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）ΔH＝－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）△H＝＋206．4kJ·mol－1

②CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）△H＝－41．2kJ·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1molCO和H2的混合氣體（CO的體積分數為20%）與H2O反應，得到1．18molCO、CO2和H2的混合氣體，則CO的轉化率為__________。

（3）圖（a）表示500℃、60．0MPa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。

（a）（b）

（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】（1）2NH4HS＋O2=2NH3·H2O＋2S↓（2）a90%

（3）14．5%

（4）如下圖

（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】

試題分析：（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，說明又生成一水合氨，化學方程式為：2NH4HS+O2=2S↓+2NH3H2O；

（2）對于反應①正反應為氣體體積增大吸熱反應；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；若1molCO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1．18molCO、CO2和H2的混合氣體，設轉化的一氧化碳的物質的量為x，則：

CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）

起始量（mol）0．200．8

變化量（mol）xxx

平衡量（mol）0．2-xxx+0．8

則0．2-x+x+x+0．8=1．18，解得x=0．18，則CO轉化率為0．18mol/0．2mol×100%=90%；

（3）a點氮氣的體積分數為42%，氫氣與氮氣物質的量之比為3：1，二者按3：1反應，平衡時二者體積分數之比為3：1，則平衡時氮氣體積分數為（1-42%）×1/4=14．5%；

（4）隨反應進行氨氣物質的量增大，達到平衡狀態，合成氨的反應是放熱反應，繼續升溫，平衡逆向進行，氨氣物質的量減小，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為：；

（5）合成氨為放熱過程，通過Ⅳ熱交換器加熱反應混合氣體，使反應達到所需溫度，使合成氨放出的能量得到充分利用；將氨氣液化，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。