Question

2．工業上制取硝酸銨的流程圖如下，請回答下列問題：

（1）合成氨的工業設備名稱是合成塔，設備中設置熱交換器的目的是利用余熱，節約能源；此生產過程中，N₂與H₂合成NH₃所用的催化劑是鐵觸媒；生產中原料氣必須進行脫硫，目的是防止催化劑中毒．
（2）吸收塔中的反應為4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃，從生產流程看，吸收塔中需要補充空氣，其原因是可使NO循環利用，提高原料利用率．
（3）生產硝酸的過程中常會產生一些氮的氧化物，可用如下三種方法處理：
方法一：堿吸收法：NO+NO₂+2NaOH═2NaNO₂+H₂O，2NO₂+Na₂CO₃=NaNO₂+NaNO₃+CO₂
方法二：氨還原法：8NH₃+6NO₂═7N₂+12H₂O（該反應放熱，NO也有類似的反應）
方法三：甲烷吸收法：CH₄（g）+2NO₂（g）═CO₂（g）+N₂（g）+2H₂O（g）△H=+867kJ•mol^-1（NO也有類似的反應）
上述三種方法中方法一最大的缺點是單獨的NO不能被吸收；方法三和方法二相比，優點是甲烷比氨價格便宜，缺點是耗能高．
（4）某化肥廠用NH₃制備NH₄NO₃．已知：由NH₃制NO的產率是94%，NO制HNO₃的產率是89%，則制HNO₃所用的NH₃的質量占總耗NH₃質量（不考慮其他損耗）的54.4%（保留三位有效數值）．

Answer 1

分析 （1）合成氨反應要用鐵觸媒作催化劑，對原料氣進行除雜，防止催化劑中毒．
（2）吸收塔中發生的反應是NO與O₂和水反應生成HNO₃，向吸收塔中不斷通入空氣，能使NO反應完全，可從源頭上減少NO污染．
（3）綠色化學要求從根本上減少或杜絕污染，提高原料利用率，節約能耗．
（4）化肥廠制硝酸銨：HNO₃+NH₃=NH₄NO₃．根據氮元素守恒可知，可由NH₃得NO產率，再由NO制得HNO₃的產率可計算得到HNO₃的量；總耗NH₃包括制硝酸消耗的以及與硝酸反應的總量．

解答 解：（1）在合成氨的設備（合成塔）中，用到的催化劑是鐵砂網，硫可使催化劑中毒（降低催化劑活性），設置熱交換器的目的是利用余熱，節約能源；
故答案為：合成塔；利用余熱，節約能源；鐵砂網（或鐵或鐵觸媒）；防止催化劑中毒．
（2）在合成硝酸的吸收塔中不斷通入空氣，目的是提供充足的氧氣，以便使NO循環利用，全部轉化成硝酸；
故答案為：2NO+O₂=2NO₂，3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO（或4NO+3O₂+2H₂O=4HNO₃）；可使NO循環利用，提高原料利用率．
（3）根據“綠色化學”要求，從根本上減少或杜絕污染，盡可能使原料和利用率提高來看，符合綠色的要求．題中方法一堿吸收法中，NO與堿不反應，因此方法一最大的缺點就是對單獨的NO污染物沒法吸收；方法三與方法二相比較而言，優點是原料甲烷比氨的單價要便宜，方法三更經濟，但是甲烷吸收法的反應是吸熱的，而氨還原法的反應是放熱的，因此方法三的缺點是耗能大．
故答案為：單獨的NO不能被吸收；甲烷比氨價格便宜；耗能高．
（4）由NH₃制NO的產率是94%，NO制HNO₃的產率是89%，根據氮原子守恒可知，NH₃～NO～HNO₃，則1mol氨氣可制得硝酸1mol×94%×89%=0.8366mol；由HNO₃+NH₃=NH₄NO₃可知，該反應消耗的氨氣的量為0.8366mol；制HNO₃所用的NH₃的量為1mol，總耗的氨氣量為1mol+0.8366mol=1.8366mol，則制HNO₃所用的NH₃的質量占總耗NH₃質量的百分數為：$\frac{1mol}{1mol+0.8366mol}$≈54.4%（保留三位有效數字）；
故答案為：54.4．

點評 本題主要考察工業制硝酸的相關流程，聯系現在綠色化學的理念，綜合性較強．