化工工艺学复习资料

1*化学工业：又称化学加工工业，泛指生产过程中化学方法占主要地位的过程工业。*化学工艺：即化学生产技术，系指将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，包括实现这种转变的全部化学的和物理的措施。*化学工艺学：是将化学工程学的先进技术运用到具体生产过程中，以化工产品为目标的过程技术*化学工程学：主要研究化学工业和其它过程工业生产中所进行的化学过程和物理过程的共同规律*化工生产工艺流程：原料需要经过包括物质和能量转换的一系列加工，方能转变成所需产品，实施这些转换需要有相应的功能单元来完成，按物料加工顺序将这些功能单元有机的组合起来，则构筑成工艺流程，将原料转变成化工产品的工艺流程称为化工生产工艺流程。*循环工艺流程：未反应的反应物从产物中分离出来，再返回反应器的工艺流程，其它一些物料如溶液、催化剂溶剂等再返回反应器也属于循环。优点：能显著地提高原料利用率，减少系统排放量，降低了原料消耗，减少了原料的污染。缺点：工艺流程复杂。*转化率：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X表示。X＝某一反应物的转化量/该反应物的起始量*选择性：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S表示。S＝转化为目的产物的某反应物的量/该反应物的转化总量*收率：Y＝转化为目的产物的某反应物的量/该反应物的起始量Y＝SX1.现代化学工业的特点：答：⑴原料、生产方法和产品的多样性与复杂性；⑵向大型化、综合化、精细化方向发展；⑶多学科合作、技术密集型生产；⑷重视能量合理利用，积极采用节能工艺和方法；⑸资金密集，投资回收速度快，利润高⑹安全与环境保护问题日益突出2.化学工业发展的方向：答：①面向市场竞争激烈的形势，积极开发高新技术，缩短新技术、新工艺工业化的周期，加快产品更新和升级的速度；②最充分、最彻底地利用原料；③大力发展绿色化工；④化工过程要高效、节能和智能化；⑤实施废物再生利用工程。3.化学工业的原料资源：答：自然资源：矿物、植物和动物，还包括空气和水；再生资源4.化学工业的主要产品：答：无机化工产品—硫酸、盐酸、纯碱、烧碱、合成氨和氮、磷、钾等化学肥料、无机盐、无机酸、工业气体等；有机化工产品—乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、合成气等产品；高分子化工产品—通用高分子、特种高分子高分子共混物、高分子复合材料等；精细化工产品—①精细化学品：染料、农药、涂料、表面活性剂、医药等；②专用化学品：农用化学品、油田化学品、电子信息用化学品、催化剂等；生物化工产品—①大宗化工产品：乙醇、丙酮、丁醇、甘油、柠檬酸、乳酸②精细化工产品：各种氨基酸、酶制剂、核酸、生物农药③医药产品：各种抗生素、维生素、甾体激素、疫苗等。5.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：⑴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；⑵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；⑶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？⑴石油：①一次加工：常压蒸馏、减压蒸馏②二次加工：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。⑵天然气：①天然气制氢气和合成氨；②天然气经合成气路线的催化转化制原料和化工产品；③天然气直接催化转化成化工产品；④天然气热裂解制化工产品；⑤甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化制化工产品；⑥湿气天然气中C2～C4烷烃的利用。⑶煤：①煤干馏（高温干馏/炼焦、低温干馏）②煤气化③煤液化（煤的直接液化、间接液化）。6.天然气的分类：答：⑴干气：主要成分甲烷含量高于90℅；⑵湿气：C2～C4烷烃含量在15℅~20℅或以上。天然气的加工利用见9。27.生物质和再生资源的利用前景：答：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源，而且是治理污染、保护环境的有效措施之一。8.举例说明工艺流程是如何组织的。答：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。如推论分析法：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。推论分析法采用的是“洋葱”逻辑结构，以反应器为核心开始，由反应器产生的由未反应原料、产品和副产品组成的混合物，需进一步分离，分理处的未反应原料再循环利用。紧随反应器设计的是分离与再循环设计，再就是换热网络设计，井热量回收而不能满足的冷、热负荷决定了外部公用工程的选择与设计。9.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？答：对于同一反应物而言，转化率、选择性和收率的关系：Y=SX。对于多反应体系，S1，希望在选择性高的前提下转化率尽可能高。