化工工艺课后习题.docx

1、化工工艺课后习题第二章化工资源及初步加工2-1、煤、石油和天然气在开采、运输、加工和应用诸方面有哪些不同？答：（1）开采：一个煤矿往往有多层煤层。每煤层的厚度也不同，为此需建造长长的坑道，铺上铁轨，才能从各层将煤运出。为运送物资和人员，还需要建造竖井，装上升降机。石油和天然气，用钻机钻道并建立油井（或气井）后，借用自身的压力（开采后期需抽汲），石油及天燃气即可大量从地下喷出，因此开采比煤方便得多。（2）运输：煤用铁路或轮船运输，运力受限制，石油和天然气一般采用管道输送，初期投资似乎较大，但从长期看还是划算的，管道输送成本低、方便，也不受运力限制。（3）加工：煤是高分子量缩聚物，一般用热化学方法

2、处理，将煤裂解，可得到气体、液体和固体产物，由于成分复杂，从中制取纯物质难度较大。石油和天然气是由许多小分子量有机物组成的混合物，一般采用物理方法将混合物分离和提纯。为增加某一组分（或馏分）的产量，也常采用化学方法（如化学合成或化学热裂解）。因此，由石油和天然气加工制得的化工产品，比煤多得多，生产成本也比煤低。（4）应用：煤主要用作一次性能源。随着石油资源日益枯竭，由煤合成液体燃料已引起世界各国的重视，并得到迅速发展，继而带动煤化工工业的发展。煤化工产品的品种、品质和数量不断增加。人们指望在不久的将来，由煤化工和天然气逐步取代石油化工，成为获取化工产品的主要途径。石油大量用作发动机燃料，由石油

3、为原料形成的石油化工目前仍为世界各发达国家的支柱产业。大多数的化工产品都由石化行业生产出来。但随着石油资源的枯竭，石油化工将逐步缩，并被煤化工和天然气化工取代。天然气目前大量用作民用燃料。但以天然气为原料的C1化学工业发展迅速，天然气资源丰富，开采和运输方便，以它为原料合成发动机液体燃料，投资和生产本也比较低廉。今后，天然气化工和煤化工一样，将逐步取代石化工，成为化学工业的主要产业。2-2、试叙述煤化程度与煤的性质及应用的关系。答：在泥炭化阶段，经好养细菌和厌氧细菌分解，植物开始腐败，植物中的蛋白质开始消失，木质素、纤维素等大为减少，产生大量腐蚀酸。但植物残体清晰可见，水分含量很高，这一阶段得

4、到的泥炭，大量用作民用燃料，工业价值甚小。在煤化阶段，形成的泥炭在地热、地压的长期作用下，开始进一步演变，首先有无定形的物质转换为岩石状的褐煤，腐植酸大为减少，并发生脱水，增石炭作用（由缩合和叠合作用得到）氢和氧含量降低，褐煤水含量仍高，发热量亦不高，由于缩合和叠合作用处于初级阶段，用作民用燃料、煤气化原料尚可，用作炼焦原料则不宜。在地压和地热的继续作用下，褐煤中的有机质进一步反应，逐步形成凝胶化组份、丝炭组分和稳定组份。由于成煤原料（植物）和成煤条件的差异，形成的上述组分的含量各不相同，所得的烟煤品质也不同。随着缩合和叠合作用持续地进行下去，结果形成不同煤化程度的烟煤。如长焰煤、气煤、肥煤、

5、焦煤和瘦煤等。处于焦煤阶段的煤，由于缩合和叠合程度适宜，煤的粘结性好，适合用作炼焦原料。由烟煤演变成的无烟煤，分子叠合程度进一步加深，H、O含量进一步减少，凝胶化组份和稳定组分明显减少，这种煤适合做民用燃料和煤气化燃料，在化工上的应用也不如烟煤重要。煤化程度演变到石墨阶段，煤分子中H、O已消失，分子排列正规，用加热的方法已不能将其分解，物理、化学性质已同普通煤有相当大的区别，似乎已是另类物质，故不将它列为煤的一个品种。2-3、为多产芳烃，在催化重整中要控制哪些工艺参数？答：首先要选取合适的重整原料油的族的组成，即馏分油中环烷烃含量要高。因它经芳构化反应，生成的芳烃产率亦高；其次是选择优良催化剂

