《化工工艺学》期末复习题初步整理Word格式.docx

1、塑料、合成橡胶、合成纤维、橡胶制品、涂料和胶粘剂等。精细化工产品：涂料、表面活性剂、粘合剂、催化剂、食品添加剂等。生物化工产品：甘油、柠檬酸、乳酸、葡萄糖酸、各种氧基酸、酶制剂、核酸、生物农药、饲料蛋白抗生素、维生素、甾体激素、疫苗等。2 化学工艺的共性知识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?答：基本有机化工、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，有机化工产品的上游原料之一：三烯主要由石油制取；天然气的热值高、污染少、是一种清洁能源，同时又是石油化工的重要原料资源；从煤中可以得到多种芳香族化合物，是精细有机合成的主要原料，煤的综合利用可为能源

2、化工和冶金提供有价值的原料。他们的综合利用途径有哪些？石油：一次加工：常压蒸馏、减压蒸馏二次加工：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。天然气：天然气制氢气和合成氨； 天然气经合成气路线的催化转化制原料和化工产品； 天然气直接催化转化成化工产品；天然气热裂解制化工产品；甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化制化工产品；湿气天然气中C2C4烷烃的利用。煤：煤干馏（高温干馏/炼焦、低温干馏）煤气化煤液化（煤的直接液化、间接液化）。2. 天然气是如何分类与加工利用的？天然气的分类：主要成分为甲烷干气：CH490%湿气C2C5 15%20%或以上富气: C3以上烃94106m3

3、贫气: C3以上烃94天然气的加工1天然气制氢气和合成氨2天然气经合成气路线催化转化制燃料和化工产品3天然气直接催化转化为化工产品4热解制化工产品5甲烷的氯化，硝化，氨氧化，硫化制化工产品6湿性天然气中C2C5烷烃的利用3. 生物质和再生资源的利用前景如何?生物质和再生资源的发展既能解决能源的替代问题，又为农业、自然资源提供了新的发展空间，使其产业化、现代化、变无用为有用，清洁、环保，增加其价值和使用价值。农、林、牧、副、渔业的产品及其废物等生物质可通过化学或生物化学方法转变为基础化学品或中间产品等；工农业和生活废料在原则上都可以回收处理、加工成有用的产品，这些再生资源的利用不仅可以节约自然资

4、源，而且是治理污染、保护环境的有效措施之一。4. 何谓化工生产工艺流程，举例说明工艺流程是如何组织的。工艺流程的组织要有化学物理的理论基础，工程知识与生产实践相结合，还要借鉴前人的经验。过程的设计方法有：推论分析法、功能分析法、形态分析法。1、推论分析法：是从目标出发，寻找实现此目标的前提，将具有不同功能的单元进行逻辑组合，形成一个具有整体功能的系统。2、功能分析法：缜密的研究每个单元的基本功能和基本属性，然后组成几个可以比较的方案以供选择。3、形态分析法：是对每个可供方案晶型精确的分析和评价，择优汰劣，选择其中的最佳方案。原则：是否满足所要求的技术指标；技术资料的完整性和可信度；经济指标的先

5、进性；环境、安全和法律等。5. 何谓循环式工艺流程? 它有什么优缺点？概念：未反应的反应物从产物中分离出来，在返回反应器，其他的一些物料如溶液，催化剂溶剂等再返回反应器。优点：显著提高原料利用率，减少系统排放量，降低原料消耗，减少了对环境的污染；缺点：工艺流程较复杂。6. 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分率或百分率。选择性：指体系中转化成目的产物的某反映物量与曹家所有反应而转化的该反应物总量之比。对于多反应体系，通常使转化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

6、化率或高选择性，而要兼顾两者使目的产物的收率最高。7. 催化剂有哪三个基本些特征，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？催化剂的基本特征：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 催化剂只能缩短到达化学平衡的时间（即加速作用），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。催化剂在化学生产中的作用：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；催化剂在能源的开发和消除污染中可发挥重要作用。生产中正确使用催化剂的方法：催化剂的使用性能有：活性、选择性、寿命（寿命受化学稳定性、热稳定

