化學(xué)工藝學(xué)課后習(xí)題及答案

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第2章化學(xué)工藝基礎(chǔ)

2-3何謂化工生產(chǎn)工藝流程？舉例說(shuō)明工藝流程是如何組織的？

答：化工生產(chǎn)工藝流程——將原料轉(zhuǎn)變成化工產(chǎn)品的工藝流程。教材上有2個(gè)例子。

2-4何謂循環(huán)式工藝流程？它有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

答：循環(huán)流程的特點(diǎn)：未反應(yīng)的反應(yīng)物從產(chǎn)物中分開(kāi)出來(lái)，再返回反應(yīng)器。

循環(huán)流程的優(yōu)點(diǎn)：能顯著地提高原料利用率，減少系統(tǒng)排放量，降低了原料消耗，也減少了對(duì)環(huán)境的污染。

循環(huán)流程的缺點(diǎn)：循環(huán)體系中惰性物質(zhì)和其他雜質(zhì)會(huì)逐漸積累，對(duì)反應(yīng)速率和產(chǎn)品產(chǎn)率有影響，必需定期排出這些物質(zhì)以避免積累。同時(shí)，大量循環(huán)物料的輸送會(huì)消耗較多動(dòng)力。

2-5何謂轉(zhuǎn)化率？何謂選擇性？對(duì)于多反應(yīng)體系，為什么要同時(shí)考慮轉(zhuǎn)化率和選擇性兩個(gè)指標(biāo)？

答：轉(zhuǎn)化率是指某一反應(yīng)物參與反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的數(shù)量占該反應(yīng)物起始量的百分率。

選擇性是指體系中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的某反應(yīng)物量與參與所有反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的該反應(yīng)物總量之比。

在繁雜反應(yīng)體系中，選擇性表達(dá)了主、副反應(yīng)進(jìn)行程度的相對(duì)大小，能確鑿反映原料的利用是否合理。

有副反應(yīng)的體系，希望在選擇性高的前提下轉(zhuǎn)化率盡可能高。但是，尋常使轉(zhuǎn)化率提高的反應(yīng)條件往往會(huì)使選擇性降低，所以不能單純追求高轉(zhuǎn)化率或高選擇性，而要兼顧兩者，使目的產(chǎn)物的收率最高。

2-6催化劑有哪些基本特征？它在化工生產(chǎn)中起到什么作用？在生產(chǎn)中如何正確使用催化劑？

答：三個(gè)基本特征：

①催化劑是參與了反應(yīng)的，但反應(yīng)終了時(shí)，催化劑本身未發(fā)生化學(xué)性質(zhì)和數(shù)量的變化。②催化劑只能縮短達(dá)到化學(xué)平衡的時(shí)間，但不能改變平衡。

③催化劑具有明顯的選擇性，特定的催化劑只能催化特定的反應(yīng)。在化工生產(chǎn)中的作用主要表達(dá)在以下幾方面：

⑴提高反應(yīng)速率和選擇性。⑵改進(jìn)操作條件。⑶催化劑有助于開(kāi)發(fā)新的反應(yīng)過(guò)程，發(fā)展新的化工技術(shù)。⑷催化劑在能源開(kāi)發(fā)和消除污染中可發(fā)揮重要作用。

在生產(chǎn)中必需正確操作和控制反應(yīng)參數(shù)，防止損害催化劑。

催化劑使用時(shí)，必需在反應(yīng)前對(duì)其進(jìn)行活化，使其轉(zhuǎn)化成具有活性的狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格依照操作規(guī)程進(jìn)行活化，才能保證催化劑發(fā)揮良好的作用。

應(yīng)嚴(yán)格控制操作條件：①采用結(jié)構(gòu)合理的反應(yīng)器，使反應(yīng)溫度在催化劑最正確使用溫度范圍內(nèi)合理地分布，防止超溫；②反應(yīng)原料中的毒物雜質(zhì)應(yīng)當(dāng)預(yù)先加以脫除，使毒物含量低于催化劑耐受值以下；③在有析碳反應(yīng)的體系中，應(yīng)采用有利于防止析碳的反應(yīng)條件，并選用抗積碳性能高的催化劑。