6、，它不仅能减少贵金属Pt的用量，延长催化剂使用寿命，而且还可增加芳烃产率和缓和反应工艺条件；再次shirt选择合适的工艺，如采用移动床连续式再生工艺，因它不仅生产能力大，效率高，而且可使催化剂的活性和选择性一直处于良好状态，从而可得到高效率、高质量的芳烃产品。最后是选择适宜的抽提剂和抽提工艺。优良的抽提剂可减少因混入余油中的芳烃量，从而增加芳烃的收率。优良的抽提工艺，可减少工艺的能耗和抽提剂消耗量。2-4、查阅有关文献资料，写一篇“21世纪的天然化工”小论文。提示：（1）关键词：天然气：产量和储量；目前市场消费量及消费方向；今后消费趋势（2）文献资料：美国(CA);中国化学文摘；中国化工信息石

7、油和天然气化工天然气工业（3）撰写大纲举例：1、世界和中国天然气储量丰富，开采量增长势头猛烈。2、天然气目前大量用作燃料和化工原料，合成发动机燃料的工业也得到快速发展，天然气化工在国民经济中的作用日益突出。3、天然气化工和煤化工一起，将取代石油化工成为化学工业的支柱产业，具体表现在以下方面.4、结论：21世纪的天然气化工大有作为2-5、除课文已叙述的外，试举两个以农副产品为原料生产化工产品的例子，简单的描述一下他们的生产过程。提示：如利用家畜粪便生产沼气；由雷火藤经抽提制取中成药；由茉莉花经抽提制取茉莉花香精等。可根据各自经历，自由选择。第三章通用反应单元工艺3-1氧化反应有哪些特点？这些特点

8、与工艺流程的组织有什么具体的联系？答：氧化反应的共同特点有：1属强放热反应；2反映途径多样化，副产品品种多；3生成CO2和水的倾向性（即深度氧化）大。在工艺流程中须考虑热量的回收和合理利用，在设备的选用时，须考虑反应热的及时携出问题。由于生成的主、副产物品种多，含量不高（或集中度差），在工艺流程中须考虑产物的分离次序。分离设备的选用或设计时要考虑是否能达到分离要求的问题。为减少CO2和水的生成，选择氧化剂和氧化催化剂相当重要，并在工艺流程组织重要考虑氧化剂和氧化催化剂的循环及回收利用问题，为减少深度氧化反应的发生，适时中止氧化反应相当重要，为此，在工艺流程中须设臵中止氧化反应的设备，如急冷器等

9、。3-2二氧化硫催化氧化生成三氧化硫，为什么要在不同温度条件下分段进行？答:在二氧化硫催化氧化生成三氧化硫的反应中，反应热力学和反应动力学之间存在矛盾，即为达到高转化率，希望反应在较低温度下进行。为加快反应速率，希望反应在较高温度下进行，在实际生产中，为兼顾资源利用、环境保护及企业生产能力，常将反应分段进行。首先利用SO2初始浓度高，传质推动力大的优势。在较低温度下快速将反应转化率提升至70%-75%，然后快速升温至较高反应温度，在此利用反应动力学优势，快速将反应转化率提升至85%-90%。进入第三阶段后，反应又在较低温度下进行，利用反应热力学优势，将转化率再次提升至97%-98%。由于提升幅

10、度不大，花费的时间也不会很多。这种反应顺序的安排，既照顾了反应转化率，又兼顾了反应速率。但若追求高转化率（如达到99.5%），反应需在更低的温度下进行，花费时间长，将严重影响到企业的生产能力，此时需采用本教科书上介绍的“二转二吸”工艺才行。3-3硝酸生产中，氧化炉的哪些构件是为满足工艺要求而设臵的？答：氧化炉的上下锥体的角度在65-75，上锥体设有锥形分布器使氨-空气混合气气流分布均匀。下锥体通过热量反射，让铂网受热均匀，并用耐火砖衬里保温，使催化区域保持足够高的温度，并有利反应热的回收和利用。下锥体的花板上，还设臵消音环，以消除反应中产生的啸叫声。氧化炉的圆柱体部分，设臵铂催化基层，气流方向

