化学工艺学课后习题

第二章2-1为什么说石油、天然气和煤是现代化学工业的重要原料资源？它们的综合利用途径有哪些？答：石油化工自20世纪50年代开始蓬勃发展至今，基本有机化工、高分子化工、精细化工及氮肥工业等产品大约有90%来源于石油和天然气。

90%左右的有机化工产品上游原料可归结为三烯（乙烯、丙烯、丁二烯）、三苯（苯、甲苯、二甲苯）、乙炔、萘和甲醇。

其中的三烯主要有石油制取，三苯、萘、甲醇可有石油、天然气、煤制取。

2-3何谓化工生产的工艺流程？举例说明工艺流程是如何组织的。

答：将原料转变成化工产品的工艺流程称为化工生产工艺流程。

化工生产工艺流程的组织可运用推论分析、功能分析、形态分析等方法论来进行流程的设计。

如“洋葱”模型。

2-4何谓循环式工艺流程？它有什么优缺点？答：循环流程是指未反应的反应物从产物中分离出来，再返回反应器。

循环流程的主要优点是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。

其缺点是动力消耗大，惰性物料影响反应速率及产品收率。

2-5何谓转化率？何谓选择性？何谓收率？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分率或百分率，用X表示；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，用S表示；收率。

原因：对于复杂反应体系，同时存在着生成目的产物的主反应和生产副产物的许多副反应只用转化率来衡量是不够的。

因为，尽管有的反应体系原料转化率很高，但大多数转化为副产物，目的产物很少，意味着愈多原料浪费，所以需要用选择性这个指标来评价反应过程的效率，因此需要同时考虑这两个指标。

在化工生产中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：催化剂有三个基本特征：○1催化剂是参与反应的，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。

起到的作用：催化剂能够提高正逆反应速率，缩短反应时间：催化剂可以使反应向需要的方向进行。

在生产中应注意以下几点：○1在生产过程中要考虑催化剂的活性，即活性越高则原料的的转化率、选择性越高，生产单位量的目的产物的原料消耗定额越低。

若反应原料昂贵或产物难以分离，宜选用选择性高的催化剂；若原料廉价或产物易分离，则选用活性较高的催化剂；寿命（化学稳定性、热稳定性、耐毒性和力学性能稳定性）在实际生产中催化剂可能会衰退，导致产品产量和质量均不达标准，此时，应该更换催化剂。

○2不同类型的催化剂要用不同的活化方法每种活化方法都有各自的活化条件和操作要求，应该按照操作规程进行活化。

○3在化工生产中经常出现催化剂的失活和再生，对此在生产中应严格控制操作条件，采用结构合理的反应器，使反应器温度在催化剂最佳适用范围内合理的分布，反应器中的毒物杂质应预先加以脱除。

在有碳反应的体系中，宜采用有利于防止析碳的反应并选用抗积碳性能高的催化剂。

第三章3-1根据热力学反应标准自由焓和化学键如何判断不同烃类的裂解反应难易程度、可能发生的裂解位置及裂解产物；解释烷烃、环烷烃及芳烃裂解反应规律。

造成裂解过程结焦生碳的主要反应是哪些？答：由表3-3各种键能比较的数据可看出：○1同碳数的烷烃C-H键能大于C-C键能，断链比脱氢容易；○2烷烃的相对稳定性随碳链的增长而降低;○3异构烷烃的键能小于正构烷烃，异构烷烃更容易发生脱氢或断链。

由表3-4数值，可看出：○1烷烃裂解是强吸热反应，脱氢反应比断链反应吸热值更高；断链反应的标准自由焓有较大的负值，是不可逆过程，脱氢反应的标准自由焓是正值或为绝对值较小的负值，是可逆过程，受化学平衡的限制；○2乙烷不发生断链反应，只发生脱氢反应，生成乙烯；甲烷在一般裂解温度下不发生变化。