通常使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化率或高选择性，而要兼顾两者，使目的产物的收率最高。10.催化剂的基本特征：答：⑴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⑵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⑶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。11.催化剂在化学生产中的作用：答：⑴提高反应速率和选择性；⑵改进操作条件；⑶催化剂有助于开发新的反应过程，发展新的化工技术；⑷催化剂在能源的开发和消除污染中可发挥重要作用。12.生产中正确使用催化剂的方法：答：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。烃类热裂解*焦：原料经蒸馏将重质油分离后，重质油再经裂解过程转化而成的产品。*烃类的热裂解：将石油系烃类燃料（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，生成相对分子质量较小的烯烃、烷烃和其它相对分子质量不同的轻质和重质烃类。*一次反应：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：一次反应产物继续发生的后继反应。*停留时间：管式裂解炉中物料的停留时间是指裂解原料经过辐射盘管的时间。*烃类的热裂解：将石油系烃类燃料（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，生成相对分子质量较小的烯烃、烷烃和其它相对分子质量不同的轻质和重质烃类。*裂解气预分馏：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的环节。*碱洗法脱除酸性气体：用NaOH为吸收剂，通过化学吸收使NaOH与裂解气中酸性气体发生化学反应以达到脱除酸性气体的目的。*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。①.正己烷管式炉裂解，炉温出口温度为760℃,转化率为88.3%。Ks=4.289S-1,求停留时间。解：Kt=ln(c0/c)=ln1/(1-X),解得：t=0.5s②．试从化学热力学的方法来分析比较在1000K时苯发生如下两个反应时哪个反应占优势？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。3苯↗3C2H4△GkJ/mol93.96答：↘1/2二联苯-260反应的标准自由焓变化△GT可作为反应进行难易程度的判据，裂解反应是吸热反应，△GT越高说明该反应吸收的热值越高，反应越难进行，因此2反应较易进行。烃类裂解规律：无烷基的芳烃基本上不裂解为烯烃。含环烷烃较多的原料丁二烯、芳烃的收率最高，而乙烯的收率较低。对于含苯较高的原料，由于芳环的稳定性，不易发生裂开芳环的反应，主要芳烃缩合生成多环芳烃，进一步成焦，所以含苯较高的原料不仅乙烯收率低，而且结焦严重。③.将乙烷进行裂解制乙烯，，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、乙烯的全程收率和全程质量收率。解：由于乙烷的全程转化率为60%，则裂解器中反应掉的原料乙烷量为H=100*0.6=60kg乙烯的选择性：S=(46.4/28)/(H/30)*100%=82.86乙烷的循环量：Q=100-H-4=36kg补充的新鲜乙烷量：F=100-Q=64kg乙烷的全程转化率：X=(H/F)*100%=93.75乙烯的单程收率Y1=(46.4/28)/(100/30)*100%=93.75%乙烯的全程收率（摩尔收率）Y=(46.4/28)/(F/30)=77.68%乙烯的全程质量收率Y’=(46.4/F)*100%=72.5%1.烃类热裂解过程中可能发生的化学反应。答：⑴烷烃：脱氢反应、断链反应、环化脱氢反应；⑵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；⑶环烷烃：断裂开环反应、脱氢反应、侧链断裂及开环脱氢反应；⑷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；⑸结焦生炭反应。2.一次反应与二次反应的区别及产物。答：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.各族烃的裂解反应规律。答：（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，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。4.为什么烷烃是裂解制氢的理想原料？答：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，，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。5.压力对裂解反应的影响：答：1）从化学平衡角度：lnKx=-Δnlnp+lnK(ðlnKx/ðp)T=-△n/pn0时，增大反应压力Kx上升。平衡向生成产物方向移动；n0时，增大反应压力Kx下降。平