题目
固体燃料是目前我国合成氨生产的主要原料，随着煤气化技术的进步，多煤种均可作为合成氨的原料。以煤为原料的合成氨生产流程由三个基本部分组成：原料气的制备arrow 原料气的净化arrow 气体的压缩与氨的合成(1)原料气的制备过程中主要发生反应：Ⅰ.C(s)+H_(2)O(g)leftharpoons CO(g)+H_(2)(g) Delta H_(1)=+131.4kJcdot mol^-1Ⅱ.C(s)+2H_(2)O(g)leftharpoons CO_(2)(g)+2H_(2)(g) Delta H_(2)=+90.0kJcdot mol^-1图1为碳与水蒸气反应的平衡常数与温度的关系图，图2表示了氧煤比对气化过程的影响，氧煤比的大小是影响气化炉温度、碳转化率、煤中有效气体(CO+H_(2))含量高低的重要因素。5000 气化温度/℃1-|||-2000 100 1650-|||-碳转化率/%-|||-1000-|||-500-|||-200 Kp1 φ(CO2)-|||-95-|||-100 (%) 1600-|||-50 i5-|||-20 4-|||-10 90- 1550-|||-8 Kp2 3-|||---|||-2 1500-|||-85 ⊥ ⊥-|||-482 704 917 1149 13711692 0.9 1.0 1.1 1.2 n(O) ⊥-|||-温度/℃ n(C)-|||-图1 图2①由图1可知，高温有利于提高______和______的含量。②试分析原料气制备过程中通入O_(2)的原因：______；由图可知，合适的氧煤比(n(O))/(n(C))应保证在______左右。(2)原料气的净化过程中，脱碳工序须将CO_(2)去除。N-甲基二乙醇胺（简称MDEA，分子式可简写为R_(2)CH_(3)N)水溶液因其选择性高、溶剂消耗少、对设备腐蚀小、可再生等优点被广泛使用。MDEA吸收CO_(2)的反应可表示为：R_(2)CH_(3)N(aq)+CO_(2)(g)+H_(2)O(l)leftharpoons R_(2)CH_(3)NH^+(aq)+(HCO)_(3)^-(aq)①脱碳工序可防止CO_(2)在低温下固化变为干冰，堵塞设备和管道，还可防止______。②从结构角度分析MDEA具有碱性的原因：______。③标准平衡常数K^theta 可以表示平衡时各物质的浓度关系：如反应A(aq)+2B(g)leftharpoons C(g)+D(aq)的K^theta =(frac(p(C))/({p)^θ)×(c(D))/((c)^θ)}((c(A))/({c)^θ)×([(p(B))/({p)^θ)]}^2}，其中c^theta =1molcdot L^-1，p^theta 为标准大气压，p(B)、p(C)分别为气体的分压，分压=气体物质的量分数times 总压。在T^circmathrm(C)时的刚性密闭容器中，用20L2.3mol/L的MDEA溶液吸收总压为p^theta kPa的合成氨原料气（含体积分数分别为30%的N_(2)、55%的H_(2)、15%的CO_(2))，充分吸收后，MDEA浓度降低为2.0mol/L，二氧化碳的吸收率为60%，忽略反应过程中溶液的体积变化，则反应的标准平衡常数K^theta =______(保留2位有效数字）。(3)影响合成氨工艺条件的主要因素是空间速度（单位时间内通过单位体积催化剂的气量，简称空速）、反应温度、合成压力和气体组成等。目前30MPa的中压法合成塔，空速一般为20000sim 30000h^-1，原因是______。
固体燃料是目前我国合成氨生产的主要原料，随着煤气化技术的进步，多煤种均可作为合成氨的原料。以煤为原料的合成氨生产流程由三个基本部分组成：
$(1)$原料气的制备过程中主要发生反应：
$Ⅰ.C\left(s\right)+H_{2}O\left(g\right)\rightleftharpoons CO\left(g\right)+H_{2}(g) \Delta H_{1}=+131.4kJ\cdot mol^{-1}$
$Ⅱ.C\left(s\right)+2H_{2}O\left(g\right)\rightleftharpoons CO_{2}(g)+2H_{2}(g) \Delta H_{2}=+90.0kJ\cdot mol^{-1}$
