化学反应条件的优化——工业合成氨

化学反应条件的优化——工业合成氨
（讲义）
一、知识点睛
1.工业合成氨反应的限度
（1）反应原理
_________________________________
已知298 K时，△H = -92.2 kJ·mol-1
△S = -198.2 J·mol-1·K-1
（2）反应方向的判断
△H-T△S_____0，该反应在常温下_____自发进行。

（3）反应的限度分析
①______温度、______压强，有利于化学平衡向生成氨的方向移动；
②在一定温度、压强下，反应物N2、H2的体积比为1:3，反应达到化
学平衡时，混合物中NH3的含量最高。

2.工业合成氨反应的速率
（1）合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系
v = k c(N2) c1.5(H2) c-1(NH3)
（2）反应的速率分析
①增大_________的浓度，有利于提高反应速率；
②将_________及时分离，有利于提高反应速率；
③______温度，有利于提高反应速率；
④使用合适的_______，有利于提高反应速率。

3.工业合成氨的适宜条件
（1）合成氨条件选择的理论分析
（2）合成氨的实际条件
①压强：低压1×107 Pa
中压2×107 ~3×107 Pa
高压8.5×107 ~1×108 Pa
②温度：700 K左右
③催化剂：铁
④浓度：N2与H2的物质的量之比为1:2.8
4.工业合成氨的主要生产流程
（1）造气
原料气中的N2来自于空气。

原料气中的H2来自于含氢的天然气、煤和炼油产品。

以天然气为原料
时，反应可简单表示为：
CH4+H2O CO+3H2、CO+H2O CO+H2
（2）净化
消除造气过程中夹带的杂质，防止催化剂中毒。

（3）合成氨
这部分包括NH3的分离，N2和H2的循环使用，利用
反应产生的热预热合成气等。

5.工业生产中化学反应条件的优化
需考虑的因素有：化学反应速率快、原料利用率高、催化剂活性高、现实设备允许。

二、精讲精练
1.合成氨反应的特点是（）
①可逆②不可逆③正反应放热④正反应吸热
⑤正反应气体体积增大⑥正反应气体体积减小
A．①③⑤B．②④⑥
C．①③⑥D．④⑤⑥
2.在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（）
A．延长反应时间B．充入过量H2
C．充入过量N2D．升高温度
3.对于合成氨工业，只从提高原料转化率看，从下列条件中选择最适宜的组
合是（）
①高温②低温③低压④高压
⑤催化剂⑥加氨⑦除氨
A．②④⑤B．②④⑦C．①④⑤D．②③⑥
4.从化学反应速率和化学平衡两个角度考虑，合成氨应采用的条件是（）
A．低温、高压、催化剂B．低温、低压、催化剂
C．适宜温度、高压、催化剂D．高温、高压、催化剂
5.工业上合成氨时一般采用700 K左右的温度，原因是（）
①提高合成氨的速率②提高氢气的转化率
③提高氨的产率④催化剂在700 K时活性最大
A．只有①B．①②C．②③④D．①④
6.工业合成氨反应中，使用催化剂和施以高压，下列叙述正确的是（）
A．都能提高反应速率，都对平衡状态无影响
B．都对平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用时间
C．都能缩短达到平衡状态所用的时间，只有加压对化学平衡状态有影响D．催化剂能缩短达到平衡状态所用时间，压强无此作用
7.关于合成氨工业的下列说法正确的是（）
A．合成氨工业的反应温度控制在400～500℃左右，因为该
条件下氨的产率最高
B．合成氨工业采用10～30 MPa，是因为该条件下催化剂的活性最好
C．由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的来说氨的产率很高
D．从合成塔出来的气体，其中氨气一般占15%，所以生产氨的工业效率都很低
8.传统合成氨工业需要高温、高压和催化剂的反应条件。