烷烃热裂解的规律：烷烃热裂解的一次反应主要有：①脱氢反应：RCH2-CH3↔CH＝CH2+H2②断链反应：RCH2-CH2-R′↔RCH＝CH2+R′H不同烷烃脱氢和断链的难易，可以从分子结构中键能数值的大小来判断。

a同碳数的烷烃，断链比脱氢容易；b烷烃的相对稳定性随碳链的增长而降低;c脱氢难易与烷烃的分子结构有关，叔氢最易脱去，仲氢次之，伯氢最难；环烷烃裂解的规律：a侧链烷基比烃环易裂解，乙烯收率高。

b环烷烃脱氢比开环反应容易，生成芳烃可能性大。

c长侧链的环烷烃断侧链时，首先在侧链的中央断裂，至烃环不带侧链为止；五元环比六元环较难开环。

d环烷烃裂解反应难易程度：侧链环烷烃＞烃环，脱氢＞开环。

原料中环烷烃含量增加，则乙烯收率下降，丙烯、丁二烯、芳烃收率增加。

芳香烃热裂解的规律：a芳烃的脱氢缩合反应，生成稠环芳烃甚至结焦；b烷基芳烃的侧链发生断裂或脱氢反应，生成苯、甲苯和二甲苯；c芳香烃不宜作为裂解原料，因为不能提高乙烯收率，反而易结焦缩短运转周期；d各族烃的裂解难易程度：正构烷烃＞异构烷烃＞环烷烃(六元环＞五元环)＞芳烃。

造成裂解过程结焦生碳的主要反应：○1烯烃经过炔烃中间阶段而生碳CH2=CH2CH2=CH•CH≡CHCH≡C•C≡C•Cn○2经过芳烃中间阶段而结焦萘二联萘三联萘焦。

3-3在原料确定的情况下，从裂解过程的热力学和动力学出发，为了获取最佳裂解效果，应选择什么样的工艺参数（停留时间、温度、压力……），为什么？（P72-75）答：应选择的工艺参数有裂解温度、停留时间、烃分压、稀释剂及裂解深度。

应选择高温短停留时间和较低烃分压。

3-5为了降低烃分压，通常加入稀释剂，试分析稀释剂加入量确定的原则是什么？（P75）答：①裂解反应后通过急冷即可实现稀释剂与裂解气的分离，不会增加裂解气的分离负荷和困难。

②水蒸气热容量大，使系统有较大热惯性，当操作供热不平衡时，可以起到稳定温度的作用，保护炉管防止过热。

③抑制裂解原料所含硫对镍铬合金炉管的腐蚀。

④脱除积碳，炉管的铁和镍能催化烃类气体的生碳反应。

3-6试讨论影响热裂解的主要因素有哪些？答：○1裂解条件(如温度、压力、烃分压)；○2裂解炉的型式和结构；○3原料特性。

3-8裂解气出口的急冷操作目的是什么？可采取的方法有几种，你认为哪种好，为什么？若设计一个间接急冷换热器其关键指标是什么？如何评价一个急冷换热器的优劣？答：裂解气出口的急冷操作目的：从裂解管出来的裂解气含有烯烃和大量的水蒸气，温度为727—927℃，烯烃反应性强．若任它们在高温下长时间停留，会继续发生二次反应，引起结焦和烯烃的损失，因此必须使裂解气急冷以终止反应。

急冷的方法有两种，一种是直接急冷，一种是间接急冷。

我认为间接急冷好，因为直接急冷是用急冷剂与裂解气直接接触，急冷剂用油或水，急冷下来的油、水密度相差不大，分离苦难，污水量大，不能回收高品位的热量。

采用间接急冷的目的是回收高品位的热量，产生高压水蒸气作动力能源以驱动裂解气、乙烯、丙稀的压缩机，汽轮机及高压水阀等机械，同时终止二次反应。

设计一个间接急冷换热器其关键指标是：为减少结焦倾向，应控制两个指标．一是停留时间，一般控制在0.04s以内；二是裂解气出口温度，要求高于裂解气的露点。

急冷换热器是裂解装置中五大关键设备之一，是间接急冷的关键设备。

急冷换热器的结构，必须满足裂解气急冷的特殊条件：①温度高;②降温快，热强度高，内外温差高。

3-9裂解气进行预分离的目的和任务是什么？裂解气中要严格控制的杂质有哪些？这些杂质存在的害处？用什么方法除掉这些杂质，这些处理方法的原理是什么？（P85，87-92）答：目的和任务：①经预分馏处理，尽可能降低裂解气的温度，从而保证裂解气压缩机的正常运转，并降低裂解气压缩机的功耗。

