Question

【題目】甲烷自熱重整是先進的制氫方法，包含甲烷氧化和蒸汽重整。向反應系統同時通入甲烷、氧氣和水蒸氣，發生的主要化學反應有：

反應 過程	化學方程式	焓變△H （kJ/mol）	正反應活化能Ea （kJ/mol）
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

回答下列問題：

（1）反應CO（g）＋H2O（g）＝CO2（g）＋H2（g）的△H= kJ/mol。

（2）在初始階段,甲烷蒸汽重整的反應速率 甲烷氧化的反應速率（填大于、小于或等于）。

（3）對于氣相反應，用某組分（B）的平衡壓強（PB）代替物質的量濃度（cB）也可表示平衡常數（記作KP），則反應CH4（g）＋H2O（g）CO（g）＋3H2（g）KP的表達式為 ；隨著溫度的升高，該平衡常數 （填“增大”、“減小”或“不變”）。

（4）從能量角度分析，甲烷自熱重整方法的先進之處在于 。

（5）在某一給定進料比的情況下，溫度、壓強對H2和CO物質的量分數的影響如下圖：

①若要達到H2物質的量分數>65%/span>、CO的物質的量分數<10%，以下條件中最合適的是 。

A．600℃，0.9Mpa B．700℃，0.9Mpa C．800℃，1.5Mpa D．1000℃，1.5MPa

②畫出600℃，0．1Mpa條件下，系統中H2物質的量分數隨反應時間（從常溫進料開始計時）的變化趨勢示意圖：

（6）如果進料中氧氣量過大，最終導致H2物質的量分數降低，原因是 。

Answer 1

【答案】（1）－41．2

（2）小于

（3）；增大

（4）系統內強放熱的甲烷氧化反應為強吸熱的蒸汽重整反應提供了所需的能量

（5）①B； ②

（6）甲烷氧化程度過高，氫氣和氧氣反應

【解析】試題分析：（1）根據蓋斯定律，由蒸汽重整的兩個反應CH4(g)+2H2O（g）=CO2（g）+4H2（g）減CH4（g）+H2O（g）= CO（g）+3H2（g），可得反應CO（g）+H2O（g）=CO2（g）+H2（g），則△H="165.0kJ/mol-206.2kJ/mol" =-41.2kJ/mol。

（2）由表中數據可知，甲烷氧化的活化能低于蒸氣重整的活化能，活化能越低，反應速率越快，所以初始階段，甲烷蒸汽重整的反應速率小于甲烷氧化的反應速率。

（3）根據平衡常數K的表達式，可知反應CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2（g）的，

該反應為吸熱反應，升高溫度，平衡向正反應方向移動，平衡常數增大。

（4）從能量的角度分析，甲烷自熱重整方法的先進之處在于系統內強放熱的甲烷氧化反應為強吸熱的蒸汽重整反應提供了所需的能量，提高能源的利用率。

（5）①由圖中數據可知，0.9 MPa時，H2的物質的量分數大于65%，CO物質的量分數小于10%，則700℃符合，1.5 MPa時，H2的物質的量分數大于65%，CO物質的量分數小于10%，則溫度要高于750℃，低于約725℃，B項正確，ACD項錯誤，答案選B。

②起始進料時H2的物質的量分數為0，結合圖象可知600℃，0.1 MPa的條件下，平衡時系統中H2的物質的量分數達到70%，據此畫出H2的物質的量分數隨時間變化的示意圖為：。

（6）如果進料中氧氣量過大，會使甲烷氧化程度過高，氫氣和氧氣反應，導致氫氣的質量分數降低。