近来美国化学家使
用新型铁系催化剂，在常温下合成了氨气。

下列说法正确的是（）
A．新型合成氨方法是吸热反应
B．新型合成氨方法可简化生产设备
C．新型催化剂提高了N2和H2的转化率
D．两种方法中该反应的化学平衡常数相等
9.根据合成氨的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是（）
A．研制耐高压的合成塔
B．采用超大规模的工业生产
C．研制耐低温复合催化剂
D．探索不用N2、H2合成氨的新途径
10.合成氨厂所需H2可由焦炭与水反应制得：
（1）C(s)+H22(g) △H>0
（2）CO(g)+H22(g)+H2(g) △H<0
工业生产中，欲提高CO转化率，可采用的方法是（）
①降低温度②增大压强③使用催化剂
④增大CO浓度⑤增大水蒸气浓度
A．①⑤B．②③C．②④⑤D．③⑤
11.工业合成氨技术是对人类的巨大贡献之一。

下面是合成氨的简要流程示意
图：
（1）合成氨反应原料气N2的制备方法是_______________，
其中N2、H2的体积比高于1:3的原因是___________
_____________________________________________。

（2）原料气中往往含有H2S、CO、CO2等杂质，必须除去这些杂质的目的是_____________________________。

（3）上述流程示意图中的催化剂是____________。

（4）热交换器的作用是_______（填字母）。

a．提高N2的转化率
b．充分利用能源，降低成本
c．提高产物的产率
（5）沿X路线进入压缩机的物质是_________________，循环的目的是_________________________________。

12.有平衡体系CO(g)+2H23OH(g) △H<0，为增加甲醇（CH3OH）的
年产量，应采取的正确措施是（）
A．高温、高压
B．适宜的温度、高压、催化剂
C．低温、高压、催化剂
D．高温、高压、催化剂
13.在硫酸工业中，通过下列反应使SO2转化为SO3：2SO2(g)+O23(g)
△H<0。

已知制备SO3过程中使用的催化剂是V2O5。

下表为不同温度和压强下SO
1×105 Pa 1×106 Pa 5×106 Pa 1×107 Pa
450℃97.5% 99.2% 99.6% 99.7%
550℃85.6% 94.9% 97.7% 98.3%
（1）实际生产中，选定400～500℃作为操作温度，是由于
______________________________。

（2）实际生产中采用的压强为常压，原因是_____________
______________________________________________
_____________________________________________。

（3）根据化学原理综合分析，为了使SO2尽可能转化为SO3，可控制的条件是_______________________。

（4）在生产中常用过量的空气是为了__________________
_____________________________________________。

14.金属钾和金属钠的金属性相近，且钾比钠略强。

当利用金属钾和钠盐共融
制金属钠时，发现钾和钠的共融体难以分离。

如调整温度到一定程度，则可利用金属钠和氯化钾反应制取金属钾。

（1）钠能制取钾的原因是_________________________。

（2）该反应制取钾的温度是_______。

A．97.8℃～770℃B．770℃～774℃
C．774℃～882.9℃D．1413℃～1500℃
（3）在制取钾的过程中，为了提高原料的转化率可以采取的措施是_____________________________________。

【参考答案】
一、知识点睛
1.（1）N2(g)+3H23(g)
（2）<0 能
（3）①降低增大
2.（2）①N2或H2②NH3
③升高④催化剂
二、精讲精练
1. C
2. C
3. B
4. C
5. D
6. C
7. C
8. B
9. C
10.A
11.（1）分离液态空气法
适当提高N2的比例，加快合成氨反应的进行
（2）防止催化剂中毒
（3）铁
（4）b
（5）N2、H2提高原料气的利用率
12.B
13.（1）在此温度下，催化剂活性最高
（2）在常压下，SO2的转化率（97.5%）已经很高，若再加压，平衡正向移动效果不明显，且对设备要求高，成本高
（3）450℃、常压、催化剂
（4）增大O2的浓度，提高成本较高的SO2的转化率
14.（1）产物钾为气体
（2）C
（3）及时分离出产物钾。