②裂解气经预分馏处理，尽可能分馏出裂解气的重组分，减少进入压缩分离系统的负荷。

③在裂解气的预分馏过程中将裂解气中的稀释蒸汽以冷凝水的形式分离回收，用以再发生稀释蒸汽，从而大大减少污水排放量。

④在裂解气的预分馏过程中继续回收裂解气低能位热量。

需严格控制的杂质有H2S，CO2，H2O，C2H2，CO等气体。

这些杂质量不大，但对深冷分离过程是有害的，而且会使产品达不到规定的标准。

酸性气体的脱除有碱洗法和醇胺法。

脱水用吸附干燥法。

炔烃脱除有催化加氢法和溶剂吸收法。

3-10压缩气的压缩为什么采用多级压缩，确定段数的依据是什么？（P95-96）答：压缩气压缩基本上是一个绝热过程，气体压力升高后，温度也上升。

为了节约压缩功耗、降低出口温度、减少分离净化负荷，气体压缩采用多级压缩。

3-11某乙烯装置采用低压法分离甲烷，整个装置中需要的最低冷冻温度为-115℃，根据乙烯装置中出现的原料、产品，设计一个能够提供这样低温的制冷系统，绘出制冷循环示意图。

并标以各蒸发器和冷凝器的温度（第一级冷凝器温度，为冷却水上水温度25～30℃）。

答：3-14对于一已有的甲烷塔，H2/CH4对乙烯回收率有何影响？采用前冷工艺对甲烷塔分离有何好处？答：相同压力相同温度下，乙烯在塔顶尾气中的含量，随H2/CH4比增加而增加，即乙烯的损失率加大，降低了乙烯的回收率。

前冷是将塔顶馏分的冷量将裂解气预冷，通过分凝将裂解其中的大部分氢和部分甲烷分离，使H2/CH4比下降，提高了乙烯的回收率，减少了甲烷塔的进料量，节约能耗。

3-16根据本章所学知识，试设计一个简单的流程表述烃类热裂解从原料到产品所经历的主要工序及彼此的关系。

答：原料→热裂解→预分离（→裂解汽油→芳烃）→裂解气→净化（脱酸、脱水、脱炔）→深冷（压缩系统）→分离（精馏系统）第五章5-1有哪些原料可生产合成气？合成气的生产方法有哪些？近年来出现哪些生产合成气的新方法？它们与原有生产方法相比有什么优点？答：原料：煤、天然气、石油馏分、农林废料、城市垃圾等。

合成气的生产方法：1.以天然气为原料的生产方法：主要有转化法和部分氧化法。

2.以重油或渣油为原料的生产方法：主要采用部分氧化法3.以煤为原料的生产方法：有间歇式和连续式两种操作方式。

以上几种方法的比较：1.以天然气为原料制合成气的成本最低；2.重质油与煤炭制造合成气的成本差不多，重油和渣油制合成气可以使石油资源得到充分的综合利用；3.轻质油价格很贵，用它来制造合成气的成本较高，而它很容易经其他方法加工成液体燃料和化工原料，不必走合成气路线。

其他含碳原料(包括各种含碳废料)制合成气在工业上尚未形成大规模生产，随着再生资源的开发、二次原料的广泛利用，今后会迅速发展起来的。

生产合成气的新方法：近年来，部分氧化法的工艺因其热效率较高。

H2/CO比值易于调节，故逐渐收到重视和应用，但需要有廉价的氧源，才能有满意的经济性。