《化学过程工艺学·第二版》课后习题参考答案·刘代俊(DOC)

化学工业出版社《化学过程工艺学》第二版刘代俊、蒋文伟、张昭编著化学工业出版社第三章思考题1.试叙述浮选过程中需使用哪几类药剂，各起什么作用。答:浮选过程加入药剂是为了改变某些矿物的湿润性以达到分离的目的。浮选剂大致分为以下几类：捕收剂--使某些矿物表面生成一层憎水膜，而与气泡结合使矿上浮。起泡剂--促使液体形成外膜结实的气泡，并且有较长的持续时间。起泡剂亲水极性基朝向水，非极性基朝向空气，可避免气泡兼并，降低界面张力，使气泡稳定。抑制剂--增加矿石中非上浮组分的亲水性使之完全沉底，从而提高选矿效果。调节剂--在不再引入其他杂质的情况下，调节pH，消除有害离子的影响，调节泥浆的分散度和絮凝度。2.已知矿石已被粗碎成400mm，现需要粉碎到0.074mm(200目),试选用适当的破碎机与流程（规模3万吨/年）答：由题目知道，进料粒度400mm，按破碎机的进料粒度范围首先选择颚式破碎机（进料粒度250~1250mm，破碎比2.5~4），取破碎比为3.5，则出料粒度mm1145.3400iDd101，根据破碎比，在进料粒度允许情况下，选择锤式破碎机（进料粒度40~300mm，破碎比8~20），取破碎比15，则出料粒度6.715114idd212，到达粉碎机允许的进料粒度范围。选择球磨机（进料粒度4~25mm，破碎比60~340），将破碎比控制在103左右，即可达到粉碎后粒度0.074mm.矿石→筛分→颚式破碎机→筛分→锤式破碎机→粉碎机→筛分→出料3.简述磷矿石酸浸取分解的介微观过程，并解释为何在反应中有气体产生。答：磷矿石酸浸取主要是磷矿先被磷酸分解成磷酸一钙，磷酸一钙再与硫酸反应生成磷酸。此外，还存在一些杂质副反应，如：第一步反应生成的氢氟酸，与磷矿中二氧化硅生成氟硅酸，氟硅酸分解有四氟化硅气体产生；磷矿中含有镁的碳酸盐，与磷酸和硫酸反应生成二氧化碳气体也是气体产生的另一种途径。4.采用二水物工艺生产20%磷酸（P2O5）,反应温度为75℃，求此时对应的SO3平衡浓度。化学工业出版社又由于矿种含有较多杂质，要求实际控制SO3浓度为4.5%，此时能否保证二水物工艺的正常进行。解：生产20%磷酸（P2O5）时，75℃对应的A=-0.891，B=0.282，按照式3-16计算:ws=-0.891×0.2+0.282=0.1038=10.38%即二水物工艺生产20%磷酸（P2O5）,反应温度为75℃对应的SO3平衡浓度为10.38%。要求控制的控制SO3浓度为4.5%，在75℃时允许的SO3平衡浓度范围内，所以能够保证二水物工艺的正常进行。5.阐述单槽多桨流程中反应槽的几个区域在工艺安排上各有什么特点。答：单槽多桨反应槽由两个同心直立圆筒组成。分解过程在环形室中基本完成，中间的内筒起消除磷矿短路和降低过饱和度的作用。环形室内有八个搅拌桨和多个阻涡挡板。搅拌桨造成料浆沿环形室以大流速朝一个方向运动形成湍流，环形区分8个小区，中心筒为第9区。第一区送人矿浆和返回的稀磷酸，第二区末端送入硫酸，第八区两个溢流口一个通向一区送去回浆，一个通向九区。料浆从九区底部打出。第四章思考题1.生产乳化炸药时，黏度约为1.5×105cP，搅拌釜的容积为2.3m3，试选择合适的搅拌桨。解：1.5×105cP=150Pa·s，2.3m3=608gal，由图4-3可知螺旋桨及涡轮适用。2.对于平行反应，有化学反应速率式BA2B2AC1Scc,ckrkrS试问，在间歇操作和连续操作中应怎样选择反应器和控制浓度，才能使产物P有较大的收率。答：由题知，a1a2,b1=b2,根据表4-7可得，连续反应使cA、cB都变大，使用平推流反应器或者全混流反应器串联进行操作，可以使P有较大的收率。间歇反应应尽力使cA、cB都高所以一次性加入所有A、B.化学工业出版社3.