11、与铂网重力方向一致，以减少铂网的振动，降低铂的损失。为开工点火、测温和取样分析，在上圆柱体开设了视孔、取样孔，在下圆柱上开设了点火孔，通过上述构件，保证氨-空气混合气均匀流过铂网整个截面，满足反应温度均匀，铂网损失最小，以及热损失较小等工艺要求。3-4简述环氧乙烷生产中车间的安全问题。答：环氧乙烷生产车间采用的原料（以西）和产品（EO）都是易燃易爆物料，运输和储存中，管路、容器和反应器都不准有溢流现象发生；车间动力线路采用暗线埋设，设备采用防爆电机驱动，设备之间排列顺序和间距要符合国家安全要求，不能用铁器击打设备和管道，不穿有铁钉的鞋子。各工段之间的间距也符合国家安全要求。乙烯-氧气混和器，氧

12、化反应器的设计和制造要规范，严格符合工艺和安全要求，以避免混合器爆炸、氧化器“飞温”和“尾烧”等事故发生。车间设臵安全通道，配臵灭火等消防设施。3-5丙烯腈反应器改进的方向以及目前遇到的困难答：目前广泛采用的Sohio细粒子湍流床反应器比固定床反应器优越，但实际操作与反应原理之间存在不小的矛盾。从氧化-还原机理及丙烯氨氧化的特性来看，要求床层下部处于低氧烯比状态，在获得一定转化率（如80%）的同时，提高反应的选择性；在床层上部处于高氧烯比状态，让剩余丙烯继续反应，转化率达到98%以上，而实际操作情况则与之相反，选择性和转化率不高，大有改进余地，Sohio公司近年来开发的新型反应器（如本教科书图

13、3-1-42所示），以及国内开发的UL反应器（如图3-1-43所示），都采用分段式（或两个反应区域）布局。首先在低氧烯比条件下反应，然后分段（区域）补充氧气继续反应，以获取较高的选择性和转化率。这类反应器岁发表了专利，但存在气-固分离器负荷大，分离器内固体粒子浓度高，易发生深度氧化反应，以及催化剂跑损严重的缺点，反映器结构也颇为复杂，至今还没有实现工业化。3-6氨合成有多种工艺流程，试说说他们的主要特点。答：（1）中国中型合成氨系统工艺流程，属中压法采用中国自主开发的轴径向氨合成塔，工流程简单，投资省，适宜与非尿素类氨企业配套，缺点是氨净值低，能量回收和利用差，生产成本高。（2）布朗三塔三废锅

14、氨合成圈工艺流程。属低压法，能量回收利用好，氨净值高，采用天然气为原料，新鲜补充原料气经生冷法已除去惰性气体，H2、N2也得到调整，对反应有利，且弛放气无排放，原料利用率高，但工艺流程复杂，投资大，适用于大型合成氨厂采用，生产成本低，环境污染小。（3）伍德两塔两废锅氨合成圈工艺流程，属低压法，能量回收和利用好，氨净值高，采用石油渣油为原料，弛放气经回收H2后排放，原料利用率高，但工艺流程复杂，投资大，适用于大型合成氨厂采用，生产成本低，环境污染小。（4）托普索S-250型氨合成圈工艺流程，属低压法，因采用径向反应塔，小颗粒催化剂，反应压降小，催化剂活性高，能量回收利用好，氨净值高，以天然气为原

15、料，适用于大型合成氨厂采用。（5）卡萨里轴径向氨合成工艺流程，属低压法，能量回收利用好，氨净值较高，只需一个反应器，故能方便的应用于中国中型合成氨厂的扩能技改中，但因氨净值比上述的（2）（4）稍低，在新建大型氨厂采用还不十分适宜。3-7评价一个工艺流程的主要技术经济指标有哪些？答：主要有：（1）原材料的消耗定额。（2）能量的消耗定额。这两个指标直接影响到生产成本（3）反应转化率（4）反应选择性（或收率）。这两个指标用来评判反应条件是否合理，选用催化剂是否优良（5）三废排放量（包括废气、废液和废渣）及治理指标，这一指标用作环境评估依据（6）某一生产能力下的投资金额，这一指标用作选择工艺流程的依据

