化学工艺学习题及解答

习题及解答第二章化工资源及初步加工2-1、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。

2-3、为多产芳烃，在催化重整中要控制哪些工艺参数？答：首先要选取合适的重整原料油的族的组成，即馏分油中环烷烃含量要高。

因它经芳构化反应，生成的芳烃产率亦高；其次是选择优良催化剂，它不仅能减少贵金属Pt的用量，延长催化剂使用寿命，而且还可增加芳烃产率和缓和反应工艺条件；再次shirt选择合适的工艺，如采用移动床连续式再生工艺，因它不仅生产能力大，效率高，而且可使催化剂的活性和选择性一直处于良好状态，从而可得到高效率、高质量的芳烃产品。

最后是选择适宜的抽提剂和抽提工艺。

优良的抽提剂可减少因混入余油中的芳烃量，从而增加芳烃的收率。

优良的抽提工艺，可减少工艺的能耗和抽提剂消耗量。

2-4 、查阅有关文献资料，写一篇“21世纪的天然化工”小论文。

提示：（1）关键词：天然气：产量和储量；目前市场消费量及消费方向；今后消费趋势（2）文献资料：美国(CA);中国《化学文摘》；《中国化工信息》《石油和天然气化工》《天然气工业》（3）撰写大纲举例：1、世界和中国天然气储量丰富，开采量增长势头猛烈。

2、天然气目前大量用作燃料和化工原料，合成发动机燃料的工业也得到快速发展，天然气化工在国民经济中的作用日益突出。

3、天然气化工和煤化工一起，将取代石油化工成为化学工业的支柱产业，具体表现在以下方面….4、结论：21世纪的天然气化工大有作为2-5 、除课文已叙述的外，试举两个以农副产品为原料生产化工产品的例子，简单的描述一下他们的生产过程。

提示：如利用家畜粪便生产沼气；由雷火藤经抽提制取中成药；由茉莉花经抽提制取茉莉花香精等。

可根据各自经历，自由选择。

第三章通用反应单元工艺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，将转化率再次提升至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。

3-3 硝酸生产中，氧化炉的哪些构件是为满足工艺要求而设置的？答：氧化炉的上下锥体的角度在65°-75°，上锥体设有锥形分布器使氨-空气混合气气流分布均匀。

下锥体通过热量反射，让铂网受热均匀，并用耐火砖衬里保温，使催化区域保持足够高的温度，并有利反应热的回收和利用。

下锥体的花板上，还设置消音环，以消除反应中产生的啸叫声。

氧化炉的圆柱体部分，设置铂催化基层，气流方向与铂网重力方向一致，以减少铂网的振动，降低铂的损失。

为开工点火、测温和取样分析，在上圆柱体开设了视孔、取样孔，在下圆柱上开设了点火孔，通过上述构件，保证氨-空气混合气均匀流过铂网整个截面，满足反应温度均匀，铂网损失最小，以及热损失较小等工艺要求。

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。

3-7评价一个工艺流程的主要技术经济指标有哪些？答：主要有：（1）原材料的消耗定额。

（2）能量的消耗定额。

这两个指标直接影响到生产成本（3）反应转化率（4）反应选择性（或收率）。