Question

3．工業(yè)上合成氨/合成尿素的一種工藝是以固體煤和焦炭為原料，采用氣化的方法制取合成氣，其流程圖如圖：
回答以下問題：

（1）將空氣中的O₂和N₂分離主要是利用O₂和N₂沸點不同，空氣分離過程中所涉及的實驗操作名稱是冷凝、分餾，該工業(yè)流程中可以重復利用的物質是CO₂、H₂O．（寫化學式）
（2）低溫甲醇洗主要是為了除去煤氧化過程中生成的CO₂、H₂S等雜質氣體，若省略該步驟對后續(xù)合成氨的影響是會使催化劑中毒，失去活性．
（3）在低溫甲醇洗的過程中一般分為兩個階段，第一階段主要吸收H₂S，第二階段再吸收CO₂，后續(xù)解離過程中則相反，先解離CO₂，后解離H₂S，甲醇在整個過程中幾乎沒有變化．設計該工藝流程順序的主要原因是CO₂和H₂S在甲醇中的溶解度不同．
（4）①請寫出合成尿素[CO（NH₂）₂]的化學方程式：2NH₃+CO₂?H₂O+CO（NH₂）₂．
②工業(yè)生產時，原料氣帶有水蒸氣，如圖2表示CO₂的轉化率與氨碳比$\frac{n（N{H}_{3}）}{n（C{O}_{2}）}$、水碳比$\frac{n（{H}_{2}O）}{n（C{O}_{2}）}$的變化關系，曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ對應的水碳比最小的是Ⅰ．
測得B點氨的轉化率為30%，則x₁=4．

Answer 1

分析 根據圖1運用煤合成氨進而與二氧化碳合成尿素，煤合成氨工藝的核心問題是制備純凈的氫氣，而制備純凈的氫氣，就涉及到脫硫脫碳工序，含硫、含碳的氣體，都是酸性氣體．C+H₂O=CO+H₂，CO+H₂O=CO₂+H₂運用低溫甲醇洗除去CO₂、H₂S等雜質氣體；利用O₂和N₂沸點不同分離O₂和N₂，再利用H₂和N₂合成氨氣，再利用合成好的氨氣和二氧化碳合成尿素；根據圖2可知，氨碳比一定時，水碳比越大，說明原料氣中含二氧化碳越少，二氧化碳的轉化率越低，所以二氧化碳轉化率最低的即為水碳比最大的；B點二氧化碳的轉化率為60%，氨氣的轉化率是30%，設出NH₃、CO₂的起始物質的量，然后列式計算．

解答 解：（1）將空氣中的O₂和N₂分離主要是利用O₂和N₂沸點不同，空氣分離過程中所涉及的實驗操作名稱是冷凝、分餾，其中二氧化碳從甲醇中分離出來的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過程，該工業(yè)流程中可以重復利用的物質是 CO₂、H₂O，故答案為：O₂和N₂沸點不同，冷凝、分餾，CO₂、H₂O；
（2）CO₂、H₂S等雜質氣體會使催化劑中毒失去活性，故答案為：會使催化劑中毒，失去活性；
（3）在低溫甲醇洗的過程中一般分為兩個階段，第一階段主要吸收H₂S，第二階段再吸收CO₂，后續(xù)解離過程中則相反，先解離CO₂，后解離H₂S，甲醇在整個過程中幾乎沒有變化．設計該工藝流程順序的主要原因是CO₂和H₂S在甲醇中的溶解度不同，故答案為：CO₂和H₂S在甲醇中的溶解度不同；
（4）①合成尿素[CO（NH₂）₂]的化學方程式：2NH₃+CO₂?H₂O+CO（NH₂）₂ 故答案為：2NH₃+CO₂?H₂O+CO（NH₂）₂；
②根據圖2可知，氨碳比一定時，水碳比越大，說明原料氣中含二氧化碳越少，二氧化碳的轉化率越低，所以二氧化碳轉化率最低的即為水碳比最大的，則曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ對應的水碳比最小的是Ⅰ曲線，
B點二氧化碳的轉化率為60%，氨氣的轉化率是30%，
設NH₃、CO₂的起始物質的量分別為x、y，
則：x×30%×$\frac{1}{2}$=y×60%，
解得：$\frac{x}{y}$=x₁=4，
故答案為：Ⅰ，4．

點評 本題考查運用煤合成尿素的流程題、注重工藝分析以及平衡圖象的分析與判斷，難度較大．側重學生分析能力的考查．