化学工艺学 第二版 (米镇涛 著) 课后习题答案

※<习题一>
课后习题：
1化学工艺学定义、化学工艺学研究范畴、化学工艺学与工程的关系？
答：化学工艺学是将化学工程学的先进技术运用到具体的生产过程中，以化工产品为目标的过程技术。

化学工程学主要研究化学工业和其他过程工业生产中所进行的化学过程和物理过程的共同规律，他的一个重要任务就是研究有关工程因素对过程和装置的效应，特别释放大中的效应。

化学工艺学与化学工程学都是化学工业的基础科学。

化学工艺与化学工程相配合，可以解决化工过程开发、装置设计、流程组织、操作原理及方法方面的问题；此外，解决化工生产实际中的问题也需要这两门学科的理论指导。

2现代化学工业的特点？
答：特点是：（1）原料、生产方法和产品的多样性和复杂性；（2）向大型化、综合化，精细化发展；（3）多学科合作、技术密集型生产；（4）重视能量的合理利用，积极采用节能工艺和方法；（5）资金密集，投资回收速度快，利润高；（6）安全与环境保护问题日益突出。

补充习题：
1现代化学工业的特点是什么？
2化学工艺学的研究范畴是什么
3简述石油化工原料乙烯的用途？
4利用合成气可以合成哪些产品？
5※<习题二>
课后习题：
1.生产磷肥的方法是哪两类？
答：生产磷肥的两种方法是：
（1）酸法它是用硫酸或硝酸等无机酸来处理磷矿石，最常用的是硫酸。

硫酸与磷矿反应生成磷酸和硫酸钙结晶，主反应式为
（2）热法利用高温分解磷矿石，并进一步制成可被农作物吸收的磷酸盐。

1.石油的主要组成是什么？常、减压蒸馏有哪几类？
答：石油的化合物可以分为烃类、非烃类以及胶质和沥青三大类。

烃类即碳氢化合物，在石油中占绝大部分。

非烃类指含有碳、氢及其他杂原子的有机化合物。

常、减压蒸馏有三类：（1）燃料型（2）燃料—润滑油型（3）燃料—化工型
4.石油的一次加工、二次加工介绍
答：石油一次加工的方法为常压蒸馏和减压蒸馏。

石油的二次加工方法有：（1）催化重整催化重整的原料是石脑油，催化重整装置能提供高辛烷值汽油，还为化纤、橡胶、塑料和精细化工提供苯、甲苯、二甲苯等芳烃原料以及提供液化气和溶剂油，并副产氢气。

其催化剂是由活性组分（铂）、助催化剂和酸性载体（如经HCl处理的Al2O3）组成。

（2）催化裂化原料是直馏柴油、重柴油、减压柴油或润滑油馏分，甚至可以是渣油焦化制石油焦后的焦化馏分油。

获得的产品是高质量的汽油，并副产柴油、锅炉燃油、液化气和气体等产品。

催化剂是过去采用硅酸铝催化剂，目前采用高活性的分子筛催化剂。

（3）催化加氢裂化加氢裂化的原料油可以是重柴油、减压柴油，甚至减压渣油，另一原料是氢气。

催化加氢裂化系指在催化剂存在及高氢压下，加热重质油使其发生各类加氢和裂化反应，转变成航空煤油、柴油、汽油（或重整原料）和气体等产品的加工过程。

催化剂分为两类，即Ni、Mo、W、Co的非贵金属氧化物和Pt、Pd贵金属氧化物，均用硅酸铝加分子筛或氧化铝为载体。

非贵金属氧化物催化剂要先进行还原活化才有活性。

（4）烃类热裂解烃类热裂解主要目的是为了制取乙烯和丙烯，同时副产丁烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、乙苯等芳烃及其他化工原料。

热裂解的原料较优者是乙烷、丙烷和石脑油。

5.化工生产过程包括哪些？
答：化工生产过程一般可概括为原料预处理、化学反应和产品分离及精制。

6.化工生产过程的定义及工艺流程图是什么？
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。

工艺流程多彩用途是方法来表达，称为工艺流程图。

7.进行工艺流程设计常用的三种方法是什么？
答：三种方法是：推论分析法、功能分析法、形态分析法。

8.浓度、温度、压力对化学平衡、反应速率的影响？
答：浓度根据反应平衡移动原理，反应物浓度越高，越有利于平衡向产物方向移动。

从反应速率式可知，反应物浓度越高，反应速率越快。

温度对于吸热反应，△H＞0,平衡常数随着温度升高而增大，有利于反应，产物的平衡产率增加。

对于放热反应，△H＜0，平衡常数随着温度升高而减小，平衡产率降低。

反应速率常数随温度升高而增加。

压力压力对液相和固相反应的平衡影响较小。

气体的体积受压力影响大，故压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大，其规律为：（1）对分子数增加的反应，降低压力可以提高平衡产率；（2）对分子数减小的反应，压力升高，产物的平衡产率增大；（3）对分子数没有变化的反应，压力对平衡产率无影响。

