化学工艺学复习题

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1、一、简答题1. 化学工业按生产的产品分类可分为那几大类？ 答：化学工业按产品分类可分为如下几大类：(1) 无机化学工业。(2) 有机化学工业(3) 精细化学品工业(4) 高分子化学工业(5) 生物化工工业。2. 化学工业的主要资源包括那些？答：化学工业的主要资源包括：无机化学矿，石油，煤，天然气，生物质，再生资源，空气和水等。3. 烃类热裂解产物中的有害物质有哪些？存在哪些危害？如何脱除？答：烃类热裂解产物中的有害物质包括：硫化氢等硫化物，二氧化碳，炔烃和水。硫化氢的危害：硫化氢会腐蚀设备和管道，使干燥的分子筛的寿命缩短，使脱炔用的加氢催化 剂中毒并使烯烃聚合催化剂中毒。二氧化碳的危害：在深冷

2、分离裂解气时，二氧化碳会结成干冰， 堵塞管道及设备，影响正常生 产；对于烯烃聚合来说，是烯烃聚合过程的惰性组分，在烯烃循环时造成积累，使烯烃的分压下降， 从而影响聚合反应速度和聚合物的分子量。炔烃的危害：炔烃使乙烯和丙烯聚合的催化剂中毒。水的危害：在深冷分离时，温度可达-100C，水在此时会结冰，并与甲烷，乙烷等形成结晶化 合物(CH4 6HO, C2H6 7H0, C4H10 7H2O，这些结晶会堵塞管道和设备。脱除方法：硫化氢和二氧化碳用氢氧化钠碱液吸收来脱除；炔烃采用选择性加氢法来脱除。水 米用分子筛干燥法脱除。4. 简述芳烃的主要来源。 答：芳烃的主要来源有：(1) 从煤焦化副产煤气所

3、得粗苯和煤焦油中提取；(2) 从催化重整汽油中提取；(3) 从烃类热裂解制乙烯所得裂解汽油中提取；(4) 轻烃芳构化和重芳烃轻质化制芳烃。5. 举例说明芳烃转化催化剂有哪些？ 答：芳烃转化所用催化剂包括：(1) 酸性卤化物，如：AICI3、AIBr3、BF3等路易斯酸。(2) 浸渍在载体上的质子酸，如：载于硅藻土或硅胶等载体上的硫酸、磷酸及氢氟酸等。(3) 浸渍在载体上的路易斯酸，如载于丫 -Al 2O3上的AICI3、AIBr3、BF3、FeCb、ZnCI2、TQI4等。(4) 混合氧化物催化剂，如SiO2-AI 2O3等。(5) 贵金属-氧化硅-氧化铝催化剂，如Pt/ SQ2-AI2O3等

4、。(6) 分子筛催化剂，如经过改性的 Y型分子筛、丝光沸石和ZSM系列分子筛等。6. 工业上生产合成气的方法有哪些？其中哪种方法投资和成本最低？ 答：工业上生产合成气的方法有：(1) 以煤为原料的煤气化法。(2) 以天然气为原料的天然气蒸汽转化法。(3) 以重油或渣油为原料的部分氧化法。 其中以天然气蒸汽转化法的投资和成本最低。7. 合成气主要工业化用途有哪些？ 合成气的主要工业化用途包括：(1) 合成氨；(2) 合成甲醇；(3) 合成醋酸；(4) 烯烃的羰基合成；(5) 合成天然气、汽油和柴油。8. 在乙烯直接氧化制环氧乙烷过程中，与空气氧化法相比较，氧气氧化法有哪些优点？ 答：与空气氧化法

5、相比，用氧气氧化乙烯制环氧乙烷具有如下优点：(1) 空气氧化法反应部分的工艺流程较为复杂， 需要空气净化系统、排放气氧化和吸收系统及催 化燃烧系统，23台氧化反应器。而氧气氧化法只需要一台反应器，不需要上述系统，仅多 了一套脱碳系统，不包括空气分离装置时，氧气氧化法的建厂费用和固定资产投资比空气氧 化法省。(2) 氧气氧化法的催化剂不会受空气污染，且氧化反应温度低，因此催化剂的寿命长。(3) 氧气氧化法可采用浓度较高的乙烯，反应器的生产能力比空气氧化法高。(4) 氧气氧化法的乙烯消耗定额和电力消耗比空气氧化法低。9. 丁二烯的生产方法有哪些？ 答：丁二烯的工业生产方法包括：(1 )从烃类热裂解

