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综合看化学生产条件的选择
作者:佚名 文章来源:不详 点击数: 更新时间:2013-2-16 7:46:48

化学反应总是在一定条件下进行。化学反应速率和化学平衡从两个角度诠释了反应进行的两个方面,一个是快慢问题,一个是转化率问题,而我们研究化学反应尤其是工业反应则应该从这两个方面入手,使生产产品“又快又多”,同时兼顾原料、设备、成本等问题,选择适宜的生产条件。

 

一、             速率、平衡不可兼得,理论与实际相结合选择合成氨条件

 

从反应特点看,合成氨反应是一个气体总体积缩小的正反应放热的可逆反应。即:N2(g)+3H2(g)2NH3(g);ΔH<0。从反应速率角度考虑,合成氨越快越好,所以条件适宜温度高、压强大且有催化剂。从化学平衡角度讲,氨气转化率越大越好,所以条件适宜温度低、压强大,不断补充氮气氢气移走氨气等。

很显然,外界条件对速率、平衡的影响有一致的,也有矛盾的,所以必须结合生产实际进行选择。

温度对速率、平衡的影响不一致,二者不可同时满足,需要协调。工业生产要求较高产量,速率不能太低,要求转化率尽可能大,所以应尽量使平衡正向移动,同时又要考虑催化剂的活性,所以工业上选择一个适合三者较为适宜的温度范围500 ℃左右。增大压强对速率和平衡的影响一致,所以不必协调,但压强太大对设备的要求较为苛刻,故选择适当压强即可。催化剂虽然对化学平衡没有影响,但可缩短达到平衡所需要的时间,所以在工业生产中一般都使用催化剂。

综合以上,合成氨工业的适宜条件为(1)增大氮气氢气浓度,及时将生产的氨分离出来。(2)温度500 ℃左右(3)压强为20 MPa~50 MPa(4)使用铁触媒做催化剂,用化学方

程式表示为:

二、条件并非多多益善,成本是工业效益的重要指标

已知在硫酸工业中

①SO2转化为SO3的反应为2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g);ΔH<0

②经测定,在常压下上述反应的平衡混合气体中,SO3的体积分数为91%。

③催化剂V2O5的催化效率f与温度T有如图关系。

 

④经除尘去杂后的SO2气体的温度约为200 ℃,反应后的SO3气体的温度约为600 ℃。

请根据以上信息,选择SO2氧化为SO3的适宜生产条件是___________________。

解析:对2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g);ΔH<0而言,SO2氧化为SO3的适宜条件既要使反应速率较快,又要使SO2的转化率较高,选择适宜条件类似于合成氨条件选择但又有所不同。

根据信息②,在常压下上述反应的平衡混合气体中,SO3的体积分数为91%。由此可见,常压下SO2的转化率已经很高了,虽然增大压强可加快反应速率,也可使平衡正向移动,但条件的实现涉及动力和设备要求等问题,增大成本,效益不会增高,故一味增大压强没有意义。所以选择常压即可。

根据反应特点,温度高则速率高,但温度越高SO2转化率反而降低,从题给图可看出,450~500 ℃左右,催化剂的催化效率较高,500 ℃以后,催化效率变化不大,并且在500 ℃左右的条件下也兼顾了反应速率和反应物的平衡转化率,所以选择适宜温度为450~500 ℃。

由信息④可见,假如利用热交换装置将该反应放出的热量去预热反应的气体,会降低能耗,降低成本,提高效益,是一项有意义的措施。当然,我们也可以加入稍过量的氧气或空气,即提高廉价原料的浓度,以提高SO2的转化率。

综上该反应选择的条件是:加入过量氧气、常压、450~500 ℃左右、使用催化剂V2O5,使用热交换装置等。

任何化学原理都是应用于实践并服务于生产的。所以在具体的工业生产中,只有灵活处理原理和实践之间的关系,才能真正将所学知识落到实处,这才是学习的真正意义。



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