在一定的压力范围内，加压可减小气体反应体积，且对加快反应速率有一定好处。

9.什么是最佳反应温度？
答：正、逆反应速率之差即为产物生成的净速率有一个极大值，此极大值对应的温度称为最佳反应温度。

10.催化剂的作用？催化剂的三个基本特征？
答：催化剂的作用：（1）提高反应速率和选择性；（2）改进操作条件：（3）催化剂有助于开发新的反应过程，发展新的化工技术。

（4）催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用。

催化剂的三个基本特征：（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（即加速作用），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。

11.反应过程的物料衡算和热量衡算的现实意义？
答：物料衡算和热量衡算是化学工艺的基础之一，通过物料、热量衡算，计算生产过程的原料消耗指标、热负荷和产品产率等，为设计和选择反应器和其他设备的尺寸、类型及台数提供定量依据；可以核查生产过程中各物料量及有关数据是否正常，有否泄露，热量回收、利用水平和热损失的大小，从而查找出生产上的薄弱环节和瓶颈部位，为改善操作和进行系统的最优化提供依据。

补充习题：
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？
2生物质和再生资源的利用前景如何？
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。

4何谓循环式工艺流程？它有什么优缺点？
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？
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？
7在天然气开采中，有时可获得含有C6～C8烃类的天然汽油，为了改善其辛烷值，用蒸馏塔除去其中的轻组分。

如果天然汽油、塔顶馏出物和塔底中等辛烷值汽油的摩尔百分数组成为：
物料名称天然汽油中等辛烷值汽油塔顶馏出物
1.C6H1425060
2.C7H162521.530
3.C8H185078.510
假设它们的密度为0.8g/cm3，那么，从5000桶天然汽油中能生产出多少吨中等辛烷值汽油？（1桶=42US加仑，1US加仑=3.78541dm3,1dm3=103cm3）
8某蒸馏柱分离苯-甲苯混合物，其质量组成各占50%，进料流量为10000kg/d，从柱顶冷凝器回收的产品含95%苯；柱底馏出物含95%甲苯。

离开柱顶进入冷凝器的产物蒸气流量是8000kg/d，全部冷凝为液体后，部分产品作为回流液返回蒸馏柱的上部，其余取出即为产品。

求回流与取出产品量之比。

在一个加氢裂化器中，较大分子烃经加氢裂解成较小分子烃。

已知输入和输出的烃类组成为：
a)烃类输入输出
b)C5H1210mol%
c)C6H1440mol%
d)C7H1620mol%
e)C12H26100mol%30mol%
（1）每100kmol原料烃可生产出多少C5～C7烃产品？
（2）每100kmol原料烃消耗多少氢气？
（3）如果原料烃的密度是0.9g/cm3,输出烃的密度是0.8g/cm3,那么每输出10m3的烃物料需要输入多少m3原料烃？
9假设某天然气全是甲烷，将其燃烧来加热一个管式炉，燃烧后烟道气的干基摩尔组成为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。

10在高温下裂解天然气可获得炭黑和含氢的裂解气。

已知天然气的体积组成为82.3%CH4、8.3%C2H6、3.7%C3H8和5.7%N2，产生的炭黑可以视为纯碳，裂解气含60.2%H2、23.8%CH4、2.2%C2H6、6.5%C2H4、1.4%C3H6、2.3%C2H2和3.6%N2。

计算每100标准m3的天然气可生产多少千克炭黑和多少标准米3的裂解气。

11某燃料气含有30%CS2、26%C2H6、14%CH4、10%H2、10%N2、6%O2和4%CO，与空气一起燃烧，产生的烟道气含有3%SO2、2.4%CO，其余为CO2、H2O、O2和N2。

求空气的过剩百分数。

12一氧化碳与水蒸气发生的变换反应为CO+H2O==CO2+H2，若初始混合原料的摩尔比为H2O/CO=2/1，反应在500℃进行，此温度下反应的平衡常数4.88。

