化学工艺学课后习题

其次章

2-1为什么说石油、自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？

答：石油化工自20世纪50年头起先蓬勃发展至今，基本有机化工、高分

子化工、精细化工与氮肥工业等产品大约有90%来源于石油和自然气。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）、乙快、蔡和甲醇。其中的三烯主要有石油制取，三

苯、蔡、甲醇可有石油、自然气、煤制取。

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别出来，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，削减系统排放量，降低了

原料消耗，也削减了对环境的污染。其缺点是动力消耗大，惰性物料影响

反应速率与产品收率。

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与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

参与全部反应而转化的该反应物总量之比，用S表示；收率。缘由：对于

困难反应体系，同时存在着生成目的产物的主反应和生产副产物的很多副

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，意味着愈多原料奢侈，所以

须要用选择性这个指标来评价反应过程的效率，因此须要同时考虑这两个

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

何正确运用催化剂？

答：催化剂有三个基本特征：O1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更。02催化剂只能缩短达到化学平

衡的时间，但不能变更平衡。03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须要的方向进行。在生产中应留意以下

几点：O1在生产过程口要考虑催化剂的活性，即活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别，宜选用选择性高的催化剂；若原料廉价或产物

易分别，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，应当更换催化剂。02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，应当依据操

作规程进行活化。03在化工生产中常常出现催化剂的失活和再生，对此

在生产中应严格限制操作条件，采纳结构合理的反应器，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，宜采纳有利于防止析碳的反应并选用抗积碳性能高

的催化剂。

第三章

3-1依据热力学反应标准自由焰和化学键如何推断不同蜂类的裂解反应难

易程度、可能发生的裂解位置与裂解产物；说明烷烧、环烷睡与芳煌裂解

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：O1同碳数的烷煌C-H键能大

于C-C键能，断链比脱氢简洁；02烷睡的相对稳定性随碳链的增长而降

低;03异构烷炫的键能小于正构烷燃，异构烷燃更简洁发生脱氢或断链。

由表3-4数值，可看出：。1烷燃裂解是强吸热反应，脱氢反应比断链反

应吸热值更高；断链反应的标准自由焰有较大的负值，是不行逆过程，脱

氢反应的标准自由焰是正值或为肯定值较小的负值，是可逆过程，受化学

平衡的限制；02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更°

烷燃热裂解的规律：烷燃热裂解的一次反应主要有：①脱氢反应：RCH2-

CH3YH=CH2+H2②断链反应：RCH2-CH2-R'<_RCH=CH2+R'H不同烷煌脱

氢和断链的难易，可以从分子结构中键能数值的大小来推断。

a同碳数的烷燃，断链比脱氢简洁；

b烷煌的相对稳定性随枝链的增长而降低；

c脱氢难易与烷烧的分子结构有关，叔氢最易脱去，仲氢次之，伯氢最难；

环烷煌裂解的规律:

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别，不会增加裂

解气的分别负荷和困难。②水蒸气热容量大，使系统有较大热惯性，当操

作供热不平衡时，可以起到稳定温度的作用，爱护炉管防止过热。③抑制

裂解原料所含硫对银铝合金炉管的腐蚀。④脱除积碳，炉管的铁和银能催

化煌类气体的生碳反应。

3-6试探讨影响热裂解的主要因素有哪些？

答：裂解条件（如温度、压力、烧分压）；02裂解炉的型式和结构；O

3原料特性。

3-8裂解气出口的急冷操作目的是什么？可实行的方法有几种，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？

答：裂解气出口的急冷操作目的：从裂解管出来的裂解气含有烯燃和大量

的水蒸气，温度为727—927℃,烯燃反应性强.若任它们在高温下长时间

停留，会接着发生二次反应，引起结焦和烯泾的损失，因此必需使裂解气

急冷以终止反应。急冷的方法有两种，一种是干脆急冷，一种是间接急冷。

我认为间接急冷好，因为干脆急冷是用急冷剂与裂解气干脆接触，急冷剂

用油或水，急冷下来的油、水密度相差不大，分别苦难，污水量大，不能

回收高品位的热量。采纳间接急冷的目的是回收高品位的热量，产生高压

水蒸气作动力能源以驱动裂解气、乙烯、丙稀的压缩机，汽轮机与高压水

阀等机械，同时终止二次反应。设计一个间接急冷换热器其关键指标是：

为削减结焦倾向，应限制两个指标.一是停留时间，一般限制在0.04s以

内；二是裂解气出口温度，要求高于裂解气的露点。急冷换热器是裂解装

置中五大关键设备之一，是间接急冷的关键设备。急冷换热器的结构，必

需满足裂解气急冷的特殊条件：①温度高;②降温快，热强度高，内外温差

高。

3-9裂解气进行预分别的目的和任务是什么？裂解气中要严格限制的杂质

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？(P85,87-92)

