Question

9．甲醇是一種重要的有機(jī)化工原料，需求量巨大．目前我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的聯(lián)醇工藝的核心是采用一氧化碳加氫中壓合成法．主要反應(yīng)如下：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）；△H=-111.0kJ/mol
另有副反應(yīng)：2CO+2H₂O═CO₂+CH₄ 等；中壓法操作：壓力為10-15MPa，溫度控制在513K-543K，所用催化劑是CuO-ZnO-Al₂O₃．合成甲醇的流程如圖所示，

請(qǐng)回答：
（1）實(shí)際生產(chǎn)中CO不能過量，以免生成羰基鐵使催化劑失去活性，而氫氣過量是有益的，指出兩點(diǎn)理由：既可以防止或減少副反應(yīng)發(fā)生、又可帶走反應(yīng)熱避免催化劑過熱而中毒．
（2）采取10-15MPa壓力的作用是加壓有利于提高CO轉(zhuǎn)化率，但也增加了能源消耗和設(shè)備強(qiáng)度，故宜采取經(jīng)濟(jì)效益較好的壓力；溫度控制在513K-543K的原因是此溫度下催化劑活性較高，甲醇產(chǎn)率較大．
（3）原料氣中的H₂S對(duì)銅催化劑影響甚重，故必先去除之，通常用生石灰除雜，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為H₂S+CaO=CaS+H₂O：
（4）粗甲醇中含有二甲醚等副產(chǎn)物，在常壓下蒸餾粗甲醇，首先獲得的餾分是CH₃OCH₃（寫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式）；獲得的甲醇又可在銀催化下氧化成甲醛，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2CH₃OH+O₂ $→_{△}^{催化劑}$2HCHO+2H₂O．
（5）若CO的轉(zhuǎn)化率為80%，當(dāng)有22.4M³（標(biāo)況）CO與過量H₂充分反應(yīng)（不計(jì)其它副反應(yīng)），可制得純度為96%的甲醇的質(zhì)量為26.67kg，同時(shí)獲得熱量8.88×10⁴kJ．

Answer 1

分析 氣態(tài)烴、水蒸氣和空氣制備氫氣、一氧化碳、二氧化碳和硫化氫等混合氣體，通過凈化除去二氧化碳得到氫氣、一氧化碳和硫化氫，然后除去硫化氫，最終得到二氧化碳和氫氣的混合氣體，經(jīng)壓縮得液態(tài)的一氧化碳和氫氣，然后在合成塔中合成得到粗產(chǎn)品，經(jīng)分餾得甲醇，
（1）氫氣過量提高一氧化碳的轉(zhuǎn)化率，防止副反應(yīng)發(fā)生，大量的氣流又可帶走反應(yīng)熱量；
（2）CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）；△H=-111.0kJ/mol，正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)雖然有利于平衡正向移動(dòng)，提高甲醇的產(chǎn)量，但壓力大對(duì)設(shè)備的強(qiáng)度要求高成本大，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，從有利于甲醇生成的角度應(yīng)是低溫，但溫度過低達(dá)不到催化劑的活性；
（3）原料氣中的H₂S對(duì)銅催化劑影響甚重，故必先去除之，通常用生石灰除雜，生成硫化鈣和水，所以反應(yīng)的化學(xué)方程式為H₂S+CaO=CaS+H₂O；
（4）甲醇分子間存在氫鍵，所以沸點(diǎn)高于二甲醚，所以首先獲得的餾分是二甲醚，醇的催化氧化實(shí)質(zhì)是脫氫，所以反應(yīng)方程式為：2CH₃OH+O₂ $→_{△}^{催化劑}$2HCHO+2H₂O；
（5）根據(jù) CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g），得1mol的一氧化碳生成32×10^-3kg的甲醇，22.4M³（標(biāo)況）的物質(zhì)的量為：$\frac{22.4×1{0}^{3}}{22.4}$=10³mol，根據(jù)CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）；△H=-111.0kJ/mol，1molCO完全反應(yīng)放出111KJ的熱量，由此分析解答．

解答 解：（1）氫氣過量提高一氧化碳的轉(zhuǎn)化率，防止副反應(yīng)發(fā)生，大量的氣流又可帶走反應(yīng)熱量，
故答案為：既可以防止或減少副反應(yīng)發(fā)生，又可帶走反應(yīng)熱避免催化劑過熱而中毒；
（2）CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）；△H=-111.0kJ/mol，正反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)雖然有利于平衡正向移動(dòng)，提高甲醇的產(chǎn)量，但壓力大對(duì)設(shè)備的強(qiáng)度要求高成本大，所以加壓有利于提高CO轉(zhuǎn)化率，但也增加了能源消耗和設(shè)備強(qiáng)度，故宜采取經(jīng)濟(jì)效益較好的壓力，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，從有利于甲醇生成的角度應(yīng)是低溫，但溫度過低達(dá)不到催化劑的活性，所以此溫度下催化劑活性較高，甲醇產(chǎn)率較大，
故答案為：加壓有利于提高CO轉(zhuǎn)化率，但也增加了能源消耗和設(shè)備強(qiáng)度，故宜采取經(jīng)濟(jì)效益較好的壓力；此溫度下催化劑活性較高，甲醇產(chǎn)率較大；
（3）原料氣中的H₂S對(duì)銅催化劑影響甚重，故必先去除之，通常用生石灰除雜，生成硫化鈣和水，所以反應(yīng)的化學(xué)方程式為H₂S+CaO=CaS+H₂O，
故答案為：H₂S+CaO=CaS+H₂O；
（4）甲醇分子間存在氫鍵，所以沸點(diǎn)高于二甲醚，所以首先獲得的餾分是二甲醚，醇的催化氧化實(shí)質(zhì)是脫氫，所以反應(yīng)方程式為：2CH₃OH+O₂ $→_{△}^{催化劑}$2HCHO+2H₂O，故答案為：CH₃OCH₃，2CH₃OH+O₂ $→_{△}^{催化劑}$2HCHO+2H₂O；
（5）根據(jù) CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g），得1mol的一氧化碳生成32×10^-3kg的甲醇，22.4M³（標(biāo)況）的物質(zhì)的量為：$\frac{22.4×1{0}^{3}}{22.4}$=10³mol，所以可制得純度為96%的甲醇的質(zhì)量為$\frac{1{0}^{3}×80%×32×1{0}^{-3}}{96%}$=26.67kg，根據(jù)CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）；△H=-111.0kJ/mol，1molCO完全反應(yīng)放出111KJ的熱量，10³mol×80%=800mol，所以放出熱量為：111×800=8.88×10⁴kJ，故答案為：26.67kg；8.88×10⁴kJ．

點(diǎn)評(píng) 本題考查外界條件對(duì)于化學(xué)反應(yīng)速率、有機(jī)化學(xué)反應(yīng)方程的書寫，相關(guān)計(jì)算，掌握基礎(chǔ)是解題的關(guān)鍵，題目難度中等．