6、制乙烯副产的C4馏分得到。(2) 乙醇和成丁二烯。(3) 由正丁烷和正丁烯脱氢得到。(4) 正丁烯氧化脱氢制丁二烯。10. 在丁二烯的生产过程中，加入水蒸气具有哪些作用？ 答：水蒸汽的作用包括：(1) 加入水蒸汽可以提高反应的选择性。(2) 加入水蒸汽可以提高反应速率。(3) 加入水蒸汽可以控制反应温度。(4) 加入水蒸汽可以利用水煤气反应达到清焦的作用。(5) 加入水蒸汽可以降低爆炸极限，达到防止爆炸的目的。11. 说明氨合成催化剂的组成及其作用。答：氨合成催化剂的组成包括 a Fe, AI2O3, K2O, CaO, MgO, Si02等。(1) 氨氧化催化剂的活性组分是a Fe,未还原时

7、为 FeO +Fe2O3,其中FeO占2438%, Fe2+/Fe3+=0.5, 般在0.470.57之间，可视为FaO4,具有尖晶石结构。(2) Al2O3的作用:Al2O3与Fe3O4作用可形成FeAl2O4,具有尖晶石结构，当催化剂还原后，Fe3O4 被还原为a Fe,而未被还原的AI2O3仍保持着尖晶石结构，起到骨架作用，从而防止铁细晶的长大，使催化剂的比表面积增加，活性增加。因此，AI2O3为结构型助催化剂，氧化镁的作用与AI2O3的作用相似，也是结构型助催化剂。(3) K2O的作用：氧化钾是电子型助催化剂，在 Fe AI2O3催化剂中添加氧化钾后，可以使金属 的电子逸出功下降，有助

8、于氮的活性吸附。(4) CaO的作用：CaO的作用与K2O相似，也是电子型助催化剂，同时，氧化钙能降低固熔体 的熔点和粘度，有利于三氧化二铝和四氧化三铁固熔体的形成，提高催化剂的热稳定性。(5) Si2O的作用：二氧化硅是磁铁矿中的杂质，具有中和 K2O和CaO的作用，此外，Si2O还具 有提高催化剂抗水毒害和耐烧结的性能。12. 天然气蒸汽转化反应是体积增大的可逆反应，加压对化学平衡不利，为什么还要加压操作？答：从烃类蒸汽转化反应的平衡考虑， 反应宜在低压下进行，但从20世纪50年代开始，逐渐将压 力提高到3.54.0MPa下操作，现在的最高压力可达 5MPa。其原因如下：(1) 可以节省压

9、缩功耗。烃类蒸汽转化为体积增大的反应，而气体的压缩功与被压缩气体的体积成正比，所以压缩含烃 原料和二段转化所需的空气的功耗要比压缩转化气节省。 同时由于氨是在高压下合成的，氢氮混和 气压缩的功耗与压缩前后压力比的对数成正比， 这就是说，合成压缩机的吸入压力越高，压缩功耗 越低。尽管转化反应压力提高后，原料气压缩和二段转化所用的空气压缩机的功耗要增加， 但单位 产品氨的总功耗还是减少的。（2）可以提高过量蒸汽余热的利用价值。由于转化是在过量水蒸气条件下进行的，经一氧化碳变换冷却后，可以回收原料气中大量余热。 其中水蒸气的冷凝热占有相当大的比重， 这部分热量与水蒸气的分压有直接关系， 压力越高，水

10、蒸 汽的分压也越高，因此其冷凝温度（即露点）越高，在同一汽气比条件下，低变炉出口气体的露点 随压力的升高而增加，蒸汽冷凝液利用价值也就越高，温度相同，压力越高，热效率越高，即回收 的热量越多。（3）可以减少原料气制备与净化系统的设备投资。转化压力提高，变换、净化以至到氢氮混和气压缩机前的全部设备的操作压力都随着提高，对 于同样的生产规模，在一定程度上， 可以减少设备投资，而且在加压条件下操作， 可提高转化和变 换的反应速率，可以减少催化剂用量。13. 在烃类热裂解的过程中，加入水蒸气作为稀释剂具有哪些优点？答：在烃类热裂解的过程中，加入水蒸汽作为稀释剂具有如下优点：（1）水蒸汽的热容较大，能对

