Question

【題目】合成氨是人類科學(xué)技術(shù)上的一項重大突破，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的體積分數(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NH3體積分數(shù)的關(guān)系。根據(jù)圖中a點數(shù)據(jù)計算N2的平衡體積分數(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)_____________。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】

(1)2NH4HS＋O22NH3·H2O＋2S↓

(2)升高溫度；90%；(3)14.5%

(4)Ⅳ；對原料氣加壓；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)正向進行且反應(yīng)速率增大的只有升溫平衡向吸熱反應(yīng)進行，平衡正向進行反應(yīng)速率增大。利用反應(yīng)②，將CO進一步轉(zhuǎn)化，可提高H2產(chǎn)量，若1mol CO和H2的混合氣體(CO的體積分數(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，氮氣和氫氣按照1：3混合，氮氣體積=142×=35.5，依據(jù)化學(xué)方程式計算反應(yīng)的氮氣體積為21，平衡狀態(tài)氮氣為35.5-21=14.5，則氮氣體積分數(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)達到所需溫度，提高合成氨原料總轉(zhuǎn)化率，依據(jù)平衡移動原理分析，分離出氨氣促進平衡正向進行，把平衡混合氣體中氮氣和氫氣重新循環(huán)使用，提高原理利用率；故答案為：Ⅳ，分離液氨，未反應(yīng)的氮氣和氫氣循環(huán)使用。