西南科技大学 化工工艺与设备 期末考试 复习习题集Word格式.docx

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主要成分：

N2，CO，CO2，H2。

2、水煤气：

以水蒸气为气化剂生成的煤气。

H2，CO，CO2，N2。

3、混合煤气：

以空气和适量水蒸气的混合物为气化剂生成的煤气。

N2，CO，H2，CO2。

4、半水煤气：

以水蒸气加适量的空气或富氧空气为气化剂生成的煤气。

H2，CO，N2，CO2。

5、

6、循环时间：

每一工作循环所需要的时间，成为循环时间。

包括五个阶段：

吹风阶段、一次上吹、下吹、二次上吹、空气吹净阶段。

7、水碳比：

是指进口气体中水蒸气与烃原料中所含碳的摩尔比。

8、空间速率：

单位体积催化剂每小时处理的气量，建成空速。

四、简答题

1、原料气制取的途径是什么？

2、简述煤气化的原理。

3、制取半水煤气的工业方法有哪些？

4、半水煤气生产特点是什么？

5、间歇式制半水煤气的工作循环有那几个阶段？

6、目前常用的气化炉形式有什么形式的？

7、气化用煤分为哪几类？

各有什么特点？

8、析碳反应的危害有哪些？

9、工业生产中一般采取什么措施防止炭黑生成？

10、石脑油蒸汽转化工艺和甲烷蒸汽转化工艺有什么不同之处？

回答：

1、答：

现在工业上采用天然气、炼厂气、石脑油、焦炉气、重油、焦炭和煤生产合成氨，其在高温下与水蒸气作用，制取粗原料气时都可用下式表示，CnHm+nH2O（g）=nCO+（n+m/2）H2（H>

0）

或C+H2O=CO+H2（）按供热方式的不同，制取粗原料气有下述三种不同方法：

外部供热的蒸汽转化法，内部蓄热的间歇操作法，自热反应的部分氧化法。

2、答：

以空气为气化剂时，碳与氧之间的反应为：

C+O2=CO2,C+1/2O2=CO,C+CO2=2CO,CO+1/2O2=CO2

以水蒸气为气化剂时，碳与水蒸气的反应为C+H2O=CO+H2,C+2H2O=CO2+2H2通过有关计算知道，0.1MPa下温度高于900℃，水蒸气与碳反应的平衡产物中，含有等量的H2及CO，其他组分含量接近于零，随着温度的降低，H2O、CO2及甲烷等平衡含量逐渐增加。

3、答：

以水蒸气为气化剂的蒸汽转化法：

按气化性质分,以纯氧或富氧（有时也同时加入水蒸气）空气作为气化剂的部分氧化法，按气化炉床层形式分，固定床、流化床、气流床和熔床，按排渣的形态分，固体排渣式和液体排渣式。

