化学过程及设备

化学过程及设备(仅供参考)

一、简答题（8道题，每题5分，共40分）

内容不详，但是在课本和课件上都能找到

二、论述题（3道题，每题20分，共60分）

1、石油裂解制备乙烯（管式反应器—裂解炉）（P18—19）

石油裂解制备乙烯常用的生产设备是外热式管式反应器-裂解炉。裂解炉是一种典型的均相管式反应器。管式裂解炉是在炉子中设置了一定排列形式的金属管子，管内通入裂解原料，管外用液体燃料或气体燃料燃烧所发出的热量来加热管的外壁，而通过管壁的传热，将热量传递给管内的反应物料。裂解炉的关键就是要能在较短时间内将大量热量传递给反应原料，使之在高温下发生裂解反应。

管式裂解炉通常由对流室和辐射室两部分组成,采用自然或强制排烟系统。对流室内设有水平放置的数组换热管以预热原料、工艺稀释用蒸汽、急冷锅炉进水以及过热高压蒸汽等。辐射室由耐火砖（里层）、隔热砖(外层)砌成。裂解炉管悬吊在辐射室中央,这是管式裂解炉的核心部分，炉膛的侧壁和底部安装有燃烧器以加热反应管。裂解反应产物离开反应管后立即进入急冷锅炉，被高压水骤冷以中止反应并生产10～12MPa的高压蒸汽，从而回收热能。

管式裂解炉的传热过程：

2.板式塔、填料塔（2选1）（P154—155、P160—161、P189—190）

板式塔：

板式塔由通常为圆筒形的塔体和按一定间距水平设置在塔内的若干塔板组成。

在板式塔中，塔内装有一定数量的塔盘，气体自塔底向上以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘上的液层使两相密切接触，进行传质。两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。

板式塔适用于快速和中速反应过程。板式塔中单位体积的气-液相界面积、气-液传质系数和持液量均较填料塔大。板式塔空塔气速一般比传统填料塔大，生产能力大；有较大的操作弹性；效率较稳定，塔径增大，效率将有所提高。在塔的各处都需要冷却时，板式塔更容易做到。

板式塔的缺点是结构较复杂，成本高，气体流动阻力较填料塔大，气流压降较大。

板式塔的设计内容：①工艺（或化工）设计②结构设计③机械设计

填料塔：

填料塔的结构由塔体、填料、填料的压板和支承板以及液体分布器等组成。

在填料塔中，塔内装填一定段数和一定高度的填料层，液体沿填料表面呈膜状向下流动，作为连续相的气体自下而上流动，气液两相沿填料表面进行逆流传质。两相的组分浓度沿塔高呈连续变化。

填料塔操作适应性好，结构简单，压力降小，易适应各种腐蚀性介质；气-液相流率的允许变化范围较大，特别适用于低气相流率、高液相流率的场合。

填料塔的主要缺点是：液相停留时间短，对慢反应不合适；为保证填料润湿，不能用于液体流率太低的场合；与气泡型气-液反应器相比，液相传质系数较低；填料易为固体颗粒堵塞，在气相或液相中含有悬浮杂质或会生成固体产物时不宜使用；传热性能差，不宜用于反应热效应大的场合。填料塔还有重量大、造价高、清理检修麻烦、填料损耗大等缺点。填料塔的设计内容：①选择填料②计算塔径③计算填料层总高度④计算压力降⑤结构设计

3.混合机理(P54—55)

混合是使物性不同的两种或两种以上物料产生均匀的分布。

在搅拌釜中，通过叶轮的旋转把机械能传送给液体物料，造成液体的强制对流，混合过程是在强制对流作用下的强制扩散过程。强制扩散包括主体对流扩散和涡流扩散。

搅拌叶轮将能量输送给液体，产生一股高速液流，并推动周围的液体，造成全部液体在釜内流动。这种在整个釜内的循环流动称为“宏观流动”，由此产生的全釜范围的扩散为主体对流扩散。同时在高速流体与低速流体界面上的流体受到强烈的剪切作用，产生大量漩涡，这种漩涡运动称为“微观流动”，由漩涡运动造成的局部范围内的对流扩散称涡流扩散。叶轮对流体的直接剪切作用当然也造成强烈的漩涡运动。任何达到最终分子尺度均匀还必须通过分子扩散。

