工业合成氨条件优化
第三节 化学反应条件的优化——工业合成氨
【议一议】 议一议】 1．化学反应速率快，转化率一定高吗？ ． 学反应速率快，转化率一定高吗？ 答：化学反应速率是描述反应进行快慢的物理量，反应快但转化率 学反应速率是描述反应进行快慢的物理量， 定高，但是单位时间内产物的产量大。 不一 定高，但是单位时间内产物的产量大。 2．在合成氨的适宜条件中，①500℃ ．在合成氨的适宜条件中， ℃ ②采用2×107 Pa～5×107 Pa 采用 × ～ ×
1．化工生产适宜条件的选择原则 ． 化工生产选择适宜条件的目的是尽可能加快反应速率和提高反应进行的程 节约能源和成本。依据外界条件对反应速率及化学平衡影响的规律， 度，节约能源和成本。依据外界条件对反应速率及化学平衡影响的规律， 其原则是： 其原则是： (1)对任一可逆反应，增大反应物浓度，能提高反应速率和部分 或全部 反 对任一可逆反应，增大反应物浓度，能提高反应速率和部分(或全部 或全部)反 对任一可逆反应 应物的转化率。 应物的转化率。实际生产中常利用提高廉价易得原料的浓度来提高另一原 料的转化率，如合成氨中 过量、工业制硫酸中O 过量等。 料的转化率，如合成氨中N2过量、工业制硫酸中 2过量等。
1．合成氨反应是一个 放热 反应，同时也是气体的物质的量 减小 的反应。 ． 反应， 的反应。 因此， 温度、 压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动， 因此， 降低 温度、 增大 压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动， 在一定的温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为 1∶3 时，平衡混 在一定的温度、压强下，反应物氮气、 ∶ 合物中氨的含量最高。 合物中氨的含量最高。 2．在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为： ．在特定条件下，合成氨反应的速率与参与反应的物质的浓度的关系式为： v＝kc(N2)c1.5(H2)c－1(NH3) 。 ＝
2.4化学反应条件的优化—工业合成氨 -2021-2022学年高一化学鲁科版(2019)选择性必修一
思考：1.可以通过控制哪些反应条件来提高合成氨的反应速率？
(1)温度： 升高温度 (2)压强： 增大压强 (3)浓度： 增大反应物浓度 (4)催化剂：使用催化剂
思考：2.实验研究表明，在特定条件下，合成氨反应的速率与参 与反应的物质浓度的关系式为： v=kc(N2)c1.5(H2)c-1(NH3) 根据该关系式分析：式中各物质的浓度对反应速率有哪些影响？ 可以采取哪些措施来调高反应速率？
氨的合成反应的速率与氮气浓度的1次方成正比，与氢气
浓度的1.5次方成正比，与氨气浓度的1次方成反比。
三、合成氨生产的适宜条件
合成氨条件的选择
提高反应限度
高压 低温 V(N2):V(H2)=1:3
高压
提高反应速率 高温 催化剂 V(N2):V(H2)=1:2.8
思考：那么实际生产中合成氨的适宜条件如何选择呢？ 问题1：压强怎么选？ 问题2：温度怎么选？ 问题3：要不要用催化剂？ 问题4：浓度怎么定？ N2 和H2的比例怎么定？
一、合成氨反应的限度
交流·研讨
工业合成氨的反应为：N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
1.已知在298K时：ΔH=-92.2 kJ·mol-1, ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1
根据反应的焓变和熵变分析在298K时合成氨反应能否正向自发 进行。
2.利用化学平衡移动的知识分析什么条件有利于氨的合成？
小结：
合 成 氨 适 宜 条 件
化学反应条件的优化——工业合成氨教案鲁科版
-游戏：设计一个关于合成氨反应条件的互动游戏，让学生在游戏中学习。
3.确定教学媒体和资源的使用
- PPT：使用PPT展示合成氨的反应原理、反应条件和优化方法的基本概念。
-视频：播放关于工业合成氨生产的视频，让学生了解实际生产过程。
-在线工具：使用在线模拟软件，让学生模拟不同条件下的合成氨反应。
-催化剂的选择和再生：如何选择合适的催化剂，以及如何进行催化剂的再生和更换。
7.勒夏特列原理的应用：通过勒夏特列原理分析反应条件的改变对平衡位置和产率的影响，从而优化反应条件。
8.数学模型的应用：使用数学模型来模拟和预测合成氨反应的结果，帮助优化反应条件。
教学反思与改进
我发现学生们在理解催化剂的作用机理方面有些困难，他们对于催化剂如何降低活化能的概念并不是很清晰。因此，我计划在未来的教学中，通过更具体的例子和动画演示，来帮助学生更好地理解这一概念。
5.催化剂的作用机理：催化剂通过降低活化能，提高反应速率，从而加快合成氨的反应进程。催化剂在反应过程中不消耗，但需要定期更换或再生。
