化学工艺学思考题和部分答案Word文件下载.docx

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聚氯乙烯，polyvinylchlorid

聚苯乙烯，polystyrene

第三章

3-1根据热力学反应标准自由焓和化学键如何判断不同烃类的裂解反应难易程度、可能发生的裂解位置及裂解产物；

解释烷烃、环烷烃及芳烃裂解反应规律。

造成裂解过程结焦生碳的主要反应是哪些？

答：

由表3-3各种键能比较的数据可看1同碳数的烷烃C-H键能大于C-C键出：

○

2烷烃的相对稳定能，断链比脱氢容易；

3异构烷烃的键能性随碳链的增长而降低;

小于正构烷烃，异构烷烃更容易发生脱氢或断链。

1烷烃裂解是强由表3-4数值，可看出：

吸热反应，脱氢反应比断链反应吸热值更高；

断链反应的标准自由焓有较大的负值，是不可逆过程，脱氢反应的标准自由焓是正值或为绝对值较小的负值，是可逆

2乙烷不发生过程，受化学平衡的限制；

断链反应，只发生脱氢反应，生成乙烯；

甲烷在一般裂解温度下不发生变化。

烷烃热裂解的规律：

烷烃热裂解的一次反应主要有：

①脱氢反应：

RCH2-CH3?

CH＝CH2+H2②断链反应：

RCH2-CH2-R′?

RCH＝CH2+R′H不同烷烃脱氢和断链的难易，可以从分子结构中键能数值的大小来判断。

a同碳数的烷烃，断链比脱氢容易；

b烷烃的相对稳定性随碳链的增长而降低;

c脱氢难易与烷烃的分子结构有关，叔氢最易脱去，仲氢次之，伯氢最难；

环烷烃裂解的规律：

a侧链烷基比烃环易裂解，乙烯收率高。

b环烷烃脱氢比开环反应容易，生成芳烃可能性大。

c长侧链的环烷烃断侧链时，首先在侧链的中央断裂，至烃环不带侧链为止；

五元环比六元环较难开环。

d环烷烃裂解反应难易程度：

侧链环烷烃＞烃环，脱氢＞开环。

原料中环烷烃含量增加，则乙烯收率下降，丙烯、丁二烯、芳烃收率增加。

芳香烃热裂解的规律：

a芳烃的脱氢缩合反应，生成稠环芳烃甚至

结焦；

b烷基芳烃的侧链发生断裂或脱氢反应，生成苯、甲苯和二甲苯；

c芳香烃不宜作为裂解原料，因为不能提高乙烯收率，反而易结焦缩短运转周期；

d各族烃的裂解难易程度：

正构烷烃＞异构烷烃＞环烷烃（六元环＞五元环）＞芳烃。

造成裂解过程结焦生碳的主要反应：

1烯烃经过炔烃中间阶段而生碳○

CH2=CH2?

?

CH2=CH·

CH≡CH?

CH≡C·

·

C≡C·

Cn

2经过芳烃中间阶段而结焦萘?

○?

二联萘?

三联萘?

焦。

3-3在原料确定的情况下，从裂解过程的热力学和动力学出发，为了获取最佳裂解效果，应选择什么样的工艺参数（停留时间、温度、压力……），为什么？

（P72-75）答：

应选择的工艺参数有裂解温度、停留时间、烃分压、稀释剂及裂解深度。

应选择高温短停留时间和较低烃分压。

3-5为了降低烃分压，通常加入稀释剂，试分析稀释剂加入量确定的原则是什么？

—H—H—H—H—H—H—H

篇二：

化学工艺学课后习题及答案

第2章化学工艺基础

2-3何谓化工生产工艺流程？

举例说明工艺流程是如何组织的？

化工生产工艺流程——将原料转变成化工产品的工艺流程。

教材上有2个例子。

2-4何谓循环式工艺流程？

它有什么优缺点？

循环流程的特点：

未反应的反应物从产物中分离出来，再返回反应器。

循环流程的优点：

能显著地提高原料利用率，减少系统排放量，降低了原料消耗，也

减少了对环境的污染。

循环流程的缺点：

循环体系中惰性物质和其他杂质会逐渐积累，对反应速率和产品产率

有影响，必须定期排出这些物质以避免积累。

同时，大量循环物料的输送会消耗较多动力。

2-5何谓转化率？

何谓选择性？

对于多反应体系，为什么要同时考虑转化率和选择性两

个指标？

转化率是指某一反应物参加反应而转化的数量占该反应物起始量的百分率。

选择性是指体系中转化成目的产物的某反应物量与参加所有反应而转化的该反应物总

量之比。

在复杂反应体系中，选择性表达了主、副反应进行程度的相对大小，能确切反映原料的

利用是否合理。

有副反应的体系，希望在选择性高的前提下转化率尽可能高。

但是，通常使转化率提高

的反应条件往往会使选择性降低，所以不能单纯追求高转化率或高选择性，而要兼顾两者，使目的产物的收率最高。

2-6催化剂有哪些基本特征？

它在化工生产中起到什么作用？

在生产中如何正确使用催

化剂？

三个基本特征：

①催化剂是参与了反应的，但反应终了时，催化剂本身未发生化学性质和数量的变化。

②催化剂只能缩短达到化学平衡的时间，但不能改变平衡。

③催化剂具有明显的选择性，特定的催化剂只能催化特定的反应。

在化工生产中的作用主要体现在以下几方面：

⑴提高反应速率和选择性。

⑵改进操作条件。

⑶催化剂有助于开发新的反应过程，发

展新的化工技术。

⑷催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用。

在生产中必须正确操作和控制反应参数，防止损害催化剂。

催化剂使用时，必须在反应前对其进行活化，使其转化成具有活性的状态，应该严格按

照操作规程进行活化，才能保证催化剂发挥良好的作用。

应严格控制操作条件：

①采用结构合理的反应器，使反应温度在催化剂最佳使用温度范

围内合理地分布，防止超温；

②反应原料中的毒物杂质应该预先加以脱除，使毒物含量低于

催化剂耐受值以下；

③在有析碳反应的体系中，应采用有利于防止析碳的反应条件，并选用

抗积碳性能高的催化剂。

在运输和贮藏中应防止催化剂受污染和破坏；

固体催化剂在装填时要防止污染和破裂，

装填要均匀，避免“架桥”现象，以防止反应工况恶化；

许多催化剂使用后，在停工卸出之

前，需要进行钝化处理，以免烧坏催化剂和设备。

2-10假设某天然气全是甲烷，将其燃烧来加热一个管式炉，燃烧后烟道气的摩尔分数

组成（干基）为86.4%N2、4.2%O2、9.4%CO2。

试计算天然气与空气的摩尔比，并列出物料

收支平衡表。

解：

设烟道气（干基）的量为100mol。

反应式：

CH4+2O2?

CO2+2H2O

分子量：

16324418

反应转化的量：

9.42×

9.49.42×

9.4

则产物的量为：

N2：

86.4mol×

28＝2419.2g

O2：

4.2mol×

32＝134.4g

CO2：

9.4mol×

44＝413.6g

H2O：

2×

18＝338.4g

原料的量为：

（4.2+2×

9.4）mol×

32＝736g

CH4：

16＝150.4g

CH4/空气（摩尔比）＝9.4/（86.4+23）×

100％＝8.6%

2-13一氧化碳与水蒸气发生的变换反应为CO＋H2O?

CO2＋H2，若初始混合原料的摩

尔比为H2O／CO＝2／1，反应在500℃进行，此温度下反应的平衡常数Kp＝P（CO2）·

P（H2）／P（H2O）·

P（CO）＝4.88，求反应后混合物的平衡组成和CO的平衡转化率。

设初始原料中nCO＝1mol，则nH2O＝2mol，达到平衡时，CO转化了mmol。

由CO＋H2O?

CO2＋H2

转化量mmmm

平衡时nCO＝1－mnH2O=2－m生成nCO2＝nH2＝m产物总量n＝∑ni＝311y?

（1?

m）y?

（2?

m）yCO2＝yH2＝m/3，平衡时P?

yPCOH2Oii33

由4.88＝yCO2?

P.yH2.P

yCO?

P.yH2O.P＝m得m＝0.865Xco＝0.865/1＝86.5%（1?

m）（2?

m）

平衡组成:

yCO＝0.045yH2O＝0.378yCO2＝yH2＝0.288

2-15将纯乙烷进行裂解制取乙烯，已知乙烷的单程转化率为60%，若每100Kg进裂解

器的乙烷可获得46.4Kg乙烯，裂解气经分离后，未反应的乙烷大部分循环回裂解器（设循环气只是乙烷）在产物中除乙烯及其他气体外，尚含有4Kg乙烷。

求生成乙烯的选择性、乙烷的全程转化率、乙烯的单程收率、乙烯全程收率和全程质量收率。

进反应器的乙烷量=100/30=3.333kmol

产物中乙烷量=4/30=0.133kmol，生成乙烯46.4所转化的乙烷量=46.4/28=1.657kmol

转化的乙烷量=60%×

3.333=2.000kmol，未转化的乙烷量=3.333-2.000=1.333kmol

设未反应的乙烷除了有0.133kmol随产物乙烯带走外，其余全部返回到反应器中，

即1.333-0.133=1.2kmol

则新鲜乙烷量=3.333-1.2=2.133kmol，乙烯选择性=1.657/2.0=82.9%乙烷的全程转化率=2.0/2.133=93.8%，乙烯的单程收率=1.657/3.333=49.7%

乙烯全程收率=1.657/2.133=77.7%，乙烯全程质量收率=46.4/（30×

2.133）=72.5%

第3章

3-4提高反应温度的技术关键在何处？

应解决什么问题才能最大限度提高裂解温度？

裂解反应的技术关键之一是采用高温-短停留时间的工艺技术。

提高裂解温度，必须提高炉管管壁温度，而此温度受到炉管材质的限制。

因此，研制新型的耐热合金钢是提高反应温度的技术关键。

当炉管材质确定后，可采用缩短管长（实际上是减少管程数）来实现短停留时间操作，才能最大限度提高裂解温度。

或者改进辐射盘管的结构，采用单排分支变径管、混排分支变径管、不分支变径管、单程等径管等不同结构的辐射盘管，这些改进措施，采用了缩小管径以增加比表面积来提高传热面积，使壁温下降，提高了盘管的平均传热强度，由此达到高温-短停留时间的操作条件。

3-5为了降低裂解烃分压，通常加入稀释剂，试分析稀释剂加入量确定的原则是什么？

工业上常用水蒸气作为稀释剂，加水蒸气量的原则：

水蒸气的加入量随裂解原料不同而异，一般是以能防止结焦，延长操作周期为前提。

若

加入过量的水蒸气，可使炉管的处理能力下降，增加了炉子热负荷，也增加了水蒸气的冷凝量和急冷剂用量，并造成大量废水。

3-8裂解气出口的急冷操作目的是什么？

可采取的方法有几种？

你认为哪种好？

为什

么？

若设计一个间接急冷换热器其关键指标是什么？

如何评价一个急冷换热器的优劣？

从裂解管出来的裂解气是富含烯烃的气体和大量水蒸汽，温度在727-927℃，由于烯烃反应性强，若在高温下长时间停留，仍会继续发生二次反应，引起结焦，并使烯烃收率下降，因此必须使裂解气急冷以终止反应。

采取的方法有两种：

直接急冷和间接急冷。

我认为间接急冷比较好。

一般情况下，因为直接急冷的急冷剂是用油或水，急冷下来的

油水密度相差不大，