讲述硫酸作催化剂对DOP生产的作用机理，并简述书中间歇法生产邻苯二甲酸增塑剂的工艺流程中硫酸的走向，并解释这样处理的原因，若采用固相催化剂时，又该怎样处理？答：硫酸催化剂电离出H+首先进攻单酯中羧基的酰基氧，形成碳正离子中间体，形成醇分子羟基氧原子亲核进攻的有利条件，降低反应活化能，从而加快化学反应速率，形成双酯。间歇法生产DOP过程中的硫酸由双酯化反应釜顶部加入，在釜内催化酯化反应后，随酯化液进入中和洗涤器，被NaCO3溶液中和后随废水排出。原因：浓硫酸具有脱水氧化的作用，如长期停留在反应体系中不脱除，与醇作用易生成醛类、烯类、醚类、以及硫酸酯类副产物，影响产品色泽和酸值，为保证产品质量，在酸催化反应结束后，应立即将其从酯化液中脱离出去。若采用固体催化剂，可以将固体催化剂安装在固定床上，使反应物流经固定床，即可发挥作用。其优点如下：①原料利用率高；②催化剂的活化温度高于硫酸法工艺的活化温度；③回收醇使用时间长，原料醇质量适应性强；④工艺废水量小，水质好，处理简单；⑤工艺热能利用率高；⑥对设备条件要求高，腐蚀小。4.试叙悬浮聚合工艺的基本思路，并考虑氯乙烯悬浮聚合过程中有无固相产生。答：先将去离子水加入聚合釜内，在搅拌下继续加入分散剂水溶液和其他助剂，后加引发剂，密封，抽真空，以氮气排除釜内空气。最后加入单体，升温至预定温度进行聚合，为了缩短聚合时间，也可将排氧后的釜内物料先加热至预定局和温度，然后引入单体聚合。有固相产生。第一种由于搅拌过快，黏结成块；第二种，当聚合反应转化率较高时，液珠会基本变成固体颗粒。5.试叙离子膜在电渗析过程中的作用。如果没有膜，能否生产烧碱，二者有何不同，可查相关资料说明。答：离子膜的作用：运用正负离子具有选择性的特点，与反应过程进行耦合。同时膜体中的活性基团中的固定离子，排斥Cl-和OH-，从而获得高纯度氢氧化钠溶液。如果没有膜材料，也可以生成烧碱，工业生产烧碱的方法主要通过电解食盐水溶液来制取，途径有：隔离法、水银法和离子交换法。其他两种方法都是在没有膜的情况下进行的。如果使用电渗析法，没有膜材料，则不能得到纯净烧碱，但可以得到含有烧碱的产品。原理不同：膜分离是阴极生成氢氧根钠离子通过阳离子交换膜来到阴极一侧，结合生成烧碱。直接电解过程是电解食盐水，得到氢氧根和钠离子，结合生成烧碱。化学工业出版社6.某酸性萃取体系粗分离，要求获得高于90%的Gd2O3的产品，希望从60%的Gd2O3原料进行富集，主要杂质是Eu2O3和Sm2O3,Gd2O3的收率要求达到90%，试求级数。解：已知：酸性萃取剂可以分离3价Eu/Gd，46.1'Gd/EuGd/Eu，由于Gd/Sm与Gd/Eu相近，所以Eu、Sm这两种杂质可以作为一种杂质考虑，Gd为主产品。由题意，设A=Eu2O3+Sm2O3，B=Gd2O3；则：6.0bf，9.01BP，4.01BAff，9.0BY.64.06.01.09.01AB1B1BffPPb，5.8)9.01(69.06)1(bbBBYYa6.0'1BBBBPYff，4.0'1'BAff计算工艺参数：548.046.1146.116.0'Bββf828.046.111MβE16.14.0828.06.0828.0'AM'BM'MfEfEE75.9)828.046.1lg(6lg)lg(lgMβEbn3.916.146.1lg5.8lg)lg(lg1'MEβam可得5.5m，因此可取10,10nm；即萃取10级，洗涤10级。化学工业出版社第五章思考题1.在气固系统中，若床层中气速为5m/s，从床层的膨胀情况来看，大致处于何种状态？解：床层中气速为5m/s，从表5-1中看，在0.5~16m/s和3-16m/s两个区间内都存在。分两种情况讨论：其一，气固并流上行快速流化床。提升管中τ为几秒，周期性循环，颗粒平均直径0.05~0.5mm，颗粒外循环量15~2000kg·(m2·s)-1,空隙率0.85~0.98，少量气体返混，床内颗粒为同环-核流动结构，返混严重。其二，气固并流下行快速流化床。