7、性、力学性能稳定性、耐毒性等性能的影响），所以在催化剂的使用中除了应研制具有优良性能、长寿命的催化剂外，在生产中必须正确操作和控制催化剂的各项反应参数，防止损害催化剂。8.计算：见教材13. 一氧化碳与水蒸气发生的变换反应为COH2OCO2+H2，若初始混合原料的摩尔比为H2OCO21。反应在500进行，此温度下反应的平衡常数，求反应后混合物的平衡组成和CO的平衡转化率。12. 某燃料气含有30CS2、26C2H6、14CH4、10H2、10N2、6O2和4CO，与空气一起燃烧，产生的烟道气含有3SO2、4CO，其余为CO 2、H2O、O2和N2。求空气的过剩百分数。15. 将纯乙烷进行裂解制

8、取乙烯，已知乙烷的单程转化率为60，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。20.分别计算一氧化碳和水蒸气变换反应在25和315时的反应热，压力均为1.013105 Pa。3 烃类热裂解1. 什么叫烃类的热裂解？烃类热裂解法是将石油系烃类原料（天然气、炼厂气、轻油、柴油、重油等）经高温作用，使烃类分子发生碳链断裂或脱氢反应，生成分子量较小的烯烃、烷烃和其它分子量不同的轻质和重质烃类。2. 烃

9、类裂解过程中可能发生那些化学反应？一次反应与二次反应有何区别？大致可得到哪些产物？烃类热裂解过程中可能发生的化学反应：烷烃：脱氢反应、断链反应、环化脱氢反应；烯烃：断链反应、脱氢反应、歧化反应、双烯合成反应、芳构化反应；环烷烃：断裂开环反应、脱氢反应、侧链断裂及开环脱氢反应；芳烃：烷基芳烃的侧链断裂和脱氢反应，芳烃缩合、进一步成焦的反应；结焦生炭反应。一次反应与二次反应的区别及产物：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。生成目的产物（乙烯、丙烯）的反应属于一次反应，是希望发生的反应，应促进。乙烯、丙烯消失，生成相对分子质量较大的

10、液体产物以至结焦生炭的反应式二次反应，是不希望发生的反应，这类反应的发生，不仅多消耗了原料，降低了主产物的产率，而且结焦生炭会恶化传热，堵塞设备，对裂解操作和稳定生产都带来极不利的影响，应设法抑制其进行。3. 试从化学热力学的方法来分析比较在1000K时苯发生如下两反应时哪个反应占优势？i. 并说明含苯较高的原料在1000K时进行裂解的过程，主要趋向是增产乙烯还是增大结焦趋向。4. 各族烃类热裂解反应规律是什么？各族烃的裂解反应规律。（1）烷烃：正构烷烃在各族烃中最利于乙烯、丙烯的生成。烷烃的相对分子质量愈小，其总产率愈高。异构烷烃的烯烃总产率低于同碳原子数的正构烷烃，但随着相对分子质量的增大

11、，这种差别减小；（2）烯烃：大分子烯烃裂解为乙烯和丙烯；烯烃能脱氢生成炔烃、二烯烃，进而生成芳烃；（3）环烷烃：在通常裂解条件下，环烷烃生成芳烃的反应优于生成单烯烃的反应，相对于正烷烃来说，含环烷烃较多的原料丁二烯、芳烃的收率较高，而乙烯的收率较低；（4）芳烃：无烷基的芳烃基本上不裂解为烯烃，有烷基的芳烃，主要是烷基发生断碳键和脱氢反应，而芳环保持不变，易脱氢缩合为多环芳烃，从而有结焦的倾向。各族烃的裂解难易程度顺序：正烷烃异烷烃环烷烃（六碳环五碳环）芳烃；随着碳原子数的增多，该规律减弱。5. 试分析为什么烷烃是裂解制氢的理想原料？各种烃的裂解性能可以用PONA值来评价。烷烃（P）的氢含量最高