实际混合过程是主体对流扩散、涡流扩散和分子扩散这三种扩散机理的综合作用。主体对流扩散和涡流扩散都不能达到完全的均匀混合，即不能达到分子尺度的均匀状态，只能进行“宏观混合”，完全均匀的混合状态只能通过分子扩散实现，只有分子扩散才能进行“微观混合”。

4.鼓泡塔的流动特性（P211）

鼓泡塔的流动状态与空塔气速密切相关，一般按空塔气速大小可分为安静区、湍流区、栓塞气泡流动区三种流动区域。

（1）安静区当空塔气速小于0.05m/s时，气体通过分布器呈分散的有秩序的气泡向上运动。其特点是气泡大小基本相同，液体扰动微弱。

（2）湍流区当空塔气速大于0.076m/s时，在较高的表观气速下，由于气泡分裂、合并，产生激烈的无定向的运动，安静鼓泡状态不能再维持，部分气泡凝聚成大气泡，塔内气液剧烈无定向搅动，呈现极大的液相返混。这时，气体以大气泡和小气泡两种状态与液体相接触。其特征是气泡直径不均匀。

（3）栓塞气泡流动区在小直径鼓泡塔中，较高表观气速下，由于大气泡直径被鼓泡塔的器壁所限制，经常会出现栓塞气泡流动状态。

工业鼓泡塔的操作往往处于安静区和湍流区状态之中，通常其操作状态应维持在安静区。

5.液膜式反应器特点（涓流床反应器或气液并流向上的填料鼓泡塔反应器）（P216—217）

涓流床反应器的主要优点是：

①整个操作处于置换流状态，气液流型接近于平推流，返混小，在单个反应器中可以达到高的转化率；

②持液量(即液固比)小，当伴有均相副反应时，可使其影响降低到最低，如在石油馏分加氢脱硫时，可大大减少热裂化和加氢裂化；

③催化剂表面的液膜很薄，气相反应物穿过液膜扩散到催化剂表面的阻力小，催化剂被充分润湿；

④采用气液并流向下的操作方式时，不存在液泛问题；

⑤气相流动阻力小，在整个反应器内气相反应物分压均匀，且可降低气体输送的能耗。

涓流床反应器的主要缺点是：

①传热能力差，容易引起催化剂床层局部过热，造成催化剂迅速失活，或由于液膜过量汽化，使部分催化剂不能发挥作用；

②液流速率低时，可能由于液体分布不均匀(如短路、沟流等)导致部分催化剂末被润湿，影响反应效果；

③为避免床层流动阻力过高，催化剂颗粒不能太小，在反应速率较快时，会由于内扩散影响而导致催化剂效率因子低下；

④当催化剂由于积碳、中毒而失活时，更换催化剂不方便。

气液并流向上的填料鼓泡塔反应器持液量大，液相和气相在反应器中混合好，液固间的传热性能好，适用于反应热效应较大、反应速率较快、传热要求高的场合。这种反应器还有以下优点：

①即使液体流量很小也容易实现均匀分布；②催化剂微孔易于完全充满液体，有利于提高催化剂的效率因子；③液体对催化剂的冲刷作用强，能延缓催化剂失活，延长操作周期；

④气液相间的传质系数较大。

这种反应器的主要缺点是：

①由于存在较大的返混，使转化率下降；②必须采取适当的机械措施固定催化剂，否则可能会造成床层流态化带走催化剂；③流动阻力较大，气相反应物分压沿床高会明显下降；

④气相反应物向催化剂表面传递阻力较大；⑤均相副反应量较大。