图$1$为碳与水蒸气反应的平衡常数与温度的关系图，图$2$表示了氧煤比对气化过程的影响，氧煤比的大小是影响气化炉温度、碳转化率、煤中有效气体$(CO+H_{2})$含量高低的重要因素。
①由图$1$可知，高温有利于提高______和______的含量。
②试分析原料气制备过程中通入$O_{2}$的原因：______；由图可知，合适的氧煤比$\frac{n(O)}{n(C)}$应保证在______左右。
$(2)$原料气的净化过程中，脱碳工序须将$CO_{2}$去除。$N-$甲基二乙醇胺（简称$MDEA$，分子式可简写为$R_{2}CH_{3}N)$水溶液因其选择性高、溶剂消耗少、对设备腐蚀小、可再生等优点被广泛使用。$MDEA$吸收$CO_{2}$的反应可表示为：$R_{2}CH_{3}N\left(aq\right)+CO_{2}(g)+H_{2}O\left(l\right)\rightleftharpoons R_{2}CH_{3}NH^{+}(aq)+{HCO}_{3}^{-}(aq)$
①脱碳工序可防止$CO_{2}$在低温下固化变为干冰，堵塞设备和管道，还可防止______。
②从结构角度分析$MDEA$具有碱性的原因：______。
③标准平衡常数$K^{\theta }$可以表示平衡时各物质的浓度关系：如反应$A\left(aq\right)+2B\left(g\right)\rightleftharpoons C\left(g\right)+D\left(aq\right)$的$K^{\theta }=\frac{\frac{p(C)}{{p}^{θ}}×\frac{c(D)}{{c}^{θ}}}{\frac{c(A)}{{c}^{θ}}×{[\frac{p(B)}{{p}^{θ}}]}^{2}}$，其中$c^{\theta }=1mol\cdot L^{-1}$，$p^{\theta }$为标准大气压，$p\left(B\right)$、$p\left(C\right)$分别为气体的分压，分压$=$气体物质的量分数$\times $总压。在$T^{\circ}\mathrm{C}$时的刚性密闭容器中，用$20L2.3mol/L$的$MDEA$溶液吸收总压为$p^{\theta }kPa$的合成氨原料气（含体积分数分别为$30\%$的$N_{2}$、$55\%$的$H_{2}$、$15\%$的$CO_{2})$，充分吸收后，$MDEA$浓度降低为$2.0mol/L$，二氧化碳的吸收率为$60\%$，忽略反应过程中溶液的体积变化，则反应的标准平衡常数$K^{\theta }=$______(保留$2$位有效数字）。
$(3)$影响合成氨工艺条件的主要因素是空间速度（单位时间内通过单位体积催化剂的气量，简称空速）、反应温度、合成压力和气体组成等。目前$30MPa$的中压法合成塔，空速一般为$20000\sim 30000h^{-1}$，原因是______。
| 原料气的制备 | $\rightarrow $ | 原料气的净化 | $\rightarrow $ | 气体的压缩与氨的合成 |
$Ⅰ.C\left(s\right)+H_{2}O\left(g\right)\rightleftharpoons CO\left(g\right)+H_{2}(g) \Delta H_{1}=+131.4kJ\cdot mol^{-1}$
$Ⅱ.C\left(s\right)+2H_{2}O\left(g\right)\rightleftharpoons CO_{2}(g)+2H_{2}(g) \Delta H_{2}=+90.0kJ\cdot mol^{-1}$
图$1$为碳与水蒸气反应的平衡常数与温度的关系图，图$2$表示了氧煤比对气化过程的影响，氧煤比的大小是影响气化炉温度、碳转化率、煤中有效气体$(CO+H_{2})$含量高低的重要因素。
①由图$1$可知，高温有利于提高______和______的含量。
②试分析原料气制备过程中通入$O_{2}$的原因：______；由图可知，合适的氧煤比$\frac{n(O)}{n(C)}$应保证在______左右。
