某化工厂以甲烷为原料合成甲醇的反应为：CH4（g）+H2O（g）→CO（g）+3H2（g） …①（反应中CH4转化率：

Question

某化工厂以甲烷为原料合成甲醇的反应为：CH4（g）+H2O（g）→CO（g）+3H2（g） …①（反应中CH4转化率：1）CO（g）+2H2（g）→CH3OH（g） …②（反应中CO转化率：23）合成工艺如下（虚线框内为改进后的工艺中新增流程）：请回答下列问题（所有气体体积均折算为标准状况）：（1）原工艺中，当充入反应器①的甲烷和水蒸汽的体积分别为672m3和1750m3时，反应剩余物中n（CO）=______，n（H2）=______．（2）为充分利用反应剩余物，该厂在原工艺的基础上，将下列反应运用于生产甲醇原料气：2CH4（g）+O2（g）→2CO（g）+4H2（g） …③（反应中CH4转化率：1）若新工艺中充入反应器①的甲烷和水蒸汽的体积分别为a、3a，反应剩余物中：V（H2）：V（N2）：V（CO）=3：1：1．计算：①充入反应器③的甲烷的体积；______②若富氧空气中除O2、N2外，其他成分忽略不计，则充入反应器③中的富氧空气的体积为______；应选择氧气体积分数为______的富氧空气．

Answer 1

（1）充入反应器①的甲烷和水蒸汽的体积分别为672m³（即3.0×10⁴mol）和1750m³（即7.8125×10⁴mol），甲烷转化率是1，即全部反应，一氧化碳的转化率是

2

3

，CH₄（g）+H₂O（g）→CO（g）+3H₂（g），
3.0×10⁴mol   3.0×10⁴mol  3.0×10⁴mol  9.0×10⁴mol  
发生上述反应后，水蒸气会剩余，
CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）

2

3

×3.0×10⁴mol  4.0×10⁴mol   
所以反应剩余物中n（CO）=3.0×10⁴mol-

2

3

×3.0×10⁴mol=1×10⁴mol，n（H₂）=9.0×10⁴mol-4.0×10⁴mol=5.0×10⁴mol，
故答案为：1.0×10⁴mol；4.0×10⁴mol；                                      
（2）①设充入反应器③的甲烷的体积为V₁，富氧空气的体积为V₂．则
CH₄（g）+H₂O（g）→CO（g）+3H₂（g）
a                a      3a
2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂（g）
V₁       

1

2

V₁      V₁       2V₁
由反应②，可算得消耗的CO为

2

3

（a+V₁），消耗的H₂为

4

3

（a+V₁）故：反应剩余物中CO为

1

3

（a+V₁），H₂为3a+2V₁-

4

3

（a+V₁）=

1

3

（5a+2V₁），应有：

1

3

（5a+2V₁）：

1

3

（a+V₁）=3：1，解得V₁=2a即充入反应器③的甲烷的体积为2a，故答案为：2a；
②若富氧空气中除O₂、N₂外，其他成分忽略不计，则充入反应器③中的富氧空气的体积和甲烷的体积是相当的，即体积为2a，根据反应③，氧气的消耗量是甲烷量的一半，即为amol，所以需要氧气占空气的体积分数是

a

2a

×100%=50%，即0.5，故答案为：2a；0.5．