第四节 合氨条件的选择 

第四节 合成氨条件的选择

[日期：2007-04-05]

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【目的和要求】 1、认识合成氨反应的特点，能应用化学反应速率和化学平衡理论选择合成氨的适宜条件。 2、了解合成氨生产的简单流程。 【方法指导和教材延伸】 一、合成氨适宜条件的选择： 合成氨反应 92.4KJ是一个正反应气体体积缩小且放热的可逆反应。要提高合成氨的产率，对反应条件的选择，需要结合影响化学反应速率及化学平衡的条件和其他因素综合考虑，各方面兼顾。 增加反应物浓度 减少生成物浓度 化学反应速率 增大正反应速率 化学平衡移动方向 适宜条件的选择 平衡向正反应方向移动 N2、H2及浓度之比为1:3并及时补充N2和H2。 使气态NH3变为液减小逆反应速率 平衡向正反应方向移动 态NH3，及时从平衡混合物中分离出来。 考虑生产中动力，增大压强 增大正、逆反应速率 平衡向生成氨的方向移动 设备材料等因素一般采用 帕 升高温度 增大正、逆反应速率 增大正、逆反应速率 平衡向逆反应方向移动 不影响化学平衡，但减少达到平衡的时间 结合考虑催化剂的最佳催化活性，通常控制温度500℃ 使用催化剂 选用铁触媒 二、合成氨生产的主要流程： 原循 环 料 净压合分 总 结： （1）原料气制备 N2——分离液态空气。 H2——燃料与水蒸气： （2）合成氨反应的特点： ① 可逆反应； ② 因N2结构稳定，反应难于进行； ③ 正反应是气体体积减小的反应； ④ 正反应为放热反应。 （3）工业生产要求： ① 反应速率快； ② NH3产量高。 （4）解决方法——即条件的选择 ① 为加快反应速率：C（反）↑ P↑ T↑ 加适当催化剂。 ② NH3产率高：即应使平衡正向移动。C（反）↑ P↑ T↓ 综合分析： <1> 增加与的体积比，并不断分离出，同时补充～和的浓度。 。 <2> 增大压强为设备钢板能承受的程度，一般为<3> 由于催化剂活性的需要应掌握在500℃。 【典型例题分析】 例1、合成氨所需的氢气由煤与水发生反应制得，其中一步反应为： （ ） A、增大水蒸气的浓度 C、降低温度 B、增大CO的浓度 ，要使CO转化率提高，可采用下列措施中的D、增大压强 分析：A选项，增大水蒸气的浓度可使平衡向正反应方向移动，使更多的CO转化为生成物，因此CO的转化率提高，H2O(g)本身的转化率降低。 B选项，增大CO的浓度也可使平衡向正反应方向移动，但CO本身的转化率降低。 C选项，降低温度，可使平衡向放热反应即正反应方向移动，故CO的转化率提高。 D选项，由于该反应是反应前后气体体积不变的可逆反应，故增大压强，平衡不会移动，CO的转化率不变。 正确答案为AC。 例2、 工业上用氨和二氧化碳反应合成尿素： 已知下列物质在一定条件下均能与水反应产生 和 ， 是合成氨的原料， 供合成尿素用。若从充分利用原料的角度考虑，选用 （填序号）物质作原料较好。作出选择的依据是 （A） （B）石脑油（ 、 ） （C） （D）焦碳 有关的反应方程式如下： 分析：根据氨与二氧化碳合成尿素的化学方程式可知 由 ， 合成，因此 原料利用率最高。 ，而 （A） （B）石脑油： （C） ： （Ｄ）焦炭： 因此应选择B。 解答：B B生成的 与 物质的量之比为 ，与合成氨，合成尿素中该比值最接近，原料利用最充分。 说明：工业生产中，按化学方程式中系数比投入原料，可使原料充分利用，如 合成氨，按1：3投料， 料充分利用。 、 、 都充分利用。有时也将廉价原料过量投入，使另外的原 例3、有平均式量为8.5的氢氮混合气体，通过合成塔后出来的混合气体的平均式量为9.4，求H2的转化率。 分析：由反应前的混合气体的平均式量，可计算出进入合成塔的氢气和氮气的混合比，然后根据合成氨反应方程式及H2、N2、NH3起始、转化、平衡时物质的量的关系和反应后混合气体平均式量，可计算出合成塔出来的混合气体中H2、N2、NH3的体积比，并根据H2的转化物质的量，计算出H2的转化率。 解：设进入合成塔的氢气物质的量分数为x，氮气物质的量分数为1-x。 则2g/mol·x+28g/mol(1-x)=8.5g/mol 解之x=0.75 1-x=0.25 ∴ 设起始H2时3mol，N2为1mol，氮气转化的物质的量为y 3H2 + N2 2NH3 起始物质的量（mol） 3 1 0