《1.《天然气化工工艺学》习题、指导与训练2016.10.09讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1.《天然气化工工艺学》习题、指导与训练2016.10.09讲解（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1. 天然气化工工艺学习题、指导与训练要求： 考核范围：系统掌握利用教材、讲义核心内容； 注重训练：独立完成和理解本作业与训练-1，注重理解，提高解决实际问题的能力； 公平竞争：考核结果取决于你自己的努力； 教师关注：考核质量和及格率两大问题！ F = A*30% + B*70% + C* 0%）总结与训练-1 1.0 天然气的组成与性质1. 天然气是由多种可燃和不可燃的气体组成的混合气体, 其中烃类气体主要成分为CH4，其次为C2H6、C3H8等；非烃类气体通常为CO2、CO、N2、H2、H2S、H2O及微量惰性气体He、Ar等。2. 1m3（mol）天然气完全燃烧所放出的热量称为天然气的体
2、积（摩尔）热值，可燃气热值分类：高热值(水蒸气冷却为冷凝水状态)和低热值(水蒸气为蒸汽状态) 。3. 可燃物摩尔高热值与摩尔低热值的关系为 4. 甲烷、乙烷、丙烷的低热值(LHV)由高到低的顺序为 LHV(CH4) LHV (C2H6) LHV (C3H8)。5. 计算天然气的爆炸极限为5-15 v%。 其含义为若低于5 v%或者高于15 v%,则会因为天然气在空气中的含量不足或者过剩而不会发生爆炸。6. CH3OH的爆炸极限为5.5% 44 v% (6% 36.5%)。7. C3+烃小于100mL(l)/m3 (g)的天然气俗称贫气；而C3+烃大于100mL(l)/m3 (g)天然气俗称富气
3、。8. C5+烃小于10mL(l)/m3 (g)的天然气俗称干气；而C5+烃小于10mL(l)/m3 (g)的天然气俗称湿气。2 天然气净化1. 天然气中的硫化物主要是以H2S的形式存在，同时还可能有一些有机硫化物，如硫醇和硫醚等。2.天然气脱硫工艺主要采用是醇胺法和砜胺法，其中醇胺法属于化学溶剂法，而砜胺法为主的化学物理溶剂法。 3. 对于天然气醇胺法脱硫过程，在70以下不易发生的反应是 ( B )。 (A) H2S + RNH2 RNH3HS (B) RNH3HS RNH2 + H2S (C) H2S + R3N R3NHHS (D) CO2 + 2RNH2 RNHCOONH3R 4. 天
4、然气醇胺法脱硫过程同时也脱除分部分二氧化碳，下列反应中在105以上可向正向进行的是 ( B ) 。 (A) H2S + RNH2 RNH3HS (B) RNH3HS RNH2 + H2S (C) H2S + R3N R3NHHS (D) CO2 + 2RNH2 RNHCOONH3R5. 醇胺法和砜胺法工艺流程包括：吸收、闪蒸、换热和再生四个环节。6. 克劳斯硫回收工艺发生如下反应，其中不属于硫回收主反应是 （C ）。 （A） H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O, rH = - 1038 kJ/mol （B） 2H2S + SO2 = 3/2 S2 + 2H2O, rH = 42.1
5、 kJ/mol （C） 2 H2S + SO2 = 3/6 S2 + 2 H2O, rH = -69.2 kJ/mol （D） CO + S = COS, rH = - 304.4 kJ/mol 注：克劳斯工艺常用低于化学计量的空气先将H2S燃烧，再经催化转化为硫磺。7. 属于克劳斯硫回收艺反应的是 （ A ）。 （A） 2 H2S + 3 O2 = 2 SO3 +2 H2O, rH = -1038 kJ/mol （B） CO + H2O = CO2 + H2 , rH = -32.9 kJ/mol （C） CO + S = COS, rH = - 304.4 kJ/mol （D） CH4 +
6、 2 H2S = CS2 + 4 H2 , rH = - 304.4 kJ/mol 克劳斯工艺硫单质的原子聚集形态 （S2, S6和S8 ）8. 阐述题： （1） 根据下图（左）简述克劳斯硫回收工艺原理（化学基础），硫单质形态和H2S转化率变化规律。 （2）参考下图（右）比较直流法脱硫和分流法脱硫的工艺特点。【如流程（燃烧区和催化转化区的利用）、操作温度选择、脱硫能力，处理原料对象等。】图1 H2S转化为硫的平衡转化率图1 克劳斯法的主要流程2. 天然气水蒸气转化（重整）工艺流程、化学原理 1） 天然气水蒸气转化反应 a) 甲烷转化主反应; b) 典型的高级烃转化反应； c) 积炭副反应。 2
7、） 甲烷水蒸汽转化的生产工艺(二段转化法)（P46图3-7） 3） 催化剂和工艺条件 a) 催化剂：Ni/MgAl2O4 （1） Ni活性组分； （2）镁铝尖晶石载体。 b) 压力：采用34 MPa的加压条件；c) 温度：一段转化炉反应温度700800，二段炉出口温度1000左右(10001200)； d) 原料配料中的水碳比34 较适宜；e) 空间速度(P45)：表示催化剂处理原料气的能力，催化剂活性高，反应速度快，空速可以大些。二段炉原料气空速：GHSV = Fv/V Catal. (h-1) =30004000 h-1. f) 综合结论：温度对甲烷转化影响较大；加压对甲烷转化并不利；水碳
