生产中反应条件的控制教案教学设计导入设计

人教社

选修2《化学与技术》第一单元〈走进化学工业〉

课题1.化工生产过程中的基本问题——生产中反应条件的控制

西安高新第一中学南校区

聂保民

教学目标（知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观）

知识与技能：

1、了解应用化学反应原理分析化工生产条件的思路和方法。

2、初步尝试利用理论分析化工生产中的实际问题。

3、通过对SO2的催化氧化和合成氨工业条件的选择分析，认识反应速率和化学平衡综合分析在工业生产中的重要作用。提升综合分析判断的能力。

4、理解方向、限度、速率、平衡等理论在优化选择化学反应条件方面的作用意义。

过程与方法：

1、从反应速率和平衡移动原理和实际生产的角度，通过分析讨论，学会分析工业生产条件的方法，总结出化工生产中反应的控制条件。

2、通过反应条件的总结，提升学生综合分析和判断的能力。

3、学会对实验数据、图像的分析处理能力。学会通过资料及问题探讨培养抽象思维能力和分析推理能力

情感、态度与价值观：

1、认识化学反应原理在工业生产中应用的重要性，提升学生对化学反应原理价值的认识。

2、增强学生理论联系实际的意识和能力。

3、充分发挥学习的主动性，培养处理、获取信息的终身学习能力。

教材分析：

本节为人教社选修2第一单元课《走进化学工业》题1化工生产过程中的基本问题——生产中反应条件的控制。本节重点是根据化学反应速率和化学平衡原理，分析二氧化硫的催化氧化和合成氨工业生产条件的控制的选择。合成氨和硫酸的生产是化学工业及其发展的基础，通过这些产品生产过程中条件的选择，可以帮助学生将所学化学基础知识与实际生产建立有效的联系，拉近实际生产过程与课堂化学知识的距离，有利于学生加深对化学、技术和社会相互关系的认识，有利于培养学生将化学原理与生产实际、经济效益进行综合分析综合判断的能力，为学生的综合素养的提升奠定基础。达到巩固所学的化学理论知识并提高综合运用的能力。本节课重点在速率、平衡在实际工闰生产条件的选择，突出学生学习的主体作用，让学生在充分讨论中巩固所学知识，提高学生的综合分析和判断的能力。不仅有利于学生化学知识的学习，更有利于生活和工作中对待事情的综合分析处理。

教学重点：

重点：应用化学反应速率和化学平衡原理，结合工业实际，选择工业生产的条件。

教学难点：

难点：应用化学反应速率和化学平衡原理，结合工业实际，选择工业生产的条件。

教学方法：讨论法、讲授法。

教学用具：PPT

教学过程：

引入：氨、氮肥及硫酸在农业生产中起着十分重要的作用，合成氨工业和制硫酸工业是重要的工业生产，我们今天在学习了化学反应速率和化学平衡的理论知识后，应用化学原理分析1

合成氨及SO2的催化氧化工生产条件的控制。

工业生产条件的选择中要从速率、平衡原理角度分析，还要考虑设备材料、能源、环保及经济效益等问题。

工业生产条件的控制：速率快。

反应物平衡转化率高。

设备、能源、环保等。

一、合成氨工业条件

1、合成氨反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)

△H<0 反应特点是：①可逆反应；②气体总体积缩小的反应；③正反应为放热反应。

在下图中画出合成氨平衡混合气中NH3的体积分数与温度、压强的关系。

不同温度压强下平衡混合物中NH3的体积分数：

工业生产在反应速率上要快，反应物的转化率要高（反应进行的程度要高），同时要考虑设备条件、动力和经济效益等。

影响反应速率、平衡的因素浓度、压强、温度、催化剂等。

同学们就从这几个方面并结合设备材料等方面讨论合成氨工业生产条件的选择。

[学生讨论，小组汇报]

压强

温度

速率角度

高压有利

高温有利

平衡角度

高压有利

低温有利

不影响

补充有利

设备、动力、其它

设备条件、动力消耗

催化剂活性最大温度范围

缩短反应达平衡时间

______________________ 实际条件

10~30MPa 400~500℃

加铁触媒

不断补充反应物，

不断移出氨，

并进行循环操作。

催化剂

加入有利

反应物

补充有利

生成物

移走氨不利

移走氨有利

氨易液化，冷却成液态

2、合成氨条件：

10~30MPa、400~500℃、加铁触媒、不断补充反应物，不断移出氨，并进行循环操作。

工业上在原料气在加压压缩进入合成塔之前，还要进行原料气的净化。其目的是什么？

防止杂质与催化剂反应，使催化剂中毒，降低催化效果。

2

为什么要对未反应的氮气、氢气采用循环操作？

提高原料的利用率，降低生产成本。

二、二氧化硫氧化为三氧化硫（制硫酸）

1、反应：

2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)

