Question

【題目】甲烷水蒸氣的重整反應(yīng)是工業(yè)制備氫氣的重要方式，其化學(xué)反應(yīng)方程式為CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)。回答下列問題：

（1）已知：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) H1=-890.3kJ·mol-1

CO(g)+O2(g)=CO(g) H2=-283.0kJ·mol-1

H2(g)+O2(g)=H2O(l) H3=-285.8kJmol-1

CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) H4=-41.0kJmol-1

則甲烷水蒸氣重整反應(yīng)的△H=__kJ·mol-1。

（2）通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，對400~1200℃、操作壓強(qiáng)為0.1MPa條件下，不同水碳比(1~10)進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算，反應(yīng)平衡體系中H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與水碳比、平衡溫度的關(guān)系如圖所示。

①H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與水碳比(1~10)的關(guān)系是平衡溫度一定時(shí)，__；其原因是__。

②據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)可知，平衡溫度為900℃，水碳比為1.0時(shí)，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.6，CH4的轉(zhuǎn)化率為__，其壓強(qiáng)平衡常數(shù)為__；反應(yīng)速率方程為v=kp(CH4)p-1(H2)，此時(shí)反應(yīng)速率=__(已知：氣體分壓=氣體的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)×總壓，速率方程中k為速率常數(shù))。

（3）厭氧細(xì)菌可將葡萄糖轉(zhuǎn)化為CH4和H2，pH為5.5時(shí)不同熱預(yù)處理溫度和時(shí)間下的甲烷和氫氣的產(chǎn)率如圖所示，若要提高H2的產(chǎn)率，最佳溫度為__；與甲烷水蒸氣重整制氫相比其優(yōu)點(diǎn)有__(至少寫兩點(diǎn))。

Answer 1

【答案】+206.3 水碳比越大，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)越大 水碳比較大時(shí)，CO會與H2O進(jìn)一步反應(yīng)生成H2，使H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)增大 66.67% 4.32×102(MPa)2 80℃ 原料來源廣、制取H2溫度低、不會產(chǎn)生CO等有害氣體等

【解析】

（1）用蓋斯定律求甲烷水蒸氣重整反應(yīng)的△H；

（2）①H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與水碳比(1~10)的關(guān)系由圖知；原因從生成氫氣的反應(yīng)角度來回答；

②平衡溫度為900℃，水碳比為1.0時(shí)，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.6，CH4的轉(zhuǎn)化率、其壓強(qiáng)平衡常數(shù)；以及此時(shí)反應(yīng)速率通過三段式計(jì)算；

（3）厭氧細(xì)菌可將葡萄糖轉(zhuǎn)化為CH4和H2，提高H2的產(chǎn)率的最佳溫度，由圖知；與甲烷水蒸氣重整制氫相比的優(yōu)點(diǎn)從反應(yīng)的難易程度及環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等角度來考察。

（1）已知：①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) H1=-890.3kJ·mol-1②CO(g)+O2(g)=CO(g) H2=-283.0kJ·mol-1③H2(g)+O2(g)=H2O(l) H3=-285.8kJmol-1④CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) H4=-41.0kJmol-1，根據(jù)蓋斯定律，①+④2×②2×③即得甲烷水蒸氣的重整反應(yīng)方程式為CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)，則甲烷水蒸氣重整反應(yīng)ΔH=ΔH1+ΔH42ΔH22ΔH3=(890.341+2×283.0+2×285.8) kJmol1=+206.3 kJmol1；

答案為：+206.3；

（2）①平衡溫度一定時(shí)，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與水碳比(1~10)的關(guān)系，由圖中曲線走勢可知；

答案為：水碳比越大，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)越大；

水碳比越大，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)越大的原因，從生成氫氣的反應(yīng)可知，除了甲烷水蒸氣的重整反應(yīng)生成氫氣外，一氧化碳和水也會反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；

答案為：當(dāng)水碳比較大時(shí)，CO會與H2O反應(yīng)生成H2，使H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)增大；

②操作壓強(qiáng)為0.1MPa、平衡溫度為900℃條件下，水碳比為1.0時(shí)，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.6，設(shè)甲烷和H2O的物質(zhì)的量均為amol，達(dá)化學(xué)平衡時(shí)，甲烷消耗x，

，則CH4的轉(zhuǎn)化率

答案為：66.67%；

已知：氣體分壓=氣體的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)×總壓， ，,壓強(qiáng)平衡常數(shù)為；

答案為：4.32×102(MPa)2；

反應(yīng)速率方程為v=kp(CH4)p-1(H2)，此時(shí)反應(yīng)速率 ；

答案為： ；

（3）厭氧細(xì)菌可將葡萄糖轉(zhuǎn)化為CH4和H2，pH為5.5時(shí)，若要提高H2的產(chǎn)率，降低甲烷產(chǎn)率，最佳溫度為80℃；與甲烷水蒸氣重整制氫相比其優(yōu)點(diǎn)有原料來源廣、制取H2溫度低、不會產(chǎn)生CO等有害氣體等；

答案為：80℃；原料來源廣、制取H2溫度低、不會產(chǎn)生CO等有害氣體等。