1、微项目：探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇微项目：探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇化学反应的选择与反应条件的优化化学反应的选择与反应条件的优化学习目标学习目标1 1、通过利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇反应的选择以及对反通过利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇反应的选择以及对反应条件的优化，体会反应的焓变、熵变、化学平衡和速率相关知应条件的优化，体会反应的焓变、熵变、化学平衡和速率相关知识的应用价值，形成从物质转化以及反应的方向、限度、快慢等识的应用价值，形成从物质转化以及反应的方向、限度、快慢等多个角度综合分析、解决工业生产实际问题的基本思路。多个角度综合分析、解决工业生产实际问题
2、的基本思路。2 2、通过本项目的学习，树立绿色化学理念，认识到利用化学反通过本项目的学习，树立绿色化学理念，认识到利用化学反应将无用物质转化为有用物质是解决环境问题的重要途径之一。应将无用物质转化为有用物质是解决环境问题的重要途径之一。1目前有机原料按消费量排序，前目前有机原料按消费量排序，前4位从大到小依次是乙烯、丙位从大到小依次是乙烯、丙烯、苯、甲醇。烯、苯、甲醇。2合成甲醇的原料我国用煤和重渣油合成甲醇的原料我国用煤和重渣油(大多数国家用大多数国家用CH4)。3选择选择CO2作碳源合成甲醇的原因作碳源合成甲醇的原因(1)工业废气中含大量工业废气中含大量CO2，排放到空气中会带来环境问题；
3、，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；天然气、煤、石油属于不可再生资源，日渐减少；(3)用用CO2合成甲醇符合绿色化学要求。合成甲醇符合绿色化学要求。知识背景：知识背景： 假设反应焓变和熵变不随温度的改变而变化，已知假设反应焓变和熵变不随温度的改变而变化，已知298 K，100 kPa时，有如下反应：时，有如下反应：CO2(g)3H2(g) = CH3OH(g)H2O(g) H48.97 kJmol1S177.16 Jmol1K1CO2(g)2H2O(g) = CH3OH(g)3/2O2(g) H676.48 kJmol1S43.87 Jmol1K1C
4、O2(g)H2(g) = CO(g)H2O(g) H41.17 kJmol1S42.08 Jmol1K1项目活动项目活动1 1选择合适的化学反应选择合适的化学反应思考思考1请根据焓变和熵变复合判据判断上述三个反应是否正请根据焓变和熵变复合判据判断上述三个反应是否正向自发进行？向自发进行？2 2用用COCO2 2合成甲醇时发生的反应有哪些？合成甲醇时发生的反应有哪些？2 2用用COCO2 2合成甲醇时发生的反应有哪些？合成甲醇时发生的反应有哪些？有反应有反应、，其中反应，其中反应是较高温度时的副反应。是较高温度时的副反应。 反应反应，HTS48.97 kJmol1298 K(0.177 16)
5、kJmol1K1 3.82 kJmol10，该反应属于放热熵减反应，降，该反应属于放热熵减反应，降低温度时正向反应自发进行。低温度时正向反应自发进行。反应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。属于吸热熵减反应，在任何温度下正向反应均不自发进行。 反应反应,HTS41.17 kJmol1298 K0.042 08 kJmol1K128.63 kJmol1 0，该反应属于吸热熵增反应，该反应属于吸热熵增反应，在高温下正向反应自发进行。在高温下正向反应自发进行。思考思考1.请根据焓变和熵变复合判据判断上述三个反应是否正向自发进行？请根据焓变和熵变复合判据判断上述三个反应是否正向自发
6、进行？1理论分析理论分析项目活动项目活动2选择适宜的反应条件选择适宜的反应条件需在低温、高压条件下进行。需在低温、高压条件下进行。角度角度2：反应速率：反应速率角度角度1：反应限度：反应限度(转化率转化率)反应反应在低温时自发进行，在低温时自发进行，vg0，加压有利于合成甲醇。据此，加压有利于合成甲醇。据此可知，合成甲醇应选择什么条件？可知，合成甲醇应选择什么条件？为提高单位时间内甲醇的产量需加快反应速率。升温、使用催为提高单位时间内甲醇的产量需加快反应速率。升温、使用催化剂均可加快反应速率。化剂均可加快反应速率。 工业生产的主要目的之一是获得利润，因此选择合成甲醇的工业生产的主要目的之一是获
7、得利润，因此选择合成甲醇的适宜条件时，既不能片面追求高转化率，也不能片面追求高反应适宜条件时，既不能片面追求高转化率，也不能片面追求高反应速率、应选择以较高反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。速率、应选择以较高反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。理论分析条件的选择理论分析条件的选择矛盾之处矛盾之处发现问题：发现问题： 升温，不利于反应升温，不利于反应的平衡正向移动，同时副反应的平衡正向移动，同时副反应正向移正向移动，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。率，同时催化剂活性受温度影响。阅读课本
