Question

【題目】氫氣是熱量高、無污染的燃料，天然氣儲量豐富是理想的制氫原料，研究甲烷制氫具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

（1）甲烷水蒸氣重整制氫：CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）△H1=+216kJmol-1，溫度1200k，壓強0.2Mpa，水碳起始物質的量之比3:1，達到平衡時氫氣的物質的量分數(shù)為0.3,甲烷轉化率為____，Kp=____（Mpa）2 。理論上近似水碳比為____，氫氣的物質的量分數(shù)將達到最大。

（2）①將甲烷水蒸氣重整和甲烷氧化重整兩種方法結合，理論上按照空氣、甲烷、水蒸氣約15:7：1體積比進料（空氣中氧氣體積分數(shù)約為0.2），可以實現(xiàn)反應器中能量自給（不需要補充熱量）。

甲烷氧化重整制氫：2CH4（g）+O2（g）=2CO（g）+4H2（g） △H2=____kJmol-1

②實際生產中，空氣、甲烷、水蒸氣按照約1:1:2體積比進料，增加水蒸氣的作用是____，還能發(fā)生____（用化學方程式表示）反應，從而獲得更多的氫氣。

（3）甲烷水蒸氣重整過程中，溫度1000K,原料氣以57.6Kgh-1通入容積為1L鎳基催化反應器中，2-5s甲烷質量分數(shù)由7.32%變?yōu)?/span>5.32%，用甲烷表示2-5s的反應速率為____molmin-1 ,隨著反應的進行反應速率會急速下降，可能的原因是甲烷等高溫不穩(wěn)定，造成____。有人提出將甲烷水蒸氣重整和甲烷氧化重整兩種方法結合則能解決這個問題，原因是____。

Answer 1

【答案】50% 2.16×10－3 1:1 -72 促進反應正向移動，提高甲烷的轉化率 CO+H2OCO2+H2 1.2 催化劑積碳 氧氣會與積碳反應，從而消碳

【解析】

（1）依據(jù)化學方程式和題中所給的數(shù)據(jù)，計算出平衡時CH4、H2O、CO、H2的物質的量，計算出它們的物質的量分數(shù)以及出它們的分壓，計算Kp；

（2）根據(jù)題中信息，甲烷水蒸氣重整制氫：CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）△H1=+216kJmol-1，甲烷氧化重整制氫：2CH4（g）+O2（g）=2CO（g）+4H2（g） △H2，實現(xiàn)反應器中能量自給（不需要補充熱量），即按一定的比例甲烷水蒸氣重整制氫吸收的熱量與甲烷氧化重整制氫放出的熱量相等，進行相關計算；

（3）依據(jù)反應速率的定義，單位時間內甲烷濃度的變化量，計算出甲烷的反應速率，在計算的時候，注意單位之間的換算。

（1）根據(jù)題意，假設n(CH4)=xmol，n(H2O)=3x mol，甲烷轉化率為 ，則

平衡時氣體的總物質的量為(1-)xmol+(3-)xmol+xmol+3xmol=(4+2)xmol，因為達到平衡時氫氣的物質的量分數(shù)為0.3，即 ，=0.5，所以平衡后的總物質的量為5x mol，平衡后n(CH4)=0.5xmol、n(H2O)=2.5xmol、n(CO)=0.5xmol、n(H2)=1.5x mol，平衡后CH4的分壓為，同一容器中 CH4、H2O、CO、H2分壓之比等于物質的量之比，即p(CH4)：p(H2O)：p(CO)：p(H2)= 0.5xmol：2.5xmol：0.5xmol：1.5x mol =1：5：1：3，所以p(H2O)=0.1Mpa、p(CO)=0.02Mpa，p(H2)=0.06Mpa，

；理論上水碳起始物質的量之比等于化學方程式中的化學計量數(shù)之比時，即水碳起始物質的量之比1:1，氫氣的物質的量分數(shù)將達到最大；

（2）①將甲烷水蒸汽重整和甲烷氧化重整兩種方法結合，理論上按照空氣、甲烷、水蒸汽約15：7：1體積比進料（空氣中氧氣體積分數(shù)約為0.2），則氧氣、甲烷、水蒸汽約3：7：1體積比進料，令參加反應消耗氧氣、甲烷、水蒸氣的物質的量分別為3mol、7mol、1mol，

甲烷水蒸氣重整制氫：CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）△H1=+216kJmol-1，甲烷氧化重整制氫：2CH4（g）+O2（g）=2CO（g）+4H2（g） △H2，令△H2=-y kJmol-1，結合方程式以及反應可以實現(xiàn)反應器中能量自給（不需要補充熱量），故有1mol CH4、1mol H2O(g)參加甲烷水蒸氣重整制氫吸收的熱量為216kJ；6mol CH4、3mol O2參加氧化重整制氫，故3y=216，y=72，所以甲烷氧化重整制氫：2CH4（g）+O2（g）=2CO（g）+4H2（g） △H2=-72kJmol-1；

②實際生產中，空氣、甲烷、水蒸汽按照約1：1：2體積比進料，增加水蒸氣的作用是提高甲烷的轉化率，另外甲烷水蒸氣重整制氫、甲烷氧化重整制氫生成的CO能與水蒸氣反應生成H2，其反應方程式為CO+H2O CO2+H2；

（3）甲烷水蒸汽重整過程中，溫度1000K,原料氣以57.6Kgh-1通入容積為1L鎳基催化反應器中， ，2-5s甲烷質量分數(shù)由7.32%變?yōu)?/span>5.32%，所以2-5s甲烷質量減少量為16×(7.32%-5.32%)3=0.96g，2-5s甲烷變化的物質的量為

， ；隨著反應的進行反應速率會急速下降，可能的原因是甲烷等高溫不穩(wěn)定， CH4C+2H2，生成的碳覆蓋在催化劑表面，使催化劑中毒；氧氣會消耗催化劑表面的積碳，故將甲烷水蒸汽重整和甲烷氧化重整兩種方法結合能處理催化劑表面的積碳。