化学工艺学思考题和部分答案免费范文Word格式.docx
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1烷烃裂解是强由表3-4数值,可看出:
吸热反响,脱氢反响比断链反响吸热值更高;
断链反响的标准自由焓有较大的负值,是不可逆过程,脱氢反响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;
断链反响,只发生脱氢反响,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响主要有:
①脱氢反响:
RCH2-CH3?
CH=CH2+H2②断链反响:
RCH2-CH2-R′?
RCH=CH2+R′H不同烷烃脱氢和断链的难易,可以从分子构造中键能数值(shù
zí
)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构造有关,叔氢最易脱去(tuōqù
),仲氢次之,伯氢最难;
环烷烃裂解的规律:
a侧链烷基(wá
njī)比烃环易裂解,乙烯收率高。
b环烷烃脱氢比开环反响容易,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(zhōngyāng)断裂,至烃环不带侧链为止;
五元环比六元环较难开环。
d环烷烃裂解反响难易程度:
侧链环烷烃>烃环,脱氢>开环。
原料中环烷烃含量(há
nlià
ng)增加,那么乙烯收率下降,丙烯、丁二烯、芳烃收率增加。
芳香烃热裂解的规律:
a芳烃的脱氢缩合反响,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响,生成苯、甲苯和二甲苯;
c芳香烃不宜作为裂解原料,因为不能进步乙烯收率,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响:
1烯烃经过炔烃中间阶段而生碳○
CH2=CH2CH2=CH·
CH≡CHCH≡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,为了获取最正确裂解效果,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,通常参加稀释剂,试分析稀释剂参加量确定的原那么是什么?
—H—H—H—H—H—H—H
篇二:
化学工艺学课后习题及答案
第2章化学工艺根底
2-3何谓化工消费工艺流程?
举例说明工艺流程是如何组织的?
答:
化工消费工艺流程——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(xú
nhuá
n)流程的特点:
未反响的反响物从产物中别离出来,再返回反响器。
循环流程的优点:
能显著地进步原料利用率,减少系统(xì
tǒng)排放量,降低了原料消耗,也
减少(jiǎnshǎo)了对环境的污染。
循环流程的缺点:
循环体系(tǐxì
)中惰性物质和其他杂质会逐渐积累,对反响速率和产品产率
有影响,必须定期排出这些物质以防止(bì
miǎn)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?
对于多反响体系,为什么要同时考虑转化率和选择性两
个指标?
转化率是指某一反响物参加反响而转化的数量占该反响物起始量的百分率。
选择性是指体系中转化成目的产物的某反响物量与参加所有反响而转化的该反响物总
量之比。
在复杂反响体系中,选择性表达了主、副反响进展程度的相对大小,能确切反映原料的
利用是否合理。
有副反响的体系,希望在选择性高的前提下转化率尽可能高。
但是,通常使转化率进步
的反响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催化剂有哪些根本特征?
它在化工消费中起到什么作用?
在消费中如何正确使用催
化剂?
三个根本特征:
①催化剂是参与了反响的,但反响终了时,催化剂本身未发生化学性质和数量的变化。
②催化剂只能缩短到达化学平衡的时间,但不能改变平衡。
③催化剂具有明显(mí
ngxiǎn)的选择性,特定的催化剂只能催化特定的反响。
在化工消费中的作用主要表达(tǐxià
n)在以下几方面:
⑴进步反响速率(sù
lǜ)和选择性。
⑵改良操作条件。
⑶催化剂有助于开发新的反响过程,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(fāhuī)重要作用。
在消费(shēngchǎn)中必须正确操作和控制反响参数,防止损害催化剂。
催化剂使用时,必须在反响前对其进展活化,使其转化成具有活性的状态,应该严格按
照操作规程进展活化,才能保证催化剂发挥良好的作用。
应严格控制操作条件:
①采用构造合理的反响器,使反响温度在催化剂最正确使用温度范
围内合理地分布,防止超温;
②反响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在有析碳反响的体系中,应采用有利于防止析碳的反响条件,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,防止“架桥〞现象,以防止反响工况恶化;
许多催化剂使用后,在停工卸出之
前,需要进展钝化处理,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。
反响式:
CH4+2O2?
CO2+2H2O
分子量:
16324418
反响转化的量:
9.42×
9.49.42×
9.4
那么产物的量为:
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(yuá
o)的量为:
〔4.2+2×
9.4〕mol×
32=736g
CH4:
16=150.4g
CH4/空气(kōngqì
)〔摩尔比〕=9.4/〔86.4+23〕×
100%=8.6%
2-13一氧化碳(yīyǎnghuà
tà
n)与水蒸气发生的变换反响为CO+H2O?