4、答：

（CO+H2）与N2的比例为3.1～3.2以空气为气化剂时，，得含N2的吹风气。

以水蒸气为气化剂时得到含H2的水煤气，以前者反应热为后者提供反应所需要的热，并能维持系统的自热平衡的话，得不到合格的半水煤气；

为维持自热平衡，并得到合格的半水煤气，必须采用以下方法，间歇制气法，富氧空气（纯氧）气化法，外热法三种制取工业半水煤气。

5、答：

五个阶段，按气体流向：

吹风阶段，吹入空气，提高燃料层的温度，吹风气放空；

一次上吹制气阶段，自下而上吹入水蒸气进行气化反应，燃料层下部温度下降，上部升高；

下吹制气阶段，水蒸气自上而下进行反应，使燃料层温度趋于均衡；

二次上吹制气阶段，使底部下吹煤气排净，为吹入空气做准备；

空气吹净阶段，此部分吹风气加以回收，作为半水煤气中氮的主要来源。

6、答：

移动床气化炉、流化床气化炉、气流床气化炉、熔融床气化炉。

7、答：

气化用煤分为四类：

（1）气化时不黏结也不产生焦油，代表性原料有无烟煤、半焦、贫煤等。

（2）气化时黏结并产生焦油，代表性原料油弱黏结性煤和不黏结性煤。

（3）气化时不黏结但产生焦油，代表性原料有褐煤。

（4）气化时不黏结产生大量甲烷，代表性原料有泥炭。

8、答：

因为炭黑覆盖在催化剂表面，不仅堵塞微孔，降低催化剂活性，还会影响传热，使一段转化炉炉管局部过热而缩短使用寿命。

甚至还会使催化剂破碎而增大床曾阻力，影响生产能力。

9、答：

（1）实际水碳比大于理论水碳比，这是不会有炭黑生成的前提。

（2）选用活性好、热稳定性好的催化剂，避免进入动力学可能析炭区。

（3）防止原料气和水蒸气带入有害物质，保证催化剂具有良好的活性。

（4）选择适宜的操作条件。

10:

、答：

①石脑油需先气化，再以气态形式与水蒸气在镍催化剂作用下进行转化反应；

②石脑油在蒸汽转化前需进行严格脱硫；

③转化过程必须采用抗析碳的催化剂。

五、论述题

1、论煤质中水分含量对气化的影响。

答：

（1）煤中水分的存在形式有：

内在水、外在水、化合水。

（2）常压气化：

水分含量过高，煤料未经充分干燥就进入干馏层，影响干馏的正常进行，而没有彻底干馏的煤进入气化阶段后，又会降低汽化段的温度，使得甲烷的生成，CO2和H2O的还原反应速率降低，降低煤气产率和气化率。

