化学反应条件的优化工业合成氨省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第第2 2章章化学化学反应反应方向、方向、程度程度与速与速率率第第4 4节节化学化学反应反应条件条件优化优化工业工业合成合成氨氨名师课堂名师课堂一点通一点通创新演练创新演练大冲关大冲关考点一考点一课前预习课前预习巧设计巧设计设计设计 1 1设计设计 3 3考点二考点二设计设计 2 2课堂课堂1010分钟练习分钟练习课堂课堂5 5分钟归纳分钟归纳课下课下3030分钟演练分钟演练第1页返回返回第2页返回返回第3页返回返回第4页返回返回第5页返回返回 (1)在在298 K时时N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1，S192.2 JK1mol1。则该则该反反应应在在298 K时时，(能，不能能，不能)自自发进发进行。行。(2)增大合成氨速率原因有增大合成氨速率原因有 、增大、增大压压强强(浓浓度度)、使用使用 ，使平衡，使平衡N2(g)3H2(g)2NH3(g)向右移向右移动动办办法有：降低法有：降低 、增大、增大 、使、使N2或或H2浓浓度度 、NH3浓浓度减小。度减小。(3)反反应应中若使中若使N2、H2转转化率相等，化率相等，则则n(N2)n(H2)。能能升高温度升高温度催化催化剂剂温度温度压压强强增大增大1 3第6页返回返回第7页返回返回一、合成氨反一、合成氨反应应程度程度1合成氨反合成氨反应应特点特点N2(g)3H2(g)2NH3(g)H92.2 kJmol1S198.2 JK1mol1第8页返回返回 (1)由反由反应应方程式系数关系可知是气体体方程式系数关系可知是气体体积积 反反应应；(2)依据依据H(298 K)92.2 kJmol10知是知是 反反应应；(3)S(298 K)198.2 JK1mol1，说说明是明是 反反应应。2合成氨反合成氨反应应程度分析程度分析 (1)温度、温度、压压强强将有利于化学平衡向生成氨方将有利于化学平衡向生成氨方向移向移动动。(2)在一定温度、在一定温度、压压强强下，反下，反应应物氮气、物氮气、氢氢气体气体积积比比为为 时时平衡混合物中氨含量最高。平衡混合物中氨含量最高。减小减小放放热热熵熵减减降低降低增大增大1 3第9页返回返回二、合成氨反二、合成氨反应应速率速率(1)vkc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)。第10页返回返回 三、合成氨适宜条件三、合成氨适宜条件 (1)温度以温度以 左右左右为为宜。宜。(2)压压强强分分为为低低压压(1107 Pa)、中、中压压(21073107 Pa)、高高压压(8.51071108 Pa)三种三种类类型。型。(3)用用 作催化作催化剂剂。(4)按按N2与与H2物物质质量之比量之比为为1 2.8投料，并及投料，并及时时分离出分离出 。700 KNH3铁铁第11页返回返回四、反应流程四、反应流程第12页返回返回第13页返回返回1试验试验研究表明，在特定条件下，合成氨反研究表明，在特定条件下，合成氨反应应速率与参速率与参 与反与反应应物物质浓质浓度关系式度关系式为为：vkc(N2)c1.5(H2)c 1(NH3)，请请你依据你依据该该关系式分析，各物关系式分析，各物质浓质浓度度对对反反应应速速 率有哪些影响？能率有哪些影响？能够够采取哪些采取哪些办办法来提升反法来提升反应应速率？速率？分析：分析：由合成氨反由合成氨反应应化学反化学反应应速率公式可知，在一定速率公式可知，在一定 温度、温度、压压强强下，化学反下，化学反应应速率与反速率与反应应物物浓浓度度c(N2)或或 c1.5(H2)成正比关系，与生成物成正比关系，与生成物浓浓度度c(NH3)成反比关系。成反比关系。由此在一定温度、由此在一定温度、压压强强下，可采取增大反下，可采取增大反应应物物浓浓度、减度、减第14页返回返回小生成物小生成物浓浓度来提升化学反度来提升化学反应应速率。另外速率。另外还还可采取升高温度，可采取升高温度，使用适当催化使用适当催化剂剂降低反降低反应应活化能来增大反活化能来增大反应应速率常数速率常数K加加紧紧反反应应速率。