16、。3-8简述离子膜法电解原理答：利用离子交换膜代替隔膜。离子交换膜微孔中，挂有磺酸基团（-SO3-）其上有可交换的Na+能与阳极电解液（盐水）中的Na+进行交换，客观上看到的是Na+经微孔进入阴极室，而阳极电解液中的Cl-或阴极室中的OH-因受-SO3-的排斥，不能经微孔流入阴极室或阳极室。因此，经过放电，在阳极室可得到Cl2及低浓度食盐水，在阴极室得到H2和低浓度纯NaOH溶液。若阳极电解液（盐水）中含有多价阳离子（如Ca2+、Mg2+、Al3+和Fe3+等）按上述原理也会与-SO3-的Na+交换，从而占据了部分交换位臵，是离子交换膜的交换Na+的能力下降，故原料盐水的脱多价阳离子相当重要，

17、只有将他们脱除至某一指标后，才能用作电解液。第四章无机化工反应单元工艺4-1培烧和煅烧有哪些相同和不同之处？试写出培烧和煅烧化学反应式各一条，举例说明培烧和煅烧的工业应用。答：焙烧是将化学矿石在空气、氢气、氯气、一氧化碳、二氧化碳等气流中不加或配加一定的物料，加热至低于炉料熔点，发生氧化、还原或其他化学变化的单元过程。煅烧是在低于熔点的适当温度下，加热物料，使其分解，并除去所含结晶水、二氧化碳或二氧化硫等挥发性物质的过程。两者相同之处是：均在低于炉料的熔点的高温下进行。两者的不同之处是：焙烧是原料与空气、氯气等气体及添加剂发生化学反应，煅烧是物料发生分解反应，失去结晶水或挥发组分。焙烧的工业应

18、用实例：硫铁矿焙烧制备二氧化硫。4FeS2+11O22Fe2O3+8SO23FeS2+8O2Fe3O4+6SO2煅烧的工业应用实例：石灰石煅烧制备生石灰。CaCO3CaO+CO24-2采用哪些措施可提高矿务的浸取速度？书中介绍的各类浸取器的共同点和特点是什么？答：提高矿物浸取速率的措施有：选取合适的浸取剂；对矿物进行切片、粉碎、研磨等予处理；选取合适的浸取条件，包括温度、浸取剂浓度、矿石粒径、液固比、搅拌措施等；选取合适的浸取设备。浸取器有间歇式、半连续式、连续式；按固体原料处理方式，分为固定床、移动床、分散接触式等；按液固接触方式，可分为多级接触、单级接触等。浸取器有渗滤器、机械搅拌槽式浸取

19、器、空气鼓泡槽式浸取器、回转式浸取器、板式浸取塔、增稠浸取器、螺旋浸取器等。4-3在湿法磷酸生产中，可采取那些措施来提高磷的总收率？答：在湿法磷酸生产中，提高磷收率的措施有：在磷矿浸取工序要尽可能提高磷矿分解率，尽可能减少由于磷矿粉被包裹或同晶取代造成的P2O5损失。在分离工序要求CaSO4结晶粗大、均匀、稳定，过滤强度和洗涤效率高，减少P2O5损失。要选取合适的浸取条件，包括：液相SO3浓度；反应温度；料浆中P2O5浓度；料浆中固含量；料浆返回量；物料在反应槽中停留时间；搅拌强度。4、查阅有关资料补充说明硫酸钾还有哪些生产方法？答：硫酸钾的几种生产方法：（1）氯化钾与硫酸镁转化（基于复分解反

