Question

甲烷自热重整是先进的制氢方法，包含甲烷氧化和蒸汽重整。向反应系统同时通入甲烷、氧气和水蒸气，发生的主要化学反应有：

	化学方程	焓变ΔH/kJ·mol－1	活化能Ea/kJ·mol－1
甲 烷 氧 化	CH4(g)＋2O2(g)=== CO2(g)＋2H2O(g)	－802.6	125.6
CH4(g)＋O2(g)=== CO2(g)＋2H2(g)	－322.0	172.5
蒸 汽 重 整	CH4(g)＋H2O(g)=== CO(g)＋3H2(g)	＋206.2	240.1
CH4(g)＋2H2O(g)=== CO2(g)＋4H2(g)	＋165.0	243.9

回答下列问题：

(1)反应CO(g)＋H₂O(g)===CO₂(g)＋H₂(g)的ΔH＝________kJ·mol^－1。

(2)在初始阶段，甲烷蒸汽重整的反应速率________甲烷氧化的反应速率(填“大于”“小于”或“等于”)。

(3)对于气相反应，用某组分(B)的平衡压强(p_B)代替物质的量浓度(c_B)也可表示平衡常数(记作K_p)，则反应CH₄(g)＋H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g)的K_p＝________，随着温度的升高，该平衡常数________(填“增大”“减小”或“不变”)。

(4)从能量角度分析，甲烷自热重整方法的先进之处在于

___________________________________________________________________。

(5)在某一给定进料比的情况下，温度、压强对H₂和CO物质的量分数的影响如下图：

①若要达到H₂物质的量分数＞65%、CO物质的量分数＜10%，以下条件中最合适的是________。

A．600 ℃，0.9 MPa　　　          B．700 ℃，0.9 MPa

C．800 ℃，1.5 MPa                D．1 000 ℃，1.5 MPa

②画出600 ℃，0.1 MPa条件下，系统中H₂物质的量分数随反应时间(从常温进料开始计时)的变化趋势示意图：

(6)如果进料中氧气量过大，最终导致H₂物质的量分数降低，原因是

___________________________________________________________________。

Answer 1

【解析】　(1)由题给信息知：①CH₄(g)＋H₂O(g)===CO(g)＋3H₂(g)　ΔH＝＋206.2 kJ·mol^－1；

②CH₄(g)＋2H₂O(g)===CO₂(g)＋4H₂(g)　ΔH＝＋165.0 kJ·mol^－1。根据盖斯定律，由②－①可得CO(g)＋H₂O(g)===CO₂(g)＋H₂(g)　ΔH＝(＋165.0 kJ·mol^－1)－(＋206.2 kJ·mol^－1)＝－41.2 kJ·mol^－1。

(2)甲烷氧化的反应为放热反应，甲烷蒸汽重整的反应为吸热反应，初始阶段，甲烷氧化反应的活化能低于甲烷蒸汽重整反应的活化能，故前者反应速率较后者快。

(3)据题中K_p的描述可知，K_p＝。温度升高，平衡正向移动，K_p增大。

(4)分析表中反应的焓变可知，甲烷氧化放出热量，为甲烷蒸汽重整提供所需能量。

(5)①由图可知：

	达到H2物质的量分数＞65%时
压强	0.1 MPa	0.9 MPa	1.5 MPa
温度	≥530 ℃	≥675 ℃	≥720 ℃