《化学反应原理》——15、化学反应的调控

第二章 化学反应速率与化学平衡

第四节 化学反应的调控

依据化学反应速率、化学平衡的影响因素及化学反应的方向等理论，可以对化学反应进行调控，特别是工业生产中用于生产条件的选择。

一、工业合成氨条件的理论分析

工业合成氨反应的原理为：

这是一个气体分子数目减少的可逆反应，正反应是放热反应，且是一个熵减的反应，所以在相对较低的温度下（常温）能自发进行。

1、原理分析

合成氨生产的要求：增大合成氨的反应速率、提高平衡混合物中氨的含量（即提高反应物的平衡转化率，使化学平衡尽量正向移动）。

根据合成氨反应的特点，选择合适的反应条件，填入下表：

2、数据分析

不同温度和压强下，初始氮气和氢气的体积比为1∶3，平衡混合物中氨的含量（体积分数）：

从表中数据可知，提高反应速率的条件是升高温度、增大压强；提高平衡混合物中氨的含量的条件是降低温度、增大压强。

综合上述两个方面，增大合成氨的反应条件、提高平衡混合物中氨的含量所应采取的措施是一致的。

小结：  

增大合成氨反应速率的条件：升高温度、增大压强、增大反应物的浓度、使用催化剂。

提高平衡混合物中氨的含量：降低温度、增大压强、增大反应物的浓度。

催化剂可以增大反应速率，但不改变平衡混合物的组成。

二、工业合成氨实际生产条件的选择

实际工业生产中要综合考虑增大反应速率和提高氨的含量，还要考虑实际生产成本和技术要求等。

1、压强

原理分析和数据分析均表明，合成氨的压强越大越好。

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，能量消耗越多，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。

目前我国的合成氨厂一般采用的压强为10～30MPa。

2、温度

降低温度可提高氮气、氢气的平衡转化率，但化学反应速率减小，达到平衡所需时间变长，这在工业生产中是很不经济的；升高温度可使化学反应速率增大，但化学平衡会逆向移动，使氮气、氢气的平衡转化率变小。

实际工业生产中，综合考虑使用400-500℃的温度，且铁触媒在500℃左右时的活性最大。

3、催化剂

催化剂不能使化学平衡移动，但可改变反应历程，降低反应的活化能，使反应物在较低温度时能较快的发生反应，提高单位时间的生产效率，可提高经济效益。

合成氨工业中普遍使用Fe为主体的催化剂，又称铁触媒。铁触媒的活性温度为500℃。

注意：

原料气中的杂质会因吸附或沉积，使催化剂活性降低或丧失，称为催化剂中毒。因此原料气在合成之前必须经过净化。  

4、浓度和投料比

实际工业生产中，采用迅速冷却的方法将平衡混合物中的氨气液化成液氨，从混合物中分离出来，降低生成物的浓度，促进化学平衡向生成氨气的方向移动，提高反应物的转化率。

同时，将未反应的氮气、氢气循环使用，提高原料的利用率。

合成氨反应中，氮气和氢气的投料比为1∶3时（即合成氨反应的计量系数比），平衡混合物中氨的体积分数最高。但实际生产中使用略微过量的氮气，可以提高氢气的平衡转化率。

综合前面的分析，工业合成氨的条件为：

采用铁触媒，在400-500℃的温度和10～30 MPa的压强下合成氨。

三、工业生产中反应条件的选择方法

1、影响化学反应进行的因素

反应物的组成、结构和性质等本身因素；温度、压强、浓度、催化剂等反应条件。

2、工业生产中反应条件的选择方法

（1）化学反应速率的影响因素；

（2）化学平衡的影响因素；  

（3）设备条件、安全操作、经济成本；

（4）环境保护及社会效益等方面的规定和要求。

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