《微项目 探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇》参考课件

第2章化学反应的方向、限度与速率微项目探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇——化学反应选择与反应条件优化1“温室效应”是当代人类社会面临的全球性环境问题之一，如果大气中的二氧化碳气体含量增加1倍，全球的年平均气温将升高1.5~4.5℃。科学家预测，随着人类活动产生的温率气体大量增加，到2100年，全球气温将上升2~5℃。随着温室效应的不断增强，将对人类生存环境和社会经济发生重大影响。有的科学家认为，随着全球气候变暖，两极冰雪会部分融化，从而导致海平面上升，使沿海的一些国家和城市被海水淹没。另外，随着气温升高，各地区降水和干湿状况也会发生变化，气候变化还会引起一些疾病蔓延，危害人体健康等。因此二氧化碳的“温室效应”，已引起世界各国的普遍关注。温室效应使地球温度升高，会让南北极冰川融化、海平面上升。继而引发一系列人类不可承受的天灾。近几年，全球气温变暖导致的灾难性后果是肉眼可见的，全球范围内频频出现几十年难遇、百年难遇的洪涝干旱，暴风、冰雪、极寒酷热天气。二氧化碳的对环境的影响1、国内几十年不见的极端天气频发：2008年南方雪灾。2012年北京61年不遇的大暴雨。2018年超强台风“山竹”。2021年河南大暴雨等等。2、国际极端天气：2021年日本西南部的部分地区迎来几十年来最强暴雨。2021年7月，北极出现48℃高温。2021年7月29日，巴西多地迎来罕见降雪。2021年6月29日，加拿大西部利顿连续三天打破加拿大有记录以来的高温纪录。海水酸化:海洋为我们提供了丰富的生物资源，并且通过大量吸收大气中的二氧化碳，减缓了大气中二氧化碳的上升趋势。但是随着大气中二氧化碳的总量不断增加，二氧化碳不断溶于海水中，最终使得海水的PH值降低。研究表明从1751-1994年海洋表明的PH值平均下降了0.075，这可能对海洋生物油漆是甲壳类、无脊椎生物的生存有威胁。海洋是地球生物的气源，海洋酸化作为温室气体引发的又一个环境问题，海水酸化不仅可能引发海水化学组分发生变化，还可能改变海洋生态系统的生物链，甚至对全球气候产生影响。二氧化碳的对环境的影响人类已经充分认识到这些危害并且正在采取行动，因此减碳排，碳达峰、碳中和等等诸如此类有关二氧化碳的术语频繁出现在我们眼前。思考：如何解决二氧化碳排放对环境造成的影响？1.目前有机原料按消费量排序，前4位从大到小依次是乙烯、丙烯、苯、甲醇。2.合成甲醇的原料3.选择CO2作碳源合成甲醇的原因(1)工业废气中含大量CO2，排放到空气中会带来环境问题;(2)天然气、煤、石油属于不可再生资源，日渐减少;(3)用CO2合成甲醇符合绿色化学要求。大多数国家用CH4我国用煤和重渣油假设反应焓变和熵变不随温度的改变而变化，已知298K，100kPa时，有如下反应:①CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H₂O(g)②CO2(g)+2H20(g)=CH3OH(g)+302(g)项目活动1

选择合适的化学反应反应

kJ·mol-1

J·mol-1·K-1①-48.97-177.16②+676.48-43.87HS[思考]1.请根据焓变和熵变复合判据判断上述两个反应是否正向自发进行?反应②HS-T=+676.48kJ.mo1-1-298K×(-0.004385)kJ·mol-1·K-1=+689.55kJ.mol-1>0,该反应属于吸热熵减反应，在任何温度下正向反应均不自发进行。反应①HS-T=-48.97kJ.mo1-1-298K×(-0.17716)kJ·mol-1·K-1=+3.82kJ.mol-1>0,该反应属于放热熵减反应，降低温度时正向反应自发进行。项目活动2选择适宜的反应条件思考：选择反应条件时，需要考虑哪些因素？化学反应角度：实际生产角度：涉及影响因素：平衡转化率、反应速率安全、成本、方便、环保……物料浓度（投料比）、气体压强、温度、催化剂等以二氧化碳和氢气为原料合成甲醇时，通常还伴随着以下副反应：

CO₂(g)+H₂(g)=CO(g)+H₂O(g)