（3）加压气化：

适量的水分有好处，因为水分高，挥发分也高，在干馏阶段半焦的气孔率也较大，当进入气化层时，气化速率快，生成的煤气质量好。

（4）炉型不同对气化用煤的水分含量也不同。

固定床水分含量要求在8-10%，而流化床和气流床要求较低，水分含量要求小于5%。

2、论F-T合成反应的影响因素。

（1）原料气组成：

①的高低影响合成反应速率的快慢。

CO和H2含量高合成反应速率快，但放热量多易引起床层超温，且成本高，故要求含量在80-85%之间。

②V（H2）/V（CO）的体积比影响反应进行的方向。

V（H2）/V（CO）比值高有利于饱和烃、轻产物及甲烷的生成；

V（H2）/V（CO）比值低有利于烯烃、重产物及氧化物的生成。

③提高合成气中的V（H2）/V（CO）和反应压力可提高利用率。

（2）反应温度F-T合成反应温度主要取决于合成时所选用的催化剂。

每一种催化剂都有合适的温度范围，如钴催化剂合适的温度范围为170-210℃。

（3）反应压力反应压力不仅影响催化剂的活性和寿命，而且也影响产物的组成与产率。

（4）空间速度对于不同催化剂和不同合成方法，都有最适宜的空间速度范围。

3、论煤的粒度对气化过程的影响。

（1）粒度大小与比表面间的关系

煤的粒度越小，其比表面积越大。

气流通过床层的流通截面增大，气流速度增大。

（2）粒度大小与传热间的关系

煤的粒度越大，传热越慢，煤粒内外的温差越大，粒内焦油蒸汽的扩散和停留时间增加，焦油的热分解加剧，影响焦油的产率。

（3）粒度大小与生产能力间的关系

煤的粒度太小，当气化速度较大时，小颗粒的煤有可能被带出气化炉外，从而使气化炉的气化效率降低。

（4）粒度大小对各项气化指标的影响

通常情况下，煤的粒度太小，煤耗高，水蒸气和氧气的消耗量增加，气化炉的生产能力下降。

4、流程分析：

①上述工艺流程图中1、2、4、5分别是什么设备？

有什么作用？

②该工艺流程属于间歇式生产煤气还是连续化法生产？

③简述工艺流程。

①1：

煤气发生炉，主要用于生产煤气；

2：

燃烧室，回收热量；

4：

废热锅炉，回收余热；

5：

洗涤塔，洗涤煤气并进行降温。

②该流程属于间歇式生产半水煤气工艺流程。

固体燃料由加料机从煤气发生炉1顶部间歇加入炉内。

吹风时，空气经鼓风机加压之下而上通过煤气发生炉，吹风气经燃烧室2及废热锅炉4回收热量后由烟囱放空。

燃烧室中加入二次空气，将吹风气中可燃气体燃烧使室内的格子蓄热砖温度升高。

蒸汽上吹制气时，煤气经燃烧室及废热锅炉回收余热后，再经洗气箱3及洗涤塔5进入气柜。

下吹制气时，蒸汽从燃烧室顶部进入，经预热后进入煤气发生炉自上而下流经燃料层。

由于煤气温度较低，直接经洗气箱和洗涤塔进入气柜。

二次上吹时，气体流向与上吹响铜。

空气吹净时，气体经燃烧室、废热锅炉、洗气箱和洗涤塔进入气柜。

燃料气化后，灰渣经螺旋炉箅由刮刀刮入灰箱，定期排出炉外。

5、流程分析：

1设备1、2的名称是什么？

各起什么作用？

2二段转化炉内发生的主要反应有哪些？

3简述工艺流程。

①1：

钴钼加氢反应器，将有机硫转化为硫化氢；

脱硫槽：

将硫化氢脱除。

②二段转化过程中催化剂床层顶部发生的反应为：

；

催化剂床层中部发生的主要反应为：

③原料天然气经压缩机加压到4.15MPa后，配入3.5%-5.5%的氢于一段转化炉对流段3盘管加热至400℃，进入钴钼加氢反应器1进行加氢反应，将有机硫转化为硫化氢，然后进入氧化锌脱硫槽2脱除硫化氢，然后配入中压蒸汽，使水碳比达3.5左右，进入对流段盘管加热到500-520，送入辐射段4顶部原料气总管，再分配进入各转化管。

气体自上而下流经催化床，一边吸热一边反应，并沿着集气管中间的上升管上升，继续吸收热量，使温度达到800-860℃，经输气总管送往二段转化炉5。

工艺空气经压缩机加压到3.34-3.55MPa，也配入少量水蒸气进入对流段盘管加热到450℃左右，进入二段炉顶部与一段转化气汇合，在顶部燃烧区燃烧，温度升到1200℃左右，再通过催化剂床层反应。