CO2+H2,假设初始混合原料的摩
尔比为H2O/CO=2/1,反响在500℃进展(jì
nxí
ng),此温度下反响的平衡常数Kp=P(CO2)·
P(H2)/P(H2O)·
P(CO)=4.88,求反响后混合物的平衡组成和CO的平衡转化率。
设初始(chūshǐ)原料中nCO=1mol,那么nH2O=2mol,到达平衡时,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将纯乙烷进展裂解制取乙烯,乙烷的单程转化率为60%,假设每100Kg进裂解
器的乙烷可获得46.4Kg乙烯,裂解气经别离后,未反响的乙烷大局部循环回裂解器〔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。
进反响器的乙烷量=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
设未反响的乙烷除了有0.133kmol随产物乙烯带走外,其余全部返回到反响器中,
即1.333-0.133=1.2kmol
那么新颖乙烷量=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进步反响温度(wēndù
)的技术关键在何处?
应解决什么问题才能最大限度进步裂解温度?
裂解反响的技术(jì
shù
)关键之一是采用高温-短停留时间的工艺技术。
进步裂解温度,必须进步炉管管壁温度,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进步反响温度的技术关键。
当炉管材质确定后,可采用缩短管长〔实际上是减少(jiǎnshǎo)管程数〕来实现短停留时间操作,才能最大限度进步裂解温度。
或者改良辐射盘管的构造,采用单排分支变径管、混排分支变径管、不分支变径管、单程等径管等不同构造的辐射盘管,这些改良措施,采用了缩小管径以增加比外表积来进步传热面积,使壁温下降,进步了盘管的平均传热强度,由此到达高温-短停留时间的操作条件。
3-5为了降低裂解烃分压,通常参加稀释剂,试分析稀释剂参加量确定的原那么是什么(shé
nme)?
工业上常用水蒸气作为稀释剂,加水蒸气量的原那么:
水蒸气的参加量随裂解原料不同而异,一般是以能防止(fá
ngzhǐ)结焦,延长操作周期为前提。
假设
参加过量的水蒸气,可使炉管的处理才能下降,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?
假设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℃,由于烯烃反响性强,假设在高温下长时间停留,仍会继续发生二次反响,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响。
采取的方法有两种:
直接急冷和间接急冷。
我认为间接急冷比拟好。
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,别离困难,污水量大,不能回收高品位的热能。
而间接急冷可回收高品位热能,产生高压水蒸汽作为动力能源以驱动三机等机械〔三机:
裂解气压缩机、乙烯压缩机、丙烯压缩机〕,可减少对环境的污染程度。
关键指标是急冷换热器的运转周期(zhōuqī)应不低于裂解炉的运转周期。
为了减少裂解气在急冷
换热器内的结焦倾向(qīngxià
ng),使之能正常操作,控制指标:
一是增大裂解气在急冷换热器中的线速度,一般(yībān)控制裂解气在急冷换热器中的停留时间
小于0.04秒;
二是必须(bì
xū)控制裂解气的出口温度要高于裂解气的露点。
评价(pí
ngjià
)急冷换热器的优劣:
急冷换热器的构造必须满足裂解气急冷的特殊条件:
急冷换热器管内通过高温裂解气,入口温度约827℃,压力约110KPa〔表〕,要求在极短时间内〔0.1S〕,将裂解气温度降到
32350-360℃,传热的热强度达400?
10KJ/m?
h;
管外走高压热水,温度约为320-330℃,压
力8-13MPa,由此可知,急冷换热器与一般换热器不同的地方是高热强度,管内外必须同时承受很大的温度差和压力差,同时又要考虑急冷管内的结焦操作操作条件极为苛刻。
3-9裂解气进展预别离的目的和任务是什么?
裂解气中要严格控制是杂质有哪些?
这些
杂质存在的害处?
用什么方法除掉这些杂质,这些处理方法的原理是什么?
