化工工艺学辅导习题剖析.docx

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化工工艺学辅导习题剖析

一、填空题

1.化学工艺学是研究由化工原料加工成化工产品的化学生产过程的一门科学，内容包括生产方法、原理、流程和设备。

2.化学工业的主要原料包括化学矿、煤、石油和天然气。

3.化工生产过程一般可概括为原料预处理、化学反应和产品分离及精制三大步骤。

4.化工中常见的三烯指乙烯、丙烯、丁二烯；三苯指苯、甲苯、二甲苯。

5.为了充分利用宝贵的石油资源，要对石油进行一次加工和二次加工。

一次加工方法为常压蒸馏和减压蒸馏；二次加工主要方法有：

催化重整、催化裂化、加氢裂化和焦化等。

6.天然气的主要成分是甲烷。

7.

天然气制合成气的方法有蒸汽转化法和部分氧化法，主要反应分别是

和。

8.硫酸生产以原料划分主要有硫磺制酸、硫铁矿制酸、冶炼烟气制酸和石膏制酸等。

9.工业气体或废气脱硫方法分为两种，高硫含量须采用湿法脱硫，低硫含量可以采用干法脱硫。

10.

合成氨反应方程式为，该反应是一个可逆、放热、体积缩小的反应。

11.平衡氨浓度与温度、压力、氢氮比和惰性气体浓度有关。

当温度降低，或压力升高时，都能使平衡氨浓度增大。

12.目前合成氨生产的主要原料有两种，它们是煤和天然气。

13.甲烷化反应是CO+3H2=CH4+H2O。

14.烃类热裂解中一次反应的主要产物为乙烯和丙烯。

15.烷烃热裂解主要反应为脱氢反应和断链反应。

16.羰基化最典型的应用是甲醇制醋酸。

17.催化剂一般由活性组分、载体和助催化剂组成。

18.乙烯环氧化制环氧乙烷催化剂的活性组分是Ag。

19.丙烯腈的主要生产方法是氨氧化，主要原料是丙烯和氨。

20.环氧乙烷的主要生产方法是乙烯环氧化，生产原料是乙烯和氧，主要用途是乙二醇。

21.皂化反应是指油脂在碱性条件下的水解反应。

22.煤的化工利用途径主要有三种，它们是煤干馏、煤气化和煤液化。

23.已知有三种不同煤气化工艺，它们是固定床、流化床、和气流床。

24.煤干馏产物有焦炭、煤焦油和焦炉气。

25.水煤气是以水蒸气为气化剂制得的煤气，主要成分是CO和H2。

半水煤气是以空气和水蒸气作气化剂制得的煤气，主要成分是CO、H2和N2。

26.合成气的主要成分是CO和H2。

27.煤气化发生炉中煤层分为灰渣层、氧化层、还原层、干馏层和干燥层。

28.煤液化有两种工艺，它们是直接液化和间接液化。

36、目前，工业硝酸大多采用氨氧化法，该过程包括：

氨的接触氧化、一氧化氮的氧化和氮氧化物的吸收。

37、煤气化时根据气化剂的不同，产物可分为水煤气、空气煤气、半水煤气。

38、目前，国内常用的甲烷化催化剂是以三氧化二铝为载体的镍系列催化剂，使用前应进行还原。

39、氨合成反应是在一定温度、压力和有催化剂存在下进行的。

40、基本有机化学工业的原料有天然气、石油、煤、农副产品。

41、裂解气的净化过程包括脱酸性气、脱水、脱炔、脱一氧化碳。

42、芳烃的转化反应主要有异构化、歧化与烷基转移、烷基化、脱烷基等。

四、简述题（40分。

每题5分）

1、简述以煤为原料、间歇制取半水煤气时，一个循环包括的过程及其作用。

答：

煤制气操作中一个循环包括一下五个过程：

（1）吹风阶段

空气从炉底收入，进行气化反应，提高燃料层的温度（积蓄热量），吹风气去余热回收系统或放空。

（2）一次上吹制气阶段

水蒸气相加氮空气从炉底送入，经灰渣区预热进入气化区反应，生成的煤气送入气柜。

此过程中，由于水蒸气温度较低，加上气化反应大量吸热，使气化区温度显著下降，而燃料层上部却因煤气的通过，温度有所上升，气化区上移，煤气带走的显热损失增加，因而在上吹制气进行一段时间后，应改变气体流向。

（3）下吹制气阶段

水蒸气和加氮空气从炉顶自上而下通过燃料层，生成的煤气也送入气柜。

水蒸气下行时，吸收炉面热量可降低炉顶温度，使气化区恢复到正常位置。

同时，使灰层温度提高，有利于燃尽残碳。

（4）二次上吹制气阶段

下吹制气后，如立即进行吹风，空气与下行煤气在炉底相遇，可能导致爆炸。

所以，再作第二次蒸汽上吹，将炉底及下部管道中煤气排净，为吹风作准备。

（5）空气吹净阶段

二次上吹后，煤气发生炉上部空间，出气管道及有关设备都充满了煤气，如吹入空气立即放空或送往余热回收系统将造成很大浪费，且当这部分煤气排至烟囱和空气接触，遇到火星也可能引起爆炸。

