《化工工艺学》期末复习题初步整理

《化工工艺学》复习题初步整理1绪论1.掌握以下概念化学工业：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制造业。化学工艺学：即化工生产技术，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。化学工程学：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，它的一个重要任务就是研究有关工程因素对过程和装置的效应，特别是放大中的效应。2．现代化学工业特点。1．原料、生产方法和产品的多样性与复杂性；2．向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高；3．是多学科合作、生产技术密集型的生产部门；4．重视能量合理利用,以及采用节能工艺和方法；5．资金密集，投资回收速度快，利润高；6.化工生产中易燃、易爆、有毒仍然是现代化工企业首要解决的问题。3．化学工业发展方向。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.实施废弃物的再生利用工程。4．化学工业的原料资源自然资源：矿物、生物、空气和水。矿物资源：金属矿、非金属矿、化石燃料矿生物资源：农、林、牧、副、鱼的植物体和动物体另外：再生资源（废物利用）化学工业主要产品无机化工产品：酸、碱、盐基本有机化工产品：乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、乙炔、萘、合成气等。高分子化工产品：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：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）。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：CH4＞90%湿气：C2~C5≥15%~20%或以上富气:C3以上烃＞94×10－6m3贫气:C3以上烃＜94×10－6m3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C2~C5烷烃的利用3.生物质和再生资源的利用前景如何?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。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。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。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：①是否满足所要求的技术指标；②技术资料的完整性和可信度；③经济指标的先进性；④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：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。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。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。8.计算：见教材13.一氧化碳与水蒸气发生的变换反应为CO＋H2O＝CO2+H2，若初始混合原料的摩尔比为H2O／CO＝2／1。反应在500℃进行，此温度下反应的平衡常数222()()4.88()()PpCOpHKpCOpHO，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30％CS2、26％C2H6、14％CH4、10％H2、10％N2、6％O2和4％CO，与空气一起燃烧，产生的烟道气含有3％SO2、4％CO，其余为CO2、H2O、O2和N2。求空气的过剩百分数。15.将纯乙烷进行裂解制取乙烯，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1.013×105Pa。3烃类热裂解1.什么叫烃类的热裂解？答：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：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。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.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？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。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。5.试分析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。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？答：⑴烯烃经过炔烃中间阶段而生碳。裂解过程中生成的乙烯在900~1000℃或更高温度经过乙炔阶段而生碳CH2=CH2HCH2=CH·HCH≡CHHCH≡C·H·C≡C·HCn⑵经过芳烃中间阶段而结焦：萘H二联萘H三联萘H焦8.已知－甲基戊烷（n=6）：管式炉裂解，760℃时停留时间为0.5秒，试求转化率。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？答：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。答：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=AｅE/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。答：压力改变反应物浓度，压力降低，对一次反应不利