化学工艺学1~5章部分课后习题详解

1第二章2-1为什么说石油、天然气和煤是现代阿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。2-2生物质和再生资源的利用前景如何？答：生物质和再生能源的市场在短期内不可能取代，传统能源的市场，但是在国家和国际政策的指引下，在技术上的不断突破中，可以发现新能源在开始慢慢进入试用阶段，在石油等传统资源日益紧张的前提下，开发新能源也是势不可挡的，那么在我国生物质作现阶段主要仍是燃烧利用，但是越来越的的研究开始往更深层次的利用上转变，估计在未来的一段时间生物质能源会开始慢慢走入人们的视线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2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。2-10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的摩尔比，并列出物料收支平衡表。解：设烟道气（干基）的量为100mol。反应式：CH4+2O2CO2+2H2O分子量：16324418反应转化的量：9.42×9.49.42×9.4则产物的量为：N2：86.4mol×28＝2419.2gO2：4.2mol×32＝134.4gCO2：9.4mol×44＝413.6gH2O：2×9.4mol×18＝338.4g原料的量为：N2：86.4mol×28＝2419.2gO2：（4.2+2×9.4）mol×32＝736gCH4：9.4mol×16＝150.4gCH4/空气（摩尔比）＝9.4/（86.4+23）×100％＝8.6%列物料衡算表得组分输入输出molmol%gWt％molmol%gWt％N286.472.72419.273.286.472.72419.273.2O22319.473622.34.23.5134.44.1H2O18.815.8338.410.2CH49.47.9150.44.5CO29.47.9413.612.5∑118.8100.03305.6100.0118.899.93305.6100.02-13一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Kp＝P(CO2)·P(H2)／P(H2O)·P(CO)＝4.88，求反应后混合物的平衡组成和CO的平衡转化率。解：设初始原料中COn＝1mol，则2HOn＝2mol，达到平衡时，CO转化了mmol。由CO＋H2OCO2＋H2转化量mmmm平衡时COn＝1－m2HOn=2－m生成2COn＝2nH＝m产物总量n＝∑in＝3iiPyP，平衡时CO1y(1)3m2HO1y(2)3m2COy＝2Hy＝m/33由4.88＝222COHCOHOy.y.y.y.PPPP＝(1)(2)mmm得m＝0.865Xco＝0.865/1＝86.5%平衡组成:COy＝0.0452HOy＝0.3782COy＝2Hy＝0.2882-15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他气体外，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。解：进反应器的乙烷量=100/30=3.333kmol产物中乙烷量=4/30=0.133kmol，生成乙烯46.4所转化的乙烷量=46.4/28=1.657kmol转化的乙烷量=60%×3.333=2.000kmol，未转化的乙烷量=3.333-2.000=1.333kmol设未反应的乙烷除了有0.133kmol随产物乙烯带走外，其余全部返回到反应器中，即1.333-0.133=1.2kmol则新鲜乙烷量=3.333-1.2=2.133kmol，乙烯选择性=1.657/2.0=82.9%乙烷的全程转化率=2.0/2.133=93.8%，乙烯的单程收=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%补4.无机化学矿产量最大的两个产品分别是什么？如何加工利用？（P12-13）答：磷矿和硫铁矿。磷矿的加工利用方法有酸法和热法，主要是生产磷肥。硫铁矿用于制硫酸。补5.石油的蒸馏与一般的精馏相比，有哪些特点？答：石油蒸馏的特点有⑴根据一定的沸点范围收集馏出物，不是分离出纯组分⑵从塔的不同高度出料⑶原油的加热在塔外加热炉中进行（主要是避免长时间加热分解）。补6.简述化工生产过程的三大步骤。（P24）答：⑴原料预处理主要目的是使初始原料达到反应所需要的状态和规格。⑵化学反应通过该步骤完成由原料到产物的转变，是化工生产过程的核心。⑶产品的分离和精制目的是获取符合规格的产品，并回收、利用副产物。补8.何谓生产能力？何谓生产强度？（P27）答：生产能力是指一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量。生产强度为设备单位特征几何量的生产能力，即设备的单位体积的生产能力，或单位面积的生产能力。补9.对于可逆放热反应，净反应速率随温度变化的规律如何？（P31）答：对可逆放热反应，净速率随温度变化有三种可能性，即错误!未找到引用源。，当温度较低时，净反应速率随温度的升高而增高；当温度超过某一值后，净反应速率开始随着温度的升高而下降。因此存在最佳反应温度Top。第三章43-1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=CH2H—CH2=CH·H—CH≡CHH—CH≡C·H—·C≡C·Cn2；经过芳烃中间阶段而结焦萘H—二联萘H—三联萘H—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。3-4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？答：裂解反应的技术关键之一是采用高温-短停留时间的工艺技术。提高裂解温度，必须提高炉管管壁温5度，而此温度受到炉管材质的限制。因此，研制新型的耐热合金钢是提高反应温度的技术关键。当炉管材质确定后，可采用缩短管长（实际上是减少管程数）来实现短停留时间操作，才能最大限度提高裂解温度。或者改进辐射盘管的结构，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的辐射盘管，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，提高了盘管的平均传热强度，由此达到高温-短停留时间的操作条件。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