6.实际工业生产中的挑战：
-原料气的处理：如何有效地处理原料气，提高氮气和氢气的纯度和稳定性。
-设备的腐蚀：合成氨反应产生的腐蚀性气体如何对设备造成腐蚀，如何选择合适的材料和防护措施。
回顾旧知：
简要回顾上节课学习的化学平衡知识，帮助学生建立知识之间的联系。
提出基础。
（三）新课呈现（预计用时：25分钟）
知识讲解：
清晰、准确地讲解工业合成氨的反应原理、反应条件和优化方法的基本概念。
突出重点，强调难点，通过对比、归纳等方法帮助学生加深记忆。
```
在实际的教学中，教师需要根据学生的实际情况，通过提问、讨论、实验、案例分析等多种教学方法，帮助学生理解和掌握这些重点和难点。同时，教师应该设计相应的练习和作业，让学生在实践中巩固所学知识。
工业合成氨
温度 催化剂
浓度
练习 1.1913年德国化学家哈伯发明了以低成 本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长 的人口对粮食的需求。下列是哈伯法的流程图，其中
为提高原料转化率而采取的措施是( B )
A．①②③ C．①③⑤
B．②④⑤ D．②③④
不同压强SO2的转化率（%）
1.0×105Pa 5.0×105Pa 1.0×106Pa 5.0×106Pa 1.01×107Pa
③使用催化剂
④增大CO的浓度
A. ①②③
⑤增大水蒸气的浓度
C. ①⑤ D. ⑤
B. ④⑤
三、合成氨反应的速率
影响合成氨反应的速率的因素有哪些？从反应速率角度 考虑应选择什么条件？
温度 压强 浓度 催化剂
高温 高压 增大N2、H2浓度 Fe（铁触媒）
四、合成氨的适宜条件
条件 压强 工业合成氨的适宜条件 在设备条件允许的前提下，尽量采取高 压(1×107~1×108Pa) 700K,考虑速率，催化剂的适宜温度(该 温度下催化剂活性最大) 铁做催化剂 不断的补充反应物，及时的分离出产物， N2、 H2的物质的量之比1:2.8
工业合成氨
工业合成氨： N2(g)+3H2(g)=2NH3(g) △ S=-198.2J/(K ·mol) △ H=-92.2KJ/mol
合成氨反应的特点：Βιβλιοθήκη 1.可逆反应2. 放热反应
3.气体体积减小的反应
利用所学理论分析工业合成氨的适宜条件？
一、合成氨反应的方向
△H-T△S＝-92.2kJ· mol－1＋298K×198.2J· K － 1· mol－1 ＝－33.1kJ· mol－1＜0， 故该反应在298K时能自发进行
化学反应条件的优化工业合成氨优秀课件
❖ A、0.2 mol.L-1.min-1
B 、 0.6 mol.L-1.min-1
❖ C、0.1 mol.L-1.min-1
D、 0.3 mol.L-1.min-1
二、合成氨工业简述：
1、主要流程：
原料气制取 净化 压缩
（造气）
（净化）
2、原料气制取：
制氮气:
合成 分离
（合成氨）
液氨
压缩 液态空气 蒸发 N2(先逸出) 物理方法 空气 碳 CO2(+N2) 分离出CO2 N2 化学方法
1× 105 Pa 15.3
3000C 4000C 5000C 6000C
2.2 0.4 0.1 0.05
1× 107 Pa 81.5
2× 107 Pa 86.4
3× 6× 1× 107 107 108 Pa Pa Pa
89.9 95.4 98.8
52.0 64.2 71.0 84.2 92.6 25.1 38.2 47.0 65.2 79.8 10.6 19.1 26.4 42.2 57.5 4.5 9.1 13.8 23.1 31.4
制氢气:
炽热碳
水蒸气 CO+H2
H2O(气)
分离出CO2
CO2+H2
H2
C(S)+H2O(g) CO(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)
我国合成氨工业的发展情况：
解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂； 1949年全国氮肥产量仅0.6万吨； 1982年达到1021.9万吨，成为世界上产量最高 的国家之一。
化学反应条件的优化工业合成 氨优秀课件
利用氮、氢为原料合成氨的工业化生产曾是一 个较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投 产，约经历了150年的时间。
第4节 化学反应条件的优化——工业合成氨
弗里茨·哈伯
利用氮气、氢气为原料合成氨的工业化生产曾是一个
较难的课题，从第一次实验室研制到工业化投产，约经历 了150年的时间。
反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)看起来十分简单，为
什么合成氨的工业化生产会经历如此漫长的过程？合成氨
工厂为什么需要庞大而复杂的生产设备和特殊的生产条件？
应该从哪些方面选择合成氨的反应条件？
化学反应的 方向
合成氨反应 能否自发进 行
化学工艺学
化学反应的 限度