因此，在转入吹风阶段之前，从炉底部收入空气，所产生的空气煤气与原来残留的水煤气一并送入气柜，加以回收。

2、分别从热力学和动力学角度阐述工业生产中氨合成反应的特点。

答：

氨合成反应的特点为：

放热、可逆、体积缩小、有催化剂。

从平衡观点看,氨合成是放热反应，低温有利于NH3的生成,但在没有催化剂的室温条件下，氢氮气不能生成氨，因此氨合成反应需要催化剂，当温度较低时催化剂的活性不能很好地发挥,不利于NH3的生成,所以反应有一个最适宜温度，生产中应及时移走反应热.氨合成反应是体积缩小的反应，提高压力有利于反应向正方向进行，压力愈高平衡时的NH3含量就愈高.另外，气体成分对氨的合成也有影响，惰性气含量高会降低有效气体成分的分压，不利于氨的合成；该反应为可逆反应。

3、氨氧化反应在没有催化剂时，最终产物是什么？

说明理由。

答：

氨和氧的氧化产物可能有NO、N2O、N2和水。

如果对反应不加任何控制，最终产物为氮气和水。

其原因是：

4NH3+5O2=4NO+6H2O,4NH3+4O2=2N2O+6H2O,4NH3+3O2=2N2+6H2O以上各反应可视为不可逆反应，平衡常数以生成氮气最大，所以最终产物为氮气。

4、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。

5、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。

6、裂解反应装置必须具备哪些工艺要求？

高温、低烃分压、短停留时间。

7、通过合成甲醇的热力学分析说明了哪些问题？

（1）压力为20MPa左右，温度在300-400℃反应，此时，反应热随温度及压力变化小，反应条件控制容易。

（2）低温高压对合成甲醇有利。

（3）一些副反应在热力学上比主反应有利，因此，需要采用选择性好的催化剂。

8.合成气为何精制？

合成氨原料气经过脱硫、变换和脱碳工序后，合成气中除了H2和N2外，仍然含有极少量的其他化合物，如CO，CO2，O2等，这些杂质都是后续工序催化剂的毒物，其中CO+CO2>10～20cm3／m3就会使合成氨催化剂中毒，水分也会使催化剂中毒。

因此，合成气在进入合成塔之前还必须进～步精制，除去这些杂质。

8、用热力学和动力学综合分析说明苯和乙烯液相烷基化反应的温度为什么控制在95℃左右。

热力学上：

50-200K有利

动力学：

低温反应速度慢

催化剂：

热稳定性差，120℃以上树脂化，有腐蚀性

传热：

放热反应，沸点移走反应热。

9、对石油的一次加工和二次加工有哪些加工方法？

一次加工方法为常压蒸馏和减压蒸馏。

二次加工主要方法有：

.催化重整；.催化裂化；.催化加氢裂化；烃类热裂解；烷基化；异构化；焦化等

10、煤的加工路线有几种？

煤的高温干馏（炼焦）；煤的低温干馏；煤的气化；煤的液化。

11、化学工业的原料资源有几类？

无机化学矿；石油；天燃气；煤；生物质；再生资源；空气和水。

12、化工生产过程一般可分为几大步骤？

化工生产过程一般可概括为原料预处理、化学反应和产品分离及精制三大步骤。

13、什么是转化率、选择性、收率？

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分率或百分率，用符号X表示。

其定义式为

转化率表征原料的转化程度，反映了反应进度。

选择性系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。

用符号S表示，其定义式如下

在复杂反应体系中，选择性是个很重要的指标，它表达了主、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

收率亦称为产率，是从产物角度来描述反应过程的效率。

符号为y，其定义式为

根据转化率、选择性和收率的定义可知，相对于同一反应物而言，三者有以下关系:

Y=S·X

14.一氧化碳变换的反应式为：

影响该反应的平衡和速度的因素有哪些？

如何影响？

为什么该反应存在最佳反应温度？

最佳反应温度与哪些参数有关。

一氧化碳变换的反应式为：

影响平衡因素有温度、水碳比、原料气中CO2含量等。

影响速度因素有压力（加压可以提高反应物分压，在3.0MPa以下，反应速率与压力的平方根成正比，压力再高，影响就不明显了）、温度（CO的变换反应为可逆放热反应，所以存在最佳反应温度Top）、水蒸气（水蒸气的用量决定了H2O/CO比值，在水碳比低于4时，提高水碳比，可使反应速率增长较快，但水碳比大于4后，反应速率的增长不明显，故一般选用H2O/CO比为4左右）。