速率。答案：答案：见见分析分析第15页返回返回2合成氨工合成氨工业业生生产产中，中，为为何要采取分离何要采取分离产产物，将原料气物，将原料气 循循环环使用方法？使用方法？分析：分析：(1)将将NH3液化加以分离并把未反液化加以分离并把未反应应N2、H2循循 环环使用，可使平衡正向移使用，可使平衡正向移动动，提升原料利用率；由，提升原料利用率；由v kc(N2)c1.5(H2)c1(NH3)知，降低氨气知，降低氨气浓浓度，能度，能够够 加加紧紧反反应应速率。速率。答案：答案：能能够够提升原料利用率，加提升原料利用率，加紧紧反反应应速率速率第16页返回返回3已知：已知：N2(g)3H2(g)2NH3(g)H(298 K)92.2 kJmol1，K6.6105(molL1)2，思索：，思索：(1)从平衡常数来看，反从平衡常数来看，反应应程度已程度已经经很大了，很大了，为为什什 么么还还需要使用催化需要使用催化剂剂？(2)试试分析分析实际实际工工业业生生产产中采取中采取700 K左右温度原因。左右温度原因。第17页返回返回分析：分析：(1)“从平衡常数来看，反从平衡常数来看，反应应程度已程度已经经很大很大”，属化学平，属化学平衡衡问题问题，而使用催化，而使用催化剂剂是是为为了加了加紧紧化学反化学反应应速率，提升速率，提升单单位位时间产时间产量，属化学反量，属化学反应应速率速率问题问题。而且催化。而且催化剂剂不能改不能改变变反反应应程度。程度。(2)升高温度，化学反升高温度，化学反应应速率增大，但不利于平衡向生成速率增大，但不利于平衡向生成NH3方向移方向移动动，所以合成氨，所以合成氨时时温度要适宜，工温度要适宜，工业业上普通采取上普通采取700 K左右温度，在左右温度，在这这个温度个温度时时，催化，催化剂剂活性最大。活性最大。答案：答案：(1)是是为为了加了加紧紧化学反化学反应应速率速率(2)在在这这个温度个温度时时，催化，催化剂剂活性最大活性最大第18页返回返回第19页返回返回 (1)从可逆性、反从可逆性、反应应前后气体系数改前后气体系数改变变、焓变焓变三个角度三个角度分析化学反分析化学反应应特点。特点。(2)依据反依据反应应特点特点详细详细分析外界条件分析外界条件对对速率和平衡影响；速率和平衡影响；从速率和平衡角度从速率和平衡角度进进行行综综合分析，再充分考合分析，再充分考虑实际虑实际情况情况(生生产产效率和生效率和生产产成本成本)，选选出适宜外界条件。出适宜外界条件。第20页返回返回外界外界条件条件有利于加紧速率条件控制有利于平衡移动条件控制综综合分析合分析结结果果浓浓度度增大反应物浓度增大反应物浓度、减小生成物浓度不停地补充反应物、及时地分离出生成物催化催化剂剂加适当催化剂不需要不需要加适当催化剂第21页返回返回外界外界条件条件有利于加紧速率条件控制有利于平衡移动条件控制综综合分析合分析结结果果温度温度高温高温H0低温低温在设备条件允许前提下，尽可能采取高温并考虑催化剂活性第22页返回返回外界外界条件条件有利于加紧速率条件控制有利于平衡移动条件控制综综合分析合分析结结果果压压强强高高压压(有气有气体参加体参加)(g)0低低压压兼顾速率和平衡，选取适宜压强第23页返回返回 例例1下表下表试验试验数据是在不一数据是在不一样样温度和温度和压压强强下，平下，平衡混合物中衡混合物中NH3含量改含量改变变情况。情况。到达平衡到达平衡时时平衡混合物中平衡混合物中NH3含量含量(体体积积分数分数)投料投料V(N2)V(H2)1 3第24页返回返回 压强/Mpa NH3含量/%温度/0.11020306010020015.3 81.5 86.4 89.9 95.4 98.83002.252.0 64.2 71.0 84.2 92.64000.425.1 38.2 47.0 65.2 79.85000.110.6 19.1 26.4 42.2 57.56000.054.59.113.8 23.1 31.4第25页返回返回 (1)比比较较200和和300时时数据，可判断升高温度，平衡向数据，可判断升高温度，平衡向_方向移方向移动动，正反，正反应应方向方向为为_(填填“吸吸热热”或或“放放热热”)反反应应。