求反应后混合物的平衡组成和CO的平衡转化率。

13合成甲醇的反应为CO+2H2=CH3OH，如果初始原料混合物中H2/CO=2/1，反应温度为350℃，压力为300×105Pa，在此条件下，平衡常数1.18×10-14Pa-2。

那么，CH3OH的平衡浓度（体积%）为多少？
14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它气体外，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。

5
※<习题三>
课后习题：
1.什么是烃类热裂解？
答：烃类的热裂解是将石油系烃类燃料（天然气、炼厂气、轻油、柴油、重油等）经高温作用，使烃类分子发生碳链断裂或脱氢反应，生成相对分子质量较小的烯烃、烷烃和其他相对分子质量不同的轻质和重质烃类。

2.烃类热裂解制乙烯可以分为哪两大部分？
答：烃类热裂制乙烯的生产工艺主要由两部分组成，即原料烃的热裂解和裂解产物的分离。

3.在烃类热裂解系统内，什么是一次反应？什么是二次反应？
答：一次反应是指原料烃在裂解过程中首先发生的原料烃的裂解反应，生成目的产物乙烯、丙烯的反应属于一次反应，是希望发生的反应；二次反应则是指一次反应产物继续发生的后继反应，乙烯、丙烯消失，生成分子量较大的液体产物以至结焦生炭的反应属于二次反应，是不希望发生的反应。

4.用来评价裂解燃料性质的4个指标是什么？
答：评价裂解燃料性质的4个指标如下：
①族组成—PONA值，PONA值是一个表征各种液体原料裂解性能的有实用价值的参数。

裂解原料油中的各种烃，按其结构可以分为四大族，即链烷烃族、烯烃族、环烷烃族和芳香族。

这四大族的族组成以PONA值来表示，其含义如下：P—烷烃（Paraffin）；O—烯烃（Olefin）；
N—环烷烃（Naphtene）；A—芳烃（Aromatics）。

②氢含量，根据氢含量既可判断该原料可能达到的裂解深度，也可评价该原料裂解所得C4和C4以下轻烃的收率。

氢含量可以用裂解原料中所含氢的质量百分数表示，也可以用裂解原料中C 与H的质量比（称为碳氢比）表示。

③特性因数—K，K是表示烃类和石油馏分化学性质的一种参数。

K值以烷烃最高，环烷烃次之，芳烃最低，它反映了烃的氢饱和程度。

④关联指数—BMCI值，BMCI值是表示油品芳烃含量的指数。

关联指数愈大，则表示油品的芳烃含量愈高。

5.温度和停留时间如何影响裂解反应结果？
答：从裂解反应的化学平衡也可以看出，提高裂解温度有利于生成乙烯的反应，并相对减少乙烯消失的反应，因而有利于提高裂解的选择性；根据裂解反应的动力学，提高温度有利于提高一次反应对二次反应的相对速度，提高乙烯收率。

从化学平衡来看，为获得尽可能多的烯烃，必须采用尽可能短的停留时间进行裂解反应；从动力学来看，由于有二次反应，对每种原料都有一个最大乙烯收率的适宜停留时间。

因此可以得出，短停留时间对生成烯烃有利。

①对于给定原料，相同裂解深度时，提高温度，缩短停留时间，可以获得较高的烯烃收率，并减少结焦。

②高温-短停留时间可抑制芳烃生成，所得裂解汽油的收率相对较低。

③高温-短停留时间可使炔烃收率明显增加，并使乙烯/丙烯比及C4中的双烯烃/单烯烃的比增大。

6.裂解气预分馏的目的和任务分别是什么？
答：裂解气预分馏的目的是：
①尽可能降低裂解气的温度；
②尽可能分馏出裂解气的重组分；
③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；
④继续回收裂解气低能位热量。

裂解气预分馏的任务是：
①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，减少压缩分离系统的进料负荷；
②大大减少污水排放量；
③合理的热量回收，由急冷油回收的热量用于发生稀释蒸汽，由急冷水回收的热量用于分离系统的工艺加热。

