Question

5．工業(yè)上以N₂、H₂為原料制取硝酸銨的流程如圖所示．

回答下列問題：
（1）氨合成塔適宜的壓強(qiáng)是20～50MPa，如果壓強(qiáng)過大，除對(duì)設(shè)備要求高外，還會(huì)導(dǎo)致的結(jié)果是壓碎催化劑，縮短催化劑壽命．
（2）合成硝酸的吸收塔內(nèi)填充瓷環(huán)，其作用是增大氣液接觸面積，吸收塔中還需補(bǔ)充空氣的目的是可使NO全部轉(zhuǎn)化成HNO₃．
（3）若輸送NH₃的管道某處發(fā)生泄漏，檢測(cè)的簡(jiǎn)單方法為用濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙檢測(cè)，試紙變藍(lán)的位置即是氨氣泄漏處．
（4）在一定溫度和壓強(qiáng)的密閉容器中，將物質(zhì)的量之比為3：2的H₂和N₂混合，當(dāng)該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)出平衡混合氣中氨的體積分?jǐn)?shù)為25%，此時(shí)H₂的轉(zhuǎn)化率為50%．
（5）制硝酸氧化爐中氨氣和氧氣在145℃就開始反應(yīng)，在不同溫度和催化劑條件下生成不同產(chǎn)物（如圖所示）．溫度較低時(shí)以生成N₂為主，900℃時(shí)發(fā)生主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為4NH₃+5O₂4NO+6H₂O，當(dāng)溫度高于900℃時(shí)，NO產(chǎn)率明顯下降的原因是生成NO的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度轉(zhuǎn)化率下降．
（6）若N₂、H₂合成氨時(shí)，H₂的轉(zhuǎn)化率為60%，NH₃催化氧化制HNO₃時(shí)的損失20%的氨，其它環(huán)節(jié)的損失忽略不計(jì)．則10tH₂最多可以制取71.1t硝酸銨．

Answer 1

分析 （1）氨合成反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，在氨合成塔適宜的壓強(qiáng)是20～50MPa，如果壓強(qiáng)過大，除對(duì)設(shè)備要求高外，還會(huì)導(dǎo)致的結(jié)果是壓碎催化劑，縮短催化劑壽命；
（2）合成硝酸的吸收塔內(nèi)填充瓷環(huán)，其作用是增大氣液接觸面積，吸收塔中還需補(bǔ)充空氣的目的是可使NO全部轉(zhuǎn)化成HNO₃；
（3）若輸送NH₃的管道某處發(fā)生泄漏，由于氨氣的水溶液顯堿性，會(huì)使?jié)駶?rùn)的紅色石蕊試紙變?yōu)樗{(lán)色，所以用濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙檢測(cè)；
（4）在一定溫度和壓強(qiáng)的密閉容器中，將物質(zhì)的量之比為3：2的H₂和N₂混合，當(dāng)該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)出平衡混合氣中氨的體積分?jǐn)?shù)為25%，假設(shè)反應(yīng)的N₂的體積是x，則反應(yīng)的氫氣的體積是3x，反應(yīng)產(chǎn)生的NH₃的體積是2x，按照三段法計(jì)算轉(zhuǎn)化率；
（5）制硝酸氧化爐中氨氣和氧氣在145℃就開始反應(yīng)，在不同溫度和催化劑條件下生成不同產(chǎn)物，根據(jù)圖示可知，在溫度較低時(shí)以生成N₂為主，900℃時(shí)氨氣被氧化產(chǎn)生NO，發(fā)生主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為4NH₃+5O₂4NO+6H₂O；當(dāng)溫度高于900℃時(shí)，NO產(chǎn)率明顯下降的原因是生成NO的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，化學(xué)平衡向吸熱的逆反應(yīng)方向移動(dòng)，使反應(yīng)物NH₃轉(zhuǎn)化率下降；
（6）N₂、H₂合成氨時(shí)，N₂+3H₂2NH₃，根據(jù)上述分析利用化學(xué)方程式計(jì)量數(shù)計(jì)算，詳細(xì)見解答．

