四川大学工业化学复习题(完整版)

第三章硫酸工业1.阐述硫铁矿为原料制取硫酸的主要工序及焙烧原理，并写出主要化学反应式。（10分）主要工序：（FeS2）选矿→硫铁矿焙烧→炉气净化→SO2催化转化→三氧化硫吸收→尾气回收SO2和污水处理。焙烧原理：主反应:4FeS2+11O2=8SO2+2Fe2O33FeS2+8O2=6SO2+Fe3O42.SO2催化氧化工艺条件如何确定？（20分）1)催化剂——钒催化剂V2O55%～9%，为活性组份。K2O9%～13%NaO1%～5%，碱金属盐为助催化剂。SO310%—20%SiO250%～70%，为载体。制成环形、球形、或粒状2)温度：Tb—Tm即催化剂起燃温度与耐热极限温度之间，即活性温度范围内420-600℃。从t—X*—γ关系曲线可知：存在最佳反应温度Tma（反应速率最大）反应温度原则：在催化剂活性温度范围内催化剂床层温度应沿最佳温度线变化：即先高后低原则3)SO2原始浓度：根据硫酸生产总费用最少原则，进入SO2转化器浓度存在最佳浓度：7%～7.5%4)压力：P↑→X*↑SO2↑，设备尺寸减小。不利条件：加压对设备要求提高，反应压力最好在常压5)最佳转化率：转化率提高→提高硫的利用率，减小尾气SO2含量和对大气污染。不利条件→催化剂用量增加，设备尺寸增大。即存在最佳转化率。工艺上采用两次转化、两次吸流程，转化率99%以上。❤3.如何从热力学和动力学角度确定SO2催化氧化温度条件？（10分）见2，2）热力学：由于反应是SO2的催化氧化是一个放热反应，所以为了让平衡向正方向移动应该降低温度更能够提高转化率；动力学：反应速率随着温度的升高而增大，但是由于催化剂的活性温度在420℃-600℃最大，当再随着温度升高时，反应速率就会下降甚至停止反应。综上所述，从热力学和动力学充分考虑到产率和速率的最优值来确定反应温度。❤4.在制取硫酸过程中，常易形成酸雾，试解释酸雾形成的原因，以及酸雾怎样清除之。（15分）1)酸雾的形成：酸雾是指含有粒径小于5чm的液体颗粒的气溶胶SO3（g）+H2O(g)→H2SO4(g)，H2SO4(g)冷凝H2SO4(l),或以杂质微粒为凝结中心形成酸雾。2)酸雾的清除：必须要用特殊的方法和设备清除较大的粒子（2чm）用一般除尘设备除去(如电除雾器、文氏管等装置)较小的粒子（2чm）采用先增湿后清除。即增大雾粒直径，再用相应的设备清除。❤~5.画出四段间接换热式转化器中SO2转化的t-x图，阐述转化器的工艺过程。（15分）6.阐述制取硫酸中，烟气净化的目的及净化的原则（10分）目的：炉气含尘若不除净，进入后制酸系统，则会堵塞设备和管道，且使催化剂失活或中毒净化原则：1)悬浮微粒，应先大后小，先易后难进行分级处理2)先重后轻即先固、液，后气(汽)体3)不同大小的粒子，选择配套有效的分离设备7、在制取硫酸过程中，如何提高焙烧反应速率？（10分）1）升高温度，加快扩散速率但低于炉渣温度，温度控制在850℃-900℃；2）减小粒度，增大氧气与矿石的接触面，0.24—0.70mm；3）增加氧气浓度，鼓入过量的空气；4）扩散剂与矿粒的相对运动，采取沸腾炉；第四章合成氨工业❤1.试简述温度、压力及情性气体含量对氨合成反应中平衡氨含量及工艺条件的影响？（12分）1)压力：有利于氨合成和氨分离，但对设备材质，加工制造要求高，必须综合利用，一般20~30MPa2)温度：必须保持在催化剂反应活性温度范围内反应，催化剂床层温度分布应改尽可能接近最适宜温度线。（类似于SO2转化反应P83图3—15）3)空间速度：v越大，反应接触时间减少，出口氨含量减少，但总氨量增加。4)惰性气体（CH4，Ar）由新鲜气带入，不断积累，对于反应不利，必须放空排除部分。2.试比较氨合成中CO变换与硫酸工业制气中SO2氧化两个反应过程的异同或特点。（20分）一氧化碳变换：CO是氨合成的毒物，在原料中含13~30℅，必须清除。CO+H2O（g）CO2+H2+QCO变换成CO2易于吸收清除，同时生成原料气H2。