甲烷的轉(zhuǎn)化和利用在天然氣化工行業(yè)有非常重要的作用,用甲烷來處理一些工業(yè)廢氣就可以變廢為寶,既減少了對環(huán)境的污染,又解決了部分能源危機問題。
(1)甲烷-水蒸氣重整技術主要是制備合成氣(CO和H
2混合氣體)。其反應為:CH
4(g)+H
2O(g)
CO(g)+3H
2(g)△H>0。如圖為反應壓強為0.3MPa,投料比
為1,在三種不同催化劑催化作用下,經(jīng)過一定的反應時間,甲烷?水蒸氣重整反應中CH
4轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的關系。下列說法正確的是
BD
BD
。
A.在相同條件下,三種催化劑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的順序是Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ
B.b點反應速率高于a點
C.C點一定未達到平衡狀態(tài)
D.催化劑只改變反應速率不改變平衡移動,所以在850°C時,不同催化劑(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下達平衡時CH
4的轉(zhuǎn)化率相同
(2)CH
4超干重整CO
2技術也可得到富含CO的化工原料,CH
4(g)+CO
2(g)
2CO(g)+2H
2(g)測得CH
4的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度及壓強的關系如圖中曲線所示:
①據(jù)圖可知,p
1、p
2、p
3、p
4由大到小的順序為
p4>p3>p2>p1
p4>p3>p2>p1
,理由是
溫度一定時,甲烷的轉(zhuǎn)化率α(P1)>α(P2)>α(P3)>α(P4),該反應正反應是氣體體積增大的反應,增大壓強平衡向逆反應進行,甲烷的轉(zhuǎn)化率降低
溫度一定時,甲烷的轉(zhuǎn)化率α(P1)>α(P2)>α(P3)>α(P4),該反應正反應是氣體體積增大的反應,增大壓強平衡向逆反應進行,甲烷的轉(zhuǎn)化率降低
。
②在壓強為p
4、950℃的條件下,X點平衡常數(shù)K
p=
。(用含p
4的代數(shù)式表示,其中用平衡分壓代替平衡濃度計算,分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù))
(3)用甲烷燃料電池作為電化學降解NO
3-裝置的直流電源時,應將A與
a
a
相連(填a或b,下同),陰極反應式為
2NO3-+6H2O+10e-=N2↑+12OH-或2NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O
2NO3-+6H2O+10e-=N2↑+12OH-或2NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O
。
(4)CH
4在催化條件下可以將硝酸廠尾氣NO
2還原為N
2,主要反應原理為:CH
4(g)+2NO
2(g)?CO
2(g)+2H
2O(g)+N
2(g)△H=-868.7kJ?mol
-1。在體積為2L的密閉容器A(500℃,恒溫)中加入2molCH
4、2molNO
2和催化劑。A容器中CH
4的轉(zhuǎn)化率a(CH
4)隨時間變化如下表所示。
時間(s/t) |
0 |
100 |
200 |
300 |
400 |
A中a(CH4)(%) |
0 |
10 |
20 |
25 |
25 |
v
正=k
正c?(CH
4)?c
2(NO
2),v
逆=k
逆?c?(CN
2)?c(CO
2)c
2(k
正、k
逆分別是正、逆反應速率常數(shù)),則A容器中平衡時
=
。200s時
=
3.75
3.75
。