資源簡介

(共33張PPT)
第四節
化學反應的調控
你主要應考慮哪些問題
1、經濟效益
2、社會效益
思考：假如你是一個化工廠的老板對工業生產
單位時間里提高合成氨的產量
(從化學反應的速率考慮)
提高平衡混合物中氨的含量
(從化學平衡的移動考慮)
從生產成本、動力、材料、設備等對上述 理論探討進一步論證，以得出合理的結論。
提 高 綜 合 經 濟 效 益
理 論 實際
不記得嗎
1、影響化學反應速率的因素有哪些
反應物表面積、反應物濃度、溫度、能引起氣體 反應物濃度改變的壓強、催化劑
2、影響化學平衡移動的因素有哪些
濃度、壓強、溫度
勒夏特列原理：如果改變影響平衡的一個條件(如 濃度、壓強或溫度等),平衡就向能夠減弱這種改 變的方向移動。
1. 合成氨反應的特點
合成氨反應：N (g)+3H (g)=2NH (g)
已知298 K 時：△H=-92.4 kJ ·mol-1,
△S=-198.2 J·mol-1.K-1
(1)可逆性：反應為可逆反應。
(2)體積變化：正反應是氣體體積縮小的反應。
(3)焓變：△H<0, 熵變：△S<0。
(4)自發性：常溫(298 K)下，△H-T△S < 0, 能自發進行
【交流 ·研討】
工業合成氨時主要考慮的因素
(1) 多 即提高平衡混合物里氨的含量
——化學平衡問題
(2) 快 即提高單位時間里氨的產量
——化學反應速率問題
(3) 便宜 降低成本，提高原料利用率。
(4) 綠色 保護環境，對設備的要求。
增大N 、H 的濃度 其物質的量 之比為1:3時 NH 的含量最高
及 時 轉 移 走 N H
根據此反應特點分析，什么條件有利于合成氨
1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 1:6N2:H
0.6
0.5
0.4 0.3 0.2
0.1
【交流 ·研討】～多
NH3%
NH 含 壓強 量/% MPa 溫度1℃
壓強增 氨 的含量
寒的含
主 重
低
達到平衡時平衡混合物中NH 的含量體積分數) [V(N ):V(H )=1:3]
及時轉移走NH
低溫
高壓
無影響
【交流 ·研討】～多
根據此反應特點分析，什么條件有利于合成氨
增大N 、H 的濃度，提高氫氣壓強更有利
于提高反應速率，其物質的量之比應<1:3
及時轉移走NH
高溫
高壓
正催化劑
【交流 ·研討】～快
根據此反應特點分析，什么條件有利于提高合成氨 的速率
外界條件 使NH 生產得快 使NH 生產得多
理論選擇 適宜條件
速率分析 平衡分析
反應物 的濃度 增大濃度 增大濃度
增大濃度
壓強 高壓 高壓
高壓
催化劑 使用 無影響