在運(yùn)輸和貯藏中應(yīng)防止催化劑受污染和破壞；固體催化劑在裝填時(shí)要防止污染和破碎，裝填要均勻，避免“架橋〞現(xiàn)象，以防止反應(yīng)工況惡化；大量催化劑使用后，在停工卸出之前，需要進(jìn)行鈍化處理，以免燒壞催化劑和設(shè)備。

2-10假設(shè)某自然氣全是甲烷，將其燃燒來(lái)加熱一個(gè)管式爐，燃燒后煙道氣的摩爾分?jǐn)?shù)組成（干基）為86.4%N2、4.2%O2、9.4%CO2。試計(jì)算自然氣與空氣的摩爾比，并列出物料收支平衡表。

解：設(shè)煙道氣（干基）的量為100mol。

反應(yīng)式：CH4+2O2?CO2+2H2O分子量：16324418

反應(yīng)轉(zhuǎn)化的量：9.42×9.49.42×9.4

則產(chǎn)物的量為：N2：86.4mol×28＝2419.2gO2：4.2mol×32＝134.4gCO2：9.4mol×44＝413.6g

H2O：2×9.4mol×18＝338.4g原料的量為：N2：86.4mol×28＝2419.2gO2：（4.2+2×9.4）mol×32＝736g

CH4：9.4mol×16＝150.4g

CH4/空氣（摩爾比）＝9.4/（86.4+23）×100％＝8.6%

列物料衡算表得組分N2O2H2OCH4CO2∑2-13一氧化碳與水蒸氣發(fā)生的變換反應(yīng)為CO＋H2O?CO2＋H2，若初始混合原料的摩爾比為H2O／CO＝2／1，反應(yīng)在500℃進(jìn)行，此溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp＝P(CO2)·P(H2)／P(H2O)·P(CO)＝4.88，求反應(yīng)后混合物的平衡組成和CO的平衡轉(zhuǎn)化率。解：設(shè)初始原料中nCO＝1mol，則nH2O＝2mol，達(dá)到平衡時(shí)，CO轉(zhuǎn)化了mmol。由CO＋H2O?CO2＋H2轉(zhuǎn)化量mmmm

平衡時(shí)nCO＝1－mnH2O=2－m生成nCO2＝nH2＝m產(chǎn)物總量n＝∑ni＝3

mol86.4239.4118.872.719.47.9100.0輸入mol%g2419.2736150.43305.6Wt％73.222.34.5100.0mol86.44.218.89.4118.872.73.515.87.999.9輸出mol%g2419.2134.4338.4413.63305.6Wt％73.24.110.212.5100.011y?(1?m)y?(2?m)yCO2＝y(tǒng)H2＝m/3，平衡時(shí)P?yPCOH2Oii33由4.88＝

yCO2?P.yH2.PyCO?P.yH2O.P＝

m得m＝0.865Xco＝0.865/1＝86.5%

(1?m)(2?m)平衡組成:yCO＝0.045yH2O＝0.378yCO2＝y(tǒng)H2＝0.288

2-15將純乙烷進(jìn)行裂解制取乙烯，已知乙烷的單程轉(zhuǎn)化率為60%，若每100Kg進(jìn)裂解器的乙烷可獲得46.4Kg乙烯，裂解氣經(jīng)分開(kāi)后，未反應(yīng)的乙烷大部分循環(huán)回裂解器（設(shè)循環(huán)氣只是乙烷）在產(chǎn)物中除乙烯及其他氣體外，尚含有4Kg乙烷。求生成乙烯的選擇性、乙烷的全程轉(zhuǎn)化率、乙烯的單程收率、乙烯全程收率和全程質(zhì)量收率。解：進(jìn)反應(yīng)器的乙烷量=100/30=3.333kmol

產(chǎn)物中乙烷量=4/30=0.133kmol，生成乙烯46.4所轉(zhuǎn)化的乙烷量=46.4/28=1.657kmol轉(zhuǎn)化的乙烷量=60%×3.333=2.000kmol，未轉(zhuǎn)化的乙烷量=3.333-2.000=1.333kmol設(shè)未反應(yīng)的乙烷除了有0.133kmol隨產(chǎn)物乙烯帶走外，其余全部返回到反應(yīng)器中，