特点：都是气固相催化，可逆放热反应；温度、反应物组成都是影响平衡转化率的因素。其中，CO的变换是为了方便除去废气防止催化剂中毒，同时变换过程中也产生了反应物H2，而SO2的氧化是为了制得中间产物SO3；同时，CO的变换压强对反应平衡没有影响，但是工业上通常采取加压的方法提高反应速率和减少催化剂用量，而SO2的氧化增大压强有利于反应平衡向正方向移动。前者需要过量的水蒸气，减少CO，变换反应前催化剂要进行还原，而SO2可以循环利用。3.工业上以煤矿为原料间歇法制取半水煤气的工作循环可分为哪几个阶段？各个阶段起什么作用？（10分）工作循环—间歇式气化时，开始进入空气到下一次进放空气时为上，称为一个工作循环。每个工作循环包括五个阶段：1)吹风：从下而上通入空气，提高燃料层温度。吹风气放空。2)一次上吹制气：从下而上通入水蒸汽进行气化反应，燃料层温度降低（上部高，下部低）3)下吹制气：水蒸气与加氮空气从上而下进行气化反应使燃料层温度趋于均衡（为什么？）4)二次上吹制气：水蒸汽再次自下而上吹入：目的是将炉底的煤气排净，为吹入空气作准备，否则炉底剩余的煤气与下次吹入的空气相遇，会发生爆炸。5)空气吹净：吹风气回收（从下而上），作为半水煤气的氮气的主要来源。4.实现氨合成和氨分离，包括哪五个基本流程环节？试简述两级氨分离流程（10分）基本流程环节：1.新鲜气的压缩2.循环气的预热与氨的合成3.反应热的回收及氨的分离4.未反应气体循环使用5.循环气部分放空分离流程：合成-冷凝-氨分离-（液氨储存）-（压缩）气氨进冷凝塔-液氨储存5.试简述尿素合成原理及主要工艺条件。（10分）工艺条件：工艺条件：（1）温度，尿素合成塔温度大致为180~220℃（2）压力，实际操作压力在18~25MPa(3)氨碳比，在3~5的范围内，并根据过程的动力消耗、氨损失及反应压力等因素进行具体选择（4）水碳比，一般原料中为0.5—1（5）原料纯度，氨的质量分数大于99.5%，二氧化碳纯度大于98.5%❤6.写出制半水煤气的煤气化反应，如何解决气体组成与热量平衡的矛盾？（10分）采用空气吹气-上吹制气-下吹制气-二次上吹-空气吹净的间歇法造气的方法解决这个矛盾。第六章制碱工业1、简述氨碱法生产纯碱的主要过程并写出其发生的主要化学反应式。（20分）以NaCl、石灰石（经煅烧生成生石灰和二氧化碳）、氨气为原料来制取纯碱：先使NH3通入饱和食盐水中而成氨盐水，再通入CO2生成溶解度较小的NaHCO3沉淀和NH4Cl溶液。NaCl(饱和)＋NH3＋H2O＋CO2＝NaHCO3↓＋NH4Cl将得到的NaHCO3晶体，加热煅烧制得纯碱产品。2NaHCO3＝Na2CO3＋H2O＋CO2↑2、简述氨碱法生产纯碱和联碱法生产纯碱的主要过程，各自的突出特点是什么？（20分）简述见相关题目内容，氨碱法：优点，原料易于取得且价廉，生产过程中的氨可循环利用，损失较少；能够大规模连续生产，易于机械化，自动化；可得到较高质量的纯碱产品。缺点，原料利用率低，造成大量废液废渣排出，严重污染环境；母液中含有大量的氯化铵，需加入石灰乳使之分解回收氨，这样就必须设置蒸氨塔，造成流程长，设备庞大和能量上的浪费。氨碱法的最大缺点还在于原料食盐的利用率只有72％～74％，其余的食盐都随着氯化钙溶液作为废液被抛弃。简述联合制碱法：1）将NH3通入饱和食盐水而成氨盐水，再通入CO2生成NaHCO3沉淀，过滤、洗涤得NaHCO3微小晶体，再煅烧制得纯碱产品；2）NH4Cl在常温下的溶解度比NaCl要大，低温时的溶解度则比NaCl小。在低温条件下，向滤液中加入细粉状的NaCl，并通入氨气，可以使NH4Cl结晶析出，经过滤、洗涤和干燥即得NH4Cl产品。联合制碱法：优点，食盐的利用率提高到96％以上，同时生产出:纯碱和氯化铵，将氨厂的废气CO2转变为碱厂的主要原料制取纯碱，节省了碱制取二氧化碳的庞大的石灰窑；将碱厂的无用的成分氯离子来代替价格较高的硫酸固定氨厂里的氨，制取氮肥氯化铵。不再生成难处理的氯化钙，减少污染，并大大降低了纯碱和氮肥的成本。