合成氨的工業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)化
解決問題的路徑：
怎么快？
怎么多？
解決問題的方法：
速率快，提高速率的辦法
限度大，提高可逆反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率
假設(shè)你是一個氨廠的廠長，對于合成氨工業(yè)生產(chǎn)你將主要考慮哪些問題？
合成氨的工業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)化
分享從速率的角度選擇條件
1.增大壓強(qiáng)
2.升高溫度
3.加催化劑
4.增大濃度
進(jìn)步
分享從限度的角度選擇條件
1.增大壓強(qiáng)
2.升高溫度
3.催化劑對限度無影響
4.增加反應(yīng)物濃度，減小生成物濃度
無影響
使用催化劑
催化劑
增大濃度
增大濃度
反應(yīng)物濃度
低溫
高溫
溫度
高壓
高壓
壓強(qiáng)
平衡分析
（使NH3產(chǎn)生的多）
反應(yīng)速率分析
（使NH3產(chǎn)生的快）
分析角度
反應(yīng)條件
合成氨的反應(yīng)
矛盾
應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和平衡原理綜合考慮：
問題（1）：如果你是一個工程師，如何面對從理論上分析溫度對于限度和速率的影響相互矛盾的問題？
【分析】
①因?yàn)檎磻?yīng)方向是放熱的反應(yīng)，所以降低溫度有利于平衡正向移動。
②可是溫度越低，反應(yīng)速率越小，達(dá)到平衡所需要的時間越長，因此溫度也不宜太低。
③催化劑要在一定溫度下催化活性最大。
知識海洋
合成氨的工業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)化
解題通法
速率和限度是工業(yè)生產(chǎn)需要考慮的兩大核心因素，我們需要統(tǒng)籌兼顧，當(dāng)二者發(fā)生矛盾時，優(yōu)先調(diào)控反應(yīng)速率，并遵循催化劑活性最大化的原則。
2、高溫反應(yīng)速率快，低溫平衡轉(zhuǎn)化率高，究竟溫度如何選擇？
溫度如何選擇？
此時速率較快,轉(zhuǎn)化率適中，催化劑活性最大。
適宜溫度 700K 左右
得出結(jié)論
【分析】
①合成氨反應(yīng)是氣態(tài)物質(zhì)系數(shù)減小的氣體反應(yīng)，增大壓強(qiáng)既可以增大反應(yīng)速率，又能使平衡正向移動，所以理論上壓強(qiáng)越大越好。
②但是壓強(qiáng)越大，對設(shè)備的要求高、壓縮H2和N2所需要的動力大，因此選擇壓強(qiáng)應(yīng)符合實(shí)際科學(xué)技術(shù)。
知識海洋
問題（2）：如果你是一個工程師，面臨高溫高壓條件下，氫氣會與碳鋼中的碳反應(yīng)生成甲烷，使碳鋼變“脆”、破裂的情況下，如何選擇工業(yè)合成氨的壓強(qiáng)呢？
綜合以上兩點(diǎn)：根據(jù)反應(yīng)器可使用的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)來選擇壓強(qiáng)。實(shí)際生產(chǎn)中壓強(qiáng)一般選擇在200～500大氣壓之間。
活動 合成氨的工業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)化
1、增大壓強(qiáng)既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，壓強(qiáng)是否越大越好？
據(jù)反應(yīng)器的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)確定。此壓強(qiáng)時有利于氨的合成，對動力、材料強(qiáng)度、設(shè)備制造要求適中。
高壓 107~108 Pa
壓強(qiáng)如何選擇？
不是
得出結(jié)論
螺栓
法蘭盤
接觸室
接觸室中心管
架板
熱交換室
列管
頂蓋
氮?dú)浠旌蠚怏w