7.裂解气的净化主要除掉哪几种组分？为什么要除去？原理是什么？
答：裂解气的净化主要除掉酸性气体（CO2，H2S和其他气态硫化物）、水、炔烃等杂质。

除去这些杂质的原因为：这些杂质的含量虽不大，但对深冷分离过程是有害的。

对裂解气分离装置而言，CO2会在低温下结成干冰，造成深冷分离系统设备和管道堵塞，H2S将造成加氢脱炔催化剂和甲烷化催化剂中毒；对于下游加工装置而言，当氢气，乙烯，丙烯产品中的酸性气体含量不合格时，可使下游加工装置的聚合过程或催化反应过程的催化剂中毒，也可能严重影响产品质量，使产品达不到规定的标准。

原理分别如下：
⑴脱除酸性气体
①碱洗法用NaOH作为吸收剂，通过化学吸收使NaOH与裂解气中的酸
性气体发生化学反应，脱除酸性气体。

②乙醇胺法用乙醇胺作为吸收剂，除去CO2和H2S，是一种物理吸收和
化学吸收相结合的方法。

⑵脱水
吸附法进行干燥，采用分子筛（离子型极性吸附剂）对极性分子特别是水有极大的亲和性，易于吸附。

⑶脱炔
溶剂吸收和催化加氢将炔烃加氢成烷烃除去。

8.脱除酸性气体有哪2种方法？各有什么优缺点？
答：脱除酸性气体的方法有碱洗法和乙醇胺法两种。

答：裂解气的前加氢是指在裂解气中氢气未分离出来之前，利用裂解气中
H2进行选择性加氢，以脱除其中的炔烃；后加氢是指裂解气分离出C2馏分、C3馏分后，再分别对C2和C3馏分进行催化加氢，以脱除乙炔、甲基乙炔和丙二烯。

11.裂解气分离流程中能耗最大的两个是什么？
答：裂解气分离流程中能耗最大的两个分别是“脱甲烷”和“乙烯精馏”。

脱甲烷塔是脱除裂解气中的氢和甲烷，是裂解气分离装置中投资最大、能耗最多的环节，其冷冻功耗约占全装置冷冻功耗的50%以上。

由于乙烯塔温度仅次于脱甲烷塔，所以冷量消耗占总制冷量的比例也较大，约为38%～44%。

补充习题：
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炭的主要反应是哪些？
2试以丙烷裂解为例，阐述烃类裂解的自由基反应机理，计算600℃，700℃，800℃，900℃，1000℃下，丙烷裂解生成物中乙烯和丙烯比例（假设无其它副反应发生）。

并绘出裂解温度—乙烯（丙烯）组成的曲线。

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？
4提高反应温度的技术关键在何处，应解决什么问题才能最大限度提高裂解温度？
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？
6试讨论影响热裂解的主要因素有哪些？评价裂解过程优劣的目标函数（指标）是什么？
7Lummus公司的SRT型裂解炉由I型发展到VI型，它的主要改进是什么？采取的措施是什么？遵循的原则是什么？你大胆的设想下一步将怎么改？
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？
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？
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？
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℃）。

12裂解气分离流程各有不同，其共同点是什么？试绘出顺序分离流程、前脱乙烷后加氢流程，前脱丙烷后加氢流程简图，指出各流程特点，适用范围和优缺点。

13甲烷塔操作压力的不同，对甲烷塔的操作参数（温度、回流比…）、塔设计（理论板数，材质…），即未来的操作费用和投资有什么影响？
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？
15何为非绝热精馏，何种情况下采用中间冷凝器或中间再沸器，分析其利弊。

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。

17近年来乙烯工业的主要发展方向和研究开发的热点是什么？
5※<习题四>
第4章课后习题
1.芳烃中的“三苯”及“三烯”分别指什么？
答：芳烃中的“三苯”指苯、甲苯、二甲苯；“三烯”指乙烯、丙烯、丁二烯。

2.芳烃的两种原料是什么？石油芳烃主要来源哪2种原料？
答：芳烃的2种原料是煤、石油；石油芳烃主要来源于石脑油重整生成油、烃裂解生产乙烯副产的裂解汽油。

3.芳烃馏分的分离主要有哪2种方法？原理是什么？
答：芳烃馏分的分离方法主要有溶剂萃取法和萃取蒸馏法2种。

其原理分别如下：
溶剂萃取分离芳烃是利用一种或两种以上的溶剂（萃取剂）对芳烃和非芳烃选择溶解分离出芳烃。

对溶剂性能的基本要求：对芳烃的溶解选择性好、溶解度高；与萃取原料密度差大；蒸发潜热与热容小、蒸汽压小；有良好的化学稳定性与热稳定性、腐蚀性小。

萃取蒸馏是利用极性溶剂与烃类混合时，能降低烃类蒸汽压使混合物初沸点提高的原理而设计的工艺过程，由于此种效应对芳烃的影响最大，对环烷烃的影响次之，对烷烃的影响最小，这样就有助于芳烃和非芳烃的分离。

