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？举例说明工艺流程就是如何组织得？

答：化工生产工艺流程——将原料转变成化工产品得工艺流程。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：循环流程得特点：未反应得反应物从产物中分离出来，再返回反应器。

循环流程得优点：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，也减少了对环境得污染。

循环流程得缺点：循环体系中惰性物质与其她杂质会逐渐积累，对反应速率与产品产率有影响，必须定期排出这些物质以避免积累。同时，大量循环物料得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与选择性两个指标？

答：转化率就是指某一反应物参加反应而转化得数量占该反应物起始量得百分率。

选择性就是指体系中转化成目得产物得某反应物量与参加所有反应而转化得该反应物总量之比。

在复杂反应体系中，选择性表达了主、副反应进行程度得相对大小，能确切反映原料得利用就是否合理。

有副反应得体系，希望在选择性高得前提下转化率尽可能高。但就是，通常使转化率提高得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，使目得产物得收率最高。

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催化剂就是参与了反应得，但反应终了时，催化剂本身未发生化学性质与数量得变化。

②催化剂只能缩短达到化学平衡得时间，但不能改变平衡。

③催化剂具有明显得选择性，特定得催化剂只能催化特定得反应。

在化工生产中得作用主要体现在以下几方面：

⑴提高反应速率与选择性。⑵改进操作条件。⑶催化剂有助于开发新得反应过程，发展新得化工技术。⑷催化剂在能源开发与消除污染中可发挥重要作用。

在生产中必须正确操作与控制反应参数，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得状态，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得作用。

应严格控制操作条件：①采用结构合理得反应器，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反应原料中得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在有析碳反应得体系中，应采用有利于防止析碳得反应条件，并选用抗积碳性能高得催化剂。

在运输与贮藏中应防止催化剂受污染与破坏；固体催化剂在装填时要防止污染与破裂，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，以免烧坏催化剂与设备。

2-10假设某天然气全就是甲烷，将其燃烧来加热一个管式炉，燃烧后烟道气得摩尔分数组成（干基）为86、4%N2、4、2%O2、9、4%CO2。试计算天然气与空气得摩尔比，并列出物料收支平衡表。

解：设烟道气（干基）得量为100mol。

反应式： CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2O

分子量： 16 32 44 18

反应转化得量： 9、4 2×9、4 9、4 2×9、4

则产物得量为：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

原料得量为：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%

222尔比为H 2O ／CO ＝2／1，反应在500℃进行，此温度下反应得平衡常数Kp ＝P(CO 2)·P(H 2)

／P (H 2O)·P(CO)＝4、88，求反应后混合物得平衡组成与CO 得平衡转化率。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，已知乙烷得单程转化率为60%，若每100Kg 进裂解

器得乙烷可获得46、4Kg 乙烯，裂解气经分离后，未反应得乙烷大部分循环回裂解器（设

循环气只就是乙烷）在产物中除乙烯及其她气体外，尚含有4Kg 乙烷。求生成乙烯得选择

性、乙烷得全程转化率、乙烯得单程收率、乙烯全程收率与全程质量收率。解：进反应器得乙烷量=100/30=3、333 kmol

产物中乙烷量=4/30=0、133 kmol ，生成乙烯46、4所转化得乙烷量=46、4/28=1、657

kmol

转化得乙烷量=60%×3、333=2、000 kmol ，未转化得乙烷量=3、333-2、000=1、333 kmol

设未反应得乙烷除了有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

则新鲜乙烷量=3、333-1、2=2、133 kmol ，乙烯选择性=1、657/2、0=82、9%

乙烷得全程转化率=2、0/2、133=93、8% ，乙烯得单程收率=1、657/3、333=49、7%

乙烯全程收率=1、657/2、133=77、7% ，乙烯全程质量收率=46、4/（30×2、133）=72、5%

第3章

3-4提高反应温度得技术关键在何处？应解决什么问题才能最大限度提高裂解温度？答：裂解反应得技术关键之一就是采用高温-短停留时间得工艺技术。提高裂解温度，必须提高炉管管壁温度，而此温度受到炉管材质得限制。因此，研制新型得耐热合金钢就是提高反应温度得技术关键。

当炉管材质确定后，可采用缩短管长（实际上就是减少管程数）来实现短停留时间操作，才能最大限度提高裂解温度。或者改进辐射盘管得结构，采用单排分支变径管、混排分支变径管、不分支变径管、单程等径管等不同结构得辐射盘管，这些改进措施，采用了缩小管径以增加比表面积来提高传热面积，使壁温下降，提高了盘管得平均传热强度，由此达到高温-短停留时间得操作条件。

3-5为了降低裂解烃分压，通常加入稀释剂，试分析稀释剂加入量确定得原则就是什么？答：工业上常用水蒸气作为稀释剂，加水蒸气量得原则：

水蒸气得加入量随裂解原料不同而异，一般就是以能防止结焦，延长操作周期为前提。若加入过量得水蒸气，可使炉管得处理能力下降，增加了炉子热负荷，也增加了水蒸气得冷凝量与急冷剂用量，并造成大量废水。

3-8裂解气出口得急冷操作目得就是什么？可采取得方法有几种？您认为哪种好？为什么？若设计一个间接急冷换热器其关键指标就是什么？如何评价一个急冷换热器得优劣？

答：从裂解管出来得裂解气就是富含烯烃得气体与大量水蒸汽，温度在727-927℃，由于烯烃反应性强，若在高温下长时间停留，仍会继续发生二次反应，引起结焦，并使烯烃收率下降，因此必须使裂解气急冷以终止反应。

采取得方法有两种：直接急冷与间接急冷。

我认为间接急冷比较好。一般情况下，因为直接急冷得急冷剂就是用油或水，急冷下来得油水密度相差不大，分离困难，污水量大，不能回收高品位得热能。而间接急冷可回收高品位热能，产生高压水蒸汽作为动力能源以驱动三机等机械（三机：裂解气压缩机、乙烯压缩机、丙烯压缩机），可减少对环境得污染程度。

关键指标就是急冷换热器得运转周期应不低于裂解炉得运转周期。为了减少裂解气在急冷换热器内得结焦倾向，使之能正常操作，控制指标：

一就是增大裂解气在急冷换热器中得线速度，一般控制裂解气在急冷换热器中得停留时间小于0、04秒；二就是必须控制裂解气得出口温度要高于裂解气得露点。

评价急冷换热器得优劣：

急冷换热器得结构必须满足裂解气急冷得特殊条件：急冷换热器管内通过高温裂解气，入口温度约827℃，压力约110KPa（表），要求在极短时间内（0、1S），将裂解气温度降到350-360℃，传热得热强度达400 103KJ/m2•h；管外走高压热水，温度约为320-330℃，压力8-13MPa，由此可知，急冷换热器与一般换热器不同得地方就是高热强度，管内外必须