答：目的和任务：①经预分偏处理，尽可能降低裂解气的温度，从而保证

裂解气压缩机的正常运转，并降低裂解气压缩机的功耗。②裂解气经预分

储处理，尽可能分储出裂解气的重组分，削减进入压缩分别系统的负荷。

③在裂解气的预分储过程中将裂解气中的稀释蒸汽以冷凝水的形式分别

回收，用以再发生稀释蒸汽，从而大大削减污水排放量。④在裂解气的预

分镭过程中接着回收裂解气低能位热量。需严格限制的杂质有H2S,C02,

H20,C2H2,CO等气体。这些杂质量不大，但对深冷分别过程是有害的，

而且会使产晶达不到规定的标准°酸性气体的脱除有碱洗法和酹胺法。脱

水用吸附干燥法。烘烧脱除有催化加氢法和溶剂汲取法。

3T0压缩气的压缩为什么采纳多级压缩，确定段数的依据是什么？(P95-

96)

答：压缩气压缩基本上是一个绝热过程，气体压力上升后，温度也上升。

为了节约压缩功耗、降低出口温度、削减分别净化负荷，气体压缩采纳多

级压缩。

3-11某乙烯装置采纳低压法分别甲烷，整个装置中须要的最低冷冻温度为

-115℃,依据乙烯装置中出现的原料、产品，设计一个能够供应这样低温

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℃）。

答：

3-14对于一已有的甲烷塔，H2/CH4对乙烯回收率有何影响？采纳前冷工

艺对甲烷塔分别有何好处？

答：相同压力相同温度下，乙烯在塔顶尾气中的含量，随H2/CH4比增加而

增加，即乙烯的损失率加大，降低了乙烯的回收率。前冷是将塔顶偏分的

冷量将裂解气预冷，通过分凝将裂解其中的大部分氢和部分甲烷分别，使

H2/CH4比下降，提高了乙烯的回收率，削减了甲烷塔的进料量，节约能耗。

3-16依据本章所学学问，试设计一个简洁的流程表述炫类热裂解从原料到

产品所经验的主要工序与彼此的关系。

答：原料一热裂解一预分别（一裂解汽油一芳烽）一裂解气一净化（脱酸、

脱水、脱快）一深冷（压缩系统）一分别（精福系统）

第五章

5-1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?它们与原有生产方法相比有什么优点？

答：原料：煤、自然气、石油微分、农林废料、城市垃圾等。合成气的生

产方法：1.以自然气为原料的生产方法：主要有转化法和部分氧化法。2.

以重油或渣油为原料的生产力法：主要采纳部分氧化法3.以煤为原料的生

产方法：有间歇式和连续式两种操作方式。

以上几种方法的比较：1.以自然气为原料制合成气的成本最低；2.重质油

与煤炭制造合成气的成本差不多，重油和渣油制合成气可以使石油资源得

到充分的综合利用；3.免质油价格很贵，用它来制造合成气的成本较高，

而它很简洁经其他方法加工成液体燃料和化工原料，不必走合成气路途。

其他含碳原料（包括各种含碳废料）制合成气在工业上尚未形成大规模生

产，随着再生资源的开发、二次原料的广泛利用，今后会快速发展起来的。

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。H2/C0

比值易于调整，故渐渐收到重视和应用，但须要有廉价的氧源，才能有满

足的经济性。最近开展了二氧化碳转化法的探讨，有些公司和探讨者已进

行了中间规模和工业化的扩大试验。

5-3以自然气为原料生产合成气的过程有哪些主要反应？从热力学角度考

虑，对反应条件有哪些要求？从动力学角度考虑又有哪些要求？（P161,

165-168）

答：甲烷蒸汽转化反应CH4+H20C0+3H2

CO变换反应CO+H2OCO2+H2

析碳反应CH4C+2H2

热力学：温度800℃以上，水碳比3.5以上，压力2MPa左右。

动力学：温度（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，更要提高温度来弥补）、压力（在反应初期，增加系统

压力，相当于增加了反应物分压，反应速率加快：但到反应后期，反应接

近平衡，反应物浓度很低，而产物浓度高，加压反而会降低反应速率，所

以从化学角度看，压力不宜过高）、组分。

5-5自然气-水蒸气转化法制合成气过程有哪些步骤？为什么自然气要预

先脱硫才能进行转化？用哪些方法较好？(P169,181-182)

