Question

某化工廠以甲烷為原料合成甲醇的反應為：
CH₄（g）+H₂O（g）→CO（g）+3H₂（g）  …①（反應中CH₄轉化率：1）
CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）      …②（反應中CO轉化率：

2

3

）
合成工藝如下（虛線框內為改進后的工藝中新增流程）：

請回答下列問題（所有氣體體積均折算為標準狀況）：
（1）原工藝中，當充入反應器①的甲烷和水蒸汽的體積分別為672m³和1750m³時，反應剩余物中n（CO）=

 

，n（H₂）=

 

．
（2）為充分利用反應剩余物，該廠在原工藝的基礎上，將下列反應運用于生產甲醇原料氣：
2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂（g）  …③（反應中CH₄轉化率：1）
若新工藝中充入反應器①的甲烷和水蒸汽的體積分別為a、3a，反應剩余物中：V（H₂）：V（N₂）：V（CO）=3：1：1．
計算：
①充入反應器③的甲烷的體積；

 

②若富氧空氣中除O₂、N₂外，其他成分忽略不計，則充入反應器③中的富氧空氣的體積為

 

；應選擇氧氣體積分數為

 

的富氧空氣．

Answer 1

考點：化學平衡的計算

專題：化學平衡專題

分析：（1）根據化學方程式中各個物質物質的量以及轉化率進行計算，甲烷轉化率是1，即全部反應，一氧化碳的轉化率是

2

3

，說明第一步反應生成的一氧化碳在第二步中有

2

3

被消耗掉，根據消耗掉的量計算剩余量即可；
（2）根據化學方程式中各個物質物質的量以及轉化率進行計算，注意空氣的成分中，氧氣占總體積的20%，氮氣占有80%來計算．

解答： 解：（1）充入反應器①的甲烷和水蒸汽的體積分別為672m³（即3.0×10⁴mol）和1750m³（即7.8125×10⁴mol），甲烷轉化率是1，即全部反應，一氧化碳的轉化率是

2

3

，CH₄（g）+H₂O（g）→CO（g）+3H₂（g），
3.0×10⁴mol   3.0×10⁴mol  3.0×10⁴mol  9.0×10⁴mol  
發(fā)生上述反應后，水蒸氣會剩余，
CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）

2

3

×3.0×10⁴mol  4.0×10⁴mol   
所以反應剩余物中n（CO）=3.0×10⁴mol-

2

3

×3.0×10⁴mol=1×10⁴mol，n（H₂）=9.0×10⁴mol-4.0×10⁴mol=5.0×10⁴mol，
故答案為：1.0×10⁴mol；4.0×10⁴mol；                                      
（2）①設充入反應器③的甲烷的體積為V₁，富氧空氣的體積為V₂．則
CH₄（g）+H₂O（g）→CO（g）+3H₂（g）
a                a      3a
2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂（g）
V₁       

1

2

V₁      V₁       2V₁
由反應②，可算得消耗的CO為

2

3

（a+V₁），消耗的H₂為

4

3

（a+V₁）故：反應剩余物中CO為

1

3

（a+V₁），H₂為3a+2V₁-

4

3

（a+V₁）=

1

3

（5a+2V₁），應有：

1

3

（5a+2V₁）：

1

3

（a+V₁）=3：1，解得V₁=2a即充入反應器③的甲烷的體積為2a，故答案為：2a；
②若富氧空氣中除O₂、N₂外，其他成分忽略不計，則充入反應器③中的富氧空氣的體積和甲烷的體積是相當的，即體積為2a，根據反應③，氧氣的消耗量是甲烷量的一半，即為amol，所以需要氧氣占空氣的體積分數是

a

2a

×100%=50%，即0.5，故答案為：2a；0.5．

點評：本題是一道有關化學平衡的計算題，考查學生利用化學方程式結合物質的轉化率進行計算的能力，難度不大．