20.二氧化碳的轉(zhuǎn)化和利用成為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”的重要研究課題二氧化碳加氫制甲醇涉及的反應(yīng)可表示為:
①CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)ΔH1
②CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)ΔH2=-90kJ?mol-1
③CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)ΔH3=-49kJ?mol-1
(1)根據(jù)上述反應(yīng)求:④CO(g)+H2O(g)?CO2(g)+H2(g)ΔH4=
。
(2)我國學(xué)者結(jié)合實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果,研究了在金催化劑表面上反應(yīng)④的反應(yīng)歷程,如圖所示,其中吸附在金催化劑表面上的物種用*標(biāo)注。
寫出該歷程中決速步驟的化學(xué)方程式:
。
(3)在一體積可變的密閉容器中,在保持aMPa下,按照=3投料,平衡時(shí),CO和CH3OH在含碳產(chǎn)物中物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)及CO2的轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化如圖所示:
①圖中m曲線代表的物質(zhì)為
。
②下列說法正確的是
(填標(biāo)號(hào))。
A.180~380℃范圍內(nèi),H2的平衡轉(zhuǎn)化率始終低于CO2
B.溫度越高,越有利于工業(yè)生產(chǎn)CH3OH
C.一定時(shí)間內(nèi)反應(yīng),加入選擇性高的催化劑,可提高CH3OH的產(chǎn)率
D.150~400℃范圍內(nèi),隨著溫度的升高,CO2的反應(yīng)速率先減小后增大
③已知?dú)怏w分壓=氣體總壓×氣體的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù),用平衡分壓代替平衡濃度可以得到平衡常數(shù)Kp,270℃時(shí)反應(yīng)①的分壓平衡常數(shù)為
(保留2位有效數(shù)字)。
(4)為了提高甲醇的選擇性,CH3OH的選擇性是指轉(zhuǎn)化的CO2中生成CH3OH的百分比,某科研團(tuán)隊(duì)研制了一種具有反應(yīng)和分離雙功能的分子篩膜催化反應(yīng)器,原理如圖所示。
保持壓強(qiáng)為3MPa,溫度為260℃,向密閉容器中按投料比=3投入一定量CO2和H2,不同反應(yīng)模式下CO2的平衡化率和CH3OH的選擇性的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示。
實(shí)驗(yàn) |
反應(yīng)模式 |
CO2的平衡轉(zhuǎn)化率 |
CH3OH的選擇性 |
① |
普通催化反應(yīng)器 |
21.9 |
67.3 |
② |
分子篩膜催化反應(yīng)器 |
36.1 |
100.0 |
由表中數(shù)據(jù)可知,在分子篩膜催化反應(yīng)器模式下,CO
2的轉(zhuǎn)化率明顯提高,結(jié)合具體反應(yīng)分析可能的原因是
。