8、第阅读课本第 84 - 85 页探讨实际合成甲醇条件的选择页探讨实际合成甲醇条件的选择交流研讨：交流研讨：(1)不同不同n(H2) n(CO2)对反应的影响对反应的影响(2)改变压强对反应的影响改变压强对反应的影响(3)温度对反应的影响温度对反应的影响分析表中数据看出，分析表中数据看出，n(H2) n(CO2)数值增大，数值增大，CO2转化率变化转化率变化不明显，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。的比值越大越好。从图中数据变化可看出，压强越高，甲醇的产率越高，但从设从图中数据变化可看出，压强越高，甲醇
9、的产率越高，但从设备成本看，压强越高生产成本越高。备成本看，压强越高生产成本越高。从图中信息看出温度过高后甲醇产率下降。从图中信息看出温度过高后甲醇产率下降。1从以上从以上(1)、(2)、(3)的分析，合成甲醇的适宜条件应如何选择？的分析，合成甲醇的适宜条件应如何选择？思考：思考： 应选择合适的应选择合适的n(H2) n(CO2)、较高的总压强、适宜的温度、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于合成甲醇。和催化剂有利于合成甲醇。2从工业生产流程考虑还有哪些手段可提高甲醇的产率？从工业生产流程考虑还有哪些手段可提高甲醇的产率？ 配置二氧化碳富集装置、甲醇配置二氧化碳富集装置、甲醇水分离装置以及副
10、产物一水分离装置以及副产物一氧化碳回收装置等。氧化碳回收装置等。总结归纳：总结归纳： 利用利用COCO2 2和和H H2 2合成甲醇在实际化工生产中适宜条件的选择合成甲醇在实际化工生产中适宜条件的选择主反应主反应CO2(g)+3H2(g) = CH3OH(g)+H2O(g)H1=-48.97 kJmol-1副反应副反应CO2(g)+H2(g) = CO(g)+H2O(g)H2=+41.17 kJmol-1。一般考虑以下因素一般考虑以下因素:(1)反应物物质的量之比反应物物质的量之比n(H2) n(CO2):增大比值增大比值,甲醇的产率增大。甲醇的产率增大。(2)改变温度或压强：同压下改变温度或
11、压强：同压下,升高温度平衡转化率减小升高温度平衡转化率减小;同温下同温下,增大增大压强平衡转化率增大。压强平衡转化率增大。(3)改变催化剂的组成：改变催化剂的组成：催化剂的催化剂的组成改变影响甲醇的平衡转化率和选组成改变影响甲醇的平衡转化率和选择性。择性。综合理论和事实表明：综合理论和事实表明：较高的物质的量之比较高的物质的量之比n(H2) n(CO2)、较高的、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于甲醇的合成。总压强、适宜的温度和催化剂有利于甲醇的合成。(1)(1)利用化学反应解决实际问题的一般思路。利用化学反应解决实际问题的一般思路。(2)(2)目标化学反应设计过程及理论依据。目标化学反应
12、设计过程及理论依据。 1一定条件下合成乙烯：一定条件下合成乙烯：6H2(g)2CO2(g) CH2=CH2(g)4H2O(g)。已知温度对。已知温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率的影响的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图。下列说法正确的是如图。下列说法正确的是()练习：练习： AM点的正反应速率点的正反应速率v(正正)大于大于N点的逆点的逆反应速率反应速率v(逆逆) B若投料比若投料比n(H2) n(CO2)4 1，则图，则图中中M点对应乙烯的体积分数为点对应乙烯的体积分数为5.88% C250 ，催化剂对，催化剂对CO2平衡转化率的影响最大平衡转化率的影响最大 D当温度高于当温度高于
13、250 ，升高温度，平衡逆向移动导致催化剂的，升高温度，平衡逆向移动导致催化剂的催化效率降低催化效率降低B2利用利用CO和和H2可以合成甲醇，反应原理为可以合成甲醇，反应原理为CO(g)2H2(g) CH3OH(g)。一定条件下，在容积为。一定条件下，在容积为V L的密闭容器中充入的密闭容器中充入a mol CO与与2a mol H2合成甲醇，合成甲醇，CO的平衡转化率与温度、压强的关系的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。如图所示。(2)该甲醇合成反应在该甲醇合成反应在A点的平衡常数点的平衡常数K_(用用a和和V表示表示)。(3)该反应达到平衡时，反应物的转化率：该反应达到平衡时，反应物的
14、转化率：(CO)_(H2)(填填“”“”或或“”)。(1)p1_p2(填填“”“”或或“”)，理由是，理由是_。甲醇的合成反应是气体分子数减少的反应，相同甲醇的合成反应是气体分子数减少的反应，相同温度下，增大压强，温度下，增大压强，CO的平衡转化率提高的平衡转化率提高(4)下列措施中一定能够同时满足增大反应速率和提高下列措施中一定能够同时满足增大反应速率和提高CO转化率转化率的是的是_(填字母填字母)。 A使用高效催化剂使用高效催化剂 B降低反应温度降低反应温度 C增大体系压强增大体系压强 D不断将不断将CH3OH从反应混合物中分离出来从反应混合物中分离出来 E加入物质的量之比为加入物质的量之比为1 2的的CO和和H2CE
