Question

合成氨生产技术的创立开辟了人工固氮的途径，对化学工业技术也产生了重大影响．利用N₂和H₂合成氨，目前工业的生产条件为：催化剂（铁触媒），温度（400～500℃），压强（30～50MPa），如图为流程示意图：

请回答下列问题：

（1）工业合成氨的原料是氮气和氢气．氮气是从空气中分离出来的，通常使用的两种分离方法是__________，__________；氢气的来源是水和碳氢化合物，写出分别采用煤和天然气为原料制取氢气的化学反应方程式__________，__________；

（2）设备A中含有电加热器、铁触煤和热交换器，设备A的名称__________，其中发生的化学反应方程式为__________；实际生产中采用400～500℃的高温，原因之一是__________，原因之二是__________。

（3）设备B的名称__________，其中m和n是两个通水口，入水口是__________（填“m”或“n”）．不宜从相反方向通水的原因是__________；

（4）设备C的作用__________；

（5）在原料气制备过程中混有CO对催化剂有毒害作用，欲除去原料气中的CO，可通过如下反应来实现：CO（g）+H₂O（g）CO₂ （g）+H₂ （g），已知1000K时该反应的平衡常数K=1，若要使CO的转化超过90%，则起始物中c（H₂O）:c（CO）不低于__________。

Answer

（1）液化、分馏 与碳反应后除去CO2

C+H2OCO+H2 CH4+H2OCO+3H2

（2）合成（氨）塔 N2+3H22NH3(必须注明反应条件）

温度太低，反应速率慢，温度太高，平衡逆向移动；在400～500℃时催化剂的活性最高

（3）冷却塔（或冷凝器） n 高温气体由冷却塔的上端进入，冷却水从下端进入，逆向冷却效果好

（4）将液氨与未反应的原料气分离

（5）9

【解析】

试题分析：（1）分离空气提取氮气的方法有两种，以上液化、分馏空气，另一种为空气与碳反应生成二氧化碳，反应后除去二氧化碳气体；C和水反应的方程式为C+H2OCO+H2，甲烷与水反应的方程式为CH4+H2OCO+3H2，故答案为：液化、分馏；与碳反应后除去CO2；C+H2OCO+H2；CH4+H2OCO+3H2；

（2）合成氨的设备为合成塔，发生N2（g）+3H2（g）2NH3（g），实际生产中采用400～500℃的高温，原因之一是考虑到催化剂的催化活性，升高温度虽然不利于平衡向正反应方向移动，但能增大反应速率，缩短达到平衡的时间，这是原因之二，故答案为：合成(氨)塔；N2(g)+3H2(g)2NH3(g)；催化剂的催化活性；增加反应速率，缩短达到平衡的时间；

（3）冷凝分离设备为冷凝塔或冷凝器，水流和气流方向应逆向，则入水口是n，高温气体由冷凝塔上端进入，冷凝水从下端进入，可使冷水充满冷凝器，逆向冷凝效果好，故答案为：冷凝塔或冷凝器；n；高温气体由冷凝塔上端进入，冷凝水从下端进入，逆向冷凝效果好；

（4）分离器用来分离液氨和原料气，故答案为：将液氨与未反应的原料气分离；

（5）设CO、H2O起始物质的量浓度分别为x和y，按CO的转化率为90%计算，则

CO（g) + H2O（g)CO2(g) + H2(g)

起始浓度： x y 0 0

转化浓度： 0.9x 0.9x 0.9x 0.9x

平衡浓度： 0.1x 0.9x 0.9x

根据，求得。只要y∶x不低于9，CO的转化率便会超过90%。故答案为：9。

【考点定位】考查工业合成氨、化学平衡的影响因素；合成氨条件的选择

【名师点晴】本题综合考查工业合成氨知识，涉及物质的分离、化学平衡的等问题，题目难度较大，注意把握物质的性质，根据性质选择分离方法，易错点为（5），注意利用三段式法计算较为直观。