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(共18張PPT)
第二章 化學反應速率與化學平衡
第四節 化學反應的調控
學習目標
1、通過工業合成氨適宜條件的選擇和優化，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，體會化學反應原理的應用價值。
用空氣制造面包的天使
用氯氣制造化學武器的魔鬼
新課導入
增大化學反應速率
單位時間內產率高
增大化學反應限度
原料的利用率高
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
該反應能不能發生
在什么樣的條件下能更快、更多的獲取氨氣？
反應方向
反應速率
反應限度
合成氨的適宜條件
已知298 K時：ΔH＝-92.4 kJ·mol-1 ， ΔS＝-198.2 J·K-1·mol-1
請根據正反應的焓變和熵變分析298 K下合成氨反應能否自發進行？
ΔH -T ΔS= － 92.4 kJ·mol-1－298 K×(－ 0.1982 kJ·K-1·mol-1)
=－33.3364 kJ·mol-1< 0
反應方向
(1)常溫(298 K)下，ΔH－TΔS<0，能自發進行
合成氨的適宜條件
(2)焓變：ΔH<0，熵變：ΔS<0。
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
反應類型
可逆反應
反應能量
正反應是放熱，即焓減
氣體分子數
正反應是氣體分子數減少，即熵減
合成氨的適宜條件
體積變化
正反應是氣體體積縮小的反應
合成反應的特點
合成氨的適宜條件
從反應速率的角度，如何選適合的條件反應？
采取哪些措施有利于提高合成氨反應的速率？
外界條件 使NH3生產得多 使NH3生產快
從反應限度分析 從反應速率分析
壓強
溫度
催化劑
反應物 的濃度
高壓
高壓
低溫
高溫
使用
無影響
增大濃度
增大濃度
合成氨的適宜條件
反應速率
通過分析，提高合成氨反應速率的措施：
（1）升高溫度；
（2）增大壓強；
（3）增大氮氣、氫氣濃度
（4）使用催化劑
合成氨的適宜條件
反應限度
提高合成氨反應限度的措施：
（1）降低溫度；
（2）增大壓強；
（3）增大氮氣、氫氣濃度
減小氨氣濃度
如果你是化工廠的老板，對工業生產你主要應考慮哪些問題？
合成氨的化工生產條件調控
反應原理
化工生產
氨的體積分數/%
0
壓強/MPa
20 40 60 80 100
80
60
40
20
400℃時平衡體系內氨的體積分數
壓強可以選在10～30M Pa之間
合成氨的化工生產條件調控
壓強越大，對設備的要求高；壓縮氣體需要的動力大，成本高。
(1)壓強
氨的體積分數/%
0
溫度/℃
200 300 400 500 600
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
10MPa下平衡體系內氨的體積分數
實際生產中溫度一般選擇在400~500℃（主要考慮催化劑的活性）
合成氨的化工生產條件調控
正反應放熱，降低溫度有利
于平衡正向移動;溫度越低，
速率越小，催化劑要在一定
溫度下催化活性最大。
化工生產
(2)溫度
反應原理
條件 Ea／kJ·mol-1 k(催)/k(無)
無催化劑
使用鐵催化劑 選用鐵為主體的多成分催化劑（鐵觸媒）
合成氨的化工生產條件調控
化工生產
335
167
3.4×1012
(700 K)
(3)催化劑
反應原理
合成氨的化工生產條件調控
(4) 濃度
采取迅速冷卻的方法，使氣態氨變成液氨后及時從平衡混合物中分離出去，以促使化學平衡向生成NH3的方向移動。此外，如果讓N2和H2的混合氣體只一次通過合成塔發生反應也是很不經濟的，應將NH3分離后的原料氣循環使用，并及時補充N2和H2，使反應物保持一定的濃度，以利于合成氨反應。
合成氨的化工生產條件調控
合成氨生產流程示意圖
干燥
凈化
壓縮機
加壓
10 MPa~30 MPa
熱交換
冷卻
WWWWWWW
N2+H2
N2+H2
N2+H2
N2+H2
N2+H2
NH3+N2+H2
NH3+N2+H2
液態NH3
鐵觸媒
400~500℃
從化學平衡的角度分析，在氮氣和氫氣的物質的量比為1∶3時，平衡轉化率最大。
合成氨的化工生產條件調控
及時將氣態氨冷卻液化分離出去，將氮氣和氫氣循環利用。N2和H2的物質的量比為1∶2.8
反應原理
化工生產
外部條件 工業合成氨的適宜條件
壓強
溫度
催化劑
濃度
根據反應器可使用的鋼材質量及綜合指標等，實際選擇壓強為低壓(1×107Pa)、中壓(2×107Pa~3×107Pa)和高壓(8.5×107 Pa~1×108Pa)三種類型。
適宜溫度 400~500℃
使用鐵觸媒作催化劑
N2和H2的物質的量比為1∶2.8的投料比，氨及時從混合氣中分離出去
課堂小結
謝 謝

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