即1.333-0.133=1.2kmol

則新鮮乙烷量=3.333-1.2=2.133kmol，乙烯選擇性=1.657/2.0=82.9%乙烷的全程轉(zhuǎn)化率=2.0/2.133=93.8%，乙烯的單程收率=1.657/3.333=49.7%乙烯全程收率=1.657/2.133=77.7%，乙烯全程質(zhì)量收率=46.4/（30×2.133）=72.5%

第3章

3-4提高反應(yīng)溫度的技術(shù)關(guān)鍵在何處？應(yīng)解決什么問(wèn)題才能最大限度提高裂解溫度？答：裂解反應(yīng)的技術(shù)關(guān)鍵之一是采用高溫-短停留時(shí)間的工藝技術(shù)。提高裂解溫度，必需提高爐管管壁溫度，而此溫度受到爐管材質(zhì)的限制。因此，研制新型的耐熱合金鋼是提高反應(yīng)溫度的技術(shù)關(guān)鍵。

當(dāng)爐管材質(zhì)確定后，可采用縮短管長(zhǎng)（實(shí)際上是減少管程數(shù)）來(lái)實(shí)現(xiàn)短停留時(shí)間操作，才能最大限度提高裂解溫度?；蛘吒倪M(jìn)輻射盤管的結(jié)構(gòu)，采用單排分支變徑管、混排分支變徑管、不分支變徑管、單程等徑管等不同結(jié)構(gòu)的輻射盤管，這些改進(jìn)措施，采用了縮小管徑以增加比表面積來(lái)提高傳熱面積，使壁溫下降，提高了盤管的平均傳熱強(qiáng)度，由此達(dá)到高溫-短停留時(shí)間的操作條件。

3-5為了降低裂解烴分壓，尋常參與稀釋劑，試分析稀釋劑參與量確定的原則是什么？答：工業(yè)上常用水蒸氣作為稀釋劑，加水蒸氣量的原則：

水蒸氣的參與量隨裂解原料不同而異，一般是以能防止結(jié)焦，延長(zhǎng)操作周期為前提。若參與過(guò)量的水蒸氣，可使?fàn)t管的處理能力下降，增加了爐子熱負(fù)荷，也增加了水蒸氣的冷凝量和急冷劑用量，并造成大量廢水。

3-8裂解氣出口的急冷操作目的是什么？可采取的方法有幾種？你認(rèn)為哪種好？為什么？若設(shè)計(jì)一個(gè)間接急冷換熱器其關(guān)鍵指標(biāo)是什么？如何評(píng)價(jià)一個(gè)急冷換熱器的優(yōu)劣？答：從裂解管出來(lái)的裂解氣是富含烯烴的氣體和大量水蒸汽，溫度在727-927℃，由于烯烴反應(yīng)性強(qiáng)，若在高溫下長(zhǎng)時(shí)間停留，仍會(huì)繼續(xù)發(fā)生二次反應(yīng)，引起結(jié)焦，并使烯烴收率下降，因此必需使裂解氣急冷以終止反應(yīng)。

采取的方法有兩種：直接急冷和間接急冷。

我認(rèn)為間接急冷比較好。一般狀況下，由于直接急冷的急冷劑是用油或水，急冷下來(lái)的油水密度相差不大，分開(kāi)困難，污水量大，不能回收高品位的熱能。而間接急冷可回收高品位熱能，產(chǎn)生高壓水蒸汽作為動(dòng)力能源以驅(qū)動(dòng)三機(jī)等機(jī)械（三機(jī)：裂解氣壓縮機(jī)、乙烯壓縮機(jī)、丙烯壓縮機(jī)），可減少對(duì)環(huán)境的污染程度。

關(guān)鍵指標(biāo)是急冷換熱器的運(yùn)轉(zhuǎn)周期應(yīng)不低于裂解爐的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。為了減少裂解氣在急冷換熱器內(nèi)的結(jié)焦傾向，使之能正常操作，控制指標(biāo)：

一是增大裂解氣在急冷換熱器中的線速度，一般控制裂解氣在急冷換熱器中的停留時(shí)間小于0.04秒；二是必需控制裂解氣的出口溫度要高于裂解氣的露點(diǎn)。