20、应）2KCl+MgSO4K2SO4+MgCl2（2）氯化钾与无水钾镁矾转化4KCl+K2SO42MgSO43K2SO4+2MgCl2（3）由氯化钾与硫酸反应2KCl+H2SO4K2SO4+2HCl（4）由钾盐镁矾（KClMgSO42.75H2O）第一步生成软钾镁矾4（KClMgSO42.75H2O）+H2O2（K2SO4MgSO46H2O）+2MgCl2第二步再分解得硫酸钾K2SO4MgSO46H2OK2SO4+MgSO4+6H2O（5）从天然卤水或制盐苦卤水中回收利用多元盐水相图原理，从含钾盐明卤水中按K+-Na+-Mg2+|Cl-SO42-|H2O体系相图设计加工途径提取K2SO4。第五章

21、有机化工反应单元工艺5-1裂解气生冷分离中，采用哪些措施来回收冷量？答：冷量的回收表现在两个方面，一个方面是低温度级别的冷量在不同温度下的重复使用，例如塔顶冷凝器用的低温冷剂，用作温度稍高的精馏塔顶冷剂，或中间冷凝器的冷剂，依此类推直至这种冷剂全部汽化，温度升至接近常温为止，另一种是现有冷剂通过节流膨胀或热泵系统维持一定的低温度级别冷剂，以减少低温度级别的冷剂的制造量，从而节约能量。冷箱是回流冷量的经典设备，利用这一设备可制造出更低温度级别的冷量，用作脱甲烷塔的冷剂等。这一过程，可看做潜在冷量被释放出来，变成更低温度级别的冷量，使之得到回收和利用。5-2在两种环氧氯丙烷的生产方法中，采用了哪些

22、氧化剂？请扼要说明相应的工艺条件答:氯丙稀法采用的氧化剂有：气态Cl2，次氯酸；醋酸丙烯酯法采用的氧化剂有：气态Cl2。氯丙稀法中的丙烯高温氧化在400500，0.08MPa的条件下进行，丙烯和氯气的配比为n（C3H6）n（Cl2）=4：1。氯丙稀的次氯酸化原料配比为n（氯丙稀）：n（氯气）=1.003：1，反应分三批进行，操作温度分别为30，38和46；醋酸丙烯法中的氯化反应，反映条件为温度010,压力00.3MPa（表），烯丙醇转化率可达100%。5-3采用催化蒸馏法有哪些好处？答:首先，催化蒸馏法将反应器和蒸馏塔组合在一起，实现了反应和蒸馏在同一设备内进行，因而节约了设备投资费。其次，可

23、将反应热供给蒸馏和提馏段。节能效果明显，也省去加热设备和相应管路。最后是因反应产物能通过蒸馏和提馏快速离开反应区，有利于平衡向生成目的产物方向移动，从而提高了反应的平衡转化率。5-4解释气相乙烯水合法生产乙醇。乙烯转化率仅为4.5%5.0%的原因。答：这可由平衡转化率与温度和压力的关系来确定（见本教材书图5-4-04）。由该图可见，即使压力升至14.7MPa。在300时，乙烯的平衡转化率仅为22%，在此条件下，乙烯已发生猛烈的聚合反应。另一方面，工业上应用的磷酸/硅藻土催化剂，只能在250300时才能发挥正常活性。为防止聚合，工业上采用的压力在7.0MPa左右。250300下相应的平衡转化率为

24、10%20%。考虑到动力学因素（希望在稍高温度下进行），实际的转化率很低，仅为5%左右5-5可采用哪些措施来提高n（正丁醛）/n（异丁醛）的比例？答：主要有：（1）采用膦羰基铑催化剂。它可将n（正丁醛）/n（异丁醛）比例由羟基钴催化剂的（34）：1提升至（1215）：1。（2）控制合适的反应温度，也可提高n-/i-的比例（3）适当降低CO和升高H2分压，也有利于n-/i-的比例的升高（4）采用非极性溶剂（如2，2，4-三甲基戊烷。苯等）也可提升n-/i-的比例。第六章煤化工反应单元工艺6-1煤的热分解过程条件的变化对煤的干馏和气化有什么影响?答:温度：随最终温度的升高，煤干馏时，焦炭和焦油产率

