Question

2．工業(yè)上制取硝酸銨的流程圖如下，請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

（1）合成氨的工業(yè)設(shè)備名稱是合成塔，設(shè)備中設(shè)置熱交換器的目的是利用余熱，節(jié)約能源；此生產(chǎn)過(guò)程中，N₂與H₂合成NH₃所用的催化劑是鐵觸媒；生產(chǎn)中原料氣必須進(jìn)行脫硫，目的是防止催化劑中毒．
（2）吸收塔中的反應(yīng)為4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，從生產(chǎn)流程看，吸收塔中需要補(bǔ)充空氣，其原因是可使NO循環(huán)利用，提高原料利用率．
（3）生產(chǎn)硝酸的過(guò)程中常會(huì)產(chǎn)生一些氮的氧化物，可用如下三種方法處理：
方法一：堿吸收法：NO+NO₂+2NaOH═2NaNO₂+H₂O，2NO₂+Na₂CO₃=NaNO₂+NaNO₃+CO₂
方法二：氨還原法：8NH₃+6NO₂═7N₂+12H₂O（該反應(yīng)放熱，NO也有類(lèi)似的反應(yīng)）
方法三：甲烷吸收法：CH₄（g）+2NO₂（g）═CO₂（g）+N₂（g）+2H₂O（g）△H=+867kJ•mol^-1（NO也有類(lèi)似的反應(yīng)）
上述三種方法中方法一最大的缺點(diǎn)是單獨(dú)的NO不能被吸收；方法三和方法二相比，優(yōu)點(diǎn)是甲烷比氨價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是耗能高．
（4）某化肥廠用NH₃制備N(xiāo)H₄NO₃．已知：由NH₃制NO的產(chǎn)率是94%，NO制HNO₃的產(chǎn)率是89%，則制HNO₃所用的NH₃的質(zhì)量占總耗NH₃質(zhì)量（不考慮其他損耗）的54.4%（保留三位有效數(shù)值）．

Answer 1

分析 （1）合成氨反應(yīng)要用鐵觸媒作催化劑，對(duì)原料氣進(jìn)行除雜，防止催化劑中毒．
（2）吸收塔中發(fā)生的反應(yīng)是NO與O₂和水反應(yīng)生成HNO₃，向吸收塔中不斷通入空氣，能使NO反應(yīng)完全，可從源頭上減少NO污染．
（3）綠色化學(xué)要求從根本上減少或杜絕污染，提高原料利用率，節(jié)約能耗．
（4）化肥廠制硝酸銨：HNO₃+NH₃=NH₄NO₃．根據(jù)氮元素守恒可知，可由NH₃得NO產(chǎn)率，再由NO制得HNO₃的產(chǎn)率可計(jì)算得到HNO₃的量；總耗NH₃包括制硝酸消耗的以及與硝酸反應(yīng)的總量．

解答 解：（1）在合成氨的設(shè)備（合成塔）中，用到的催化劑是鐵砂網(wǎng)，硫可使催化劑中毒（降低催化劑活性），設(shè)置熱交換器的目的是利用余熱，節(jié)約能源；
故答案為：合成塔；利用余熱，節(jié)約能源；鐵砂網(wǎng)（或鐵或鐵觸媒）；防止催化劑中毒．
（2）在合成硝酸的吸收塔中不斷通入空氣，目的是提供充足的氧氣，以便使NO循環(huán)利用，全部轉(zhuǎn)化成硝酸；
故答案為：2NO+O₂=2NO₂，3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO（或4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃）；可使NO循環(huán)利用，提高原料利用率．
（3）根據(jù)“綠色化學(xué)”要求，從根本上減少或杜絕污染，盡可能使原料和利用率提高來(lái)看，符合綠色的要求．題中方法一堿吸收法中，NO與堿不反應(yīng)，因此方法一最大的缺點(diǎn)就是對(duì)單獨(dú)的NO污染物沒(méi)法吸收；方法三與方法二相比較而言，優(yōu)點(diǎn)是原料甲烷比氨的單價(jià)要便宜，方法三更經(jīng)濟(jì)，但是甲烷吸收法的反應(yīng)是吸熱的，而氨還原法的反應(yīng)是放熱的，因此方法三的缺點(diǎn)是耗能大．
故答案為：?jiǎn)为?dú)的NO不能被吸收；甲烷比氨價(jià)格便宜；耗能高．
（4）由NH₃制NO的產(chǎn)率是94%，NO制HNO₃的產(chǎn)率是89%，根據(jù)氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，則1mol氨氣可制得硝酸1mol×94%×89%=0.8366mol；由HNO₃+NH₃=NH₄NO₃可知，該反應(yīng)消耗的氨氣的量為0.8366mol；制HNO₃所用的NH₃的量為1mol，總耗的氨氣量為1mol+0.8366mol=1.8366mol，則制HNO₃所用的NH₃的質(zhì)量占總耗NH₃質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)為：$\frac{1mol}{1mol+0.8366mol}$≈54.4%（保留三位有效數(shù)字）；
故答案為：54.4．

點(diǎn)評(píng) 本題主要考察工業(yè)制硝酸的相關(guān)流程，聯(lián)系現(xiàn)在綠色化學(xué)的理念，綜合性較強(qiáng)．