$(2)$原料气的净化过程中，脱碳工序须将$CO_{2}$去除。$N-$甲基二乙醇胺（简称$MDEA$，分子式可简写为$R_{2}CH_{3}N)$水溶液因其选择性高、溶剂消耗少、对设备腐蚀小、可再生等优点被广泛使用。$MDEA$吸收$CO_{2}$的反应可表示为：$R_{2}CH_{3}N\left(aq\right)+CO_{2}(g)+H_{2}O\left(l\right)\rightleftharpoons R_{2}CH_{3}NH^{+}(aq)+{HCO}_{3}^{-}(aq)$
①脱碳工序可防止$CO_{2}$在低温下固化变为干冰，堵塞设备和管道，还可防止______。
②从结构角度分析$MDEA$具有碱性的原因：______。
③标准平衡常数$K^{\theta }$可以表示平衡时各物质的浓度关系：如反应$A\left(aq\right)+2B\left(g\right)\rightleftharpoons C\left(g\right)+D\left(aq\right)$的$K^{\theta }=\frac{\frac{p(C)}{{p}^{θ}}×\frac{c(D)}{{c}^{θ}}}{\frac{c(A)}{{c}^{θ}}×{[\frac{p(B)}{{p}^{θ}}]}^{2}}$，其中$c^{\theta }=1mol\cdot L^{-1}$，$p^{\theta }$为标准大气压，$p\left(B\right)$、$p\left(C\right)$分别为气体的分压，分压$=$气体物质的量分数$\times $总压。在$T^{\circ}\mathrm{C}$时的刚性密闭容器中，用$20L2.3mol/L$的$MDEA$溶液吸收总压为$p^{\theta }kPa$的合成氨原料气（含体积分数分别为$30\%$的$N_{2}$、$55\%$的$H_{2}$、$15\%$的$CO_{2})$，充分吸收后，$MDEA$浓度降低为$2.0mol/L$，二氧化碳的吸收率为$60\%$，忽略反应过程中溶液的体积变化，则反应的标准平衡常数$K^{\theta }=$______(保留$2$位有效数字）。
$(3)$影响合成氨工艺条件的主要因素是空间速度（单位时间内通过单位体积催化剂的气量，简称空速）、反应温度、合成压力和气体组成等。目前$30MPa$的中压法合成塔，空速一般为$20000\sim 30000h^{-1}$，原因是______。
题目解答
答案
（1）①温度升高，反应$Ⅰ$的平衡常数变化大于反应$Ⅱ$，说明高温有利于反应$Ⅰ$的进行，
故答案为：$CO$；$H_{2}$；
②氧煤比的大小是影响气化炉温度、碳的转化率、煤中有效气体含量高低的重要因素，由图$2$可知，氧煤比越大，气化温度越高、碳的转化率越大，则原料气制备过程中适量通入氧气的目的是增加碳与氧气的燃烧反应，反应放出的热量可以提高气化温度，保证碳的转化率；氧煤比为$1.1$左右时，碳的转化率较高，气化炉温度较高，二氧化碳的百分含量较低，则有利于提高煤中有效气体含量的氧煤比为$1.1$左右，
故答案为：通入适量$O_{2}$，可增加燃烧反应，放出更多的热量，提高气化温度，保证碳的转化率；$1.1$；
$(2)$①脱碳工序用$MDEA$溶液吸收二氧化碳的目的是防止二氧化碳在低温下固化变为干冰，堵塞设备和管道，同时防止二氧化碳造成催化剂中毒，导致催化剂失活，
故答案为：催化剂中毒；
②$MDEA$分子中含有具有孤对电子的氮原子，氮原子能与具有空轨道的氢离子形成配位键，所以$MDEA$分子具有碱性，
故答案为：$N$原子上存在孤电子对，可与$H^{+}$结合形成配位键；
③反应的标准平衡常数$K^{\theta }=\frac{\frac{c({R}_{2}C{H}_{3}N{H}^{+})}{{c}^{θ}}×\frac{c(HC{O}_{3}^{-})}{{c}^{θ}}}{\frac{c({R}_{2}C{H}_{3}N)}{{c}^{θ}}×\frac{p(C{O}_{2})}{{p}^{θ}}}$，由题意可知，平衡时$R_{2}CH_{3}N$的浓度为$2.0mol/L$，则$R_{2}CH_{3}NH^{+}$和碳酸氢根离子的浓度为$2.3mol/L$—$2.0mol/L=0.3mol/L$，设起始合成氨原料气的物质的量为$100mol$，由二氧化碳的吸收率为$60\%$可知，平衡时原料气的物质的量为$100mol-15mol\times 