化学工艺学课后习题及答案

第2章化学工艺基础

2-3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：化工生产工艺流程——将原料转变成化工产品的工艺流程。教材上有2个例子。

2-4何谓循环式工艺流程？它有什么优缺点？

答：循环流程的特点：未反应的反应物从产物中分离出来，再返回反应器。

循环流程的优点：能显著地提高原料利用率，减少系统排放量，降低了原料消耗，也减少了对环境的污染。

循环流程的缺点：循环体系中惰性物质和其他杂质会逐渐积累，对反应速率和产品产率有影响，必须定期排出这些物质以避免积累。同时，大量循环物料的输送会消耗较多动力。

2-5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？

答：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百分率。

选择性是指体系中转化成目的产物的某反应物量与参加所有反应而转化的该反应物总量之比。

在复杂反应体系中，选择性表达了主、副反应进行程度的相对大小，能确切反映原料的利用是否合理。

有副反应的体系，希望在选择性高的前提下转化率尽可能高。但是，通常使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。

2-6催化剂有哪些基本特征？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？

答：三个基本特征：

①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。

②催化剂只能缩短达到化学平衡的时间，但不能改变平衡。

③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。

在化工生产中的作用主要体现在以下几方面：

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催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用。

在生产中必须正确操作和控制反应参数，防止损害催化剂。

催化剂使用时，必须在反应前对其进行活化，使其转化成具有活性的状态，应该严格按照操作规程进行活化，才能保证催化剂发挥良好的作用。

应严格控制操作条件：①采用结构合理的反应器，使反应温度在催化剂最佳使用温度范围内合理地分布，防止超温；②反应原料中的毒物杂质应该预先加以脱除，使毒物含量低于催化剂耐受值以下；③在有析碳反应的体系中，应采用有利于防止析碳的反应条件，并选用抗积碳性能高的催化剂。

在运输和贮藏中应防止催化剂受污染和破坏；固体催化剂在装填时要防止污染和破裂，装填要均匀，避免“架桥”现象，以防止反应工况恶化；许多催化剂使用后，在停工卸出之前，需要进行钝化处理，以免烧坏催化剂和设备。

2-10假设某天然气全是甲烷，将其燃烧来加热一个管式炉，燃烧后烟道气的摩尔分数组成（干基）为86.4%N2、4.2%O2、9.4%CO2。试计算天然气与空气的摩尔比，并列出物料收支平衡表。

解：设烟道气（干基）的量为100mol。

反应式：CH4 + 2O2 CO2+ 2H2O

分子量：16 32 44 18

反应转化的量： 9.4 2×9.4 9.4 2×9.4

则产物的量为：N 2：86.4mol ×28＝2419.2 g

O 2：4.2mol ×32＝134.4 g

CO 2：9.4mol ×44＝413.6 g

H 2O ：2×9.4mol ×18＝338.4 g

原料的量为：N 2：86.4mol ×28＝2419.2 g

O 2：（4.2+2×9.4）mol ×32＝736 g

CH 4：9.4mol ×16＝150.4g

CH 4/空气（摩尔比）＝9.4/（86.4+23）×100％＝8.6%

2-13一氧化碳与水蒸气发生的变换反应为CO ＋H 2O ⇔CO 2＋H 2，若初始混合原料的摩尔比为H 2O ／CO ＝2／1，反应在500℃进行，此温度下反应的平衡常数Kp ＝P(CO 2)·P(H 2)／P (H 2O)·P(CO)＝4.88，求反应后混合物的平衡组成和CO 的平衡转化率。

解：设初始原料中CO n ＝1mol ，则2H O n ＝2mol ，达到平衡时，CO 转化了m mol 。

由 CO ＋ H 2O ⇔ CO 2＋ H 2

转化量 m m m m

平衡时 CO n ＝1－m 2H O n =2－m 生成 2CO n ＝2n H ＝ m 产物总量n ＝∑i n ＝3 i i P y P =，平衡时CO 1y (1)3m =- 2H O 1y (2)3

m =- 2CO y ＝2H y ＝ m/3 由4.88＝222CO H CO H O y .y .y .y .P P

P P ⋅⋅＝(1)(2)

m m m -- 得m ＝0.865 Xco ＝0.865/1＝86.5% 平衡组成: CO y ＝0.045 2H O y ＝0.378 2CO y ＝2H y ＝0.288

2-15将纯乙烷进行裂解制取乙烯，已知乙烷的单程转化率为60%，若每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。

解：进反应器的乙烷量=100/30=3.333 kmol

产物中乙烷量=4/30=0.133 kmol ，生成乙烯46.4所转化的乙烷量=46.4/28=1.657 kmol

转化的乙烷量=60%×3.333=2.000 kmol ， 未转化的乙烷量=3.333-2.000=1.333 kmol

设未反应的乙烷除了有0.133 kmol 随产物乙烯带走外，其余全部返回到反应器中，

即1.333-0.133=1.2 kmol