答：预先脱硫是为了避开蒸汽转化催化剂中毒。脱硫方法有干法和湿法。

干法分为吸附法和催化转化法。湿法分为化学汲取法、物理汲取法、物理

-化学汲取法和湿式氧化法。

5-7为什么说一段转化管属于变温反应器？为什么自然气-水蒸气转化要

用变温反应器？

答：一段转化炉温度沿炉管轴向分布是：在入口端甲烷的含量最高，应着

重降低裂解的速率，故温度应低些，一般不超过500℃,因有催化剂，转

化反应的速率不会太低，析出的少量碳也与时气化，不会积碳。在离入口

端1/3处，温度应严格限制不超过650℃,此时氢气已增多，同时水碳比

相对增大，可抑制裂解，温度又高，消碳速率大增，因此不行能积碳，之

后温度接着上升，直到出口处达到800C左右，以保证低的甲烷残余量。

因而，一段转化炉是变温反应器。

自然气-水蒸气转化过程分为两段进行：第一段转化在多管变温反应器中

进行，管间供热，反应器称为一段转化炉，最高温度(出口处)限制在800℃

左右，出口残余甲烷10%(干基)左右。其次段转化反应器为大直径的钢制

圆筒，内衬耐火材料，可耐1000℃以上高温。

5-9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？(P156-159)

