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第四节化学反应的调控

我们对化学反应的调控并不陌生。例如，为了灭火，可以采取隔离可燃物、隔绝空气或降低温度等措施；为了延长食物储存时间，可以将它们保存在冰箱中。下面我们以工业合成氨生产条件的选择为例，研究化学反应的调控问题。

一、合成氨反应的特点工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，其反应如下：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)ΔH＝－92.4kJ/mol【特点】①可逆性：该反应为可逆反应。②熵变：ΔS＜0，该反应的正反应为气体体积减小的反应。③焓变：ΔH＜0，该反应为吸热反应。④自发性：常温(298K)下，ΔH－TΔS＜0，该反应能自发进行。

二、合成氨反应条件的选择1.原理分析根据合成氨反应的特点，为了增大合成氨的反应速率，提高平衡混合物中氨的含量，应选择的反应条件如下表所示：通过上表可知，增大合成氨的反应速率和提高平衡混合物中氨的含量在压强方面采取的措施一致，在温度方面采取的措施不一致。对合成氨反应的影响影响因素浓度温度压强催化剂增大合成氨的反应速率?增大反应物浓度升高温度?增大压强?使用催化剂?提高平衡混合物中氨的含量?增大反应物浓度或减小生成物浓度??降低温度?增大压强?无影响

二、合成氨反应条件的选择2.数据分析不同温度、压强下，合成氨反应达到化学平衡时(初始时氮气和氢气的体积比是1：3)，反应混合物中氨的含量(体积分数)如下表所示：通过上表可知，降低温度、增大压强，有利于提高平衡混合物中氨的含量。温度/℃氨的含量/%0.1MPa10MPa20MPa30MPa60MPa100MPa20015.381.586.489.995.498.83002.2052.064.271.084.292.64000.4025.138.247.065.279.85000.1010.619.126.442.257.56000.054.509.113.823.131.4

二、合成氨反应条件的选择【小结】①升高温度、增大压强、增大反应物浓度、使用催化剂等，有利于增大合成氨的反应速率。②降低温度、增大压强、增大反应物浓度等，有利于提高平衡混合物中氨的含量。

三、工业合成氨适宜条件的选择1.压强理论分析压强越大，合成氨的反应速率越大，原料的转化率越高，平衡混合物中氨的含量(体积分数)越高。限制压强越大，对材料的强度和设备的制造要求就越高，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。实际选择目前，我国合成氨厂一般采用的压强为10～30MPa。

三、工业合成氨适宜条件的选择2.温度理论分析温度越低，原料的转化率越高，平衡混合物中氨的含量(体积分数)越高。限制温度降低会使化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的。实际选择目前，在实际生产中一般采用的温度为400～500℃。

三、工业合成氨适宜条件的选择3.催化剂【说明】①铁触媒在500℃左右时的活性最大，这也是合成氨一般选择400～500℃进行的重要原因。②为了防止混有的杂质使催化剂“中毒”，原料气必须经过净化。理论分析即使在高温、高压下，N2和H2的反应速率仍然很慢。实际选择采用加入催化剂的方法，改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快地进行反应。目前，合成氨工业中普遍使用的是以铁为主体的多成分催化剂，又称铁触媒。

三、工业合成氨适宜条件的选择4.浓度【说明】原料气中N2过量的原因是N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率。理论分析即使在500℃和30MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的含量(体积分数)仍然不高，即平衡时N2和H2的转化率仍然不高。实际选择N2和H2的投料比为1∶2.8；采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去；将NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度。

三、工业合成氨适宜条件的选择?工业合成氨的适宜条件压强10～30MPa温度400～500℃催化剂铁触媒浓度N2和H2的投料比为1∶2.8；NH3及时从平衡混合物中分离出去；NH3分离后的原料气循环使用，并及时补充N2和H2。

四、工业合成氨的生成流程1.生成流程

四、工业合成氨的生成流程2.流程分析流程?作用原料气干燥净化除去原料气中的水蒸气和其它气体杂质，防止催化剂“中毒”而降低或丧失催化活性。压缩机加压增大压强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，从而充分利用能源，提高经济效益。

四、工业合成氨的生成流程2.流程分析流程?作用铁触媒增大反应速率冷却采取迅速冷却的方法，使气态氨变成液氨后及时从平衡混合物中分离出去，以促使化学平衡向生成NH3的方法移动。循环使用原料气合成氨反应为可逆反应，平衡混合物中含有原料气