解答 解：（1）氨合成反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，在氨合成塔適宜的壓強(qiáng)是20～50MPa，如果壓強(qiáng)過大，除對(duì)設(shè)備要求高外，還會(huì)導(dǎo)致的結(jié)果是壓碎催化劑，縮短催化劑壽命，
故答案為：壓碎催化劑，縮短催化劑壽命；
（2）合成硝酸的吸收塔內(nèi)填充瓷環(huán)，其作用是增大氣液接觸面積，吸收塔中還需補(bǔ)充空氣的目的是可使NO全部轉(zhuǎn)化成HNO₃，
故答案為：增大氣液接觸面積；可使NO全部轉(zhuǎn)化成HNO₃；
（3）若輸送NH₃的管道某處發(fā)生泄漏，由于氨氣的水溶液顯堿性，會(huì)使?jié)駶?rùn)的紅色石蕊試紙變?yōu)樗{(lán)色，所以用濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙檢測(cè)，試紙變藍(lán)的位置即是氨氣泄漏處，
故答案為：用濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙檢測(cè)，試紙變藍(lán)的位置即是氨氣泄漏處；
（4）在一定溫度和壓強(qiáng)的密閉容器中，將物質(zhì)的量之比為3：2的H₂和N₂混合，當(dāng)該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)出平衡混合氣中氨的體積分?jǐn)?shù)為25%，假設(shè)反應(yīng)的N₂的體積是x，則反應(yīng)的氫氣的體積是3x，反應(yīng)產(chǎn)生的NH₃的體積是2x，此時(shí)H₂的物質(zhì)的量是（3-3x），N₂是（2-x），所以2x÷[2x+（3-3x）+（2-x）]=25%，解得x=0.5，所以此時(shí)H₂的轉(zhuǎn)化率為（3×0.5）÷3=50%，
故答案為：50%；
（5）制硝酸氧化爐中氨氣和氧氣在145℃就開始反應(yīng)，在不同溫度和催化劑條件下生成不同產(chǎn)物，根據(jù)圖示可知，在溫度較低時(shí)以生成N₂為主，900℃時(shí)氨氣被氧化產(chǎn)生NO，發(fā)生主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為4NH₃+5O₂4NO+6H₂O；當(dāng)溫度高于900℃時(shí)，NO產(chǎn)率明顯下降的原因是生成NO的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，化學(xué)平衡向吸熱的逆反應(yīng)方向移動(dòng)，使反應(yīng)物NH₃轉(zhuǎn)化率下降，
故答案為：N₂；4NH₃+5O₂4NO+6H₂O；
（6）N₂、H₂合成氨時(shí)，N₂+3H₂2NH₃；H₂的轉(zhuǎn)化率為60%，10tH₂的物質(zhì)的量是n（H₂）=5×10⁶mol；合成氨氣的物質(zhì)的量是n（NH₃）=5×10⁶mol×60%×2/3=2×10⁶mol；假設(shè)用于催化氧化制HNO₃的氨的物質(zhì)的量是x，由于氨的損失20%，所以產(chǎn)生的硝酸的物質(zhì)的量是（1-20%）x，與硝酸反應(yīng)的氨的物質(zhì)的量是（1-20%）x，（1-20%）x+x=2×10⁶mol，x=1.11×10⁶mol，反應(yīng)產(chǎn)生的硝酸銨的質(zhì)量是m（NH₄NO₃）=（1-20%）x×80g/mol=1.11×10⁶mol×80%×80g/mol=71.1×10⁶g=71.1噸，
故答案為：71.1．

點(diǎn)評(píng) 本題主要考查了工業(yè)合成氨與制備硝酸，同時(shí)考查了化學(xué)平衡計(jì)算，綜合性較強(qiáng)，難度較大，正確理解各物質(zhì)之間的反應(yīng)是解題的關(guān)鍵，對(duì)學(xué)生分析問題和解決問題的能力要求較高．