評(píng)價(jià)急冷換熱器的優(yōu)劣：

急冷換熱器的結(jié)構(gòu)必需滿足裂解氣急冷的特別條件：急冷換熱器管內(nèi)通過(guò)高溫裂解氣，入口溫度約827℃，壓力約110KPa（表），要求在極短時(shí)間內(nèi)（0.1S），將裂解氣溫度降到

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350-360℃，傳熱的熱強(qiáng)度達(dá)400?10KJ/m?h；管外走高壓熱水，溫度約為320-330℃，壓力8-13MPa，由此可知，急冷換熱器與一般換熱器不同的地方是高熱強(qiáng)度，管內(nèi)外必需同時(shí)承受很大的溫度差和壓力差，同時(shí)又要考慮急冷管內(nèi)的結(jié)焦操作操作條件極為苛刻。

3-9裂解氣進(jìn)行預(yù)分開(kāi)的目的和任務(wù)是什么？裂解氣中要嚴(yán)格控制是雜質(zhì)有哪些？這些雜質(zhì)存在的害處？用什么方法除掉這些雜質(zhì)，這些處理方法的原理是什么？

答：任務(wù)：將急冷后的裂解氣進(jìn)一步冷卻至常溫，并在冷卻過(guò)程中分餾出裂解氣中的重組分（如燃料油、裂解汽油、水分）。

目的：①經(jīng)預(yù)分餾處理，盡可能降低裂解氣的溫度，從而保證裂解氣壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并降低裂解氣壓縮機(jī)的功耗。

②裂解氣經(jīng)預(yù)分餾處理，盡可能分餾出裂解氣的重組分，減少進(jìn)入壓縮分開(kāi)系統(tǒng)的負(fù)荷。③在裂解氣的預(yù)分餾過(guò)程中將裂解氣中的稀釋蒸汽以冷凝水的形式分開(kāi)回收，用以再發(fā)生稀釋蒸汽，從而大大減少污水排放量。

④在裂解氣的預(yù)分餾過(guò)程中繼續(xù)回收裂解氣低能位熱量。

裂解氣中含有H2S、CO2、H2O、C2H2、CO等氣體雜質(zhì)，若不脫除，進(jìn)入到乙烯、丙烯產(chǎn)品中，影響產(chǎn)品質(zhì)量，故必需脫除雜質(zhì)。

⑴酸性氣體的脫除

裂解氣中的酸性氣體主要是指CO2和H2S，這些酸性氣體含量過(guò)多時(shí)，會(huì)帶來(lái)如下危害：H2S：能腐蝕設(shè)備管道，使枯燥用的分子篩壽命縮短，還能使加氫脫炔和甲烷化用的催化劑中毒。

CO2：在深冷操作中會(huì)結(jié)成干冰，堵塞設(shè)備和管道，影響正常生產(chǎn)。當(dāng)乙烯、丙烯產(chǎn)品中的酸性氣體含量不合格時(shí)，可使下游加工裝置的聚合過(guò)程或催化劑中毒。所以，必需將這些酸性氣體脫除，要求將裂解氣中的H2S和CO2的摩爾含量分別脫

-除至1?106以下。

裂解氣中的酸性氣體，一般是用物理吸收法或化學(xué)吸收法脫除，應(yīng)用最廣泛的是以NaOH溶液作吸收劑的堿洗法，其次是以乙醇胺溶液作吸收劑的再生法。

-⑵為避免低溫系統(tǒng)凍堵，要求將裂解氣中水含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）降至1?106以下。由于裂解分開(kāi)是在-100℃以下進(jìn)行，此時(shí)水能結(jié)冰，也能與烴生成固體結(jié)晶水合物，這些物質(zhì)結(jié)在管壁上，輕則增大動(dòng)力消耗，重則使設(shè)備和管道堵塞，影響正常生產(chǎn)，所以要進(jìn)行枯燥脫水處理。

-由于含水量不高（裂解氣中飽和水量為600-700?106），要求脫水后物料含水量極少，故工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的是分子篩、活性氧化鋁硅膠為枯燥劑的固體吸附法。