8、比也影响转化。综合考虑，甲烷蒸汽转化反应尽可能在高温、高水碳比以及低压下进行。4) 转化结果：CH4转化率 99.5 v%，生成H2、CO、CO2、H2O(g)等的混合气体（粗合成气）。3. 天然气部分氧化制合成气的反应器包括：(1) 固定床反应器； (2) 流化床反应器； (3) 膜反应器4. 天然气(甲烷)部分氧化(POM)制合成气是一个较温和的放热反应。在750800下，甲烷平衡转化率可达90以上，CO和H2的选择性高达95，生成合成气的H2和CO摩尔比接近2。 甲烷部分氧化制合成气的总反应式：。甲烷水蒸气重整需要大量热能。因此，部分氧化与水蒸气重整过程的耦合利用，将是今后天然气制合成气
9、的主要发展方向。试按要求完成下列任务：1）设计一个“甲烷部分氧化与水蒸气重整”联合转化反应炉(绘制反应器结构示意图，参考右图所示反应)；2）描述所设计联合转化炉的结构、功能和反应区；3）各个反应区的主反应和热效应；4）设计的甲烷制合成气过程的突出特点是什么？ 4 甲醇和二甲醚合成1. 在一定温度、压力下，CO、CO2和H2在固相铜催化剂上进行反应可合成甲醇，主要化学反应为 (1) , (2) , (3) , （a）主反应的独立反应数为2，所以,而（b）从反应平衡角度，低温和高压均有利于甲醇生成；（c）副产物有烃和其它含氧化合物；(d) 二甲醚爆炸极限=3-17v%。 2. 试写出由H2和CO合
10、成甲醇的可能反应机理。3. H2、CO、CO2 均是合成甲醇的有效成分，但为什么甲醇合成气中CO2的浓度不易过高？答：H2、CO、CO2 的吸附强度依次为：CO2COH2，过量的CO2将过分占据活性中心，反而对甲醇合成反应不利。 4. 甲醇合成条件（ICI低压甲醇合成工艺）(1) 反应器和催化剂：采用多段冷激式合成器，铜基催化剂（Cu-Zn-Al）； (2) ICI低压甲醇合成工艺条件 ：反应温度T = 230270； 压力 P = 5.010.0 MPa; H2/CO摩尔比= 2.03.0 ，甲醇合成气模数 M=(H2-CO2)/(CO+CO2) = 2.02.2空速 GHSV= 50001
11、0000 h-1 ； 进料循环比85/1时空产率 = 9 t/m3h 出塔气中CH3OH含量= 36 %(3) ICI低压甲醇合成工艺流程 （原则流程 图4-1 P76）(4) 甲醇精馏技术： （a）试画出甲醇三塔精馏工艺流程示意图; (b)阐述三塔精馏工艺过程。甲醇合成工序的一般流程 5. 铑-碘催化体系的甲醇低压羰基化反应机理如下：试按顺序甲醇羰基化反应过程。 CH3OH 与HI先生成CH3I； CH3I与Rh(CO)2I2 生成配合物CH3Rh(CO)2I3； CO嵌入到Rh-CH3键生成配合物CH3CORh(CO)I3； 气相CO与Rh配合物配位生成CH3CORh(CO)2I3； 通过
12、还原消除反应，生成CH3COI与Rh(CO)2I2； CH3COI与反应系统的H2O作用得到产物醋酸和HI，同时HI再生而完成催化循环。6. 已知以合成气为原料，Cu-Zn-Al/HZSM-5为双功能催化剂，采用先进的一步法可生产二甲醚和甲醇的混合物。系统在260 、5 MPa和GHSV= 6000 sL/(kg-catalh)条件下，合成二甲醚及甲醇的平衡转化率(单程)、反应路径和热效应如下图所示。 2 CO + 4 H2 = CH3OCH3 + H2O，rH = -205.2 kJ/mol 3 CO + 3 H2 = CH3OCH3 + CO2，rH = -246.3 kJ/mol（1）试
13、分析一步法合成二甲醚和甲醇的混合物的优点；（2）根据H2/CO摩尔比和CO+H2单程转化率的关系，估计H2/CO摩尔比和CO+H2单程转化率的合理范围；（3）如何在较高单程转化率(CO+H2)前提下控制CO2的生成量？解：（1）合成气直接制二甲醚的反应是放出大量热量且分子数减少的反应，所以较低的温度及较高的压力可获得较高的平衡转化率（60%）。 其优点：打破制甲醇反应的平衡限制，合成气转化率提高；总生产成本降低20%。故而合成二甲醚在热力学上优于合成甲醇。（2） n (H2)/n (CO) = 1.02.0; 单程转化率(CO+H2) = 3575 %，理想值为5060%。（3）在控制单程转化
14、率(CO+H2)接近50%条件下，适当提高n (H2)/n (CO)值，如0.5-1.7，或提高合成气的模数。参考1产 品二甲醚甲醇甲醇及二甲醚循环比CO单程转化率/%总转化率/%排放气量比/%表观热效率/%相对投资相对天然气消耗量25095570.785.981.1514772355.0100100518851563.294.590.6总结与训练-2 5 甲醇制低碳烯烃1. 在微孔沸石催化剂作用下甲醇转化制低碳烯烃(MTO)，低碳烯烃通常是指碳原子数nC 4的烯烃。2. 甲醇转化制烃包括MTO、MTP、MTG、MTA及其变体过程，其中MTP是指甲醇转化制丙烯过程，而MTG是指甲醇转化制汽油过程。3. 甲醇转化制烃过程可统称为（B）。 （A） MTG ; （B） MTO; （C） MTP; （D） MTH 4. 甲醇转化制低碳烯烃的主反应可表示为，其中n值不正确的是（A） n =1; （B） n=2; （C） n=3; （D） n=45. 甲醇转化制烯烃(MTO)系统发生如下反应：其
