Question

二甲醚（CH₃OCH₃）是一種新型的合成“柴油”。它可由生物甲烷或天然氣合成。

⑴生物甲烷是由植物和動物糞便在一定條件下發(fā)酵而得的甲烷：

若某植物纖維素的含量為10%，某沼氣池，當(dāng)加入該植物162kg，在微生物作用下完全轉(zhuǎn)化可得CH₄在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為             m³。

⑵合成二甲醚主要步驟為造氣和合成。過程如下：

 

若造氣時，設(shè)每步轉(zhuǎn)化率均為100%，設(shè)某天然氣中只含5%CO₂，不含其他雜質(zhì)，每100m³天然氣，應(yīng)同時通入水蒸氣和空氣各多少體積（空氣只含N₂和O₂，且體積比為4：1，下同），才能保證合成時CO和H₂充分利用。V[H₂O（g）]=       m³；V[空氣]=       m³。

⑶為了充分利用反應(yīng)過程中生成的比較純凈的氮氣，某企業(yè)用天然氣為主要原料聯(lián)合生產(chǎn)二甲醚和氨，過程如下：

制氣設(shè)備：①CH₄+H₂O → CO+3H₂              ②2CH₄+O₂  → 2CO+4H₂

合成塔Ⅰ：CO+2H₂  →  CH₃OH       ；   2CH₃OH →  CH₃OCH₃+H₂O

合成塔Ⅱ：N₂+3H₂==2NH₃

假設(shè)天然氣中只含CH₄，反應(yīng)②中通入適量空氣，調(diào)節(jié)①和②投入的CH₄的量，以使反應(yīng)①剩余的H₂和反應(yīng)②剩余的N₂的體積比恰好為3：1，以便合成氨。該企業(yè)每生產(chǎn)34t NH₃理論上同時可以得到二甲醚多少噸？（設(shè)工業(yè)多次轉(zhuǎn)化，總轉(zhuǎn)化率假定為100%設(shè)合成塔Ⅰ中水與CO不反應(yīng)）？

Answer 1

（1）6.72m³  (2分)   (2)10m³,200m³  (每空2分)    (3)80.5t  (4分)

解析:

本題考查多步反應(yīng)的化學(xué)計算，關(guān)系復(fù)雜，難度較大，容易出錯，是一道考查綜合思維能力、區(qū)分度好的試題。(1)(C₆H₁₀O₅) _n ~ 3nCH₄,即C₆H₁₀O₅ ~ 3CH₄

n(CH₄)=3n(C₆H₁₀O₅) =

V(CH₄)=300mol×22.4L/mol=6.72×10³L=6.72m³

(2)依題意，100m³天然氣含CH₄95m³、CO₂5m³。觀察合成反應(yīng)，CO:H₂=1:2時才能充分利用。再觀察造氣反應(yīng)，反應(yīng)（1）必須是（2）的2倍才能達(dá)到上述要求。又知反應(yīng)（2）耗CH₄為5m³，則反應(yīng)（1）耗CH₄為10m³，同時需水10m³；所以反應(yīng)（3）的CH₄為80m³，需O₂40m³，即空氣200m³。

（3）由反應(yīng)N₂+3H₂==2NH₃可求得生產(chǎn)34t氨需1×10⁶molN₂和3×10⁶molH₂，則反應(yīng)②通入的O₂為1×1/4=0.25×10⁶mol，生成H₂1×10⁶mol；則反應(yīng)①應(yīng)生成H₂9×10⁶mol，其中用于合成CH₃OCH₃的H₂為6×10⁶mol，由關(guān)系式4H₂ ~ CH₃OCH₃可求得：n(CH₃OCH₃)=（1×10⁶+6×10⁶）mol×1/4=1.75×10⁶mol，為80.5t。