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合成氨是人类科学技术上的一项重大突破,其反应原理为: 

N2 (g)+3H2 (g)2NH3 (g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1

一种工业合成氨的简易流程图如下:

(1)天然气中的H2S杂质常用氨水吸收,产物为NH4HS。一定条件下向NH4HS溶液中通入空气,得到单质硫并使吸收液再生,写出再生反应的化学方程式: __________________________________________________________。

(2)步骤Ⅱ中制氢气原理如下:

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

对于反应①,一定可以提高平衡体系中H2百分含量,又能加快反应速率的措施是________。

a.升高温度   b.增大水蒸气浓度   

c.加入催化剂  d.降低压强

利用反应②,将CO进一步转化,可提高H2产量。若1 mol CO和H2的混合气体(CO的体积分数为20%)与H2O反应,得到1.18 mol CO、CO2和H2的混合气体,则CO转化率为________。 

(3)图1表示500 ℃、60.0 MPa条件下,原料气投料比与平衡时NH3体积分数的关系。根据图中a点数据计算N2的平衡体积分数:________。

(4)依据温度对合成氨反应的影响,在图2坐标系中,画出一定条件下的密闭容器内,从通入原料气开始,随温度不断升高,NH3物质的量变化的曲线示意图。

(5)上述流程图中,使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤是(填序号)________。简述本流程中提高合成氨原料总转化率的方法:__________________________________________________________

__________________________________________________________。


解析 (1)依据题意,NH4HS被空气中氧气氧化,将-2价S元素氧化成S,同时生成一水合氨,其反应方程式为2NH4HS+O22NH3·H2O+2S↓。(2)结合反应特点,正反应方向是气体物质的量增大的吸热反应,若要加快反应速率又增加H2的百分含量,可升高温度,a项正确;增加水蒸气浓度,能加快反应速率,使平衡正向移动,但H2增加的量没有水蒸气增加的量多,H2的百分含量减少,b项错误;加入催化剂平衡不移动,H2的百分含量不变,c项错误;降低压强反应速率减慢,d项错误。根据“三段式”法有:

      CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)

开始(mol)   0.2      0    0.8

转化(mol)    x         x     x

一定时间(mol) 0.2-x      x    0.8+x

则0.2-x+x+0.8+x=1.18,解得x=0.18,故CO转化率为×100%=90%。

(3)根据“三段式”法有

     N2 + 3H22NH3

开始(mol)  1      3    0

转化(mol)  x       3x         2x

平衡(mol)  1-x  3-3x  2x

×100%=42%,解之,x=,

所以N2的平衡体积分数×100%=14.5%。

(4)由于N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,反应开始时,温度大于零,随着反应进行,达到平衡前NH3的物质的量增加,达到平衡后,温度升高,平衡逆向移动,NH3的物质的量将减少,图示见答案。

(5)根据流程图可知,使合成氨放出的能量得到充分利用的主要步骤见Ⅳ(热交换),用合成氨放出热量对N2和H2进行预热。合成氨的正反应是气体物质的量减少的放热反应,为提高合成氨原料总转化率,又不降低反应速率,可采取对原料加压、分离液氨,使化学平衡正向移动,同时对未反应的N2、H2循环使用,提高原料转化率。

答案 (1)2NH4HS+O22NH3·H2O+2S↓

(2)a 90%

(3)14.5%

(4)

(5)Ⅳ 对原料气加压,分离液氨未反应的N2、H2循环使用


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