△H<0

问题：主要从哪几个方面考虑温度高低？速率、平衡、催化剂活性最高温度等。

表1－1

不同温度下SO2的平衡转化率

[原料气成分（体积分数）：SO27%，O211%，N282%；压强0.1MPa] 温度/℃

转化率/% 400 99.2 450 97.5 475 95.8 500 93.5 525 90.5 550 85.6 575 79.9 600 73.7 650 58.5 1000 5.0 温度升高，反应速率增大，但SO2的平衡转化率降低。选择400~500℃，反应速率不低，平衡转化率较高，且此温度下催化剂的活性最高。

问题：主要从哪几个方面考虑压强高低？速率、平衡、设备成本、能源消耗。

表1－2

压强对SO2平衡转化率的影响

（原料气成分同表1－1）

从表1－1和表1－2讨论分析，工业上二氧化硫催化氧化的合适的温度和压强。

实际控制：400~500℃，常压（0.1MPa左右）、催化剂。

为什么不采用更高压强？

常压下SO2的平衡转化率已很高，再增大压强，SO2的平衡转化率提高得并不多，提高设备要求，增加成本和能量消耗，经济效益降低。

3

问题：

（1）进入反应室的原料气中O2（来自空气）体积分数比SO2大，原因是什么？

（2）进入反应室的原料气为什么要进行净化？

（3）进入反应室的原料气要干燥，不能含有水蒸汽，为什么？

讨论结果汇报：

（1）适当过量的氧气（实际为通入空气），提高原料SO2的转化率（或利用率）。

（2）净化原料气是防止催化剂中毒，发生副反应。

（3）防止水与SO2、SO3生成酸，腐蚀设备。

本节小结

从反应速率、平衡原理、催化剂、设备、能源、环保等方面综合选择工业生产控制的条件。

课堂练习：

1、丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。回答下列问题：

（1）正丁烷（C4H10）脱氢制1-丁烯（C4H8）的热化学方程式如下：

C4H10(g) = C4H8(g)+H2(g)

H1＝123

kJ·mol1

－图（a）是反应平衡转化率与反应温度及压强的关系图，x_______0.1（填“大于”或“小于”）；欲使丁烯的平衡产率提高，应采取的措施是__________（填标号）。

A．升高温度

B．降低温度

C．增大压强

D．降低压强

（2）丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器（氢气的作用是活化催化剂），出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图（b）为丁烯产率与进料气中n(氢气)/n(丁烷)的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势，其降低的原因是

。

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（3）图（c）为反应产率和反应温度的关系曲线，副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590℃之前随温度升高而增大的原因可能是___________、____________；590℃之后，丁烯产率快速降低的主要原因可能是_____________。

答案：（1）小于 AD （2）氢气是产物之一，随着n(氢气)/n(丁烷)增大，逆反应速率增大（平衡左移）

（3）升高温度有利于反应向吸热方向进行、温度升高反应速率加快；丁烯高温裂解生成短链烃类

2、丙烯腈（CH2=CHCN）是一种重要的化工原料，工业上可用“丙烯氨氧化法”生产，主要副产物有丙烯醛（CH2=CHCHO）和乙腈CH3CN等，回答下列问题：

（1）以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈（C3H3N）和副产物丙烯醛（C3H4O）的热化学方程式如下：

① C3H6(g)+NH3(g)+ 3/2O2(g)=C3H3N(g)+3H2O(g)

△H=－515kJ/mol ② C3H6(g)+ O2(g)=C3H4O(g)+H2O(g)

△H=－353kJ/mol 有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是

。

（2）图（a）为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线，最高产率对应温度为460℃．低于460℃时，丙烯腈的产率

（填“是”或者“不是”）对应温度下的平衡产率，判断理由是

；高于460℃时，丙烯腈产率降低的可能原因是

（双选，填标号）

A．催化剂活性降低

B．平衡常数变大

C．副反应增多

D．反应活化能增大

（3）丙烯腈和丙烯醛的产率与n(氨)/n(丙烯)的关系如图（b）所示。由图可知，最佳n(氨)/n(丙烯)约为

，理由是

。

答案：（1）降低温度、降低压强；

（2）不是；该反应为放热反应，平衡产率应随温度升高而降低

；

AC （3）1 ；

该比例下丙烯腈产率最高，而副产物丙烯醛产率最低。

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