鐵觸媒（還原鐵＋少量K2O、Al2O3）
塔體
絕熱層
內(nèi)筒
底蓋
氨和氮、氫的混合氣
為了滿足高溫、高壓的雙重要求，合成塔由內(nèi)件和外筒兩部分組成。內(nèi)件用（Ni、Cr）不銹鋼制作，耐500℃高溫和腐蝕，不承受壓力；外筒用低碳合金鋼或優(yōu)質(zhì)碳鋼制成，承受高壓。
知識海洋
活動 合成氨的工業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)化
3、在合成氨工業(yè)中要不要使用催化劑？為什么？
使用鐵觸媒作催化劑
使用催化劑可使工業(yè)合成氨反應(yīng)的速率提高上萬億倍。
得出結(jié)論
知識海洋
問題(3)：鋨、鉑系重金屬元素，102元每克，鋨金屬粉末可自燃，空氣中加熱易氧化生成劇毒的四氧化鋨。鋨蒸汽有劇毒，會強(qiáng)烈的刺激人的眼部粘膜，嚴(yán)重時會造成失明。如果你是工程師如何尋找廉價(jià)、安全、穩(wěn)定的催化劑呢？
【分析】6500次試驗(yàn)，2500種不同配方，最終選用活化溫度700K左右的含鉛鎂促進(jìn)劑的鐵催化劑。
使用催化劑時必須注意其活性溫度范圍，并防止催化劑“中毒”。
鐵觸媒催化能力
200
400
600
800
格哈德·埃特爾
鐵系催化劑
2007年諾貝爾化學(xué)獎——證實(shí)了氫氣與氮?dú)庠阼F催化劑表面合成氨的反應(yīng)過程
活動 合成氨的工業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)化
知識海洋
問題（4）：從化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率兩個角度來綜合分析，如果你是一位工程師，你認(rèn)為工業(yè)生產(chǎn)合成氨的適宜條件是什么？請根據(jù)上面的信息進(jìn)行討論。
條件 角度 溫度 壓強(qiáng) 濃度 催化劑
平衡 降溫 加壓 N2/H2＝1:3 無影響
速率 升溫 加壓 N2/H2＝1:2.8 使用
綜合分析
700K
15~30MPa
N2/H2＝1:2.8
鐵系催化劑
活動 合成氨的工業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)化
【分析】
① N2、H2物質(zhì)的量之比為1 : 3時轉(zhuǎn)化率最高，但反應(yīng)速率不大，
② N2、H2物質(zhì)的量之比為1 : 2.8時，通過提高N2的含量來提高N2的吸附速率，使反應(yīng)速率增大。
知識海洋
問題（5）：科學(xué)家們?yōu)槭裁磳⒌獨(dú)渫读媳?:2.8？
活動 合成氨的工業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)化
擴(kuò)散
吸附
表面反應(yīng)
表面反應(yīng)
表面反應(yīng)
表面反應(yīng)
脫附
解題通法
知識海洋
溫度
濃度
壓強(qiáng)
催化劑
其他
熱力學(xué)
理論
計(jì)算
熱力學(xué)
化學(xué)平衡
移動
動力學(xué)
化學(xué)反應(yīng)
速率
類價(jià)二維
ΔH－TΔS
平衡常數(shù)
平衡轉(zhuǎn)化率
反應(yīng)速率
方程
反應(yīng)條件的優(yōu)化
熱力學(xué)動力學(xué)綜合解決問題
教學(xué)程序
交流 研討
　　對提出的問題進(jìn)行小組交流研討，用多方面綜合考慮的科學(xué)方法解決問題，收獲知識和能力的雙重提升。
發(fā)現(xiàn)不同，交流研討
壓強(qiáng)如何選擇？
1、增大壓強(qiáng)既可提高反應(yīng)速率，又可提高氨的產(chǎn)量，壓強(qiáng)是否越大越好？
一、二小組
2、降低溫度有利于平衡向生成氨的方向移動，溫度是否越低越好？
溫度如何選擇？
三、四小組
3、在合成氨工業(yè)中要不要使用催化劑，為什么？
用不用催化劑？
為什么？
五、六小組
高壓
107-108Pa
適宜溫度
700K左右
使用鐵作催化劑
濃度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
