2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——碳?xì)錈N能源分析與優(yōu)化設(shè)計考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述烷烴和烯烴在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別，并各舉一例說明它們具有代表性的化學(xué)反應(yīng)。二、寫出甲烷完全燃燒和乙烷不完全燃燒的化學(xué)方程式。若燃燒1摩爾乙烷完全燃燒，計算放出的熱量（單位：kJ/mol），并說明燃燒熱的類型（高熱值或低熱值）。三、簡述蒸汽裂解和催化裂化在處理原油輕質(zhì)組分以生產(chǎn)烯烴和芳烴方面的主要區(qū)別和聯(lián)系。四、在一個容積為2L的恒容密閉容器中，進行如下甲烷氣相轉(zhuǎn)化反應(yīng)：CH4(g)?C(s)+2H2(g)。在一定條件下，該反應(yīng)達到平衡，測得體系中甲烷的分壓為0.2atm，氫氣的分壓為0.6atm。已知該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)為Kp=10。請計算：1.平衡時甲烷的轉(zhuǎn)化率。2.該反應(yīng)體系的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變（ΔG°）。五、以甲烷為原料，通過費托合成反應(yīng)制備烷烴。簡述費托合成的基本原理和主要產(chǎn)物類型。分析影響費托合成選擇性的關(guān)鍵因素有哪些？請?zhí)岢鲋辽賰煞N提高目標(biāo)烷烴選擇性（例如，提高正構(gòu)烷烴選擇性）的策略。六、某天然氣的主要成分為甲烷（90%vol）和乙烷（10%vol）。現(xiàn)將其以理論空氣量進行不完全燃燒，假設(shè)燃燒產(chǎn)生的CO占不完全燃燒產(chǎn)物的50%（摩爾分?jǐn)?shù)）。請計算：1.燃燒1體積的該天然氣，所需的理論空氣量（體積）。2.燃燒產(chǎn)物中CO2、H2O、CO、N2（假設(shè)空氣中N2占79%）的摩爾分?jǐn)?shù)（假設(shè)燃燒在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進行）。七、對比分析碳?xì)錈N直接燃燒發(fā)電和通過催化重整轉(zhuǎn)化為高辛烷值汽油后再燃燒發(fā)電兩種途徑的優(yōu)缺點。從能量轉(zhuǎn)換效率、碳排放、環(huán)境影響、資源利用等方面進行論述。八、設(shè)計一個簡化的流程，說明如何利用天然氣（主要成分為甲烷）為原料，通過一系列化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，最終生產(chǎn)出合成氣（CO+H2的混合物）。請列出主要步驟，并簡述每一步涉及的反應(yīng)類型或目的。試卷答案一、烷烴為飽和烴，分子中碳原子間只有單鍵，結(jié)構(gòu)呈鏈狀或環(huán)狀。烯烴為不飽和烴，分子中含有一個或多個碳碳雙鍵。烷烴主要發(fā)生自由基取代反應(yīng)，如甲烷在光照下與氯氣發(fā)生取代反應(yīng)生成氯甲烷。烯烴主要發(fā)生加成反應(yīng)和氧化反應(yīng)，如乙烯與氫氣發(fā)生加成反應(yīng)生成乙烷，或被高錳酸鉀氧化。二、甲烷完全燃燒：CH4+2O2→CO2+2H2O乙烷完全燃燒：2C2H6+7O2→4CO2+6H2O乙烷的燃燒熱（低熱值）約為1559.8kJ/mol。燃燒熱通常指低熱值（netcalorificvalue），即在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1摩爾物質(zhì)完全燃燒至產(chǎn)物穩(wěn)定狀態(tài)（液態(tài)水）時放出的熱量。三、蒸汽裂解主要用于生產(chǎn)乙烯和丙烯等不飽和烴，通過高溫（750-950°C）裂解輕質(zhì)油（如石腦油、柴油）或重質(zhì)油（如常壓渣油），產(chǎn)物碳數(shù)分布范圍寬。催化裂化主要用于將重質(zhì)油（如常壓渣油或催化重整原料）裂化成輕質(zhì)液體燃料（汽油、煤油、柴油），同時生產(chǎn)烯烴和焦炭，產(chǎn)物碳數(shù)分布相對集中。兩者都是石油煉制的重要過程，催化裂化是蒸汽裂解的重要補充和后續(xù)處理環(huán)節(jié)。四、1.平衡時體系總壓為0.2atm(CH4)+0.6atm(H2)=0.8atm。設(shè)初始CH4為patm，反應(yīng)消耗xatmCH4，則平衡時CH4為(p-x)atm，H2為2xatm。由H2分壓可知2x=0.6atm，故x=0.3atm。平衡時CH4轉(zhuǎn)化率為x/p=0.3/p。總壓p+2x=0.8atm，p+0.6=0.8，得p=0.2atm。轉(zhuǎn)化率=0.3/0.2=1.5，即轉(zhuǎn)化率為150%。**修正思路：*恒容條件下，氣體分壓之比等于摩爾分?jǐn)?shù)之比。