任务:
将急冷后的裂解气进一步冷却至常温,并在冷却过程中分馏出裂解气中的重组分〔如燃料油、裂解汽油、水分〕。
目的:
①经预分馏处理,尽可能降低裂解气的温度,从而保证裂解气压缩机的正常运转,并降低裂解气压缩机的功耗。
②裂解气经预分馏处理,尽可能分馏出裂解气的重组分,减少进入压缩别离系统的负荷。
③在裂解气的预分馏过程中将裂解气中的稀释蒸汽以冷凝水的形式别离回收,用以再发生稀释蒸汽,从而大大减少污水排放量。
④在裂解气的预分馏过程中继续回收裂解气低能位热量。
裂解气中含有H2S、CO2、H2O、C2H2、CO等气体杂质,假设不脱除,进入到乙烯、丙烯产品中,影响产品质量,故必须脱除杂质。
⑴酸性气体的脱除
裂解气中的酸性气体(qì
tǐ)主要是指CO2和H2S,这些酸性气体含量过多时,会带来如下危害:
H2S:
能腐蚀设备管道,使枯燥用的分子筛寿命缩短,还能使加氢脱炔和甲烷化用的催化剂中毒。
在深冷操作中会结成干冰,堵塞设备(shè
bè
i)和管道,影响正常消费。
当乙烯、丙烯产品中的酸性气体含量不合格(hé
gé
)时,可使下游加工装置的聚合过程或催化剂中毒。
所以,必须将这些酸性气体脱除,要求将裂解气中的H2S和CO2的摩尔含量分别脱
-除至1?
106以下(yǐxià
)。
裂解气中的酸性气体,一般(yībān)是用物理吸收法或化学吸收法脱除,应用最广泛的是以NaOH溶液作吸收剂的碱洗法,其次是以乙醇胺溶液作吸收剂的再生法。
-⑵为防止低温系统冻堵,要求将裂解气中水含量〔质量分数〕降至1?
106以下。
因为裂解别离是在-100℃以下进展,此时水能结冰,也能与烃生成固体结晶水合物,这些物质结在管壁上,轻那么增大动力消耗,重那么使设备和管道堵塞,影响正常消费,所以要进展枯燥脱水处理。
-因为含水量不高〔裂解气中饱和水量为600-700?
106〕,要求脱水后物料含水量极少,
故工业上应用最广泛的是分子筛、活性氧化铝硅胶为枯燥剂的固体吸附法。
⑶裂解气中含有少量的炔烃,乙炔富集于C2馏分,甲基乙炔和丙二烯富集于C3馏分,假设将它们混于乙烯、丙烯产品用于衍生物的消费过程,特别是用于聚合反响时,影响聚合催化剂寿命,产生不希望的副产品,恶化产品质量,形成不平安因素。
-因此,必须脱除,使乙烯产品中的乙炔〔摩尔分数〕低于5?
106,丙烯产品中甲基乙
--炔低于5?
106,丙二烯低于1?
105。
溶剂吸收法和催化加氢法。
溶剂吸收法是使用溶剂吸收裂解气中的乙炔以到达净化目的,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,由此到达脱除乙炔的目的。
3-10压缩气的压缩为什么采用多级压缩?
确定段数的根据是什么?
目前,工业(gōngyè
)上一般认为经济上合理而技术上可行的裂解气压缩机出口的裂解气压力约为
3.7MPa,而压缩机的入口压力一般为0.14MPa,进步入口压力虽可节约(jié
yuē)压缩机功率,但对裂解反响不利,故为节约能量,采用多级压缩。
原因:
①节约压缩功耗;
②降低出口温度;
③实现(shí
xià
n)段间净化别离。
压缩段数应满足工艺要求,必须控制(kò
ngzhì
)每段压缩机出口的裂解气温度不高于100℃,以防止发生二烯烃的聚合,由此根据下式计算出每段压缩比,最终确定段数。
3-12裂解气别离(fēnlí
)流程各有不同,其共同点是什么?
①在别离顺序上遵循先易后难的原那么,先将不同碳原子数的烃分开,再分同一碳原子数的烯烃和烷烃;
②将消费乙烯的乙烯精馏塔和消费丙烯的丙烯精馏塔置于流程最后,可确保这两个主要产品纯度,同时也减少别离损失,进步烯烃收率。
3-15何谓非绝热精馏?
何种情况下采用中间冷凝器或中间再沸器?
分析其利弊?
非绝热精馏——在塔中间对塔内物料进展冷却和加热的过程。
使用条件:
对于顶温低于环境温度、底温高于环境温度,且顶底温差较大的精馏塔。
利:
可降低别离过程的有效能损失,到达节省能量的目的。
对中间再沸器而言,还可减小提馏段塔径。
弊:
由于中间冷凝器和中间再沸器的设置,在降低塔顶冷凝器和塔釜再沸器负荷的同时,会导致精馏段回流和提馏段上升蒸气的减少,故为了到达别离要求,就相应增加塔板数,从而增加设备投资。
第5章合成气的消费过程
5-3以天然气为原料消费合成气的过程有哪些主要反响?
