化学反应条件的优化——工业合成氨(讲义及答案)

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 外界 有利于提高 有利于平衡 综合分析 条件 反应速率 正向移动 增大反应物浓度增大反应物浓度 不断补充反应物， 浓度 减小生成物浓度 减小生成物浓度 及时分离生成物 催化剂 温度 加合适催化剂 不需要 加合适催化剂 兼顾反应速率和化学平衡，考虑 催化剂的活性 在设备允许情况下，尽量采用高压 高温 低温 压强 高压 高压 1

（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（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。

CO+3H2、CO+H2O

CO+H2

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．①③⑤ B．②④⑥ C．①③⑥ D．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N2 D．升高温度

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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．②④⑤ B．②④⑦ C．①④⑤ D．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① B．①② C．②③④ D．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

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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)+H2O(g)（2）CO(g)+H2O(g)CO(g)+H2(g) △H>0 CO2(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．①⑤ B．②③ C．②④⑤ D．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)+2H2(g)CH3OH(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

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13. 在硫酸工业中，通过下列反应使SO2转化为SO3：

2SO2(g)+O2(g)2SO3(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SO2的转化率，试回答下列问题：

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。

物质 K Na KCl NaCl 熔点/℃ 63.65 97.5 770 801 沸点/℃ 774 882.9 1500（升华） 1413 （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_____________________________________。

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【参考答案】 一、知识点睛

1. （1）N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

（2）<0 能 （3）①降低 增大

2. （2）①N2或H2 ②NH3

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

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