Question

某化工厂以甲烷为原料合成甲醇的反应为：
CH₄（g）+H₂O（g）→CO（g）+3H₂（g）  …①（反应中CH₄转化率：1）
CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）      …②（反应中CO转化率：

2

3

）
合成工艺如下（虚线框内为改进后的工艺中新增流程）：

请回答下列问题（所有气体体积均折算为标准状况）：
（1）原工艺中，当充入反应器①的甲烷和水蒸汽的体积分别为672m³和1750m³时，反应剩余物中n（CO）=

 

，n（H₂）=

 

．
（2）为充分利用反应剩余物，该厂在原工艺的基础上，将下列反应运用于生产甲醇原料气：
2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂（g）  …③（反应中CH₄转化率：1）
若新工艺中充入反应器①的甲烷和水蒸汽的体积分别为a、3a，反应剩余物中：V（H₂）：V（N₂）：V（CO）=3：1：1．
计算：
①充入反应器③的甲烷的体积；

 

②若富氧空气中除O₂、N₂外，其他成分忽略不计，则充入反应器③中的富氧空气的体积为

 

；应选择氧气体积分数为

 

的富氧空气．

Answer 1

考点：化学平衡的计算

专题：化学平衡专题

分析：（1）根据化学方程式中各个物质物质的量以及转化率进行计算，甲烷转化率是1，即全部反应，一氧化碳的转化率是

2

3

，说明第一步反应生成的一氧化碳在第二步中有

2

3

被消耗掉，根据消耗掉的量计算剩余量即可；
（2）根据化学方程式中各个物质物质的量以及转化率进行计算，注意空气的成分中，氧气占总体积的20%，氮气占有80%来计算．

解答： 解：（1）充入反应器①的甲烷和水蒸汽的体积分别为672m³（即3.0×10⁴mol）和1750m³（即7.8125×10⁴mol），甲烷转化率是1，即全部反应，一氧化碳的转化率是

2

3

，CH₄（g）+H₂O（g）→CO（g）+3H₂（g），
3.0×10⁴mol   3.0×10⁴mol  3.0×10⁴mol  9.0×10⁴mol  
发生上述反应后，水蒸气会剩余，
CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）

2

3

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

2

3

×3.0×10⁴mol=1×10⁴mol，n（H₂）=9.0×10⁴mol-4.0×10⁴mol=5.0×10⁴mol，
故答案为：1.0×10⁴mol；4.0×10⁴mol；                                      
（2）①设充入反应器③的甲烷的体积为V₁，富氧空气的体积为V₂．则
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
由反应②，可算得消耗的CO为

2

3

（a+V₁），消耗的H₂为

4

3

（a+V₁）故：反应剩余物中CO为

1

3

（a+V₁），H₂为3a+2V₁-

4

3

（a+V₁）=

1

3

（5a+2V₁），应有：

1

3

（5a+2V₁）：

1

3

（a+V₁）=3：1，解得V₁=2a即充入反应器③的甲烷的体积为2a，故答案为：2a；
②若富氧空气中除O₂、N₂外，其他成分忽略不计，则充入反应器③中的富氧空气的体积和甲烷的体积是相当的，即体积为2a，根据反应③，氧气的消耗量是甲烷量的一半，即为amol，所以需要氧气占空气的体积分数是

a

2a

×100%=50%，即0.5，故答案为：2a；0.5．

点评：本题是一道有关化学平衡的计算题，考查学生利用化学方程式结合物质的转化率进行计算的能力，难度不大．