Question

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

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

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

a．升高溫度 b．增大水蒸氣濃度 c．加入催化劑 d．降低壓強

利用反應②，將CO進一步轉化，可提高H2的產量。若1 mol CO和H2的混合氣體(CO的體積分數為20%)與H2O反應，得到1.18 mol CO、CO2和H2的混合氣體，則CO的轉化率為________。

（3）圖(a)表示500 ℃、60.0 MPa條件下，原料氣投料比與平衡時NH3體積分數的關系。根據圖中a點數據計算N2的平衡體積分數：_________。

（4）依據溫度對合成氨反應的影響，在圖(b)坐標系中，畫出一定條件下的密閉容器內，從通入原料氣開始，隨溫度不斷升高，NH3物質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)_________。簡述本流程中提高合成氨原料總轉化率的方法：______________________________________。

Answer 1

【答案】 2NH4HS＋O22NH3·H2O＋2S↓ a 90% 14.5% Ⅳ 對原料氣加壓；分離液氨后，未反應的N2、H2循環使用

【解析】（1）H2S雜質常用氨水吸收，產物為NH4HS，一定條件下向NH4HS溶液中通入空氣，得到單質硫并使吸收液再生，反應過程中生成一水合氨，依據原子守恒和電子守恒配平書寫化學方程式為：2NH4HS＋O22NH3·H2O＋2S↓（2）反應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，一定可以提高平衡體系中H2百分含量，說明平衡正向進行，又能加快反應速率，說明影響反應速率的條件可以是升溫、加壓、增大濃度等，分析反應特征可知反應正向進行且反應速率增大的只有升溫平衡向吸熱反應進行，平衡正向進行反應速率增大；a．反應是吸熱反應，升高溫度，反應速率增大，平衡正向進行，平衡體系中H2百分含量增大，故a符合；b．增大水蒸氣濃度，平衡正向進行，反應速率增大，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，改變反應速率不改變化學平衡，反應速率增大，氫氣百分含量不變，故c不符合；d．降低壓強，反應速率減小，平衡逆向進行，氫氣百分含量減小，故d不符合；故選a；

利用反應②，將CO進一步轉化，可提高H2產量，若1mol CO和H2的混合氣體（CO的體積分數為20%）中 CO為0.2mol，H2的物質的量為0.8mol，與H2O反應，得到1.18mol CO、CO2和H2的混合氣體，依據反應前后氣體體積不變，增加的部分應該是起始的水蒸氣的物質的量為0.18mol，設轉化的一氧化碳的物質的量為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轉化率為；

（3）依據反應特征N2+3H2=2NH3 △V

1 3 2 2

平衡體積 V V

即反應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的量之比，圖象分析可知平衡狀態氨氣體積含量42%，設平衡混合氣體體積為100，氨氣為體積42，則反應前氣體體積100+42=142，氮氣和氫氣按照1：3混合，氮氣體積=142/4=35.5，依據化學方程式計算反應的氮氣體積為21，平衡狀態氮氣為35.5-21=14.5，則氮氣體積分數為14.5%；

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

(5)分析流程合成氨放熱通過Ⅳ熱交換器加熱反應混合氣體，使反應達到所需溫度，提高合成氨原料總轉化率，依據平衡移動原理分析，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使用，提高原理利用率.