Question

（本题共8分）
水煤气法制甲醇工艺流程框图如下

(注:除去水蒸气后的水煤气含55～59%的H₂，15～18%的CO，11～13%的CO₂，少量的H₂S、CH₄，除去H₂S后，可采用催化或非催化转化技术，将CH₄转化成CO，得到CO、CO₂和H₂的混合气体，是理想的合成甲醇原料气，即可进行甲醇合成)
（1）制水煤气的主要化学反应方程式为：C（s）+H₂O（g）CO（g）+H₂（g），此反应是吸热反应。①此反应的化学平衡常数表达式为                     ；
②下列能提高碳的平衡转化率的措施是                     。

A．加入C（s）

B．加入H2O（g）

C．升高温度

D．增大压强

（2）将CH₄转化成CO，工业上常采用催化转化技术，其反应原理为：
CH₄ (g)+3/2O₂ (g)CO (g)+2H₂O (g) +519KJ。工业上要选择合适的催化剂，分别对X、Y、Z三种催化剂进行如下实验（其他条件相同）
① X在T₁℃时催化效率最高，能使正反应速率加快约3×10⁵倍；
② Y在T₂℃时催化效率最高，能使正反应速率加快约3×10⁵倍；
③ Z在T₃℃时催化效率最高，能使逆反应速率加快约1×10⁶倍；
已知：T₁＞T₂＞T₃，根据上述信息，你认为在生产中应该选择的适宜催化剂是     （填“X”或“Y”或“Z”），选择的理由是                                         。
（3）合成气经压缩升温后进入10m³甲醇合成塔，在催化剂作用下，进行甲醇合成，主要反应是：2H₂(g) + CO(g) CH₃OH(g)+181.6kJ。T₄℃下此反应的平衡常数为160。此温度下，在密闭容器中加入CO、H₂，反应到某时刻测得各组分的浓度如下：

物质	H2	CO	CH3OH
浓度/（mol·L－1）	0.2	0.1	0.4

①比较此时正、逆反应速率的大小：v_正        v_逆（填“>”、“<”或“＝”)。
②若加入同样多的CO、H₂，在T₅℃反应，10 min后达到平衡，此时c(H₂)＝0.4 mol·L^－1、c(CO)＝0.7 mol·L^－1、则该时间内反应速率v(CH₃OH) ＝            mol·(L·min)^－1。
（4）生产过程中，合成气要进行循环，其目的是                                  。

Answer 1

（1）①；                 ②BC(2分)
（2）Z，催化效率高且活性温度低（或催化活性高速度快，反应温度低产率高）
（3）① >  ②0.03 mol·L^－1·min^－1。
（4）提高原料CO、H₂的利用率（或提高产量、产率亦可）。

（1）①平衡常数是指在一定条件下，可逆反应达到平衡状态时，生成物浓度的幂之积和反应物浓度的幂之积的比值，因此平衡常数表达式为。
②碳是固体，增加碳的质量平衡不移动。增大水蒸气的浓度，平衡向正反应方向移动，碳的转化率增大。正反应是吸热反应，升高温度，平衡向正反应方向移动，转化率增大。反应是体积增大的，所以增大压强，平衡向逆反应方向移动，转化率降低，所以正确的答案选BC。
（2）由于反应是放热反应，而Z催化效率高且活性温度低，所以应该选择Z。
（3）①根据表中数据可知，此时＞160，所以正反应速率大于逆反应速率。
②设通入的氢气和CO得失y，生成甲醇的浓度是x，则y－2x＝0.4mol/L，y－x＝0.7mol/L，解得x＝0.3mol/L，因此甲醇的反应速率是0.03 mol·L^－1·min^－1。
（4）生产过程中，合成气要进行循环，其目的是提高原料CO、H₂的利用率.