下行管中τ为几十毫秒至1秒，周期循环。颗粒平均直径0.05~0.5mm，颗粒外循环量15~2000kg·(m2·s)-1,空隙率0.95~0.99，气体和床内颗粒轴向返混很小。2实现煤气化联合循环发电（IGCC）工艺有哪些优点。答：煤气化联合循环发电工艺，清洁高效。制取得到中热值煤气，汽化和净化系统体积较小，煤气净化技术如采用新式的克里提高供电效率2%，燃气轮机发电量一般比蒸汽轮机大，功率比蒸汽轮机高，IGCC发电效率比传统方法高约5%。3水煤气与混合发生炉煤气的生产有哪些不同，各有什么用处？答：生产方式：发生炉煤气为连续进料，物料层缓慢下降；水煤气为间歇生产，需要送风设备；料层不同：炉气料层分为五个区，水煤气没有；反应方式：一个是气固非催化反应，一个是气体间反应；设备结构：发生炉结构不同；反应过程：炉煤气单元反应较多，比较复杂，水煤气相对简单；气化剂不同：炉煤气主要是水蒸汽和空气，水煤气主要是氧气和水蒸气；成分不同：炉煤气为一氧化碳、氢气和甲烷，水煤气为一氧化碳和氢气。4.大型合成氨工艺中采用了那些气相分离手段？答：①用铁锰氧化锌催化剂脱硫中，氧化锌固体吸收硫化氢，分离出其他气体；②用液体溶剂吸收二氧化碳，如热钾碱溶液吸收；③氢气膜分离；④氨气通过冰机冷凝制液氨。化学工业出版社5.大型合成氨造气过程为何要分成两段转化？答：天然气合成氨转化工段要求出口甲烷含量很低，需要的反应温度和水碳比较高，目前材料不能满足温度要求，因此分两段。在一段转化炉中较低温度下进行烃类的蒸汽转化反应，在有高温耐火砖衬里的二段炉中加空气和合成气需要的氮，实现一段转化气中甲烷的进一步转化。6.大型合成氨流程中最重要的节能手段是什么？答：在很多需要换热器的地方改成废热锅炉，用蒸汽推动透平。充分利用大装置余热供给小装置，实现能量的逐级充分利用。7.在天然气蒸汽转化过程中，已知一段转化气组成为CO5.2%、CO25.3%、H236.5%、CH44.8%、N20.3%、H2O41.3%，请计算转化前原料气中水和甲烷之比。思路：根据元素守恒，设原料气的水碳比为x，即xCH/OH42，以一段转化气100mol为基准，计算转化气中C、H元素的量，根据反应方程式中的化学计量关系，计算反应前C、H元素在各组分中对应的摩尔数，从而得到反应前原料气的组成。（计算过程输入有点儿麻烦，写在纸上了，最终结果3.7）第六章思考题1.气液床内径0.6m，表观液速1m/s，表观气速1.02m/s,试问床层操作处于何种状态？答：湍流鼓泡区2.毫秒裂解炉与普通裂解炉相比有什么特点，前者采取什么手段才能使停留时间降至毫秒级？答：毫秒裂解炉辐射管为单程直管，原料烃和稀释水蒸汽混合物在对流段预热至物料横跨温度后，通过横跨管和猪尾管有裂解炉底部送入辐射管。物料自下向上流动，进入第一急冷段，通过套管换热器，由辐射室顶部辐射管进入第一废热锅炉。毫秒裂解炉的停留时间仅为0.045~0.1s，是普通裂解炉停留时间的1/4~1/6。毫秒裂解炉由于停留时间短，裂解温度高、裂解所得产品中炔烃收率大幅调高，比停留时间为0.3~0.4s的普通裂解炉高出80%以上。3.试叙述高压法与低压法羧基化的催化机理有何不同？在工业实践上各自有何特点，催化剂是怎样进行循环使用的？化学工业出版社答：催化机理的不同点：所使用的活性金属不同，活性中间体组成也有差异，反应动力学、速率控制步骤也不同。高压法催化方程式：COOHCHCOOHCH33（反应过程见P191）（碘镍催化剂；高压法条件苛刻，高温高压，催化剂循环使用详见P193图6-38）低压法催化方程式：COOHCHCOOHCH33（反应过程见P191）（铑基催化剂；反应条件相对温和，副产品较少，生产过程收率极高，产品较纯；催化剂循环使用详见P194图6-40）4.简叙气液膜式磺化的特点。试问有无更好的磺化反应器？基本原理如何？工业化前景怎么样？答：特点：反应物料在圆管表面形成薄膜，自上而下流动，三氧化硫