中科院大连化学物理研究所的“煤基甲醇制取低碳烯烃技术(简称DMTO)”荣获2014年度国家技术发明一等奖。DMTO技术主要包括煤的气化、液化、烯烃化三个阶段,相关反应的热化学方程式如下:
(i)煤气化制合成气:C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)
(ii)煤液化制甲醇:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
(iii)甲醇制取低碳烯烃:2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g) ΔH= -11.72kJ·mol-1……(a)
3CH3OH(g)C3H6(g)+3H2O(g) ΔH= -30.98kJ·mol-1……(b)
回答下列问题:
(1)已知:C(s)+CO2(g)=2CO(g) ΔH= +172.5kJ·mol-1,
CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ΔH= -41.0kJ·mol-1
反应(i)能自发进行的条件是 (填“高温”、“低温”或“任何温度”)。
(2)反应(ii)中以氢碳[n(H2)∶n(CO)]投料比为2制取甲醇,温度、压强与CO的平衡转化率关系如下图1。
①对于气体参与的反应,表示平衡常数Kp时用气体组分(B)的平衡压强p(B)代替该气体物质的量浓度c(B),则A点时反应(ii)的Kp= (保留两位有效数字,分压=总压×物质的量分数)。
②比较P1 P2,Kp(Q) Kp(R)(填“大于”、“小于”或“等于”)。
③工业上常以铜基催化剂,压强5MPa,温度275℃下发生反应(ii),CO转化率可达到40%左右。为提高CO转化率除了可以适当改变反应温度和压强外,还可以采取的措施有 (写出2个)。
④若反应(ii)在恒容密闭容器内进行,T1温度下甲醇浓度随时间变化曲线如图2所示;不改变其他条件,假定t2时刻迅速降温到T2,t3时刻体系重新达到平衡。试在图中画出t2时刻后甲醇浓度随时间变化趋势图(在图中标出t3)。
(3)烯烃化阶段:在常压和某催化剂作用下,甲醇的平衡转化率及乙烯、丙烯等物质的选择性(指除了水蒸气以外的产物中乙烯、丙烯等物质的物质的量分数)与反应温度之间的关系如图3。为尽可能多地获得乙烯,控制反应温度为550℃的理由是 。