實(shí)際生產(chǎn)中的處理方法：及時將氣態(tài)氨冷卻液化分離出去；及時將氮?dú)夂蜌錃庋h(huán)利用，使其保持一定的濃度。
反應(yīng)速率
反應(yīng)物濃度
反應(yīng)速率
化學(xué)平衡
氮?dú)夂蜌錃獾奈镔|(zhì)的量比
1：3
平衡轉(zhuǎn)化率最大
1：2.8
更能促進(jìn)氨的合成
外部條件 工業(yè)合成氨的適宜條件
壓強(qiáng)
溫度
催化劑
濃度
氮?dú)夂蜌錃馔读媳?:2.8；
氨及時分離；氮?dú)狻錃庋h(huán)利用
適宜溫度 700K左右
使用鐵觸媒作催化劑
高壓107~108 Pa
（據(jù)反應(yīng)器的鋼材質(zhì)量及綜合指標(biāo)）
歸納小結(jié)
假設(shè)你是一個氨廠的廠長，對于合成氨工業(yè)生產(chǎn)你將主要考慮哪些問題？
原料的價(jià)格
氮?dú)夂蜌錃獾难h(huán)利用
反應(yīng)熱的綜合利用
既不能片面地追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求高反應(yīng)速率，
化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡等多方面綜合考慮。
合成氨的工業(yè)條件的選擇：
1
工業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)條件優(yōu)化的原則：
不能片面的追求高反應(yīng)速率或高轉(zhuǎn)化率，而應(yīng)尋找以較高的反應(yīng)速率獲得適當(dāng)?shù)钠胶廪D(zhuǎn)化率的反應(yīng)條件。還應(yīng)該考慮原料的價(jià)格、未轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物的循環(huán)使用、反應(yīng)熱的綜合利用等問題。
2
反應(yīng)速率和化學(xué)平衡共同作用的結(jié)果。
整理反思
知識整合
歸納小結(jié)
請同學(xué)們課下上網(wǎng)查閱資料，了解合成氨的具體工業(yè)流程。
學(xué)無止境
合成氨的壓縮機(jī)
1.能使合成氨反應(yīng)進(jìn)行程度增大的方法是（ ）
A.升高溫度 B.降低壓強(qiáng)
C.使用催化劑 D.及時分離出氨氣
D
2.下列反應(yīng)達(dá)到平衡時，哪種條件下生成物的含量最高：
X2(g)+2Y2(g) X2Y4(g)（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)）( )
A.高溫 高壓 B.低溫 低壓
C.高溫 低壓 D.低溫 高壓
D
3.合成氨所需的H2可由煤和水蒸氣反應(yīng)制得，其中一步的
反應(yīng)為：CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)（正反應(yīng)放熱），
下列措施中，能提高CO轉(zhuǎn)化率的是（ ）
A.增大壓強(qiáng) B.升高溫度
C.增大水蒸氣濃度 D.增大CO濃度
C
4.對于反應(yīng): 2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)，下列判斷正確
的是( )
A.2體積SO2和足量O2反應(yīng),必定生成2體積SO3
B.其他條件不變,增大壓強(qiáng),平衡向左移動
C.平衡時, SO2的消耗速率必定等于O2的生成速率的兩倍
D.平衡時, SO2濃度必定等于O2濃度的兩倍
C
5.（雙選）在一定條件下，將N2和H2的混合氣體通入固定
容積的密閉容器中進(jìn)行合成氨反應(yīng)：N2+3H2 2NH3(正
反應(yīng)為放熱反應(yīng))，下列圖像表示正確的是（ ）
AC
1.01×105 Pa
1.01×106 Pa
A B C D
溫度T
N2
轉(zhuǎn)
化
率
溫度T
H2
轉(zhuǎn)
化
率
1.01×107 Pa
1.01×106 Pa
1.01×105 Pa
1.01×107 Pa
溫度T
NH3%
NH3%
時間t
T1
T2
謝謝大家！

展開更多......

收起↑