Question

【化学一选修2 ：化学与技术】

工业上制取硝酸的主要流程图如图1所示，尾气处理流程图如图2所示：

请根据上述流程，结合所学知识回答：

（1）工业合成氨的原料是N₂和H₂，其中N₂以空气为原料制取，方法是____________。H₂可用等物质的量的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________________。 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，可通过反应CO(g)+H₂O(g)CO₂(g)+H₂(g)来实现。己知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______________。

（2）在合成氨的设备（合成塔）中，使用热交换器的目的是_________。往吸收塔通入过量空气的原因是______________。

（3）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所示。已知NO和NO₂按1:1通入碱液中生成亚硝酸盐。工艺流程2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_________；滤渣可循环使用，滤渣的主要成分是____________(填化学式)。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__________________。

（4）工业上生产硝酸的过程中产生NO_x，也可以用NH₃在高温下催化还原法消除NO_x对空气的污染。写出NH₃与NO_x反应的化学方程式__________________。

Answer

（1）分离液态空气法；CH4+H2O(g)CO+3H2；5.8:1；（2）充分利用余热，节约能源；可使NO循环利用，全部转化成HNO3；（3）尾气中的NO、NO2被充分吸收；Ca(OH)2；产品Ca(NO2)2中Ca(NO3)2含量升高；（4）4xNH3+6NOx(3+2x)N2+6xH2O。

【解析】

试题分析：（1）空气的氮气的储存库，由于空气的主要成分是N2、O2，二者的沸点不同，所以工业合成氨的原料是N2和H2，其中N2以空气为原料制取，方法是将空气加压、降温变为液体，然后气化，分离液体空气得到，即分离液态空气法。H2可用等物质的量的水和天然气为原料在催化剂作用下高温制取，根据质量守恒定律可得反应的化学方程式为CH4+H2O(g)CO+3H2；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，可通过反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)来实现。己知1100K时该反应的平衡常数K= 0.64，设CO的起始浓度为xmol，H2O的起始浓度为ymol，则转化的CO的最小值为0.8x，

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

起始 x y 0 0

变化 0.8x 0.8x 0.8x 0.8x

平衡 0.2x y-0.8x 0.8x 0.8x，

根据平衡常数列式：K=(0.8x)2÷[0.2x×(y−0.8x)] =0.64，解得：y/x=5.8．故此只要此值大于5.8，转化率就会超过80%。（2）合成氨气的反应是放热反应，反应需要在一定温度下进行，为了充分利用余热，节约能源，同时提高反应物的转化率在合成氨的设备（合成塔）中，使用热交换器；根据化学平衡移动原理：在其它条件不变时，增大某种反应物的浓度，可以使其它反应物的转化率提高，同时可使反应产生的NO可循环利用，尽可能全部转化成HNO3；（3） NO和NO2按1:1通入碱液中生成亚硝酸盐；工艺流程2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)，这样利用逆流原理，就可以使尾气中的NO、NO2被充分吸收；Ca(NO2)2容易溶于水，而Ca(OH)2微溶于水，所以滤渣的主要成分是Ca(OH)2；若n(NO)：n(NO2)<1:1，NO2过量，与碱反应产生的盐有Ca(NO3)2和Ca(NO2)2，使产品Ca(NO2)2中杂质Ca(NO3)2含量升高；（4） 工业上生产硝酸的过程中产生NOx，也可以用NH3在高温下催化还原法消除NOx对空气的污染。根据电子守恒及原子守恒，可得NH3与NOx反应的化学方程式是4xNH3+6NOx (3+2x)N2+6xH2O

考点：考查工业上制取硝酸的主要流程及尾气处理方法、物质的综合利用的知识。