怎样能使化 学平衡向合 成氨方向移 动
适 宜 的 合 成 氨 条 件
工 艺 流 程
化学反应的 速率
怎样能提 高合成氨 反应速率
高压对设备材质、加工 制造的要求、温度对催 化剂活性的影响等
【思考与交流】
3×107 Pa
6×107 1×108 Pa Pa
200 ℃
300 ℃ 400 ℃ 500 ℃ 600 ℃
15.3
2.2 0.4 0.1 0.05
81.5
52.0 25.1 10.6 4.5
86.4
64.2 38.2 19.1 9.1
89.9
71.0 47.0 26.4 13.8
95.4
84.2 65.2 42.2 23.1
考虑催化剂的活性
压强是否越大越好？
考虑设备的耐压能力
【研讨结果】
外部条件 压强
温度 催化剂 浓度
工业合成氨的适宜条件
2×107～5×107 Pa 适宜温度（500℃左右） 催化剂活性大 使用铁触媒作催化剂 N2和H2的物质的量比为1︰2.8的投料比, 氨
及时从混合气中分离出去
提高工业合成氨的方法
提高工业合成氨的方法工业合成氨，也称为氨气，是一种用于制造多种化学产品的重要原料。
在过去的几十年中，工业合成氨的重要性已经逐渐显现出来，它被广泛用于制造各种化学制品，如氨基化合物、醚醚酮、氨基醇、烷烃以及某些药物和农药。
由于它的重要性，提高工业合成氨的效率和产量是近年来工业部门努力解决的重要问题。
本文将介绍几种提高工业合成氨的方法。
首先，要提高工业合成氨的效率，必须优化合成氨的反应条件和反应机理。
优化反应条件可以促进化学反应的效率，提高氨的产率。
可以通过改变温度、压力、酸碱度、反应催化剂种类及比例等因素来优化反应条件。
同时，可以改变反应机理，避免或减少反应中发生的不合成作用，提高反应的效率。
其次，要提高工业合成氨的产量，可以考虑改进操作条件和工艺流程。
改进操作条件主要是改善水的处理，使水质满足要求，以减少污染和损失，提高产量。
另外，可以改进工艺流程，采用更加高效、安全、环保的工艺，使工业合成氨的产量得到更好的保障。
最后，可以考虑采用多种技术手段来改善工业合成氨的质量。
可以通过不同的改良方法改善氨的性质，例如，采用化学分析技术检测氨的浓度、活性位点和相对密度，并建立控制因素，以提高氨的质量。
另外，可以通过设备的改进、工艺的优化和工艺管理的手段，来保证生产过程中氨的控制质量。
综上所述，提高工业合成氨效率和产量，以及改善氨的质量，都需要综合考虑多种因素。
可以通过优化反应条件、改进操作条件和工艺流程、采用技术手段来改善工业合成氨的性能，从而提高氨的产量和质量。
这些技术手段，不仅能够显著提高工业合成氨的效率，还能为未来的工业化制造提供新的材料，为社会发展做出更大的贡献。
【知识解析】工业合成氨适宜条件的分析
工业合成氨适宜条件的分析1 压强（1）理论分析和对实验数据的分析均表明，合成氨时压强越大越好。
压强对工业合成氨的影响如图2－4－1所示：优点如图2－4－1，压强越大，合成氨反应的反应速率越大，原料的转化率越高，平衡混合物中氨的体积分数越高400 ℃下平衡时氨的体积分数随压强的变化示意图图2－4－1缺点压强越大，对材料的强度和设备的制造要求也越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益（2）目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30 MPa。
2 温度（1）根据平衡移动原理，合成氨应该采用低温以提高平衡转化率。
温度对工业合成氨的影响如图2－4－2所示：优点如图2－4－2，温度越低，原料的转化率越高，平衡混合物中氨的体积分数越高10 MPa下平衡时氨的体积分数随温度的变化示意图图2－4－2缺点温度降低会使化学反应速率减小，反应达到平衡所需时间变长，经济效益降低（2）目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500 ℃。
3 催化剂（1）目前，合成氨工业中普遍使用的催化剂：铁触媒（以铁为主体的多成分催化剂）。
（2）催化原理：改变反应历程，降低反应的活化能。
如图2－4－3所示：图2－4－3（3）铁触媒在500 ℃左右时的活性最大，这也是合成氨反应一般选择400～500 ℃进行的重要原因。
注意原料气需预先净化，防止原料气中的杂质使催化剂“中毒”。
4 合成氨的生产流程（1）生产流程图2－4－4（2）流程分析①原料气干燥、净化：除去原料气中的水蒸气及其他气体杂质，防止与催化剂接触时，导致催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性。
②压缩机加压：增大压强。
③热交换：合成氨反应为放热反应，反应体系温度逐渐升高，为原料气反应提供热量，故热交换可充分利用能源，提高经济效益。
④冷却：生成物NH3的液化需较低温度，采取迅速冷却的方法，可使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出来，以促使平衡向生成NH3的方向移动。