Question

5．聯(lián)合生產(chǎn)是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施，工業(yè)上合成氨和硝酸的聯(lián)合生產(chǎn)具有重要的意義．下面是工業(yè)上合成氨的簡易流程：

（1）設(shè)備A中含有電加熱器，觸媒和熱交換器，設(shè)備A的名稱是合成塔，其中發(fā)生的化學反應(yīng)方程式為N₂+3H₂$?_{催化劑}^{高溫高壓}$2NH₃；
（2）設(shè)備B的名稱是冷卻塔（或冷凝器），其中m和n是兩個通水口，入水口是n
（填“m”或“n”）；不宜從相反方向通水的原因是高溫氣體由冷卻塔的上端進入，冷卻水從下端進入，逆向冷卻效果好；
（3）設(shè)備C的作用是防止催化劑中毒．
（4）原料氣中往往含有CO等雜質(zhì)，在進行反應(yīng)前要先凈化，凈化的原因是防止催化劑中毒．
（5）氮氣和氫氣的混合氣體通過壓縮機壓縮的原因是增大壓強，加快反應(yīng)速率，使平衡朝生成NH₃的方向進行．
（6）生產(chǎn)出來的NH₃可以用來生產(chǎn)硝酸．在制備硝酸的過程中，由于二氧化氮不能一次性被水完全吸收，因此生成的氣體須經(jīng)過多次氧化、吸收的循環(huán)操作，使其充分轉(zhuǎn)化為硝酸（不考慮生產(chǎn)過程中的其它損失）．
①從理論上分析，要使氨氣完全轉(zhuǎn)化為硝酸，則原料中氧氣和氨氣物質(zhì)的量的投料比至少為1：2．
②如果按理論上的原料比將原料放在特定條件的密閉容器中進行反應(yīng)，所有物質(zhì)不與外界交換，則最后所得溶液的質(zhì)量分數(shù)為77.8%．（保留三位有效數(shù)字）

Answer 1

分析 （1）根據(jù)圖示可知，設(shè)備A為合成塔、B為冷凝器或冷凝塔；工業(yè)合成氨中合成塔中的反應(yīng)為氮氣和氫氣在高溫高壓條件下生成氨氣，據(jù)此寫出反應(yīng)的化學方程式；
（2）設(shè)備B為冷凝塔；根據(jù)采用逆流的方式冷卻效果好解答；
（3）設(shè)備C是分離塔，將生成氨氣及時分離出來，有利于平衡正向移動；
（4）在原料氣制備過程中混有CO對催化劑有毒害作用，需要去原料氣中的CO；
（5）根據(jù)增大壓強和減少生成物對反應(yīng)速率或是平衡移動的影響知識來回答；
（6））①根據(jù)反應(yīng)方程式中氨氣和氧氣關(guān)系判斷；
②由4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{△}$4NO+6H₂O、4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，可得：NH₃+2O₂=HNO₃+H₂O，根據(jù)方程計算．

解答 解：（1）氮氣和氫氣經(jīng)過壓縮、除油后進入合成塔合成氨氣，所以A為合成塔；工業(yè)合成氨中合成塔中的反應(yīng)為：氮氣和氫氣在高溫高壓條件下生成氨氣，反應(yīng)方程式為：N₂+3H₂$?_{催化劑}^{高溫高壓}$2NH₃，
故答案為：合成（氨）塔；N₂+3H₂$?_{催化劑}^{高溫高壓}$2NH₃；
（2）從合成塔出來的氣體溫度較高，需要先降溫再吸收，則B為冷卻塔（或冷凝器）；一元高溫氣體由冷卻塔的上端進入，冷卻水從下端進入，逆向冷卻效果好，所以入水口為n，
故答案為：冷卻塔（或冷凝器）；n；高溫氣體由冷卻塔的上端進入，冷卻水從下端進入，逆向冷卻效果好；
（3）設(shè)備C是分離塔，將生成的液態(tài)氨氣與未反應(yīng)的原料氣分離，氨氣不斷被液化分離，減小氨氣的濃度，促使平衡不斷正向移動，提高原料的利用率，
故答案為：分離液氨和未反應(yīng)的原料氣；
（4）原料氣中的H₂S、CO、CO₂等雜質(zhì)容易造成催化劑中毒，降低催化效果，所以必須將原料氣中往往含有的H₂S、CO、CO₂等雜質(zhì)除去，防止催化劑中毒，
故答案為：防止催化劑中毒；
（5）氮、氫混合氣體送入合成塔前要通過壓縮機壓縮，來增大壓強，這樣可以加快化學反應(yīng)速率，還可以讓化學平衡朝生成NH₃的方向進行，
故答案為：增大壓強，加快反應(yīng)速率，使平衡朝生成NH₃的方向進行；
（6）①由4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{△}$4NO+6H₂O、4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃可得：NH₃+2O₂=HNO₃+H₂O，則原料氨氣和氧氣物質(zhì)的量的投料比為1：2，
故答案為：1：2；
②由4NH₃+5O₂$\frac{\underline{\;催化劑\;}}{△}$4NO+6H₂O、4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃可得：NH₃+2O₂=HNO₃+H₂O，則按理論上的原料比將原料放在一個具有反應(yīng)條件的密閉容器中進行，所有物質(zhì)不與外界交換，則生成1molHNO₃、molH₂O，則硝酸的質(zhì)量分數(shù)為：$\frac{63}{63+18}$×100%=77.8%，
故答案為：77.8%．

點評 本題以工業(yè)合成氨的知識，題目難度中等，根據(jù)合成流程明確合成原理為解答關(guān)鍵，注意了解工業(yè)合成氨的設(shè)備名稱及影響化學平衡的因素，試題培養(yǎng)了學生的分析、理解能力及靈活應(yīng)用能力．