从热力学角度考虑,对反响有哪些要求?
从动力学角度考虑又有哪些要求?
主反响:
CH4+H2O?
CO+3H2?
H298K?
206KJ/mol
CH4+2H2O?
CO2+4H2?
165KJ/mol〔5-22〕
CO+H2O?
CO2+H2?
H298K41.2KJ/mol〔5-23〕
副反响:
主要是析碳反响
CH4?
C+2H2?
74.9KJ/molK3〔5-24〕
歧化:
2CO?
C+CO2?
H298K172.5KJ/molK4〔5-25〕
复原〔消碳〕:
CO+H2?
C+H2O?
H298K131.4KJ/molK5〔5-26〕从化学反响平衡〔热力学角度〕考虑:
甲烷水蒸气转化过程条件是适当的高温、稍低的压力、高水碳比。
从动力学角度考虑:
高温、一定的压力(yālì
)、适当的水碳比。
〔1〕温度(wēndù
)的影响:
k随温度的升高而升高,反响速率增大。
〔2〕压力的影响:
总压增高,那么各组分分压进步,反响速率进步,同时使体积减少。
〔3〕组成的影响〔本质由水碳比决定〕:
原料的组成由水碳比决定,H2O/CH4过高时,甲烷分压过低,水蒸气分压高,那么反响速率不一定高;
反之,H2O/CH4过低时,反响速率也不会高,故水碳比要适当。
5-5天然气-水蒸汽转化(zhuǎnhuà
)法制合成气过程有哪些步骤?
为什么天然气要预先脱硫才能进展转化?
用哪些脱硫方法较好?
根本(jīběn)步骤有:
原料气脱硫、脱硫后的原料气与水蒸气在一段转化炉中进展反响生成合成气、未反响的甲烷与补入的氧气或空气燃烧放热,进展转化反响、根据对合成气使用目的不同选择是否进展变换反响、脱除合成气中的二氧化碳,使成品气中只含有CO和H2。
因为原料气中的硫化物主要是硫化氢和有机硫化物,后者在高温和水蒸气、氢气作用下也转变成硫化氢,催化剂外表吸附硫化氢后反响生成(shēnɡché
nɡ)硫化镍,发生暂时性中毒,在细微中毒后,当原料气中去除了硫化物后,硫化镍会逐渐分解释放出硫化氢,催化剂得到再生,但假设频繁的反复中毒和再生,镍晶粒要长大,活性降低。
即极少量的硫化物就会使催化剂中毒,使活性明显降低,时间不长就完全失活,所以必须先脱硫才能进展转化。
篇三:
化学工艺学课后习题答案
2-1为什么说石油、天然气和煤是现代化学工业的重要原料资源?
它们的综合利用处径有哪些?
石油化工自20世纪50年代开场蓬勃发展至今,根本有机化工、高分子化工、精细化工及氮肥工业等产品大约有90%来源于石油和天然气。
90%左右的有机化工产品上游原料可归结为三烯〔乙烯、丙烯、丁二烯〕、三苯〔苯、甲苯、二甲苯〕、乙炔、萘和甲醇。
其中的三烯主要有石油制取,三苯、萘、甲醇可有石油、天然气、煤制取。
2-2生物质和再生资源的利用前景如何?
生物质和再生能源的市场在短期内不可能取代,传统能源的市场,但是在国家和国际政策的指引下,在技术上的不断打破中,可以发现新能源在开场渐渐进入试用阶段,在石油等传统资源日益紧张的前提下,开发新能源也是势不可挡的,那么在我国生物质作现阶段主要仍是燃烧利用,但是越来越的的研究开场往更深层次的利用上转变,估计在将来的一段时间生物质能源会开场渐渐走入人们的视线
教材(jià
ocá
i)上有2个例子。
2-4何谓循环式工艺流程(ɡōnɡyì
liú
ché
nɡ)?
循环流程(liú
ché
ng)的特点:
能显著地进步原料(yuá
o)利用率,减少系统排放量,降低了原料消耗,也
循环体系中惰性物质和其他杂质会逐渐积累,对反响速率和产品产
率有影响,必须定期排出这些物质以防止积累。
对于多反响体系,为什么要同时考虑转化率和选择性两个
指标?
在复杂反响体系中,选择性表达了主、副反响进展程度的相对大小,能确切反映原料
的利用是否合理。
但是,通常使转化率提
高的反响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。
在消费中如何正确使用催化
剂?