Question

2．工业上制取硝酸铵的流程图如下，请回答下列问题：

（1）合成氨的工业设备名称是合成塔，设备中设置热交换器的目的是利用余热，节约能源；此生产过程中，N₂与H₂合成NH₃所用的催化剂是铁触媒；生产中原料气必须进行脱硫，目的是防止催化剂中毒．
（2）吸收塔中的反应为4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，从生产流程看，吸收塔中需要补充空气，其原因是可使NO循环利用，提高原料利用率．
（3）生产硝酸的过程中常会产生一些氮的氧化物，可用如下三种方法处理：
方法一：碱吸收法：NO+NO₂+2NaOH═2NaNO₂+H₂O，2NO₂+Na₂CO₃=NaNO₂+NaNO₃+CO₂
方法二：氨还原法：8NH₃+6NO₂═7N₂+12H₂O（该反应放热，NO也有类似的反应）
方法三：甲烷吸收法：CH₄（g）+2NO₂（g）═CO₂（g）+N₂（g）+2H₂O（g）△H=+867kJ•mol^-1（NO也有类似的反应）
上述三种方法中方法一最大的缺点是单独的NO不能被吸收；方法三和方法二相比，优点是甲烷比氨价格便宜，缺点是耗能高．
（4）某化肥厂用NH₃制备NH₄NO₃．已知：由NH₃制NO的产率是94%，NO制HNO₃的产率是89%，则制HNO₃所用的NH₃的质量占总耗NH₃质量（不考虑其他损耗）的54.4%（保留三位有效数值）．

Answer 1

分析 （1）合成氨反应要用铁触媒作催化剂，对原料气进行除杂，防止催化剂中毒．
（2）吸收塔中发生的反应是NO与O₂和水反应生成HNO₃，向吸收塔中不断通入空气，能使NO反应完全，可从源头上减少NO污染．
（3）绿色化学要求从根本上减少或杜绝污染，提高原料利用率，节约能耗．
（4）化肥厂制硝酸铵：HNO₃+NH₃=NH₄NO₃．根据氮元素守恒可知，可由NH₃得NO产率，再由NO制得HNO₃的产率可计算得到HNO₃的量；总耗NH₃包括制硝酸消耗的以及与硝酸反应的总量．

解答 解：（1）在合成氨的设备（合成塔）中，用到的催化剂是铁砂网，硫可使催化剂中毒（降低催化剂活性），设置热交换器的目的是利用余热，节约能源；
故答案为：合成塔；利用余热，节约能源；铁砂网（或铁或铁触媒）；防止催化剂中毒．
（2）在合成硝酸的吸收塔中不断通入空气，目的是提供充足的氧气，以便使NO循环利用，全部转化成硝酸；
故答案为：2NO+O₂=2NO₂，3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO（或4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃）；可使NO循环利用，提高原料利用率．
（3）根据“绿色化学”要求，从根本上减少或杜绝污染，尽可能使原料和利用率提高来看，符合绿色的要求．题中方法一碱吸收法中，NO与碱不反应，因此方法一最大的缺点就是对单独的NO污染物没法吸收；方法三与方法二相比较而言，优点是原料甲烷比氨的单价要便宜，方法三更经济，但是甲烷吸收法的反应是吸热的，而氨还原法的反应是放热的，因此方法三的缺点是耗能大．
故答案为：单独的NO不能被吸收；甲烷比氨价格便宜；耗能高．
（4）由NH₃制NO的产率是94%，NO制HNO₃的产率是89%，根据氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，则1mol氨气可制得硝酸1mol×94%×89%=0.8366mol；由HNO₃+NH₃=NH₄NO₃可知，该反应消耗的氨气的量为0.8366mol；制HNO₃所用的NH₃的量为1mol，总耗的氨气量为1mol+0.8366mol=1.8366mol，则制HNO₃所用的NH₃的质量占总耗NH₃质量的百分数为：$\frac{1mol}{1mol+0.8366mol}$≈54.4%（保留三位有效数字）；
故答案为：54.4．

点评 本题主要考察工业制硝酸的相关流程，联系现在绿色化学的理念，综合性较强．