为了挥手转化气的热量，二段转化炉通过两台并联的废热锅炉6后，接着又进入第二废热锅炉7，从第二废热锅炉出来的气体即可送往变换工段。

脱硫（第二章）

一、填空

1、合成氨原料气中的硫分为无机硫H2S和有机硫CS2、COS、硫醇、噻吩、硫醚等。

2、气体脱硫方法按脱硫剂的形态可分为两类，一类是干法脱硫，一类是湿法脱硫。

湿法脱硫可分为物理吸收法、化学吸收法与直接氧化法三类。

3、常用的干法脱硫有：

钴钼加氢-氧化锌法、活性炭法、氧化铁法、分子筛法等。

4、氧化锌脱硫剂以氧化锌为主体，其余为三氧化二铝，可加入氧化铜、氧化钼等以增加脱硫效果。

5、活性炭脱硫法分吸附法、催化法和氧化法。

6、钴钼催化剂以氧化铝为载体，由氧化钼和氧化钴组成。

7、湿法脱硫根据吸收原理的不同可分为物理法、化学法和物理化学法。

化学吸收法又分为中和法和湿式氧化法。

8、湿式氧化法脱硫包括两个过程。

一是脱硫剂中的吸收剂将将原料气中的硫化氢吸收；

二是吸收到溶液中的硫化氢的氧化以及吸收剂的再生。

二、判断

1、采用钴钼加氢可使天然气、石脑油原料中的有机硫几乎全部转化成硫化氢。

2、吸附脱硫是因为活性炭具有很大的比表面积，对某些物质具有较强的吸附能力。

3、活性炭对吸附有机硫中的噻吩很有效，而对挥发性大的硫氧化碳的吸附很差。

4、活性炭对吸附原料气中二氧化碳和氨的吸附强，而对挥发性大的氧和氢较差。

5、ADA是蒽醌二磺酸钠的英文缩写。

6、PDS法、MSQ、栲胶法和鳌合铁法都属于湿式氧化法脱硫。

三、简答

1、合成氨原料气为何要进行脱硫？

硫是各种催化剂的毒物。

对甲烷转化和甲烷化催化剂、中温变换催化剂、低温变换催化剂、甲醇合成催化剂、氨合成催化剂等的活性有显著的影响。

硫化物还会腐蚀设备和管道，给后工序的生产带来许多危害。

因此，对原料气中硫化物的清除是十分必要的。

同时，在净化过程中还可得到副产品硫磺。

2、氧化锌法脱硫的原理是什么？

温度对脱硫过程有何影响？

氧化锌内表面积较大，硫容量较高，在脱除气体中的硫化氢及部分有机硫的过程中，速度极快，广泛用于精细脱硫。

氧化锌脱硫剂可直接吸收硫化氢和硫醇，反应式：

H2S+ZnO=ZnS+H2OC2H5SH+ZnO=ZnS+C2H4+H2O

对有机硫，如COS，CS2等则先转化成硫化氢，然后再被氧化锌吸收，反应式：

3、活性炭法脱硫的原理是怎样的？

脱硫后的活性炭如何再生？

活性炭主要用于脱除有机硫及少量的硫化氢。

因反应机理不同可分为吸附、氧化和催化三种方法。

吸附法：

活性炭具有很大的比表面积，吸附能力较强，具有较强的选择性，主要表现在难吸附挥发性大的物质，对噻吩最有效。

氧化法：

硫化氢和氧硫化碳被气体中存在的氧气氧化。

H2S（g）＋O2=S（s）+H2O2COS+O2==CO2+2S

催化法：

在活性炭上浸渍铁、铜等盐类，使有机硫催化为硫化氢，然后再被吸附脱除。

脱硫剂再生有过热蒸汽法和多硫化铵法。

①多硫化铵法是采用硫化铵溶液多次萃取活性炭中的硫，硫与硫化铵反应生成多硫化铵，反应式为：

（NH4）2S+（n-1）S=（NH4）2Sn

此法包括硫化铵溶液的制备、用硫化铵溶液浸取活性炭上的硫磺、再生活性炭和多硫化铵溶液的分解、以及回收硫磺及硫化铵溶液等步骤。

②过热蒸汽或热惰性气体（热氮气或煤气燃烧气）再生法：

由于这些气体不与硫反应，可用燃烧炉或电炉加热，调节温度至350～450℃，通入活性炭脱硫器内，活性炭上硫磺便发生升华，硫蒸汽被热气体带走。

4、什么是湿式氧化法？

与中和法有何不同？

如何选择湿式氧化法的氧化催化剂？

湿法氧化法是指用碱性脱硫剂吸收酸性硫化氢气体，再用氧化态催化剂将硫化氢氧化为单质硫使脱硫剂再生的方法。

湿法氧化法脱硫包含两个过程：

二是吸收到溶液中的硫化氢的氧化以及吸收剂的再生；

湿式氧化法与中和法区别于再生原理不同。

中和法脱硫剂的再生是通过升温和减压使吸收过程中生成的化合物分解并释放出硫化氢；

湿式氧化法脱硫剂的再生是以催化剂作为载氧体将溶液中被吸收下来的硫化氢氧化为单质硫。

湿式氧化法的氧化催化剂必须既能氧化硫化氢，又能被空气中的氧所氧化。

即氧化态的催化剂：

0.2V﹤E⊙Q/H2Q﹤0.75V是选择催化剂的重要依据，同时还应考虑原料的来源、用量、价格、化学性质等。

5、ADA法脱硫和再生的原理是什么？

ADA法脱硫塔为什么容易发生堵塞现象？

ADA法脱硫和再生的原理：

（1）脱硫塔中的反应：

以PH为8.5~9.2的稀碱液吸收硫化氢生成硫氢化物

硫氢化物与偏钒酸盐反应转化成还原性的焦钒酸钠及单质硫

氧化态ADA反复氧化焦钒酸纳

（2）氧化槽中（吸收液再生设备）的反应

还原态的ADA被空气中的氧氧化恢复氧化态，其后溶液循环使用；

由于在脱硫塔内发生析硫反应，因而ADA法脱硫塔中容易发生堵塞现象。

6、简述天然气加氢串氧化锌脱硫工艺过程。

含有有机硫40mg/m3的原料气压缩到4~4.5Mpa后加入氢氮混合气使天然气含氢气15%，在一段转化炉对流段加热到400℃进入加氢槽1，通过钴钼催化剂加氢使有机硫转化为硫化氢，使转化气中含有机硫≤1mg/m3，然后送入两个串联的氧化锌槽2将硫化氢吸收除去。

