第2章 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 课件(共14张PPT) 2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修1

(共14张PPT)
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
第2章 化学反应的方向、限度与速率
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、快慢等多个角度综合分析、解决工业生产实际问题的基本思路。
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。
甲醇是21世纪具有竞争力的清洁燃料之一。它易传输，可以单独或与汽油混合作为汽车燃料。
目前，世界上大多数国家以天然气为主要原料合成甲醇，在我国则是以煤和重渣油为主要原料合成甲醇。无论是天然气还是煤和重渣油，这些原料都日渐减少，有的甚至面临枯竭，因此人们正在积极寻找新的碳源来合成甲醇。
CH3OH
CO2
项目活动 1
交流与讨论
交流与讨论
选择合适的化学反应
以下两个反应中，你认为哪个反应更适宜于甲醇的工业生产？请说明理由。
①CO2(g)＋3H2(g) = CH3OH(g)＋H2O(g)　
②CO2(g)＋2H2O(g) = CH3OH(g)＋3/2O2(g)　
反应 ΔH/(kJ·mol－1) ΔS/(J·mol－1·K－1)
① －48.97 －177.16
② ＋676.48 －43.87
首先要考虑反应在指定条件下能否正向自发进行
ΔH－TΔS<0
项目活动 2
选择适宜的反应条件
交流与讨论
交流与讨论
1.选择反应条件时，需要考虑哪些因素？
化学反应：
实际生产：
影响因素：
平衡转化率大、速率大；
安全、成本、方便、环保……
投料比、气体压强、温度、催化剂等
CO2(g)＋H2(g) = CO(g)＋H2O(g)　
298K时，ΔH＝＋41.17 kJ·mol－1　 ΔS＝＋42.08 J·mol－1·K－1
研究发现，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：
2.从以上角度综合考量，为二氧化碳与氢气合成甲醇选择适宜的反应条件。
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。
实际生产角度
二氧化碳在废气中的量可能有限，需要富集；氢气容易获得但成本相对高。对于可逆反应，尽可能分离产物和未反应的反应物，将物质进行循环使用。压强和温度要在技术能力和成本允许的范围内设定。
主反应特点：放热、熵减小、气体系数和减小
副反应特点：吸热、熵增大、气体系数和不变。
温度
移走产物
交流与讨论
交流与讨论
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。
(1)改变投料比对反应的影响
资料1 反应物的物质的量之比对反应的影响
n(H2):n(CO2) 2:1 3:1 5:1 7:1
α(CO2)/% 11.63 13.68 15.93 18.71
φ(CH3OH)/% 3.04 4.12 5.26 6.93
表2-5-2 不同n(H2):n(CO2)对反应的影响
从图中数据变化可看出，压强越高，甲醇的产率越高,但考虑实际情况,压强越大对设备要求越高,生产成本越高,因此工业上往往选择合理的压强。
[思考]有人说压强越大,反应速率越快,而且甲醇的产率越高,因此工业生产中常常使用高压,对吗
(2)改变压强对反应的影响
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
19
17
15
13
11
9
7
5
p/MPa
φ(CH3OH)
(3)温度对反应的影响
[思考]为什么温度升高时，甲醇的产率会先增大后减小呢？
温度在低于520K时，主要作用是提高CO2与H2反应生成 CH3OH的速率。温度在升至520K左右之前，其主要作用是增大反应速率，反应以正向为主，所以甲醇的产率逐渐增大。温度从520K左右再升高，其主要作用是使化学平衡逆向移动，所以甲醇的产率逐渐减小。
480 500 520 540 560
19
18
17
1615
14
13
12
11
10
T/K
φ(CH3OH)
合适的催化剂不仅能提高一定反应时间内的产率，还能提高选择性，减小副反应的影响。选择温度时，也要考虑温度对所用催化剂的催化效率的影响。
(4)催化剂的组成对反应的影响
催化剂组成的改变对甲醇产率和选择性的影响
组成 CuO/ (wt.%) ZnO/ (wt.%) Al2O3/ (wt.%) ZrO2/ (wt.%) MnO/ (wt.%) φ(CH3OH)/ [g·(kg-催化剂)-1·h-1] 选择性
(%)
CuO/ZnO/ Al2O3 65.8 26.3 7.9 0 0 78 40
CuO/ZnO/ ZrO2 62.4 25.0 0 12.6 0 96 88
CuO/ZnO/ ZrO2/MnO 65.8 26.6 0 3.6 4 88 100
CuO/ZnO/ ZrO2/MnO/ 65.8 26.6 0 5.6 2 138 91
综合理论和事实表明：较高的物质的量之比[n(H2)∶n(CO2)]、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于甲醇的合成。
归纳
条件 原则
化学反应速率分析
从化学平衡移动分析
从原料的利用率分析
从实际生产能力分析
从催化剂的活性方面分析
化工生产适宜条件选择的一般原则
既不能过快，又不能太慢
既要注意外界条件对速率和平衡影响的
一致性，又要注意二者影响的矛盾性
增加易得廉价原料，提高难得高价原料
的利用率，从而降低生产成本
如设备承受高温、高压能力等
注意催化剂的活性对温度的限制
项目成果展示
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
反应能否
自发发生
反应的程
度与速率
焓判据
熵判据
综合判据
化学反应能进行到什么程度
如何提高反应的速率和限度
项目成果展示
目标化学反应设计过程及理论依据
设计过程 理论依据 影响因素
选择反应物并设计反应
浓度
压强
温度
催化剂
判断反应的方向
选择适宜的反应条件
焓变
熵变
温度
浓度—压强
温度
ΔH－TΔS
化学平衡
反应速率