Question

（2012?上海模拟）某化工厂以甲烷为主要原料来制取合成甲醇及合成氨的原料，其主要反应为：CH4（g）+H2O

（2012?上海模拟）某化工厂以甲烷为主要原料来制取合成甲醇及合成氨的原料，其主要反应为：CH4（g）+H2O→CO（g）+3H2（g）①（反应中CH4转化率为1）2CH4（g）+O2（g）→2CO（g）+4H2②（反应中CH4转化率为1）CO（g）+2H2（g）→CH3OH（g）（反应中CO转化率为23）合成工艺如下：请回答下列问题（所有气体体积均折算为标准状况）：（1）若只用反应器①来直接合成甲醇．当充入反应器①的甲烷和水蒸汽的体积分别为672m3和2240m3时，反应剩余物中CO为______mol、H2为______mol；（2）若CH4同时和H2O（g）及O2（g）反应，则am3CH4按上述两式完全反应，产物气体的体积V的范围为______．（3）若充入反应器①的甲烷和水蒸汽的体积分别为l体积和3体积，反应剩余物中：V（H2）：V（N2）：V（CO）=3：1：1．则充入反应器②的富氧空气（只含N2和O2）的体积为______；富氧空气中氧气体积分数为______．（4）若将25%的富氧空气、CH4和H2O（g）混合并充分反应，反应的产物中n(H2)n(N2)=3：1，来合成氨气，则反应中的H2O（g）和富氧空气的物质的量之比为______．

Answer 1

（1）计算672m³甲烷完全反应需要水蒸气体积：
CH₄（g）+H₂O=CO（g）+3H₂（g）
672m³   672m³，
故水蒸气过量，则：
CH₄（g）+H₂O=CO（g）+3H₂（g）
672m³       672m³    3×672m³
故CO的物质的量=

672×103L

22.4L/mol

=3×10⁴mol，故氢气的物质的量=

3×672×103

22.4L/mol

=9×10⁴mol，
反应中CO转化率为

2

3

，则参加反应的CO为3×10⁴mol×

2

3

=2×10⁴mol，则：
    CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）
2×10⁴mol   4×10⁴mol
故剩余CO物质的量=3×10⁴mol-2×10⁴mol=1×10⁴mol，
剩余氢气的物质的量=9×10⁴mol-4×10⁴mol=5×10⁴mol，
故答案为：1×10⁴；5×10⁴；
（2）生成的产物气体为合成氨的原料氢气，
只发生反应CH₄+H₂O （g）→CO+3H₂，产物气体的体积最小，由方程式可知，am³CH₄完全反应，生成氢气的体积=3am³，
只发生CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，产物气体的体积最大，由方程式可知，am³CH₄完全反应，生成氢气的体积=4am³，
故产物气体的体积V的范围为：3am³＜V＜4am³，
故答案为：3am³＜V＜4am³；
（3）设充入反应器②中甲烷体积为V体积，则：
CH₄（g）+H₂O→CO（g）+3H₂（g）
1体积       1体积    3体积
2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂
V体积  0.5V体积   V体积    2V体积
由CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）（反应中CO转化率为

2

3

）可知，消耗的CO为

2

3

（1+V）体积，消耗氢气为

4

3

（1+V）体积，
故：反应剩余物中CO为

1

3

（1+V）体积，氢气为：3体积+2V体积-

4

3

（1+V）体积=

1

3

（5+2V）体积，
则

1

3

（5+2V）：

1

3

（1+V）=3：1，解得V=2，
富氧空气中氧气体积=2体积×0.5=1体积，剩余中氮气为

1

3

（1+V）体积=

1

3

（1+2）=1体积，故需要富氧空气的体积为1体积+1体积=2体积，则富氧空气中氧气体积分数为=

1

1+1

×100%=50%，
故答案为：2体积；50%；
（4）设富氧空气为1mol，则氧气为0.25mol，氮气为1mol-0.25mol=0.75mol，令水的物质的量为ymol，则：
CH₄（g）+H₂O→CO（g）+3H₂（g）
       ymol  ymol   3ymol
2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂
        0.25mol  0.5mol   1mol
则（3y+1）mol：0.75mol=3：1，解得y=

5

12

，
则反应中的H₂O（g）和富氧空气的物质的量之比为

5

12

mol：1mol=

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