平衡時CH4為0.2atm，H2為0.6atm。設(shè)初始CH4為patm，則反應(yīng)消耗了0.6/2=0.3atmCH4，平衡時CH4為p-0.3atm。總壓為(p-0.3)+0.6=0.3+p。由總壓0.8atm，得0.3+p=0.8，p=0.5atm。初始CH4為0.5atm，平衡時為0.2atm，消耗了0.5-0.2=0.3atm。轉(zhuǎn)化率=(消耗量/初始量)*100%=(0.3/0.5)*100%=60%。2.ΔG°=-RTlnKp=-8.314J/(mol·K)*T*ln(10)=-8.314*T*2.3026*log10(10)=-19.14*TkJ/mol。需知具體溫度T才能計算數(shù)值。五、費托合成是以CO和H2為原料，在催化劑作用下合成碳?xì)浠衔铮ㄖ饕獮橥闊N和醇）的反應(yīng)。主要產(chǎn)物包括鏈狀烷烴、支鏈烷烴、烯烴、醛類等。影響選擇性的因素包括：反應(yīng)溫度、壓力、催化劑種類（如鐵基、鈷基）、H2/CO摩爾比、反應(yīng)時空速。提高正構(gòu)烷烴選擇性的策略：1)選擇具有高正構(gòu)烷烴選擇性的催化劑；2)優(yōu)化反應(yīng)條件，如適當(dāng)降低溫度、提高CO分壓、控制H2/CO比；3)采用多相催化或固定床反應(yīng)器，避免積碳。六、1.理論空氣量計算基于完全燃燒。甲烷完全燃燒耗氧量=1molCH4:2molO2。乙烷完全燃燒耗氧量=1molC2H6:3.5molO2。天然氣中甲烷占90%，乙烷占10%。1體積天然氣含0.9體積CH4和0.1體積C2H6。所需氧氣量為0.9*(2/1)+0.1*(3.5/1)=1.8+0.35=2.15體積。理論空氣量=所需氧氣量/空氣中氧氣濃度=2.15/0.21≈10.24體積。按1:1體積比計，需理論空氣約10.24倍。2.燃燒1體積天然氣（0.9CH4+0.1C2H6），耗理論空氣10.24體積。氧氣量為10.24*0.21=2.15體積?？諝庵蠳2量為10.24*0.79=8.099體積。燃燒產(chǎn)物：CH4:0.9*1=0.9molCO2,0.9*2=1.8molH2OC2H6:0.1*2=0.2molCO2,0.1*6=0.6molH2O,0.1*3.5=0.35molCO總摩爾數(shù)=0.9+0.2+1.8+0.6+0.35+2.15+8.099=13.839mol摩爾分?jǐn)?shù)：CO2:1.1/13.839≈0.0796H2O:2.4/13.839≈0.1732CO:0.35/13.839≈0.0253N2:8.099/13.839≈0.5846*修正思路：*不完全燃燒CO占50%，即CO摩爾數(shù)=CO2摩爾數(shù)=0.9+0.2=1.1mol。則CO摩爾數(shù)為1.1mol，H2O為1.8+0.6=2.4mol，CO2為1.1mol。氧氣消耗量為(1.1*2+2.4*0.5+1.1*2+0.35*2)mol≈4.8molO2?？諝庵蠴2為2.15mol，N2為8.099mol?？偰枖?shù)=1.1+2.4+1.1+0.35+2.15+8.099=13.299mol。摩爾分?jǐn)?shù)：CO2:1.1/13.299≈0.0829H2O:2.4/13.299≈0.1807CO:1.1/13.299≈0.0829N2:8.099/13.299≈0.6095七、直接燃燒發(fā)電：優(yōu)點是技術(shù)成熟、流程簡單、建設(shè)成本相對較低。缺點是能量轉(zhuǎn)換效率（熱電轉(zhuǎn)換效率）較低（約30-40%），燃燒過程產(chǎn)生大量CO2排放，導(dǎo)致溫室效應(yīng)，同時可能產(chǎn)生SOx、NOx、煙塵等污染物，環(huán)境壓力較大。催化重整后燃燒發(fā)電：優(yōu)點是利用碳?xì)錈N資源生產(chǎn)高價值的汽油，提高了碳資源的利用效率和附加值。汽油燃燒比天然氣或重油燃燒更清潔，NOx排放相對較低。通過優(yōu)化工藝可提高整體能量利用效率。缺點是催化重整過程本身需要高溫高壓，催化劑成本較高，且仍會產(chǎn)生CO2排放，只是實現(xiàn)了資源的梯級利用。綜合來看，催化重整途徑在提高資源利用效率和產(chǎn)品附加值方面具有優(yōu)勢，但整體能量轉(zhuǎn)換效率可能不如直接高效燃燒發(fā)電。兩者都是化石能源利用方式，面臨碳排放和環(huán)境問題的挑戰(zhàn)。八、流程設(shè)計：1.天然氣預(yù)處理：對天然氣進行脫硫、脫水和脫碳處理，去除硫化氫、水蒸氣和二氧化碳，保護后續(xù)催化劑并滿足反應(yīng)要求。2.蒸汽重整：將預(yù)處理后的甲烷與水蒸氣混合，在高溫（700-1000°C）和催化劑（如鎳基催化劑）作用下進行反應(yīng)，主要生成CO和H2。反應(yīng)式：CH4+H2O→CO+3H2。此步通常在加壓條件下進行以提高平衡產(chǎn)物的H2濃度。3.合成氣凈化：蒸汽重整產(chǎn)物氣（合成氣）中可能含有硫化物、一氧化碳、水蒸氣等雜質(zhì)，需要進行脫硫、水洗、脫CO等