Question

【題目】合成氨是人類科學(xué)技術(shù)上的一項(xiàng)重大突破，其反應(yīng)原理為N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H=-92.4kJ·mol-1。一種工業(yè)合成氨的簡式流程圖如下：

（1）天然氣中的H2S雜質(zhì)常用氨水吸收，產(chǎn)物為NH4HS。一定條件下向NH4HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫并使吸收液再生，寫出再生反應(yīng)的化學(xué)方程式：____________________________。

（2）步驟Ⅱ中制氫氣的原理如下：

①CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) ΔH＝＋206.4 kJ·mol-1

②CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH＝－41.2 kJ·mol-1

對(duì)于反應(yīng)①，一定可以提高平衡體系中H2的百分含量，又能加快反應(yīng)速率的措施是_________。

a．升高溫度 b．增大水蒸氣濃度 c．加入催化劑 d．降低壓強(qiáng)

利用反應(yīng)②，將CO進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，可提高H2的產(chǎn)量。若1 mol CO和H2的混合氣體(CO的體積分?jǐn)?shù)為20%)與H2O反應(yīng)，得到1.18 mol CO、CO2和H2的混合氣體，則CO的轉(zhuǎn)化率為________。

（3）圖(a)表示500 ℃、60.0 MPa條件下，原料氣投料比與平衡時(shí)NH3體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。根據(jù)圖中a點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算N2的平衡體積分?jǐn)?shù)：_________。

（4）依據(jù)溫度對(duì)合成氨反應(yīng)的影響，在圖(b)坐標(biāo)系中，畫出一定條件下的密閉容器內(nèi)，從通入原料氣開始，隨溫度不斷升高，NH3物質(zhì)的量變化的曲線示意圖。_____

（5）上述流程圖中，使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步驟是(填序號(hào))_________。簡述本流程中提高合成氨原料總轉(zhuǎn)化率的方法：______________________________________。

Answer 1

【答案】 2NH4HS＋O22NH3·H2O＋2S↓ a 90% 14.5% Ⅳ 對(duì)原料氣加壓；分離液氨后，未反應(yīng)的N2、H2循環(huán)使用

【解析】（1）H2S雜質(zhì)常用氨水吸收，產(chǎn)物為NH4HS，一定條件下向NH4HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫并使吸收液再生，反應(yīng)過程中生成一水合氨，依據(jù)原子守恒和電子守恒配平書寫化學(xué)方程式為：2NH4HS＋O22NH3·H2O＋2S↓（2）反應(yīng)①CH4（g）+H2O（g）CO2（g）+3H2（g）△H=+206.4 kJmol-1，是氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，一定可以提高平衡體系中H2百分含量，說明平衡正向進(jìn)行，又能加快反應(yīng)速率，說明影響反應(yīng)速率的條件可以是升溫、加壓、增大濃度等，分析反應(yīng)特征可知反應(yīng)正向進(jìn)行且反應(yīng)速率增大的只有升溫平衡向吸熱反應(yīng)進(jìn)行，平衡正向進(jìn)行反應(yīng)速率增大；a．反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度，反應(yīng)速率增大，平衡正向進(jìn)行，平衡體系中H2百分含量增大，故a符合；b．增大水蒸氣濃度，平衡正向進(jìn)行，反應(yīng)速率增大，但平衡體系中H2百分含量不一定增大，故b不符合；c．加入催化劑，改變反應(yīng)速率不改變化學(xué)平衡，反應(yīng)速率增大，氫氣百分含量不變，故c不符合；d．降低壓強(qiáng)，反應(yīng)速率減小，平衡逆向進(jìn)行，氫氣百分含量減小，故d不符合；故選a；

利用反應(yīng)②，將CO進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，可提高H2產(chǎn)量，若1mol CO和H2的混合氣體（CO的體積分?jǐn)?shù)為20%）中 CO為0.2mol，H2的物質(zhì)的量為0.8mol，與H2O反應(yīng)，得到1.18mol CO、CO2和H2的混合氣體，依據(jù)反應(yīng)前后氣體體積不變，增加的部分應(yīng)該是起始的水蒸氣的物質(zhì)的量為0.18mol，設(shè)轉(zhuǎn)化的一氧化碳的物質(zhì)的量為x，
CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）△H=-41.2 kJmol-1
起始量（mol） 0.20.18+x 00.8

變化量（mol） xxxx

平衡量（mol）0.2-x 0.18 xx+0.8
則0.2-x+x+x+0.8=1.18，x=0.18

則CO轉(zhuǎn)化率為；

（3）依據(jù)反應(yīng)特征N2+3H2=2NH3 △V

1 3 2 2

平衡體積 V V

即反應(yīng)前后氣體體積減小為生成氨氣的體積，相同條件下，氣體體積比等于氣體物質(zhì)的量之比，圖象分析可知平衡狀態(tài)氨氣體積含量42%，設(shè)平衡混合氣體體積為100，氨氣為體積42，則反應(yīng)前氣體體積100+42=142，氮?dú)夂蜌錃獍凑?/span>1：3混合，氮?dú)怏w積=142/4=35.5，依據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算反應(yīng)的氮?dú)怏w積為21，平衡狀態(tài)氮?dú)鉃?/span>35.5-21=14.5，則氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為14.5%；

(4)合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，開始反應(yīng)，氨氣物質(zhì)的量增大，達(dá)到平衡狀態(tài)，繼續(xù)升溫，平衡逆向進(jìn)行，氨氣物質(zhì)的量減小，在圖(b)坐標(biāo)系中，畫出一定條件下的密閉容器內(nèi)，從通入原料氣開始，隨溫度不斷升高，NH3物質(zhì)的量變化的曲線示意圖

(5)分析流程合成氨放熱通過Ⅳ熱交換器加熱反應(yīng)混合氣體，使反應(yīng)達(dá)到所需溫度，提高合成氨原料總轉(zhuǎn)化率，依據(jù)平衡移動(dòng)原理分析，分離出氨氣促進(jìn)平衡正向進(jìn)行，把平衡混合氣體中氮?dú)夂蜌錃庵匦卵�環(huán)使用，提高原理利用率.