变换

1.变换反应：

CO+H2O=CO2+H2

2.变换率：

反应中变换了的一氧化碳量与反应前气体中一氧化碳量之比。

3.铁铬系催化剂使用温度为350~550℃，铜锌系催化剂使用温度为200~280℃。

4.孔隙率＝催化剂的微孔体积／催化剂的颗粒体积

5.低变催化剂的主要毒物有：

硫化物、氯化物和冷凝水。

二、简答题

1.影响一氧化碳平衡变换率的因素有哪些？

如何影响？

1．温度的影响。

温度降低，平衡变换率提高，变换气中一氧化碳的平衡量减少。

2.水蒸气与一氧化碳体积比：

在温度一定的情况下，一氧化碳平衡变换率随H2O/CO

提高而增加，其趋势是先快后慢。

3．压力：

反应为等体积反应，压力对平衡变换率无影响。

4．二氧化碳量：

降低CO2量，有利于提高一氧化碳的变换率。

2、铁-铬系中温变换催化剂的活性组分是什么？

使用前需进行怎样的处理？

铁铬系催化剂主要组分为三氧化二铁和助催化剂三氧化二铬。

其活性成分是四氧化三铁，因此，催化剂使用前需利用煤气中的氢和一氧化碳进行还原，其反应式如下：

3、当系统停车或检修时，为什么要对催化剂进行钝化？

如何处理？

氧能使还原后的催化剂氧化生成三氧化二铁，反应式如下

此反应热效应很大，生产中必须严防煤气中因氧含量高造成催化剂超温，在停车检修或更换催化剂时，必须进行钝化。

其方法是用蒸汽或氮气以30~50℃/h的速度将催化剂的温度降至150～200℃，然后配入少量空气进行钝化。

在温升不大于50℃/h的情况下，逐渐提高氧的浓度，直到炉温不再上升，进出口氧含量相等时，钝化工作即告结束。

4、铜锌系催化剂的组成是什么？

其活性组分是什么？

铜锌系催化剂是以氧化铜为主体，氧化锌、氧化铬、氧化铝为促进剂。

铜锌系催化剂的活性组分是金属铜微晶。

氧化铜对变换反应无催化活性，使用前要用氢或CO还原具有活性的单质铜：

5.什么是催化剂的孔隙率？

催化剂的孔隙率指单位颗粒体积（包括催化剂和骨架体积）含有微孔体积的百分数，即：

孔隙率＝催化剂的微孔体积／催化剂的颗粒体积

6．催化剂活性下降的原因是什么？

硫、磷、砷、氟、氯、硼的化合物及氢氰酸等物质，均可引起催化剂中毒，使活性显著下降。

硫化氢能使催化剂暂时中毒。

提高温度，降低硫化氢含量和增加气体中水蒸气含量，可使催化剂活性逐渐恢复。

原料气中灰尘及水蒸气中无机盐高时，都会使催化剂活性显著下降，造成永久性的中毒。

催化剂活性下降的另一个重要因素是催化剂的衰老。

主要原因是在长期使用后，催化剂的活性逐渐下降。

因为长期处在高温下，会使催化剂逐渐变质；

另外气流冲刷，也会破坏催化剂表面状态。

7．如何对催化剂进行维护与保养？

（1）在装填前，要进行过筛除去粉尘和碎粒。

使催化剂的装填时要保证松紧一样。

严禁直接踩在催化剂上，并不许把杂物带入炉内。

（2）在开、停车时，要按规定的升、降温速度进行操作，严防超温。

（3）正常生产中，原料气必须经过除尘和脱硫（氧化型的催化剂），并保持原料气成分稳定。

控制好蒸汽与原料气的比例及床层温度，升降负荷时要平稳。

8．加压变换比常压有哪些优点？

（1）可以加快反应速率和提高催化剂的生产能力，因此可用较大空速增加生产负荷。

（2）由于干原料气体积小于干变换气的体积，因此，先压缩原料气后，再进行变换的动力消耗，比常压变换后再压缩变换气的动力消耗低很多。