答：生产方法有固定床间歇式气化法、固定床连续式气化法、流化床连续

式气化法、气流床连续式气化法。固定床间歇式气化法优点：只用空气而

不用纯氧，成本和投资费用低。

固定床连续式气化法优点：①可限制和调整炉中温度；②因无N2存在，不

需放空，故可连续制气，生产强度较高，而且煤气质量也稳定。流化床连

续式气化法特点：提高了单炉的生产实力，适应了采煤技术的发展，干脆

运用小颗粒碎煤为原料，并可利用褐煤等高灰分煤。

气流床连续式气化法优点：一种在常压、高温下以水蒸气和氧气与粉煤反

应的气化法，生产强度特别大。

5-10一•氧化碳变换的反应是什么？影响该反应的平衡和速度的因素有哪

些？如何影响？为什么该反应存在最佳反应温度？最佳反应温度与哪些

参数有关？（P175-177）

答：C0变换反应CO+H2OCO2+H2影响平衡因素有温度、水碳比、原料气

中C02含量等。影响速度因素有压力（加压可以提高反应物分压，在3.OMPa

以下，反应速率与压力的平方根成正比，压力再高，影响就不明显了）、温

度（CO的变换反应为可逆放热反应，所以存在最佳反应温度Top）、水蒸气

（水蒸气的用量确定了H20/C0比值，在水碳比低于4时，提高水碳比，可

使反应速率增长较快，但水碳比大于4后，反应速率的增长不明显，故一

般选用H2O/CO比为4左右）。因该反应为可逆放热反应，所以存在最佳反

应温度Top,Top与气体原始组成、转化率与催化剂有关。

5-11为什么一氧化碳变换过程要分段进行，要用多段反应器？段数的选定

依据是什么？有哪些形式的反应器？（P178-179）

答：在工程实际中，降温措施不行能完全符合最佳温度曲线，因此采纳分

段冷却，段数越多操作温度越接近最佳温度曲线。详细段数由水煤气中CO

含量、所要达到的转化率、催化剂活性温度范围等因素确定。变换反应器

的类型有中间间接冷却式多段绝热反应器、原料气冷激式多段绝热反应器、

水蒸气或冷凝水冷激式多段绝热反应器等。

5-12一氧化碳变换催化剂有哪些类型？各适用于什么场合？运用中留意

哪些事项？（P176）

答：一氧化碳变换催化剂有三大类，①铁铭系变换催化剂，反应前还原成

Fe304才有活性，适用温度为300〜530C,为中温或高温变换催化剂；②

铜基变换催化剂，反应前要还原成具有活性的小铜晶粒，适用温度为180〜

260℃,为低温变换催化剂；③钻铝系耐硫催化剂，反应前将钻、铝氧化物

转变为硫化物才有活性，适用温度为160〜500C,为宽温变换催化剂。

5-14在合成气制造过程中，为什么要有脱碳（C02）步骤？通常有哪些脱

碳方法，各适用于什么场合？（P183-185）

答：在将气、液、固原料经转化或气化制造合成气过程中会生成肯定量的

C02,尤其当有一氧化碳变换过程时，生成更多的C02,因此须要脱除C02o

通常脱碳方法有化学汲取法（本菲尔法、复合催化法、空间位阻胺促进法、

氨基乙酸法）、物理汲取法（低温甲醇洗涤法、聚乙二哼二甲醛法、碳酸丙

烯酯法）、物理-化学汲取法、变压吸附法。

575工业上气体脱硫有哪些方法，各适用于哪些场合？（P181-182）

答：脱硫方法有干法和湿法。干法分为吸附法和催化转化法。湿法分为化

学汲取法、物理汲取法、物理-化学汲取法和湿式氧化法。干法脱硫适用于

低含硫气体的精脱硫；湿法脱硫一般用于含硫量高、处理量大的气体的脱

硫。（脱硫有干法和湿法两大类。干法脱硫又分为吸附法和催化转化法：吸

附法是采纳对硫化物有强吸附实力的固体来脱硫，吸附剂主要有氧化锌、

活性炭、氧化铁、分子筛等；催化转化法是运用加氢脱硫催化剂，将烧类

原料中所含的有机硫化合物氢解，转化成易于脱除的硫化氢，再用其他方

法除之。湿法脱硫剂为液体，一般用于含硫高、处理量大的气体的脱硫。

按其脱硫机理的不同乂分为化学汲取法、物理汲取法、物理-化学汲取法和

湿式氧化法。化学汲取法是常用的湿式脱硫工艺。有一乙醇胺法（MEA）、

二乙醇胺法（DEA）、二甘醇胺法（DGA）、二异丙醇胺法（DIPA）、以与近年

来发展很快的改良甲基二乙醇胺法（MDEA）。物理汲取法是利用有机溶剂在

肯定压力下进行物理汲取脱硫，然后减压而释放出硫化物气体，溶剂得以

再生。主要有冷甲醇法（Rectisol）,此外还有碳酸丙烯酯法（Fluar）和

N-甲基叱咤烷酮法（Purisol）等等。冷甲醇法可以同时或分段脱除H2S、

C02和各种有机硫,还可以脱除HCN、C2H2、C3与C3以上气态燃、水蒸气

等，能达到很高的净化度。物理-化学汲取法是将具有物理汲取性能和化学

汲取性能的两类溶液混合在一起，脱硫效率较高。常用的汲取剂为环丁飒

-烷基醇胺（例如甲基二乙醇胺）混合液，前者对硫化物是物理汲取，后者

是化学汲取。湿式氧化法脱硫的基本原理是利用含催化剂的碱性溶液汲取

H2S,以催化剂作为载氧体，使112s氧化成单质硫，催化剂本身被还原。再

生时通入空气将还原态的催化剂氧化复原，如此循环运用。湿式氧化法•

般只能脱除硫化氢，不能或只能少量脱除布•机硫。最常用的湿式氧化法有

慈醍法（ADA法）。

第六章

6-1加氢反应和脱氢反应对催化剂有什么要求？

答：加氢反应：活性组分的元素分布：是第VI和第WI族的过渡元素，这些

元素对氢有较强的亲合力。最常采纳的元素有铁、钻、银、钳、杷和铭，

其次是铜、铝、锌、铝、鸨等，其氧化物或硫化物也可作加氢催化剂。Pt-

Rh、Pt-Pd、Pd-Ag、Ni-Cu等是很有前途的新型加氢催化剂。

(1)金属催化剂

活性组分如Ni、Pd.Pt等载于载体上，以提高括性组分的分散性和匀称

性，增加催化剂的强度和耐热性。

载体是多孔性的惰性物质，常用的载体有氧化铝、硅胶和硅藻土等。

在这类催化剂中Ni催化剂最常运用，其价格相对较便宜。

优点：活性高，在低温下也可以进行加氢反应，适用于大多数官能团的加

氢反应。

缺点：简洁中毒。如S、As、Cl等化合物都是催化剂的毒物，故加氢反应

时对原料中的杂质要求严格，一般在体积分数10-6以下。(2)骨架健化剂

形式：将金属活性组分和载体铝或硅制成合金形式，然后将制好的催化剂

再用氢氧化钠溶液溶解合金中的铝或硅，得到由活性组分构成的骨架状物

质，称之为骨架催化剂°

骨架银催化剂的特点：其中银含量占合金的40%〜50%,具有很高的活性,

足够的机械强度。

此外还有骨架铜催化剂、骨架钻催化剂等，在加氢反应中也得到应用。

⑶金属氧化物催化剂

用于加氢反应的金属氧化物催化剂的氧化物主要：

W)O3、Cr2O3>ZnO、CuO、NiO等，这些氧化物既可单独运用，也可混合运

用。如ZnO-C2O3,CuO-ZnO-A12O3,CO-Mo-Oo

特点：活性较低。故须要有较高的反应温度与压力，以弥补活性差的缺陷。

助催化剂类型与目的:在催化剂中常加入如Cr203,Mo03等高熔点的组分，

以提高其耐热性能。

(4)金属硫化物催化剂

适用：金属硫化物催化剂主要是用于含硫化合物的氢解反应，也用于加氢

精制过程，被加氢原料气中不必预先进行脱硫处理。

主要：MoS2,WS,NiS2,Co-Mo-S等。

特点：活性较低，须要较高的反应温度。(5)金属络合物催化