第三节 合成氨条件的选择

合成氨工业条件的选择

　　（1）温度：从平衡角度考虑，合成氨低温有利，但温度过低，速率很慢，需要很长的时间才能达到平衡，很不经济，所以实际生产中，采用500℃左右的适宜温度。（此时催化剂的活性最大）
　　（2）压强：温度一定时，增大混合气的压强有利于氨的合成；但压强越大需要的动力越大，对材料的强度和设备的制造要求越高。一般采用 的高压。
　　（3）催化剂：为加快反应速度，采用以铁为主体的多成分催化剂，以称铁触媒。
　　在实际生产中，还需要将生成的 及时分离出来，并且不断地向循环气体中补充 、 ，以增加浓度。

疑难问题分析：

适宜条件的选择：

目的：尽可能加快反应速率和提高反应进行程度。

依据：外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的规律。

原则：①既要注意条件对速率的影响，又要注意对转化率的影响。
　　　②既要注意温度、催化剂对速率的影响，又要注意催化剂活性对温度的限制。
　　　③既要注意理论生产，又要注意实际可能性。

适宜条件：

　　① ；②500℃；③铁触媒；④循环操作，氨及时分离增加 、 浓度。

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合成氨化学发展史上的“水门事件”

　　在探索合成氨崎岖的道路上，它不仅使两位杰出的化学家勒沙特列和能斯特折戟蒙羞，而且使一位对人类社会发展作出巨大贡献并因此获得诺贝尔化学奖的哈伯堕落成为助纣为虐与人民为敌的可耻下场。后来人民把合成氨称为化学发展史上的“水门事件”。
　　1900年，法国化学家勒沙特列在研究平行移动的基础上通过理论计算，认为 和 在高压条件下可以直接化合生成氨，接着，他用实验来验证，但在实验过程中发生了爆炸。他没有调查事故发生的原因，而是觉得这个实验有危险，于是放开了这项研究工作，他的合成氨实验就这样夭折了。后来才查明实验失败的原因，是他所用混合气体中含有 ，在实验过程 和 发生了爆炸的反应。
　　稍后，德国化学家能斯特通过理论计算，认为合成氨是不能进行的。因此人工合成氨的研究又惨遭厄运。后来才发现，他在计算时误用一个热力学数据，以致得到错误的结论。
　　在合成氨研究屡屡受挫的情况下，哈伯知难而进，对合成氨进行全面系统的研究和实验，终在1908年7月在实验室用 和 在600℃，200个大气压下合成出氨，产率仅有2％，却也是一项重大突破。当哈伯的工艺流程展示之后，立即引起了早有用战争吞并欧洲称霸世界的野心的德国军政要员的高度重视，为了利用哈伯，德国皇帝也屈尊下驾请哈伯出任德国威廉研究所所长之职。而恶魔需要正好迎合了哈伯想成百万富翁的贪婪心理。从1911年到1913年短短的两年内，哈伯不仅提高了合成氨的产率，而且合成了1000吨液氮，并且用它制造出3500吨烈性炸药TNT。到了1913年的第一次世界大战时，哈伯已为德国建成了无数个大大小小的合成氨工厂、为侵略者制造了数百万吨炸药因而导致并蔓延了这场殃祸全球的世界大战。这就是第一次世界大战德国为什么能坚持这么久的不解之谜的谜底。
　　当事实真相大白于天下时，哈伯受到了世界各国科学家的猛烈抨击，尤其当他获得1918年诺贝尔化学奖时，更激起世界人民的愤怒。
　　人工合成氨实验的成功令人欢心鼓舞，它对工业，农业生产和国际科技的重大意义是不言而喻的。但对三位杰出的科学家而言则是黑色的“水门事件”。勒沙特列和能斯特的失误则给人们有益的启示，那就是：搞学问要有锲而不舍的精神，坚韧不拔的毅力和一丝不苟的工作作风，而哈伯堕落使人们清楚看到一个对人类发展有着巨大贡献的科学家由于自己的贪婪而堕落成为人民的公敌，历史的罪人。

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合成氨生产原理

　　（1）原料气制取

 ：物理方法为将空气液化，蒸发分离出 。化学方法为碳在空气中燃烧， 充分反应后除去 制取 。

 ：用水蒸气和焦炭高温反应制得

　　（2）原料气净化，除杂后，压缩通入合成塔

　　（3） 的合成：合成塔中选择适宜条件进行

　　（4） 的分离： 、 、 混合气中 沸点明显高于 、 易液化，降温冷凝后 液化分离出来， 、 混合气可循环使用。及时将混合气中 分离出来，有利于提高 、 转化率。

选择反应适宜的条件

　　1．工业生产中既要考虑尽量增大反应物转化率，充分利用原料又要选择较快的反应速率，提高单位时间产率。以上两点就是选择反应条件的出发点，当二者发生矛盾时，要结合具体情况辩证分析，找出最佳反应条件。
　　以合成氨反应为例：

　　（1）增压：合成氨的反应是有气体参加的反应，加压可加快反应速率；合成氨的反应是气体体积减小的反应，加压可促使平衡向右移动，提高 、 的转化率。因此增压既可加快反应速率，又能提高 的产率，但增压受到动力、设备条件制约，结合实际生产条件，只能适当增压。一般为 。
　　（2）降温：合成氨的反应为放热反应，降低温度促使平衡向有移动，有利于 、 转化为 ；但降温必然减缓了反应速率，影响单位时间产率。生产中将二者综合考虑，既要保证 、 的转化率，又要保证较快的反应速率，只能选择适中的温度500℃左右。应注意该温度为催化剂活化温度，低于此温度，催化剂不起作用。
　　（3）使用催化剂：催化剂只改变反应速率，不会影响平衡移动，但使用了催化剂可以使合成氨生产，在较低温度下达到较高速率，显然这是有利于 、 的转化的。可以说催化剂解决了升温有利于提高反应速率而不利于 、 转化率的提高这一矛盾。
　　应注意催化剂的如下特点：
　　①选择性：不同的反应选择不同的催化剂，如合成氨选择了铁触媒。每种催化剂都是对特定的反应有催化作用，并非能改变任何化学反应的速率。
　　②灵敏性：催化剂中混入杂质，常常会失去催化作用，称催化剂“中毒”，因此反应气体进入反应器前必须净化。
　　③催化剂只有在活化温度以上才能起催化作用，如铁触媒活化温度为500℃，因此该温度为合成氨的适宜温度。