溫度 高溫 矛盾 低溫

合成氨的適宜條件的選擇
( 一 )壓強：
合成氨廠一般采用的壓強
為10 MPa~30 Mpa。
【思考1】合成氨時壓強越大越好，為何不 采用比30 MPa 更大的壓強
提示：壓強越大，對材料的強度和設備的制造要求也越高，需要的動力也越大，
這會加大生產投資，可能降低綜合經濟效益。
壓 強 /MPa
圖2-11400℃下平衡時氨的體積分數隨壓強的變化示意圖
壓強的選擇一成本與效益的博弈
NH 的體積分數/%
圖2-1210 MPa 下平衡時氨的體積分數隨溫度的變化示意圖
提示：溫度太低，反應速率太小，達到平衡所需的時間變長，不經濟。升高溫度， 轉化率降低，另外，合成氨所需的催化劑鐵觸媒的活性在500 ℃左右活性最
大。
一般采用的溫度為400~500℃ 。
【思考2】合成氨采用低溫時可提高
轉化率，但為何未采用更低的溫度
溫度的選擇—快與少、慢與多的權衡
NH，的體積分數/%
溫度/℃
隨堂練習
工業上合成氨一般采用400~500℃的溫度，其原因是( D )
①適當提高氨的合成速率②提高H 的轉化率③提高氨的產 率④催化劑在500 ℃左右活性最大
A.只有① B.只有①②
C.②③④ D.只有①④
(三)催化劑：
目前，合成氨工業中普遍使用的是以鐵為主體的多成分催化劑， 又稱鐵觸媒。
鐵觸媒在500℃左右時的活性最大，這也是合成氨一般選擇 400~500℃進行的重要原因。
另外，為了防止混有的雜質使催化劑“中毒”,原料氣必須經過 凈化。
使用催化劑可使合成氨反應的速率提高上 萬 億倍
(四)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NH 的方向移動。此外，如果讓N 和H 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NH 分離 后的原料氣循環使用，并及時補充N 和H , 使反應物保持一定的濃度，以 利于合成氨反應。
【思考】合成氨工業采用迅速冷卻法，使氣態氨變為液氨后及時從混合物中 分離出去的目的是什么
提示：使化學平衡向生成氨的方向移動。
適宜條件
隨堂練習
利用原料氣在合成塔中合成NH , 為提高N 的轉化率所采取的措 施是( B )
A.高溫 B.高壓
C.使用催化劑 D.增大N 的濃度
隨堂練習
有關合成氨工業的說法中，正確的是( B )
A.增大H 的濃度，可提高H 的轉化率
B.由于氨易液化，N 、H 在實際生產中會循環使用，所以總體來說氨的 產率很高
C.合成氨工業的反應溫度控制在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
工業上利用某可逆反應生產產品：
一般要使用催化劑：這樣可以大大加快化學反應速 率，提高生產效率，也提高了經濟效益；
選擇合適的溫度：該溫度是催化劑活性最大的溫度；
選擇合適的壓強：既要考慮化學反應速率和化學平 衡，還要考慮動力、材料、設備等。
【小結 ·反思】
N +H 干燥
凈化
N +H NH +N +H
冷卻
液態NH NH +N +H
三、合成氨的生產流程
(一)生產流程
壓縮機
加壓
10~30 MPa
鐵觸媒
400~500℃
熱交換
-WWWWW 一
N +H
N +H
N +H
機
縮 壓 環 循
液氨
氨分離器
m Ⅲ m
水冷器
循環氣體
合成氨流程簡圖
壓縮機
氫氮混合氣
合 成 塔
隨堂練習
合成氨工業有下列流程：①原料氣制備；② 氨的合成；③原料氣凈化和壓縮；④氨的分 離。其先后順序為( B )
A.①②③④ B.①③②④
C.④③②① D.②③④①
隨堂練習
NH 是一種重要的工業原料。下列關于合成氨的說法中，不正確 的是( D )
A. 工藝涉及催化技術
B. 工藝涉及高溫高壓技術
C. 原料之一的氮氣來自空氣
D.從合成塔出來的氣體中，氨的體積分數為100%
(二)流程分析
1、原料氣干燥、凈化：除去原料氣中的水蒸氣及其他氣體雜質， 防止與催化劑接觸時，導致催化劑“中毒”而降低或喪失催化活性
2、壓縮機加壓：增大壓強
3、熱交換：合成氨反應為放熱反應，反應體系溫度逐漸升高，為 原料氣反應提供熱量，故熱交換可充分利用能源，提高經濟效益。
4、冷 卻 ：生成物NH 的液化需較低溫度采取迅速冷卻的方法，
可使氣態氨變成液氨后及時從平衡混合物中分離出來，以促使平 衡向生成NH 的方向移動。
5、循環使用原料氣：因合成氨反應為可逆反應，平衡混合物中 含有原料氣，將NH 分離后的原料氣循環利用，并及時補充N 和 H , 使反應物保持一定的濃度，以利于合成氨反應，提高經濟效
益。
四 、影響化學反應進行的兩個因素
(一)參加反應的物質組成、結構和性質等本身因素
(二)溫度、壓強、濃度、催化劑等反應條件
五、化學反應的調控
1、定 義 ：就是通過改變反應條件使一個可能發生的反應按照 某一方向進行。
2、考 慮 因 素 ：在實際生產中常常需要結合設備條件、安全操 作、經濟成本等情況，綜合考慮影響化學反應速率和化學平衡的 因素，尋找適宜的生產條件。此外，還要根據環境保護及社會效 益等方面的規定和要求做出分析，權衡利弊，才能實施生產。
3、控制反應條件的目的
(1)促進有利的化學反應：通過控制反應條件，可以加快化學反應 速率，提高反應物的轉化率，從而促進有利的化學反應進行。
(2)抑制有害的化學反應：通過控制反應條件，也可以減緩化學反 應速率，減少甚至消除有害物質的產生或控制副反應的發生，從而 抑制有害的化學反應繼續進行。
4、控制反應條件的基本措施
(1)控制化學反應速率的措施：通過改變反應體系的溫度、溶 液的濃度、氣體的壓強(或濃度)、固體的表面積以及使用催化 劑等途徑調控反應速率。
(2)提高轉化率的措施：通過改變可逆反應體系的溫度、溶液 的濃度、氣體的壓強(或濃度)等改變可逆反應的限度，從而提
高轉化率。
判斷正誤(正確的打“ √ ”,錯誤的打“×”)
(1)溫度越高越利于合成氨反應平衡正向移動。( × )
(2)合成氨反應中，壓強越大越利于增大反應速率和平衡正向移動。(√ )
(3)使用催化劑能提高合成氨反應物的平衡轉化率。( × )
(4)充入的N 越多越有利于NH 的合成。( × )
(5)恒容條件下充入稀有氣體有利于NH 的合成。 ( ×)
(6)工業合成氨的反應是熵增加的放熱反應，在任何溫度下都可自發進行。
( ×)
隨堂練習
某工業生產中發生反應：2A(g)+B(g)=2M(g)△H<0。 下列有關該工業
生產的說法正確的是( D )
A.工業上合成M 時，一定采用高壓條件，因為高壓有利于M 的生成
B.若物質B價廉易得，工業上一般采用加入過量的B以提高A和B的轉化率 C.工業上一般采用較高溫度合成M,因溫度越高，反應物的轉化率越高
D.工業生產中常采用催化劑，因為生產中使用催化劑可提高M的日產量
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