11、炉管温度起稳定作用，因而保护了炉管。（2）水蒸汽价廉易得，且容易与裂解产物分离。（3）水蒸汽可以抑制原料中的硫化物对合金钢裂解炉管的腐蚀。（4）水蒸汽可以与裂解管中的焦炭发生水煤气反应而清焦。（5） 水蒸汽对金属表面起一定的氧化作用，使金属表面的铁镍形成氧化膜，从而减轻了铁、镍对 烃类气体分解生炭的催化作用。14. 裂解气的压缩为什么采用多级压缩？确定压缩段数的依据是什么？答：；裂解气的采用多级压缩的优点：（1） 节约压缩功耗，压缩机压缩气体的过程接近绝热压缩， 功耗大于等温压缩，如果把压缩分为 若干段进行，段间冷却移热，则可节省部分压缩功，段数越多，越接近等温压缩。（2）裂解气中的二烯烃易发

12、生聚合反应， 生成的聚合物沉积在压缩机内，严重危及操作的正常进 行。而二烯烃的聚合速度与温度有关，温度越高，聚合速度越快，为了避免聚合现象的发生， 必须控制每段压缩后气体温度不高于 100C。（3）减少分离净化负荷，裂解气经过压缩后段间冷凝，可除去大部分的水，减少干燥器的体积和 干燥剂的用量，延长干燥器的再生周期；同时还可以从裂解气中分凝出部分 C3及C3以上的 重组分，减少进入深冷系统的负荷，从而节约了冷量。根据每段压缩后气体温度不高于100C,避免二烯烃在压缩机内发生聚合反应，压缩机的压缩 比为2左右，并依据气体的最初进口压力和最终出口压力来确定压缩机的段数。15. 说明在裂解气的分离过程

13、中，设置冷箱的作用及其特点。答：在烃类热裂解的裂解气分离的过程中，设置冷箱的作用提高乙烯的回收率。冷箱的特点：（1） 用冷箱分出氢气（91.48%）,使脱甲烷塔的CH4/H2增加，从而使乙烯的回收率增加。（2）冷箱分出的富氢可作为炔烃加氢的原料。（3）冷箱采用逐级冷凝，分股进料，从而减轻脱甲烷塔的负荷。（4）流程通过节流阀A、B、C的节流制冷作为低温冷量的来源。 冷箱适用于生产规模大，自动化水平高，原料气组成稳定的流程。16. 工业上氢气的来源有哪些？答：工业上氢气的来源包括：（1）水电解制氢。(2) 焦炉煤气、油品铂重整和烃类热裂解等副产氢气，经过变压吸附可制得纯氢。(3) 煤气化制氢，工业

14、煤经过水煤气反应或半水煤气反应可制得氢气。(4) 气态烃或轻油(石脑油)经水蒸汽转化反应可制氢。二、写出下列过程的主要化学反应，催化剂，反应压力和反应温度。1. 二氧化硫接触氧化制三氧化硫。(1) 化学反应：S02 + 1/202SO3(2) 催化剂：活性组分：V05。载体：硅胶、硅藻土及其混合物。助催化剂：K2O、K2SO4、Ti02、MoO3 等。(3) 反应压力：常压。(4) 反应温度：400600C2. 双加压法氨接触氧化制一氧化氮。(1) 化学反应：4NH3 + 5O24 NO + 6H2O(2) 催化剂：Pt网。(3) 反应压力：0.250.5MPa。(4) 反应温度：850860

15、C3. 氧气氧化法乙烯环氧化制环氧乙烷。(1) 化学反应：C2H4 + 1/2O2C2H4O(2) 催化剂：活性组分：Ag。载体：碳化硅，aAI2O3和含有少量SiO2的 a AI2O3,助催化剂：碳酸钾、碳酸钡和稀土元素化合物。(3) 反应压力：1.03.0 MPa。(4) 反应温度：204270C4. 丙烯氨氧化制丙烯腈。(1) 化学反应：CH2=CHCH3 + NH3 + 3/2O2 CH2=CHCN + 3H2O(2) 催化剂：钼酸铋系：P-Mo-Bi-Fe-Co-Ni-K-O/Si 2O;锑系：Sb-Fe-Q(3) 反应压力：常压。(4) 反应温度：最佳温度：440C。5. 氢氮气合成氨(1) 化学反应：N2 + 3H2 2NH3(2) 催化剂：a Fe-Al2O3-MgO-K2O-CaO-SiO2(3) 反应压力：15MPa。(4) 反应温度：390520C。6. 一氧化碳、氢气合成甲醇(1) 化学反应：CO + 2H2 2CH3OH(2) 催化剂：CuO-ZnO-Al2O3。(3) 反应压力：510MPa。