12、，氢含量越高，乙烯收率越高，相应的氢收率越高。烷烃的特性因数K最高，它反映了烃的氢饱和程度，乙烯和丙烯收率随K值增大而增加。关联指数（BMCI值）烷烃最低，BMCI值与烯烃产率呈负线性相关，因此烷烃有利于制氢。6. 以己烷为例说明丁烷在裂解中可能进行的一级反应和二级反应，它的裂解产物可能有哪些？7. 裂解过程中是如何结焦和生炭的？烯烃经过炔烃中间阶段而生碳。裂解过程中生成的乙烯在9001000或更高温度经过乙炔阶段而生碳CH2=CH2 CH2=CHCHCH CHCCC Cn 经过芳烃中间阶段而结焦：萘二联萘三联萘焦8.已知甲基戊烷（n=6）：8. 管式炉裂解，760时停留时间为0.5秒，试求转

13、化率。9. 正己烷管式炉裂解，炉出口温度为760，转化率为88.3%，k6=4.289S-1，求停留时间。10.裂解时间和裂解温度有什么关系？应当如何选用？裂解温度与停留时间是一组相互关联不可分割的参数。从裂解反应动力学可知，对给定原料而言，裂解深度取决于裂解温度和停留时间。高温短停留时间则是改善裂解反应产品收率的关键。在相同裂解深度条件下，高温-短停留时间的操作条件可获得较高的烯烃、炔烃收率，抑制芳烃生成的反应，并减少结焦。11.用热力学、动力学综合分析，说明裂解反应应在高温、短停留时间下进行是必要的。1）从化学平衡的角度，如使裂解反应进行到平衡，所得烯烃很少，最后生成大量氢和碳，为获得更多

14、烯烃，应采用尽可能短的停留时间，乙烷裂解生成乙烯的反应平衡常数Kp1、Kp1a远大于乙烯消失的反应平衡常数Kp2,随着温度的升高，各平衡常数均增加，而Kp1、Kp1a与 Kp2的差距更大。乙炔结碳反应的平衡常数Kp3虽然远高于Kp1、Kp1a，但其随温度的升高而减小，因此提高裂解温度对生成烯烃是有利的。2）从动力学角度分析，烃类裂解的主反应可按一级反应处理kt=ln（1/1-X） 反应速率k是温度的函数,k=AE/RT，可见反应速率随温度增高而变大，高温裂解有利于裂解反应中一次反应的进行，因此高温有利于裂解反应的进行。短停留时间可抑制二次反应的进行，提高产品转化率。12.压力对裂解反应有何影响

15、。压力改变反应物浓度，压力降低，对一次反应不利，但对二次反应更不利。所以压力降低，可增大一次反应和二次反应相对速率。采用加入稀释剂的方法实现降压目的的原因：添加稀释剂可降低烃分压，这样设备仍可在常压或正压操作，而烃分压则可降低。采用水蒸气做稀释剂的优点：裂解反应后通过急冷即可实现稀释剂与裂解气的分离，不会增加裂解气的分离负荷和困难；水蒸气热容量大，使系统有较大热惯性，当操作供热不平稳时，可以起到稳定温度的作用，保护炉管防止过热；抑制裂解原料所含硫对镍铬合金炉管的腐蚀；脱除积炭，炉管的铁和镍能催化烃类气体的生碳反应。13.SRT-、型管式裂解炉的结构特点如何？SRT-型裂解炉采用多程等径辐射盘管