25、下降，煤气产率增加而煤气热值降低，焦油中芳烃与沥青含量增加，酚类和脂肪烃含量降低，煤气中氢气成分增加而多碳烃类减少。气化时，煤焦的气化速率增加，气化过程由化学控制向扩散控制过渡，高温气化的煤气中焦油和烃类物质很少，接近平衡组成。升温速率：随加热速率的增加，煤干馏时热解的液体量增加、胶质体温度范围扩大，煤膨胀度增加，焦炭裂纹增加，块度下降。快速升温有利于挥发分析出，半焦气孔率增加，可促进气化过程。压力：在压力下进行热解时，煤的粘结性得到改善，此时，裂解产生的液体产物数量以及液体产物的停留时间随压力增加而增加，从而有利于对固相的润湿作用的缘故。压力增加同样加速气化反应速率。但煤干馏时，压力增加干馏

26、煤气产率下降。气氛：在氢气氛中进行热裂解和在惰性气氛中显著不同，在加氢气氛中裂解仅需几秒钟就能生成更多的挥发产物，加氢热解后甲烷和轻质油产率明显增加，而干馏残炭产率明显下降。同样煤在二氧化碳气氛和水蒸气气氛下的气化速率也是不同的，一般煤焦与水蒸气的气化速率大于煤焦与二氧化碳的气化速率。6-2实行配煤炼焦有哪些积极意义?答:炼焦煤资源：国内外都存在优质炼焦煤资源不足，中国更是如此。焦炭质量本身：单一煤种炼焦只有焦煤合适，但随着高炉大型化，单一煤种的焦炭不能满足现代高炉要求。调整炼焦企业产品结构：在保证焦炭质量前提下，尽量增加焦化产品收率，有利于企业经济利益。6-3实现煤气化多联产系统有哪些好处?

27、答:传统煤化工主要是焦化、气化、液化和电石乙炔。粗放式加工：以焦炭、煤气为主要产品，为冶金和化工（化肥，芳烃，乙炔）提供原料；本质是热加工：基本不用催化剂和反应器，采用高温加热的焦炉和煤气炉。虽称煤化工，但缺少化工特色；工艺技术发展程度低，劳动条件较差；规模小，增值少，环境污染严重。煤气化多联产系统的好处：以煤气化为龙头，采用资源/能源/环境一体化的多联产工艺，实现煤炭大规模、高效、清洁转化和多联产。它是一个多元集成技术体系，并能根据市场需求把多种先进技术组合成不同能源体系；考虑工业生态学，可实现颗粒物、SO2、NO2和固体废物等污染物的近零排放，通过提高效率和碳封存实现CO2零排放；原料和产

28、品的多元化，原料包括煤、天然气、渣油、石油焦、生物质、城市垃圾等，产品有发电联产蒸汽、液体燃料、合成气、化学品、氢等；先进的系统集成及计算机控制技术以保证系统运行的可靠性和稳定性。6-4查阅有关资料撰写一篇“21世纪的煤化工展望”小论文。答题要点：煤炭资源状况和煤与油气异同，尤其是煤炭直接利用对环境的影响，说明煤炭转化的重要性。结合当时煤化工产业的热点，阐述煤化工发展趋势。第七章精细化工反应单元工艺7-1写出芳烃磺化反应的主要副反应以及克服这些副反应的方法。答:芳烃的磺化最主要的副反应是形成砜,特别是再芳环过剩和磺化剂活性强的时候，如：用三氧化硫磺化时，极易形成砜，可以用卤代烷烃为溶剂，也可以用三氧化硫和二氧六环、吡啶等的复合物来调节三氧化硫的活性。发烟硫酸磺化时，可通过加入无水硫酸钠，抑制砜的形成。7-2举例说明硝化反应的注意事项答：1）由于硝化一般在氧化条件下进行，需要注意反应物被氧化，如芳胺的硝化，需要把氨基保护起来，常用的方法有两种，a）在强酸性条件下进行硝化，使氨基成铵正离子，避免氧化副反应。b)将氨基先保护，如用乙酰基，对甲苯磺酰化，然后再进行硝化。2）温度对硝化反应非常重要，需要注意反应过程中温度控制，避免在硝化反应中出现多硝化的副反应，另外温度高了容易引起安全事故。