4.C
芳烃（4种）分别是如何分离的？
8
芳烃的分离方法如下：
答：4种C
8
①邻二甲苯的分离
沸点最高，与关键组分对二甲苯的沸点相差5.3℃精馏法分离。

②乙苯的分离
沸点最低，与关键组成对二甲苯的沸点仅差2.2℃精馏分离耗能大，在异构化装置中转化回收。

③对、间二甲苯的分离
由于对二甲苯与间二甲苯的沸点差只有0.75℃，难于采用精馏方法进行分离。

目前工业上采用的方法主要有深冷结晶分离法、络合萃取分离法、模拟移动床吸附分离法。

5.工业分离对二甲苯的方法有哪3种？
答：工业分离对二甲苯的方法有深冷结晶分离法、络合萃取分离法、模拟移动床吸附分离法3种。

Ⅰ.深冷结晶分离法：工业上多采用二段结晶工艺。

第一段结晶，对二甲苯纯度约为85%～90%；第二段结晶对二甲苯纯度可达99.2%～99.5%。

Ⅱ.络合萃取分离法：利用一些化合物与二甲苯异构体形成络合物的特性可以达到分离各异构体的目的。

Ⅲ.模拟移动床吸附分离法：利用固体吸附剂吸附二甲苯异构体的能力不同进行的一种分离方法。

补充习题：
1简述芳烃的主要来源及主要生产过程。

2芳烃的主要产品有哪些？各有何用途？
3试论芳烃转化的必要性与意义，主要的芳烃转化反应有哪些？
4试分析我国与美国、日本的芳烃生产各有何特点及其原因。

5简述苯、甲苯和各种二甲苯单体的主要生产过程，并说明各自的特点。

6简述芳烃生产技术的新进展及其主要特征。

7如何理解芳烃生产、转化与分离过程之间的关系，试组织两种不同的芳烃生产方案。

5※<习题五>
课后习题：
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？
答：制造合成气的原料是多种多样的，许多含碳资源如煤、天然气、石油馏分、农林废料、城市垃圾等均可用来制造合成气。

合成气的生产方法如下：
①以煤为原料的生产方法有间歇和连续两种操作方式。

煤制合成气中H
2
/ CO比值较低，适于合成有机化合物。

②以天然气为原料的生产方法主要有转化法和部分氧化法。

目前工业上多
采用水蒸气转化法，该法制得的合成气中H
2
/CO比值理论上是3，有利于用来制造合成氨或氢气。

③以重油或渣油为原料的生产方法主要采用部分氧化法。

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。

H
2
/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。

最近开展了二氧化碳转化法的研究，有些公司和研究者已进行了中间规模和工业化的扩大试验。

2．为什么天然气—水蒸气转化过程中需要供热？供热形式是什么？一段转化炉有哪些型式？
答：从热力学角度看，高温下甲烷浓度低，从动力学看，高温使反应速率加快，所以出口残余甲烷含量低。

因加压对平衡的不利影响，更要提高温度来补偿。

甲烷与水蒸气反应生成CO和H
2是吸热的可逆反应，高温对平衡有利，即H
2
及CO
的平衡产率高，CH
4
平衡含量低。

高温对一氧化碳变换反应的平衡不利，可以少生成二氧化碳，而且高温也会抑制一氧化碳岐化和还原析碳的副反应。

但是，温度过高，会有利于甲烷裂解，当高于700℃时，甲烷均相裂解速率很快，会大量析出碳，并沉积在催化剂和器壁上。

一段转化采用管间供热；二段转化则是温度在800℃左右的一段转化气绝热进入二段炉，同时补入氧气，氧与转化气中甲烷燃烧放热进行供热。

一段转化炉的炉型主要有两大类，一类是以美国凯洛格公司为代表所采用的顶烧炉，另一类是以丹麦托普索公司为代表所采用的侧烧炉。

3.由煤制合成气有哪些生产方法？这些方法相比较各有什么优点？较先进的方法是什么？
答：固定床间歇式气化制水煤气法：优点是只用空气不用纯氧，成本和投资费用低。

固定床连续式气化制水煤气法：优点是可连续制气，生产强度较高，而且煤。