60\%=91mol$，由压强之比等于物质的量之比可知，平衡时混合气体的压强为$\frac{91mol×{p}^{θ}}{100mol}$，则二氧化碳的分压为$\frac{15mol-15mol×60\%}{91mol}\times \frac{91mol×{p}^{θ}}{100mol}=0.06p^{\theta }$，反应的标准平衡常数$K^{\theta }=\frac{\frac{0.3}{1}×\frac{0.3}{1}}{\frac{2.0}{1}×\frac{0.06{p}^{θ}}{{p}^{θ}}}=0.75$，
故答案为：$0.75$；
$(3)$空速过低，易使单位时间内气体经过合成反应的次数减少，合成氨产量降低；若空速过高，缩短了气体与催化剂的接触时间，使合成氨的转化不充分，降低产率，所以目前$30MPa$的中压法合成塔，空速一般为$20000\sim 30000h^{-1}$，
故答案为：空速过低，易使单位时间内气体经过合成反应的次数减少，合成氨产量降低，空速过高，缩短了气体与催化剂的接触时间，使合成氨的转化不充分，降低产率。
故答案为：$CO$；$H_{2}$；
②氧煤比的大小是影响气化炉温度、碳的转化率、煤中有效气体含量高低的重要因素，由图$2$可知，氧煤比越大，气化温度越高、碳的转化率越大，则原料气制备过程中适量通入氧气的目的是增加碳与氧气的燃烧反应，反应放出的热量可以提高气化温度，保证碳的转化率；氧煤比为$1.1$左右时，碳的转化率较高，气化炉温度较高，二氧化碳的百分含量较低，则有利于提高煤中有效气体含量的氧煤比为$1.1$左右，
故答案为：通入适量$O_{2}$，可增加燃烧反应，放出更多的热量，提高气化温度，保证碳的转化率；$1.1$；
$(2)$①脱碳工序用$MDEA$溶液吸收二氧化碳的目的是防止二氧化碳在低温下固化变为干冰，堵塞设备和管道，同时防止二氧化碳造成催化剂中毒，导致催化剂失活，
故答案为：催化剂中毒；
②$MDEA$分子中含有具有孤对电子的氮原子，氮原子能与具有空轨道的氢离子形成配位键，所以$MDEA$分子具有碱性，
故答案为：$N$原子上存在孤电子对，可与$H^{+}$结合形成配位键；
③反应的标准平衡常数$K^{\theta }=\frac{\frac{c({R}_{2}C{H}_{3}N{H}^{+})}{{c}^{θ}}×\frac{c(HC{O}_{3}^{-})}{{c}^{θ}}}{\frac{c({R}_{2}C{H}_{3}N)}{{c}^{θ}}×\frac{p(C{O}_{2})}{{p}^{θ}}}$，由题意可知，平衡时$R_{2}CH_{3}N$的浓度为$2.0mol/L$，则$R_{2}CH_{3}NH^{+}$和碳酸氢根离子的浓度为$2.3mol/L$—$2.0mol/L=0.3mol/L$，设起始合成氨原料气的物质的量为$100mol$，由二氧化碳的吸收率为$60\%$可知，平衡时原料气的物质的量为$100mol-15mol\times 60\%=91mol$，由压强之比等于物质的量之比可知，平衡时混合气体的压强为$\frac{91mol×{p}^{θ}}{100mol}$，则二氧化碳的分压为$\frac{15mol-15mol×60\%}{91mol}\times \frac{91mol×{p}^{θ}}{100mol}=0.06p^{\theta }$，反应的标准平衡常数$K^{\theta }=\frac{\frac{0.3}{1}×\frac{0.3}{1}}{\frac{2.0}{1}×\frac{0.06{p}^{θ}}{{p}^{θ}}}=0.75$，
故答案为：$0.75$；
$(3)$空速过低，易使单位时间内气体经过合成反应的次数减少，合成氨产量降低；若空速过高，缩短了气体与催化剂的接触时间，使合成氨的转化不充分，降低产率，所以目前$30MPa$的中压法合成塔，空速一般为$20000\sim 30000h^{-1}$，
故答案为：空速过低，易使单位时间内气体经过合成反应的次数减少，合成氨产量降低，空速过高，缩短了气体与催化剂的接触时间，使合成氨的转化不充分，降低产率。