⑶裂解氣中含有少量的炔烴，乙炔富集于C2餾分，甲基乙炔和丙二烯富集于C3餾分，若將它們混于乙烯、丙烯產(chǎn)品用于衍生物的生產(chǎn)過(guò)程，特別是用于聚合反應(yīng)時(shí)，影響聚合催化劑壽命，產(chǎn)生不希望的副產(chǎn)品，惡化產(chǎn)品質(zhì)量，形成擔(dān)憂全因素。

-因此，必需脫除，使乙烯產(chǎn)品中的乙炔（摩爾分?jǐn)?shù)）低于5?106，丙烯產(chǎn)品中甲基乙

--炔低于5?106，丙二烯低于1?105。

溶劑吸收法和催化加氫法。

溶劑吸收法是使用溶劑吸收裂解氣中的乙炔以達(dá)到凈化目的，同時(shí)也回收一定量的乙炔。

催化加氫法是將裂解氣中乙炔加氫成為乙烯或乙烷，由此達(dá)到脫除乙炔的目的。3-10壓縮氣的壓縮為什么采用多級(jí)壓縮？確定段數(shù)的依據(jù)是什么？答：目前，工業(yè)上一般認(rèn)為經(jīng)濟(jì)上合理而技術(shù)上可行的裂解氣壓縮機(jī)出口的裂解氣壓力約為3.7MPa，而壓縮機(jī)的入口壓力一般為0.14MPa，提高入口壓力雖可儉約壓縮機(jī)功率，但對(duì)裂解反應(yīng)不利，故為儉約能量，采用多級(jí)壓縮。

原因：①儉約壓縮功耗；②降低出口溫度；③實(shí)現(xiàn)段間凈化分開(kāi)。

壓縮段數(shù)應(yīng)滿足工藝要求，必需控制每段壓縮機(jī)出口的裂解氣溫度不高于100℃，以避免發(fā)生二烯烴的聚合，由此根據(jù)下式計(jì)算出每段壓縮比，最終確定段數(shù)。

3-12裂解氣分開(kāi)流程各有不同，其共同點(diǎn)是什么？

答：①在分開(kāi)順序上遵循先易后難的原則，先將不同碳原子數(shù)的烴分開(kāi)，再分同一碳原子數(shù)的烯烴和烷烴；②將生產(chǎn)乙烯的乙烯精餾塔和生產(chǎn)丙烯的丙烯精餾塔置于流程最終，可確保這兩個(gè)主要產(chǎn)品純度，同時(shí)也減少分開(kāi)損失，提高烯烴收率。

3-15何謂非絕熱精餾？何種狀況下采用中間冷凝器或中間再沸器？分析其利弊？答：非絕熱精餾——在塔中間對(duì)塔內(nèi)物料進(jìn)行冷卻和加熱的過(guò)程。

使用條件：對(duì)于頂溫低于環(huán)境溫度、底溫高于環(huán)境溫度，且頂?shù)诇夭钶^大的精餾塔。利：可降低分開(kāi)過(guò)程的有效能損失，達(dá)到節(jié)省能量的目的。對(duì)中間再沸器而言，還可減小提餾段塔徑。

弊：由于中間冷凝器和中間再沸器的設(shè)置，在降低塔頂冷凝器和塔釜再沸器負(fù)荷的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致精餾段回流和提餾段上升蒸氣的減少，故為了達(dá)到分開(kāi)要求，就相應(yīng)增加塔板數(shù)，從而增加設(shè)備投資。

第5章合成氣的生產(chǎn)過(guò)程

5-3以自然氣為原料生產(chǎn)合成氣的過(guò)程有哪些主要反應(yīng)？從熱力學(xué)角度考慮，對(duì)反應(yīng)有哪些要求？從動(dòng)力學(xué)角度考慮又有哪些要求？

答：主反應(yīng)：CH4+H2O?CO+3H2?H298K?206KJ/mol

CH4+2H2O?CO2+4H2?H298K?165KJ/mol（5-22）CO+H2O?CO2+H2?H298K??41.2KJ/mol（5-23）

副反應(yīng)：主要是析碳反應(yīng)

CH4?C+2H2?H298K?74.9KJ/molK3（5-24）歧化：2CO?C+CO2?H298K??1