Question

3．工业上合成氨/合成尿素的一种工艺是以固体煤和焦炭为原料，采用气化的方法制取合成气，其流程图如图：
回答以下问题：

（1）将空气中的O₂和N₂分离主要是利用O₂和N₂沸点不同，空气分离过程中所涉及的实验操作名称是冷凝、分馏，该工业流程中可以重复利用的物质是CO₂、H₂O．（写化学式）
（2）低温甲醇洗主要是为了除去煤氧化过程中生成的CO₂、H₂S等杂质气体，若省略该步骤对后续合成氨的影响是会使催化剂中毒，失去活性．
（3）在低温甲醇洗的过程中一般分为两个阶段，第一阶段主要吸收H₂S，第二阶段再吸收CO₂，后续解离过程中则相反，先解离CO₂，后解离H₂S，甲醇在整个过程中几乎没有变化．设计该工艺流程顺序的主要原因是CO₂和H₂S在甲醇中的溶解度不同．
（4）①请写出合成尿素[CO（NH₂）₂]的化学方程式：2NH₃+CO₂?H₂O+CO（NH₂）₂．
②工业生产时，原料气带有水蒸气，如图2表示CO₂的转化率与氨碳比$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$、水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$的变化关系，曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的水碳比最小的是Ⅰ．
测得B点氨的转化率为30%，则x₁=4．

Answer 1

分析 根据图1运用煤合成氨进而与二氧化碳合成尿素，煤合成氨工艺的核心问题是制备纯净的氢气，而制备纯净的氢气，就涉及到脱硫脱碳工序，含硫、含碳的气体，都是酸性气体．C+H₂O=CO+H₂，CO+H₂O=CO₂+H₂运用低温甲醇洗除去CO₂、H₂S等杂质气体；利用O₂和N₂沸点不同分离O₂和N₂，再利用H₂和N₂合成氨气，再利用合成好的氨气和二氧化碳合成尿素；根据图2可知，氨碳比一定时，水碳比越大，说明原料气中含二氧化碳越少，二氧化碳的转化率越低，所以二氧化碳转化率最低的即为水碳比最大的；B点二氧化碳的转化率为60%，氨气的转化率是30%，设出NH₃、CO₂的起始物质的量，然后列式计算．

解答 解：（1）将空气中的O₂和N₂分离主要是利用O₂和N₂沸点不同，空气分离过程中所涉及的实验操作名称是冷凝、分馏，其中二氧化碳从甲醇中分离出来的CO₂可用于尿素的合成，尿素合成生成的水可以用于煤的氧化过程，该工业流程中可以重复利用的物质是 CO₂、H₂O，故答案为：O₂和N₂沸点不同，冷凝、分馏，CO₂、H₂O；
（2）CO₂、H₂S等杂质气体会使催化剂中毒失去活性，故答案为：会使催化剂中毒，失去活性；
（3）在低温甲醇洗的过程中一般分为两个阶段，第一阶段主要吸收H₂S，第二阶段再吸收CO₂，后续解离过程中则相反，先解离CO₂，后解离H₂S，甲醇在整个过程中几乎没有变化．设计该工艺流程顺序的主要原因是CO₂和H₂S在甲醇中的溶解度不同，故答案为：CO₂和H₂S在甲醇中的溶解度不同；
（4）①合成尿素[CO（NH₂）₂]的化学方程式：2NH₃+CO₂?H₂O+CO（NH₂）₂ 故答案为：2NH₃+CO₂?H₂O+CO（NH₂）₂；
②根据图2可知，氨碳比一定时，水碳比越大，说明原料气中含二氧化碳越少，二氧化碳的转化率越低，所以二氧化碳转化率最低的即为水碳比最大的，则曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的水碳比最小的是Ⅰ曲线，
B点二氧化碳的转化率为60%，氨气的转化率是30%，
设NH₃、CO₂的起始物质的量分别为x、y，
则：x×30%×$\frac{1}{2}$=y×60%，
解得：$\frac{x}{y}$=x₁=4，
故答案为：Ⅰ，4．

点评 本题考查运用煤合成尿素的流程题、注重工艺分析以及平衡图象的分析与判断，难度较大．侧重学生分析能力的考查．