3、用方框图表示氨碱法生产纯碱的工艺流程，写出其发生的主要化学反应式。（20分）NaCl(饱和)＋NH3＋H2O＋CO2＝NaHCO3↓＋NH4Cl2NaHCO3＝Na2CO3＋H2O＋CO2↑4、用方框图表示联碱法生产纯碱与氯化铵工艺流程，简述其发生的主要工艺过程。（20分）NaCl(饱和)＋NH3＋H2O＋CO2＝NaHCO3↓＋NH4Cl2NaHCO3＝Na2CO3＋H2O＋CO2↑再加一个氯化铵的分离5、离子交换膜制烧碱的优势和缺点是什么？（10分）第八章石油炼制与石油化工❤1.何为催化裂化？催化裂化主要有哪几类反应？并举例写出化学反应式。（14分）催化裂化：在催化剂和适当温度下，使沸点较高的重质油裂化分为轻质油的过程。1.分解反应：烷烃分解为较小分子的烷烃和烯烃。烯烃在β键发生断裂，分解为两个小分子烯烃。2.异构化反应：骨架异构双键移位异构几何异构3.氢转移反应：4.芳构化反应5.叠合反应:烯烃与烯烃结合成较大分子的烯烃6.烷基化反应：❤2.何为催化重整？催化重整有哪几类反应？并举例写出化学反应式。（14分）在一定温度、压力下，汽油中的直链烃在催化剂表面上进行结构的重新调整，转化为带支链的烷烃异构体。其主要目的：生产芳烃、高辛烷值汽油和氢气。（1）芳构化反应，脱氢环化（2）异构化反应（3）加氢裂化反应3.原油蒸馏塔有哪些工艺特征？为何要采用减压范馏？（15分）1)复合塔结构(与一般蒸溜相比较，图(8-3）2)限定的最高进料温度。常压塔进料温度限制在360~370℃；减压塔进料温度限制在390~420℃。3)设有汽提段和汽提塔。气相回流通过注入过热水蒸汽降低油气分压使其中轻组分气化。4)适当的过汽化率。适当的过汽化率是为了保证蒸溜塔最低侧线以下的板上有液相回流。3232233222223CHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCH32233322223CHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCH断裂CH3CH3CH3322332222CHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHH-C=C-HH-C=C-HCCCCCH3CH3+CH3-CH=CH-CH3+CH3-CH2-CH2-CH3CH3CH3-CH=CH-CH2-CH2-CH2-CH3CH3+6H32232323CHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCHCH-CH2-CH3CH3CH3CH3+CH2=CH-CH2-CH3RRRORRRORC7H16HCH3OCH3′′+3H2（六元环）′+3H2（五元环）n23H2（烷烃）3H23HCH3OCH3CH3OCH3CH3OCH3CH3C7H16C7H16OnniC7H16C3H8C4H10OCHCH3CH3HOC3H8n+H2n+i+2+目的：减压降低油料沸点，蒸馏得到高沸点的馏分而不致于受热分解4.常减压蒸馏装置分为原油预汽化、常压蒸馏、减压蒸馏三个部分、原油在每一部分都经历一次加热汽化冷凝，故称之为“三段汽化”，采用预汽化塔具有哪些优点？1.新设计装置，如果原油较轻，使用预汽化塔可以降低常压塔负荷，常压炉负荷，起到节能目的。2.改造提高加工量，起到负荷转移办法达到扩量目的。3.初馏塔顶产品轻汽油一般作催化重整装置进料。由于原油中的含砷的有机物质，随着原油温度的升高而分解汽化，因而初馏塔顶汽油的砷含量较低，而常压塔顶汽油含砷量很高。砷是重整催化剂的有害物质，因而一般含砷量高的原油生产重整原料均采用初馏塔。另一说法：1）当常减压蒸馏装置需要秤重整原料、而原料中砷含量较高会随温度升高而分解汽化时，则需要设置初馏塔；2）其次是在加工含硫含盐均较高时，为减少塔顶低温部位的腐蚀，设置初馏塔；3）再就是原油较轻时，为降低原油换热系统及常压炉的压降和