【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) ΔH=-92.4 kJ·mol-1。一種工業(yè)合成氨的簡(jiǎn)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 __。

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)如圖表示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)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(jiǎn)述本流程中提高合成氨原料總轉(zhuǎn)化率的方法:_________________。

【答案】

(1)2NH4HS+O22NH3·H2O+2S↓

(2)升高溫度;90%;(3)14.5%

(4)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】

試題分析:(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+O22NH3H2O+2S;故答案為:2NH4HS+O22NH3H2O+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。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) 0.2 0.18+x 0 0.8

變化量(mol) x x x x

平衡量(mol) 0.2-x 0.18 x x+0.8

則0.2-x+x+x+0.8=1.18,x=0.18,則CO轉(zhuǎn)化率為×100%=90%,故答案為:升高溫度;90%;

(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?:3混合,氮?dú)怏w積=142×=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?5.5-21=14.5,則氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為14.5%;故答案為:14.5%;;

(4)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h(huán)使用,提高原理利用率;故答案為:Ⅳ,分離液氨,未反應(yīng)的氮?dú)夂蜌錃庋h(huán)使用。

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