20.甲醇是重要的化工原料,又是可再生能源,工业合成甲醇有如下几种方法:
(1)水煤气合成法。制备甲醇的主要反应为CO(g)+2H
2(g)⇌CH
3OH(g)。原料气的加工过程中常混有一定量CO
2,为了研究不同温度下CO
2对该反应的影响,以CO
2、CO和H
2的混合气体为原料在一定条件下进行实验,结果表明,原料气各组分含量不同时,反应生成甲醇的产率是不同的。实验数据如表所示。
φ(CO2)-φ(CO)-φ(H2)/% |
0~30~70 |
4~26~70 |
8~22~70 |
20~10~70 |
反应温度/℃ |
225 |
235 |
250 |
225 |
235 |
250 |
225 |
235 |
250 |
225 |
235 |
250 |
碳转化率/% |
4.9 |
8.8 |
11.0 |
19.0 |
33.1 |
56.5 |
17.7 |
33.4 |
54.4 |
8.0 |
12.0 |
22.6 |
由表中数据分析可知:一定条件下,CO
2对甲醇合成的影响是
。
(2)CO
2催化转化法:以CO
2、H
2为原料在催化剂作用下合成CH
3OH涉及的主要反应:
Ⅰ.CO
2(g)+3H
2(g)⇌CH
3OH(g)+H
2O(g)△H
1=-49.5kJ•mol
-1Ⅱ.CO(g)+2H
2(g)⇌CH
3OH(g)△H
2=-90.4kJ•mol
-1Ⅲ.CO
2(g)+H
2(g)⇌CO(g)+H
2O(g)△H
3①△H
3=
。
②一定条件下,向2L恒容密闭容器中通入1molCO
2和3molH
2发生上述反应,经5min达到平衡时,容器中CH
3OH(g)为amol,CO(g)为bmol,则这段时间内以H
2O(g)表示的化学反应速率为
mol•L
-1•min
-1。(用含a、b的代数式表示)。
③不同压强下,按照n(CO
2):n(H
2)=1:3投料,实验测得CO
2的平衡转化率随温度(T)变化关系如图1所示。则压强P
1、P
2、P
3由大到小的顺序为
,温度高于T
1时,CO
2的平衡转化率几乎相等的原因是
。
(3)甲烷催化氧化法:
主反应:2CH
4(g)+O
2(g)⇌2CH
3OH(g)
副反应:CH
4(g)+2O
2(g)⇌CO
2(g)+2H
2O(g)
①科学家将CH
4、O
2和H
2O(g);(H
2O是活性催化剂)按照一定体积比在催化剂表面合成甲醇部分反应历程如图2所示(吸附在催化剂表面的物种用*标注,TS代表过渡态)。该历程中正反应的最大活化能为
kJ•mol
-1,写出该步骤的化学方程式
。
②向恒温刚性容器中按照体积比为2:1:7充入CH
4、O
2和H
2O(g),在500K下反应达到平衡时,CH
3OH的选择性(甲醇的选择性=
×100%)为90%,CH
4的转化率为50%,则副反应的压强平衡常数K
P=
(保留小数点后一位)。