(2)依据平衡移依据平衡移动动原理，合成氨适宜条件是原理，合成氨适宜条件是_。A高温高高温高压压 B高温低高温低压压 C低温高低温高压压 D低温低低温低压压第26页返回返回 (3)计计算算500、30 MPa时时，N2转转化率化率_。(4)实际实际工工业业生生产产氨氨时时，考，考虑浓虑浓度度对对化学平衡影响，及化学平衡影响，及500对对反反应应速率影响，速率影响，还还采取了一些采取了一些办办法。法。请请分分别别写出写出其中一个其中一个办办法：法：_。第27页返回返回 解析解析(1)表中数据表明：恒表中数据表明：恒压时压时，升高温度，升高温度，w(NH3)减小，减小，说说明平衡逆向移明平衡逆向移动动，则则正反正反应为应为放放热热反反应应。(2)由反由反应应N2(g)3H2(g)2NH3(g)H0，合，合成氨适宜条件是低温、高成氨适宜条件是低温、高压压，此，此时时平衡右移，反平衡右移，反应应物物转转化化率大。率大。第28页返回返回第29页返回返回 (4)增大反增大反应浓应浓度或降低度或降低产产物物浓浓度有利于平衡右移；低度有利于平衡右移；低温温时时即使有利于化学反即使有利于化学反应应正向正向进进行，但速率行，但速率较较小，小，为为提升提升化学反化学反应应速率，速率，500时时加入适当催化加入适当催化剂剂(铁铁)，既提升化学，既提升化学反反应应速率，又使速率，又使铁铁催化性能最好。催化性能最好。答案答案(1)逆反逆反应应放放热热 (2)C(3)41.8%(4)加加过过量量N2或及或及时时从平衡体系中移走从平衡体系中移走NH3，选择选择适当适当催化催化剂剂(如如铁铁)第30页返回返回1生生产产流程流程第31页返回返回第32页返回返回 3净净化气体化气体 制得制得N2、H2需需净净化，除去化，除去杂质杂质(预预防催化防催化剂剂中毒中毒)，再用，再用压压缩缩机机压缩压缩至高至高压压。4NH3合成合成 在合成塔中在合成塔中进进行。从塔口行。从塔口进进气，气，经热经热交交换换器与塔内反器与塔内反应应后高温气体逆流交后高温气体逆流交换热换热量后，量后，进进入合成塔与入合成塔与铁铁接触反接触反应应，从，从塔上口出气。塔上口出气。5NH3分离分离 混合气混合气经经冷却后，冷却后，进进入氨分离器，只有氨气在入氨分离器，只有氨气在该压该压强强下下液化得到液氨，而未反液化得到液氨，而未反应应N2和和H2经经循循环压缩环压缩机机压缩压缩后，再通后，再通入合成塔中入合成塔中进进行反行反应应。第33页返回返回第34页返回返回 A混合气混合气进进行循行循环环利用遵照利用遵照绿绿色化学思想色化学思想 B分离液氨利于加分离液氨利于加紧紧正反正反应应速率速率 C对对原料气原料气进进行行压缩压缩是是为为了增大原料气了增大原料气转转化率化率 D使用催化使用催化剂剂能能够够提升反提升反应应速率，不速率，不过过不能使平不能使平衡向正反衡向正反应应方向移方向移动动第35页返回返回 解析解析A项项，混合气，混合气进进行循行循环环利用，原子利用率高，利用，原子利用率高，符合符合绿绿色化学思想；色化学思想；B项项，分离液氨不能加，分离液氨不能加紧紧反反应应速率，主速率，主要是利于平衡正向移要是利于平衡正向移动动，提升原料利用率；，提升原料利用率；C项项，压缩压缩混合混合气气(加加压压)利于平衡正向移利于平衡正向移动动；D项项，催化，催化剂剂能加能加紧紧反反应应速率，速率，对对平衡无影响。平衡无影响。答案答案B第36页返回返回 合成氨流程中每个步合成氨流程中每个步骤总骤总旨是：增大旨是：增大产产率、降低成本、率、降低成本、增大效益。增大效益。第37页返回返回第38页返回返回点点 击击 下下 图图 进进 入入第39页返回返回第40页返回返回 (1)合成氨反合成氨反应应特点：可逆，放特点：可逆，放热热，熵熵减小，气体物减小，气体物质质量减小。量减小。(2)合成氨反合成氨反应应条件：条件：700 K，高，高压压，催化，催化剂剂，n(N2)n(H2)1 2.8(投料投料)。(3)化学反化学反应应条件条件优优化化标标准：准：反反应应速率尽可能快。速率尽可能快。原料原料转转化率尽可能高。化率尽可能高。第41页返回返回点点 击击 下下 图图 进进 入入第42页