因该反应为可逆放热反应，所以存在最佳反应温度Top，Top与气体原始组成、转化率及催化剂有关。

14、烯烃裂解的主要反应有哪些？

（1）断链反应；

（2）脱氢反应；（3）歧化反应；（4）双烯合成反应；（5）芳构化反应

15、什么是一次反应？

什么是二次反应？

一次反应是指原料烃在裂解过程中首先发生的原料烃的裂解反应，二次反应则是指一次反应产物继续发生的后继反应。

16、裂解气预分馏处理后为何脱水？

用何方法？

水分带入低温分离系统会造成设备和管道的堵塞，除水分在低温下结冰造成冻堵外，在加压和低温条件下，水分尚可与烃类生成白色结晶的水合物，如:

CH4·6H2O，C2H6·7H2O，C3H8·8H2O，。

这些水合物也会在设备和管道内积累而造成堵塞现象，因而需要进行干燥脱水处理。

裂解气中的水含量不高，但要求脱水后物料的干燥度很高，因而，均采用吸附法进行干燥。

17、分离流程的主要评价指标是什么？

（1）乙烯回收率

（2）能量的综合利用水平

18、天燃气水蒸汽转化过程为何分二段进行？

从热力学角度看，高温下甲烷平衡浓度低，从动力学看，高温使反应速率加快，所以出口残余甲烷含量低。

因加压对平衡的不利影响，更要提高温度来弥补。

在3MPa的压力下，为使残余甲烷含量降至0.3％（干基），必须使温度达到1000℃。

但是，在此高温下，反应管的材质经受不了，因此，为满足残余甲烷≤0.3％的要求，需要将转化过程分为两段进行。

第一段转化在多管反应器中进行，管间供热，反应器称为一段转化炉，最高温度（出口处）控制在800℃左右，出口残余甲烷10％（干基）左右。

温度在800℃左右的一段转化气绝热进入二段转化炉.同时补人氧气，氧与转化气中甲完燃烧放热，温度升至1000℃，转化反应继续进行，使二段出口甲烷降至0.3％。

若补入空气则有氮气带人，这对于合成氨是必要的，对于合成甲醇或其他产品则不应有氮。

19、烃类热裂解制乙烯的过程中，管式裂解炉的辐射管为什么用变径管（前细，后粗）比用均径管有好处？

反应初期用小管有利于强化传热，使原料迅速升温，缩短停留时间；裂解管后部管径变粗，有利于减小烃分压，减少二次反应，而且也不会因二次反应生成的焦很快堵塞管道，因而延长了操作周期，提高了乙烯收率。

20.附图为以天然气为原料的日产千吨的大型合成氨厂的转化工段流程图。

请参考此流程图回答下列问题：

1.1#设备的作用是什么？

2.2#设备的作用是什么？

3.此工艺为何要设置二段转化？

4.为何要向二段转化器中引入经预热至450℃左右的空气？

5.此工艺的压力为何选3MPa？

21、裂解气的预分馏有何作用？

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，减少进入压缩分离系统的进料负荷。

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分离回收，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。

通常，可由急冷油回收的热量发生稀释蒸汽，由急冷水回收的热量进行分离系统的工艺加热。

22、合成气为何精制？

合成氨原料气经过脱硫、变换和脱碳工序后，合成气中除了H2和N2外，仍然含有极少量的其他化合物，如CO，CO2，O2等，这些杂质都是后续工序催化剂的毒物，其中CO+CO2>10～20cm3／m3就会使合成氨催化剂中毒，水分也会使催化剂中毒。

因此，合成气在进入合成塔之前还必须进～步精制，除去这些杂质，使CO+CO2<10cm3／m3，O2<1cm3／m3，H2O<1cm3／m3。

23、附图为大型合成氨厂采用的工艺流程。

请参考此流程图回答下列问题：

1、为何采用二段压缩？

2、13#合成塔是何种形式的合成塔？

3、惰性气体含景对平衡氨浓度有何影响？

4、温度对合成氨有何影响？

5、简述此工艺中能量是如何充分合理利用的。

五、计算题（20分，每题10分）

1、铜氨液法净化合成氨原料气操作条件如下：

压力l2MPa，入塔气体中CO含量4％，出塔铜液25℃。

铜液成分（mol．L-1）为Tcu：

2.3，Cu+：

2.0，Cu2+：

O.3，NH3：

10．0，CO2：

2.3，HAc：

2.0。

求该铜液的吸收能力。

（25℃时的吸收系数α为6.51MPa）。

2、某30万t/a合成氨厂，合成塔进气流量为900000Nm3/h，进塔气中氨含量3.5％，出塔气中氨含量17.6％，该合成塔装催化剂90m3，试计算：

（1）空间速度；

（2）氨净值；（3）合成塔产氨速率。

解：

（1）空间速度Vs＝合成塔进气量/合成塔装催化剂量＝900000/90=10000h-1；

（2）氨净值△y＝出塔气中氨含量－进塔气中氨含量＝17.6％－3.5％＝14.1％

（3）合成塔产氨速率＝合成塔进气流量×氨净值△y/（1+出塔气中氨含量）

=900000×14.1％/（1+17.6％）=107908Nm3/h

=4817Kmol/h。