（3）需用的设备体积小，布置紧凑，投资较少。

（4）湿变换气中蒸汽的冷凝温度高，利于热能的回收利用。

原料气中二氧化碳的脱除

1、工业上常用的脱除二氧化碳的方法为溶液吸收法。

一类是循环吸收法，另一类是联合吸收法，循环吸收法根据吸收原理的不同，可分为物理、化学和物理化学吸收法三种。

2、物理吸收法是利用分子间的范德华力进行选择性吸收。

化学吸收法是利用CO2的酸性特性与碱性物质进行反应将其吸收。

3、再生度fc的定义为：

4、MDEA即N-甲基二乙醇胺（R2CH3N）

二、

1、本菲尔特法吸收二氧化碳的原理是什么？

再生的原理是什么？

（1）纯碳酸钾水溶液和二氧化碳的反应

碳酸钾水溶液吸收CO2的过程为：

气相中CO2扩散到溶液界面；

CO2溶解于界面的溶液中；

溶解的CO2在界面液层中与碳酸钾溶液发生化学反应；

反应产物向液相主体扩散。

据研究，在碳酸钾水溶液吸收CO2的过程中，化学反应速率最慢,起了控制作用。

纯碳酸钾水溶液吸收CO2的化学反应式为：

（2）碳酸钾溶液对原料气中其他组分的吸收

含有机胺的碳酸钾溶液在吸收CO2的同时，也可除去原料气中的硫化氢、氰化氢，硫酸等酸性组分，吸收反应为：

H2S+K2CO3=KHCO3+KHS

HCN+K2CO3=KCN+KHCO3

R-SH+K2CO3=RSH+KHCO3

硫氧化碳，二硫化碳首先在热钾碱溶液中水解生成H2S，然后再被溶液吸收。

COS+H2O=CO2+H2S

CS2+H2O=COS+H2S

（3）吸收溶液的再生

碳酸钾溶液吸收CO2后，碳酸钾为碳酸氢钾，溶液PH值减小，活性下降，故需要将溶液再生，逐出CO2，使溶液恢复吸收能力，循环使用，再生反应为

2KHCO3=K2CO3+CO2+H2O

原料气精制

1、目前常用于合成氨原料气精制的方法有铜氨液洗涤法、甲烷化法和液氮洗涤法。

2、铜洗工艺流程由吸收和再生两部分组成。

3、甲烷化催化剂中的镍都是以NiO的形式存在，使用前需还原为活性组分Ni。

1、甲烷化法是在催化剂镍的作用下将一氧化碳、二氧化碳加氢生产甲烷而达到气体精制的方法。

2、甲烷化过程消耗氢气而生成无用的甲烷。

3、甲烷化是甲烷转化的逆反应。

4、甲烷化催化剂和甲烷转化催化剂都是以镍作为活性组分。

但二者有区别。

5、硫、砷、卤素是镍催化剂的毒物。

6、液氮洗涤法是一种深冷分离方法，是基于各种气体沸点不同这一特性进行的。

1、铜氨液吸收一氧化碳的原理是什么？

铜氨液再生的作用与原理是什么？

铜氨液吸收一氧化碳的反应：

Cu（NH3）4Ac2+CO+NH4≒Cu[（NH3）3CO]Ac

铜氨液再生的作用：

使吸收的CO和CO2解析出来；

把被氧化的高价铜还原成低价铜。

铜液从铜洗塔中出来后，经减压并加热，使被吸收的CO、CO2和H2S等按吸收的逆反应释放出来。

高价铜还原成低价铜的反应式：

Cu[（NH3）3CO]Ac+2Cu（NH3）4Ac2+H2O==3Cu（NH3）4Ac2+NH4Ac+CO2+3NH3

2、甲烷化反应的基本原理是什么？

甲烷化法是在催化剂作用下将CO、CO2加氢生成甲烷而达到气体精制的。

CO+3H2≒CH4+H2O

CO2+4H2≒CH4+2H2O

第三章

1、合成塔出口气体中氨的分离方法冷凝分离法和溶剂吸收法。

2、氨合成塔通常由外筒和内件两部分组成。

3、目前常用合成塔塔形有冷管式和冷激式