16、，从SRT-型裂解炉开始，采用分支变管径辐射盘管（在入口段采用多根并联的小口径炉管，而出口段则采用大口径炉管，沿管长流通截面积大体保持不变），随着炉型的改进，辐射盘管的程数逐步减少，管径缩短。SRT-型炉的工艺的性能和SRT-型炉基本相同，但炉内管排由四组增加到六组。14. 裂解气预分馏的任务： 答：尽可能降低裂解气温度，保证裂解气压缩机的正常运转并降低功耗；尽可能分馏出裂解气的重组分，减少进入压缩分离系统的负荷；在裂解气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，减少污水排放量；在预分馏过程中继续回收裂解气低能位热量。 裂解气净化的任务：裂解气中含H2S,CO

17、2,H2O,C2H2,CO等气体杂质，这些杂质的含量虽不大，但对深冷分离过程是有害的，而且这些杂质不脱除，会使产品达不到规定的标准，为达到产品所要求的规格，必须脱除这些杂质，对裂解气进行净化。裂解气分离的任务：裂解气中含有的酸性气体对裂解气分离装置以及乙烯和丙烯衍生物加工装置都会有很大的危害，因此，在裂解气精馏分离之前，需将裂解气中的酸性气体脱除干净。15.了解并画出三种有代表性深冷分离流程方框图。16.裂解气中酸性气体、水份、炔烃、CO2有何危害？如何脱除？裂解气中酸性气体的危害：裂解气中含有的酸性气体对裂解气分离装置以及乙烯和丙烯衍生物加工装置都会有很大的危害：CO2会在低温下结成干冰，造

18、成深冷分离系统设备和管道堵塞，H2S可造成加氢脱炔催化剂和甲烷化催化剂中毒。脱除方法：碱洗法、乙醇胺法裂解气中水分的危害：水分带入低温分离系统会结冰造成冻堵，也会在加压和低温条件下与烃类生成白色结晶水合物，在设备和管路内积累造成堵塞现象；吸附法进行干燥裂解气中炔烃的危害：可能影响催化剂寿命，恶化产品质量，形成不安全因素，产生不希望的副产品。溶剂吸收法和催化加氢法脱炔17.裂解气为何要压缩？又为何要进行多段压缩？对裂解气进行压缩的原因：裂解气中许多组分在常压下都是气体，其沸点很低，常压下进行各组分精馏分离，则分离温度很低，需要大量冷量，为了使分离温度不太低，可适当提高分离压力，即对裂解气进行压缩

19、。对裂解气进行多级压缩的原因：节约压缩能耗；降低出口温度；减少分离净化负荷18.何为深冷分离法? 何为冷箱？前冷流程和后冷流程是如何来提高乙烯回收率的？深冷分离法：实质就是气体液体化技术。通常采用机械方法，如用节流膨胀或绝热膨胀等方法，把气体压缩、冷却后，利用不同气体沸点上的差异进行精馏，使不同气体得到分离。冷箱：是一组高效、绝热保冷的低温换热设备，它由结构紧凑的高效板式换热器和气液分离器所组成。因为低温极易散冷，要求极其严密的绝热保冷，故用绝热材料把换热器和分离器均包装在一个箱形物内，称之为冷箱。前冷流程提高乙烯回收率的方法：前冷是冷箱放在脱甲烷塔之前来处理脱甲烷塔的进料。由于氢气大部分在前

20、冷箱中已经分出，所以提高了脱甲烷塔进料的C1/H2的摩尔比，从而提高了乙烯回收率。后冷流程提高乙烯回收率的方法：后冷流程是冷箱放在脱甲烷塔之后来处理塔顶气体。经过预处理以后的裂解气，经脱甲烷塔、回流罐去第一冷箱换热的不凝气体中，含有34%的乙烯，通过冷箱把尾气中的乙烯含量降低到2%左右，可以多回2%左右的乙烯；并且还能获得浓度为7080%的富氢气体。4 芳烃转化过程1.简述芳烃转化反应作用？芳烃用途、来源及如何分离？芳烃转化反应作用：不同来源的各种芳烃馏分组成是不同的，能得到的各种芳烃的产量也不同，因此如仅从这些来源来获得各种芳烃的话，必然会发生供需不平衡的矛盾，因此就开发了芳烃的转化工艺，以

