Question

7．Ⅰ．工业上制取硝酸的主要流程图如图1：

（1）工业合成氨的原料是N₂和H₂．装置A的名称是合成塔；其中N₂可从空气中分离出来，方法是先将空气液化，然后蒸馏或控制N₂的沸点加热蒸发即可得到；H₂可以水和天然气为原料在催化剂作用下高温制取，其化学方程式为CH₄+H₂O（g）$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$CO+3H₂．
（2）在原料气制备过程中混有的CO对催化剂有毒害作用，欲除去原料气中的CO，可通过如下反应：CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）来实现．已知1100K时该反应的平衡常数K=0.64，若要使CO的转化率超过80%，则起始物中c（H₂O）：c（CO）不低于5.8．
Ⅱ．利用石灰乳来除去硝酸工业的尾气（含NO、NO₂），既能净化尾气，又能获得应用广泛的Ca（NO₂）₂，其部分工艺流程如图2．已知NO和NO₂按1：1通入碱液中生成亚硝酸盐．
（3）上述工艺中采用气-液逆流接触吸收（尾气从吸收塔底进入，石灰乳从吸收塔顶喷淋），其目的是使尾气中的NO、NO₂ 被充分吸收；滤渣可循环使用，滤渣的主要成分是Ca（OH）₂（填化学式）．
（4）该工艺需控制NO 和NO₂ 物质的量之比接近1：1．若n（NO）：n（NO₂）＞1：1，则会导致排放气体中NO 含量升高；若n（NO）：n（NO₂）＜1：1，则会导致产品Ca（NO₂）₂ 中Ca（NO₃）₂ 含量升高．

Answer 1

分析 （1）工业上采用氨氧化法制硝酸．首先N₂和H₂在合成塔中合成NH₃，然后在氧化炉中将NH₃氧化为NO₂，在吸收塔中NO₂与O₂、H₂O反应生成HNO₃，最后稀HNO₃在蒸馏塔中浓缩制得浓硫酸；
（2）分离空气中氮气的方法：先液化空气，然后采用蒸馏或控制氮气的沸点加热蒸发分离出氮气；
（3）工业制硝酸的尾气处理，主要采用碱性石灰乳吸收NO和NO₂，滤渣中的石灰乳可回收利用，既经济合理，又绿色环保；
（4）硝酸工业尾气NO、NO2用碱液吸收的主反应为NO+NO₂+2OH^-=2NO₂^-+H₂O，副反应为2NO₂+2OH^-=NO₂^-+NO₃^-+H₂O．要控制NO、NO₂的比例为1：1，才能保证主反应完全反应．若NO过量，NO不能得到充分的吸收；若NO₂多了，副反应就会生成Ca（NO₃）₂．

解答 解：（1）N₂与H₂合成氨是在合成塔中进行的．其中N₂的制备，是将空气液化，然后进行蒸馏或者控制N₂沸点加热蒸发制得；反应物和条件题干已经给出，只需写出生成物、配平反应方程式为CH₄+H₂O（g）$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$CO+3H₂，
故答案为：合成塔；液化；蒸馏或控制N₂的沸点加热蒸发；CH₄+H₂O（g）$\frac{\underline{\;催化剂\;}}{\;}$CO+3H₂；
（2）设c（H₂O）：c（CO）为X．假设初始c（H₂O）为X，则c（CO）为．由CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）可知，要使CO转化率达到0.8，则平衡时各物质的浓度为c（CO）=0.2； c（H₂O）=X-0.8；c（CO₂）=0.8；c（H₂）=0.8．由平衡常数K=$\frac{0.8×0.8}{（X-0.8）×0.2}=0.64$，可解得X=5.8，
故答案为：5.8；
（3）使用吸收塔的好处就在于，增大尾气与吸收液之间接触的面积，从而提高尾气的吸收率．滤渣中可回收利用的是过量的石灰乳，也就是Ca（OH）₂．
 故答案为：使尾气中的NO、NO₂ 被充分吸收；Ca（OH）₂；
（4）硝酸工业尾气NO、NO₂一般用碱液吸收，主反应为：NO+NO₂+2OH^-=2NO₂^-+H₂O，副反应为：2NO₂+2OH^-=NO₂^-+NO₃^-+H₂O．若n（NO）：n（NO₂）＞1：1，则一氧化氮过量，排放气体中NO含量升高；若n（NO）：n（NO₂）＜1：1，则二氧化氮过量，二氧化氮与石灰乳反应生成Ca（NO₃）₂，
故答案为：排放气体中NO含量升高；产品Ca（NO₂）₂中Ca（NO₃）₂含量升高．

点评 本题主要考察硝酸工业生产中尾气的处理问题，契合我国当前绿色生产的理念，此类问题近期考察频率很高．