化学工艺学习题及解答

化学工艺学12-1、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，石油化工将逐步萎缩，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，投资和生产成本也比较低廉。今后，天然气化工和煤化工一样，将逐步取代石油化工，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、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。3-1氧化反应有哪些特点？这些特点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，在工艺流程中须设置中止氧化反应的设备，如急冷器等。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，将转化率再次提至97%-98%。由于提升幅度不大，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。3-4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。车间设置安全通道，配置灭火等消防设施。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，提高反应的化学工艺学2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，工艺流程简单，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。3-8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置，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，只有将他们脱除至某一指标后，才能用作电解液。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。焙烧的工业应用实例：硫铁矿焙烧制备二氧化硫。4FeS2+11O2→2Fe2O3+8SO2↑3FeS2+8O2→Fe3O4+6SO2↑煅烧的工业应用实例：石灰石煅烧制备生石灰。CaCO3→CaO+CO2↑4-2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：1,选取合适的浸取剂；2,对矿物进行切片、粉碎、研磨等予处理；3,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；4,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：①液相SO3浓度；②反应温度；③料浆中P2O5浓度；④料浆中固含量；⑤料浆返回量；⑥物料在反应槽中停留时间；⑦搅拌强度。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。化学工艺学35-3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