21、便依据市场的供求，调节各种芳烃的产量。芳烃的来源：芳烃最初全部来源于煤焦化工业，现今石油芳烃是芳烃的主要来源，石油芳烃主要来源于石脑油重整生成油及烃裂解生产乙烯副产的裂解汽油。芳烃的用途：1.芳烃中的“三苯”（苯、甲苯和二甲苯）和烯烃中的“三烯”（乙烯、丙烯和丁二烯）是化学工业的基础原料，具有重要的地位。2.苯可用来合成苯乙烯、环己烷、苯酚、苯胺及烷基苯；3.甲苯不仅是有机合成的优良溶剂，而且还可以合成异氰酸酯、甲酚，或通过歧化和脱烷基制苯；4.对二甲苯主要用于生产对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯，与乙二醇反应生成的聚酯用于生产纤维、胶片和树脂，是重要的合成纤维和塑料之一；5.邻二甲苯主要用来生产

22、邻苯二甲酸酐，进而生产增塑剂；6.间二甲苯主要用来生产间苯二甲酸及少量的间苯二腈，后者是生产杀菌剂的单体，间苯二甲酸则是生产不饱和聚酯树脂的基础原料；7.乙苯主要用于制取苯乙烯，进而生产丁苯橡胶和苯乙烯塑料等；8.C9芳烃组分中，异丙苯主要用于生产苯酚/丙酮的量最大；9.对二乙苯用作对二甲苯吸附分离中的脱附剂；10.萘用来生产染料、鞣料、润滑剂、杀虫剂、防蛀剂等。芳烃的分离方法：溶剂萃取（利用一种或两种以上的溶剂对芳烃和非芳烃选择溶解分离出芳烃）；萃取蒸馏（在萃取蒸馏塔中把溶剂萃取和蒸馏两种过程结合起来）。2.芳烃转化反应类型，反应机理，芳烃转化反应采用哪几种催化剂？芳烃转化反应类型：异构化反

23、应；歧化反应；烷基化反应；烷基转移反应；脱烷基化反应芳烃转化反应机理：芳烃的转化反应都是在酸性催化剂存在下进行的，具有相同的离子反应机理。反应历程包括：正烃离子的生成及正烃离子的进一步反应。芳烃的异构化、歧化、烷基转移和烷基化都是按离子型反应机理进行，正烃离子非常活泼，在其寿命时限内可参加多方面反应，造成各类芳烃转化反应产物复杂化。芳烃转化反应所用催化剂： 酸性卤化物：AlBr3、AlCl3、BF3等 固体酸：浸附在适当载体上的质子酸；浸附在适当载体上的酸性卤化物；混合氧化物催化剂；贵金属氧化硅氧化铝催化剂；分子筛催化剂3甲苯歧化主副反应主反应：副反应：产物二甲苯的二次歧化 产物二甲苯与原料甲

24、苯或副产物多甲苯之间的烷基转移反应甲苯的脱烷基反应芳烃的脱氢缩合生成稠环芳烃和焦4 工业上C8芳烃异构化目的是什么？简述以Pt/Al2O3为催化剂C8芳烃异构化工艺过程。目的是减少异构化装置的物料循环量，提高原料转化率。整个异构化过程包括加氢、异构和脱氢等反应。（催化剂：可使二甲苯之间异构化，也可使一本异构化为二甲苯；具有较好的活性和选择性。）5 烃烷基化反应在工业中有哪些应用？化学过程中主副反应是什么？简述用传统的无水三氯化铝法生产烷基苯工艺流程，该方法与高温均相无水三氯化铝法比较有何不同？芳烃分子中苯环上的一个或几个氢呗烷基所取代生成烷基芳烃的反应成为芳烃烷基化。主要应用于生产乙苯、异丙苯

25、和十二烷基苯等。芳烃烷基化反应化学过程中主副反应：C6H6（气）+CH2=CH2C6H5-C2H5（气） 乙苯 C6H6（气）+CH2CH=CH2C6H5-CH（CH3）2（气） C6H6（液）+CH2=CH2C6H5-C2H5（液）多烷基苯的生成、二烷基苯的异构化反应、烷基转移反应、芳烃缩合和烯烃聚合反应。用传统的无水三氧化铝法生产烷基苯的工艺流程：在低温（95）低压（101.3152.0kPa）下，在搪玻璃的反应器中加入AlCl3催化剂配位化合物、苯和循环的多乙苯混合物，搅拌使催化剂配位化合物分散，向反应混合物中通入乙烯，乙烯基本上完全转化。由反应器出来的物流约由55%未转化的苯、35%3

26、8%乙苯、15%20%多乙苯混合有机相和AlCl3配位化合物组成。冷却分层，AlCl3循环返回反应器，少部分被水解成Al（OH）3废液。有机相经水洗和碱洗除去微量AlCl3得到粗乙苯，最后经三个精馏塔分离得到纯乙苯。传统的无水三氧化铝法与高温均相无水三氧化铝法比较有何不同？不同的是高温均相无水三氧化铝法应用了一种有内外圆筒的烷基化反应器。乙烯、干燥的苯、三氧化铝配位化合物先在内筒反应，在此内筒内乙烯几乎全部反应完，然后物料折入外筒使多乙苯发生烷基转移反应。6 芳烃脱烷基的方法有哪几种？工业上主要应用是什么？烷基芳烃的催化脱烷基；烷基芳烃的催化氧化脱烷基；烷基芳烃的加氢脱烷基；烷基苯的水蒸气脱烷

27、基法。工业上主要应用的是：甲苯脱甲基制苯、甲基萘脱甲基制萘。7 如何从C8芳烃中分离出邻二甲苯和乙苯？又如何把对、间二甲苯进行分离？简述分离原理。邻二甲苯的分离：C8芳烃中邻二甲苯的沸点最高，与关键组分间二甲苯的沸点相差5.3，可以用精馏法分离，精馏塔需150200块塔板，两塔串联，回流比710，产品纯度为9899.6。乙苯的分离：C8芳烃中乙苯的沸点最低，与关键组分对二甲苯的沸点仅差2.2，可以用精馏法进行分离，但较困难。工业上分离乙苯的精馏塔实际塔板数达300400（相当于理论塔板数200250），三塔串联，塔釜压力0.350.4MPa，回流比50100，可得纯度在99.6以上的乙苯。其它

28、方法有络合萃取法和吸附法。对二甲苯的分离：深冷结晶分离法：深度冷却至6075，熔点最高的对二甲苯首先被结晶出来。工业上一般采用二段结晶工艺络合分离法模拟移动床吸附分离法：在移动床中固体吸附剂和液体做相对移动，并反复进行吸附和脱附的传质过程被分离物质A比B有更强的吸附力，吸附剂自上而下，脱附剂D逆流而上，将被吸附的A与B可逆地置换出来，被脱附下来的D与A、D与B分别从吸附塔引出，经过蒸馏可将D与A和D与B分开。脱附剂再送回吸附塔循环使用。间二甲苯的分离：络合萃取分离法：C8芳烃四个异构体与HF共存于一个系统时，形成两个相互分离的液层，上层为烃层，下层为HF层。加入BF3后，发生化学反应而生成在HF中溶解度大的配位化合物，由于间二甲苯碱度最大，所形成的配位化合物稳定性最大，故能在系统中发生置换反应，置换结果：HFBF3层中的间二甲苯浓度越来越高，烃层中的间二甲苯浓度越来越低，从而达到选择分离的目的。8 工业上吸附分离对、间二甲苯分离性能较好的吸附剂是什么？吸