ΔH=+41.17kJ.mol-1

ΔS=+42.08J.mol-1·K-1【资料】思考：综合考虑以上角度，为废气中二氧化碳与氢气合成甲醇选择适宜的反应条件CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H₂O(g)

CO₂(g)+H₂(g)=CO(g)+H₂O(g)

主反应：副反应：放热、熵减小、气体系数和减小吸热、熵增大、气体系数和不变提高主反应的平衡产率：增加原料浓度、增大压强、降低温度提高反应速率：增加原料浓度、升高温度、增大压强、加入适当催化剂等。催化剂的活性同时受温度等因素影响。催化剂的选择性应偏向于主产物的形成。发现问题:升温，不利于主反应的平衡正向移动，同时副反应正向移动，副产物增多;使用催化剂加快反应速率，但不影响反应转化率，同时催化剂活性受温度影响。1、不同n(H2)∶n(CO2)对反应的影响

阅读资料—分析实际合成甲醇条件的选择分析表中数据看出，n(H2)∶n(CO2)数值增大，CO₂转化率变化不明显,为避免造成大量氢气浪费,合成甲醇时并不是n(H2):n(CO2)的比值越大越好，文献大多选择的是n(H2)∶n(CO2)=3：1，可能是方程式系数和

成本的综合考量，并且更多的氢气有利于主反应的发生。n(H2)：n(CO2)2∶13∶15:17:1α(CO₂)/%11.6313.6815.9318.71φ(CH3ОH)/%3.044.125.266.932、改变压强对反应的影响

不同总压对甲醇产率的影响523K，n(H2):n(CO2)=3∶1，催化剂为Culzn/Al/Zr纳米纤维，从图中数据变化可看出，压强越高，甲醇的产率越高，但从设备成本看，压强越高生产成本越高。3、温度对反应的影响

不同温度对甲醇产率的影响总压5MPa，n(H2):n(CO2)=3∶1，催化剂为Culzn/Al/Zr纳米纤维，从图中数据变化可看出，温度过高后，甲醇产率下降。4、催化剂的组成对反应的影响

应选择合适的n(H2):n(CO2)、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于合成甲醇。另外配置二氧化碳富集装置、甲醇-水分离装置以及副产物一氧化碳回收装置等可以提高甲醇的产率。

在生产和科研实际中，我们常常需要设计新的反应路线或设计试制新的化学品。这时，首先需要判断所设计反应是否可行，即判断在某种条件下所设计反应是不能够下向自发进行、能进行到什么程度。只有在确知所设计反应可以正向自发进行时，才能进一步考虑反应的速率问题并采取具体措施，如选用催化剂等。设计化学反应来解决实际问题的一般思路1.已知反应3A(g)＋B(g)2C(g)＋2D(g)

ΔH＜0，图中，a、b曲线分别表示在不同条件下，A与B反应时，D的体积分数随时间t的变化情况。若想使曲线b(实线)变为曲线a(虚线)，可采用的措施是（

）①增大A的浓度②升高温度③增大D浓度④加入催化剂⑤恒温下，缩小反应容器体积⑥加入稀有气体，保持容器内压强不变A.①②③B.④⑤C.③④⑤D.④⑤⑥

课堂练习B2.CH4-CO2催化重整可以得到合成气(CO和H2)，有利于减小温室效应，其主要反应为CH4(g)+CO2(g)⇌2CO(g)+2H2(g)ΔH＝+247kJ·mol−1

，

同时存在以下反应：积碳反应：CH4(g)⇌C(s)+2H2(g)ΔH＝+75kJ·mol−1

，

消碳反应：CO2(g)+C(s)⇌2CO(g)ΔH＝+172kJ·mol−1

，

积碳会影响催化剂的活性，一定时间内积碳量和反应温度的关系如图。下列说法正确的是（

）A.

高压利于提高CH4的平衡转化率并减少积碳B.

增大CO2与CH4的物质的量之比有助于减少积碳C.

升高温度，积碳反应的化学平衡常数K减小，消碳反应的K增大D.

温度高于600℃，积碳反应的化学反应速率减慢，消碳反应的化学反应速率加快，积碳量减少B3.利用CO和H2可以合成甲醇，反应原理为CO(g)+2H₂(g)

CH3OH(g)。一定条件下，在容积为VL的密闭容器中充入amolCO与2amolH2，合成甲醇，CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。(1)P1

P2(填“>”“<”或“=”)，理由是: