化学工艺学复习资料.doc

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化学工艺学复习资料

简答部分

1.裂解气为什么要脱除乙炔和一氧化碳？

工业上脱除炔烃的方法有哪些？

答：

乙烯和丙烯产品中所含炔烃对乙烯和丙烯衍生物生产过程带来麻烦，乙炔的存在，不但影响产品的纯度，还会造成聚合催化剂的中毒，当乙炔积累过多后，会引起爆炸。

工业上脱炔的主要是采用催化加氢法，少量用溶剂（丙酮）吸收法。

溶剂吸收法是使用溶剂吸收裂解气中的乙炔以达到净化目的，同时也回收一定量的乙炔。

催化加氢法是将裂解气中乙炔加氢成为乙烯或乙烷，由此达到脱除乙炔的目的。

溶剂吸收法和催化加氢法各有优缺点。

2.工业上生产合成气的方法有哪些？

其中哪种方法投资和成本最低？

答：

工业上生产合成气的方法有：

以煤为原料的煤气化法。

以天然气为原料的天然气蒸汽转化法。

以重油或渣油为原料的部分氧化法。

其中以天然气蒸汽转化法的投资和成本最低

3.简述合成氨原料气净化阶段湿法脱硫和干法脱硫两种方法各自的特点。

答：

湿法脱硫：

吸收速度或化学反应速度快，硫容量大，适合于高硫含量的原料气，脱硫液再生方便，可循环使用，还可回收硫黄，但脱硫精度不高。

干法脱硫：

使用固体脱硫剂，脱硫精高，可将硫化物脱至0.1~0.5cm3/m3，但脱硫设备机组庞大，更换脱硫剂工作笨重，再生能耗大，仅适用于脱除低硫或微量硫。

4.简述在合成氨粗原料气净化阶段采用低温甲醇洗涤法的优、缺点。

答：

优点：

①可脱除多种杂质：

H2S、CO2、COS、CS2、RSH、C4H4S、HCN、NH3和NO，同时还有脱水作用，使气体得到干燥，有用的组分在甲醇的再生过程中得到回收。

②净化程度高：

总硫可降到0.1ppm以下；CO2可降到10ppm以下。

③可选择性脱除H2S和CO2，并可分别加以回收利用。

④甲醇热稳定性和化学稳定性好，不会被降解，不腐蚀设备管道，便宜，易获得，可大量生产。

⑤可与液氮脱除CO、CH4联合使用，工艺更加合理，能节省投资和动力消耗。

缺点：

甲醇有毒，对设备管道安装要求非常严格。

5、氨合成的工艺条件如何选择？

温度：

400~500℃；压力：

中小型厂20~32Mpa；空间速度：

根据压力来确定；进塔气体组成：

氢氮比约3；惰性气体：

根据新鲜原料气中量来确定；初始氨含量：

越低越好，具体量由氨分离方法确定。

水吸收可低于0.5%。

6.试写出尿素合成过程中发生的三个主要副反应的名称及化学反应方程式。

答：

①尿素水解反应：

NH2CONH2+H2O=2NH3+CO2；②缩合反应：

2NH2CONH2＝NH2CONH2+NH3；

③异构反应：

NH2CONH2＝NH4NCO，NH4NCO＝NH3+HNCO

7.写出气态烃蒸汽转化的主反应和副反应的化学反应方程式。

主反应：

；；

；；

；

副反应：

；；

8、不论是氨的合成还是裂解气的分离，都要进行压缩，而且采用的是多级压缩，为什么？

（1）氨合成与烃类裂解都需要在高压下进行。

（2）压缩机压缩功与压缩比的对数成正比，在压缩过程中绝热压缩功耗最大，温升最大，等温压缩功耗最低，当压缩比太大时，绝热压缩温升可能超过润滑油闪点，造成压缩机摩擦损耗和功耗增加。

因此需要采用多段压缩，目的是尽可能接近等温压缩。

8.简述天然气为原料进行蒸汽转化的工艺条件。

①压力：

热力学上，降压有利，但是实际采用加压操作，可以节省压缩功消耗；可以提高蒸汽余热利用价值；可以降低原料气制备与净化系统的设备投资。

3.5~4.0Mpa。

②温度：

升温在热力学和动力学上都有利，但受反应管寿命限制，温度不能太高，具体与操作压力大小有关。

一段炉1.8Mpa，出口温度约760℃3.2Mpa，出口温度约800℃二段炉：

确保出口甲烷低于0.5%。

出口温度需达1000℃以上。

③水蒸汽与甲烷的摩尔比m：

提高水碳比，可以提高甲烷的转化率；此外还可抑制付反应即析碳反应的发生。

但是过高，从经济上不合理；而且还会增大系统阻力、增加动力消耗；增加辐射段的热负荷，一般水碳比选择为2.5~3.5。

④空间速度：

越大，催化剂用量越少，其大小的选择由设备尺寸，催化剂的颗粒大小以及操作压力等因素综合决定。

9.简述甲烷蒸汽转化过程中防止炭黑的生成条件及消除炭黑的方法。

①应使转化过程不在热力学析炭的条件下进行，也就是说，需要把水蒸气用量提高到大于理论最小水炭比，这是保证不会有炭黑生成的前提。

②选用适宜的催化剂并保持活性良好，以避免进入动力学可能析炭区。

③选择适宜的操作条件：

④检查转化管内是否有炭沉积。

⑤当析炭较轻时，可采取降压、减量，提高水炭比的办法将其除去。

当析炭较重时，可采用蒸汽除炭

10.常采用哪些方法对合成气精制？

这些方法各有何优缺点。

答：

精制合成气的方法有铜氨液吸收法，甲烷化法，液氮洗涤法三种。

三种精制方法比较，铜氨液精制法需建立一套加压铜氨液吸收塔及再生系统，设备投资增大管理复杂；甲烷化转化法只需增加一套甲烷化反应装置和催化剂，设备虽然简单，但消耗了合成气中的氢气，除了采用低温变换反应外，最好增加一套一氧化碳选择氧化反应器，以便进一步降低一氧化碳残余含量；液氮洗涤法需有空分装置，如果已具备此条件，只需增加一套高效热交换器和液氮洗涤泡罩塔。

11.给出四种脱碳方法（物理法或化学法）及其原理。

答：

①热钾碱法：

溶解在水中的二氧化碳能和碳酸钾溶液反应，达到脱碳的目的

②MDEA法：

N—甲其二乙醇胺（R2CH3N）是一种叔胺，它的水溶液呈弱酸性，可以与CO2反应，达到脱出CO2的目的。

③碳酸丙烯酯法：

碳酸丙烯酯是有机溶剂，对二氧化碳、硫化氢等酸性气体有较大的溶解能力，而氢、氮、—氧化碳等气体在其中的溶解度甚微，利用这一特点达到脱碳目的。

④低温甲醇洗法：

甲醇对二氧化碳，硫化氢，硫氧化碳等酸性气体有较大的溶解能力，而氢、氯、—氧化碳等气体在其中的溶解度甚微，因而甲醇能从原料气中选择吸收二氧化碳、硫化氢等酸性气体，而氢氮气损失很小。

⑤NHD法：

NHD溶剂对二氧化碳，硫化氢，硫氧化碳等酸性气体有较大的溶解能力，而氢、氯、—氧化碳等气体在其中的溶解度甚微。

12.简述氨氧化时加入蒸汽的原因。

①有利于反应物从催化剂表面解析出来，避免丙烯腈的深度氧化。

②可稀释反应物的浓度，使反应趋于平稳，并有利于防爆。

③水蒸气热容较大，可带走大量反应热，便于控制反应温度。

④可以清除催化剂表面的积碳。

13.催化重整的目的：

催化重整是指在加热、催化剂、氢气作用下，烃类分子结构进行重新排列成新的分子结构的过程。

它用来生产高辛烷值汽油和芳烃，并副产液化石油气和氢气的过程，副产的氢气是石油炼厂加氢装置用氢的原料。

14.请绘出以硫铁矿为原料生产硫酸的方块流程图。

15..绘出天然气为原料合成氨的方块流程图

催化剂部分：

1. 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？

答：

1、基本特征包括：

催化剂是参与了反应的，但反应终止时，催化剂本身未发生化学性质和数量的变化，因此催化剂在生成过程中可以在较长时间内使用；催化剂只能缩短达到化学平衡的时间（即加速反应），但不能改变平衡；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。

2、作用：

提高反应速率和选择性；改进操作条件；催化剂有助于开发新的反应过程；发展新的化工技术；催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用。

3、应该注意以下三点：

Ⅰ、活性系指在给定温度下、压力和反应物流量下，催化剂使原料转化的能力，活性越高则原料的转化率越高。

Ⅱ、选择性系指反应所消耗的原料中有多少转化为目的产物，选择性越高，生产单位量目的产物的原料消耗定额越低，也越有利于产物的后处理。

Ⅲ、寿命系指其使用期限的长短，寿命表征生产单位量产品所消耗的催化剂量，或在满足生产要求的技术水平上催化剂能使用的时间长短。

2.说明氨合成催化剂的组成及其作用。

答：

氨合成催化剂的组成包括α—Fe，Al2O3，K2O，CaO，MgO，SiO2等。

（1）氨氧化催化剂的活性组分是α—Fe，未还原时为FeO+Fe2O3，其中FeO占24~38%，Fe2+/Fe3+=0.5，一般在0.47~0.57之间，可视为Fe3O4，具有尖晶石结构。

（2）Al2O3的作用：

Al2O3与Fe3O4作用可形成FeAl2O4，具有尖晶石结构，当催化剂还原后，Fe3O4被还原为α—Fe，而未被还原的Al2O3仍保持着尖晶石结构，起到骨架作用，从而防止铁细晶的长大，使催化剂的比表面积增加，活性增加。

因此，Al2O3为结构型助催化剂，氧化镁的作用与Al2O3的作用相似，也是结构型助催化剂。

（3）K2O的作用：

氧化钾是电子型助催化剂，在Fe—Al2O3催化剂中添加氧化钾后，可以使金属的电子逸出功下降，有助于氮的活性吸附。

（4）CaO的作用：

CaO的作用与K2O相似，也是电子型助催化剂，同时，氧化钙能降低固熔体的熔点和粘度，有利于三氧化二铝和四氧化三铁固熔体的形成，提高催化剂的热稳定性。

（5）Si2O的作用：

二氧化硅是磁铁矿中的杂质，具有中和K2O和CaO的作用，此外，Si2O还具有提高催化剂抗水毒害和耐烧结的性能。

3.比较甲烷蒸汽转化、一氧化碳变换、氨的合成、二氧化硫氧化所采用催化剂的情况。

过程

项目

甲烷转化

CO变换

氨合成

SO2催化氧化

高变

低变

主要成分

NiO2

Fe2O3

CuO

Fe3O4

V2O5

活性成分

Ni

Fe3O4

Cu

Fe

V2O5

载体

耐火材料烧结型Al2O3MgO

主要成分

/

铁Al2O3

硅铝酸钙

助催化剂

/

Cr2O3、K2O

Cr2O3、ZnO

Al2O3、K2O

SiO2、CaO

K2SO4

活性温度范围℃

＞500

350~400

180~250

500左右

450~600

4.催化加氢反应用的催化剂，写出在150℃以下、150℃～200℃之间、高于250℃以及防止硫中毒各分别通常用哪一种或几种催化剂？

答：

通常反应温度在150℃以下，多用Pt、Pd等贵金属催化剂，以及用活性很高的骨架镍催化剂；而在150～200℃的反应温度区间，用Ni、Cu以及它们的合金催化剂；在温度高于250℃时，多用金属及金属氧化物催化剂。

为防止硫中毒则用金属硫化物催化剂，通常都是在高温下进行加氢。

4.烃类蒸汽转化催化剂：

镍催化剂，助催化剂：

MgO、Cr2O3、Al2O3，载体：

Al2O3、CaO、K2O；助催化剂的作用：

改变催化剂的孔结构和催化剂的选择性，抑制催化剂在高温时的融结，有的助催化剂用于抗析碳和调整载体的酸性

5.CO变换催化剂：

中变：

铁铬系，主体Fe2O3、Cr2O3，Cr2O3可以使催化剂具有更细的微孔结构及较高的比表面，提高催化剂的耐热性和机械强度，少量的K2CO3能提高催化剂的活性，MgO和Al2O3可以提高催化剂的耐热性；低变催化剂以CuO为主体，有铜锌铬系和铜锌铝系。

6.简述铁－铬系高温变换催化剂的组成（含量）及各组分的作用。

答：

①铁氧化物，含量为80~90%，是催化剂的活性组分；②三氧化二铬，含量为3.0~15%，是催化剂的稳定剂，防止催化剂中的铁组分过渡还原；③氧化钾，含量为0.2~0.4%，是催化剂的助剂，能提高催化剂的活性，强度及耐热性。

7.说明氨合成催化剂的组成及其作用。

（铁系催化剂。

活性组分为金属铁）

答：

氨合成催化剂的组成包括α—Fe，Al2O3，K2O，CaO，MgO，SiO2等。

①氨氧化催化剂的活性组分是α—Fe，未还原时为FeO+Fe2O3，其中FeO占24~38%，Fe2+/Fe3+=0.5，一般在0.47~0.57之间，可视为Fe3O4，具有尖晶石结构。

②Al2O3的作用：

Al2O3与Fe3O4作用可形成FeAl2O4，具有尖晶石结构，当催化剂还原后，Fe3O4被还原为α—Fe，而未被还原的Al2O3仍保持着尖