化工工艺学期末复习题答案

合成氨

1.合成氨生产过程主要分为哪几个工序?

以煤为原料

以天然气为原料

2.天然气水蒸汽转化制气的主反应和副反应有哪些？抑制副反应的策略如何?

主要反思),”4+H1O=CO13H「206.4kJ卜nol(2)。。+HO=CO+H1+41.2kJ/mol

22

l

主要副反砂4=2“2+C-74.9kJ.mol-ICO=CO2+C+V72.4kJ.moL

抑制副反应：为控制积碳，增加水蒸汽用量以调整气体组成和选择适当的温度、压力

来解决。

从反应平衡及副反应来看，水碳比高，残余甲烷含量降低，且可防止析

碳。因此一般采用较高的水碳比，约3.0~3.5

转化为可逆反应，温度越高，平衡转化率越高，从组成计算看出，1000℃

以上CH4含量才小于0.5%,要求设备的耐高温性能。

3.为什么采用两段转化？两段转化的供热方式各有什么不同？如何确定和控制二段

转化的温度？

全部采用高温转化，设备费用和操作费用太高，所以采用低温(700〜800℃)转化和

高温(1200C)转化的两段方式。

一段温度对合金钢管要求低，用合金钢管保证传热和供热：二段采用砖内衬的绝热

设备，并通入一定比例的空气与一段的H2反应产生热量和高温(1200〜1400C),

保证CH4转化彻底，同时加入了合成氨需要的原料N2。

二段炉温度：按甲烷控制指标来确定。压力和水碳比确定后，按甲烷平衡浓度来确

定温度，要求yCH4<0.005,出口温度应为1000℃左右。

凯洛格(Kellogg)甲烷蒸汽转化工艺流程

1-钻铝加氢反应器；2-氧化锌脱硫罐；3-对流段；B辐射段(一段炉)；5-二段

转化炉；6-第一废热锅炉；7-第二废热锅炉；8-汽包；9-辅助锅炉；10-排风机

4.天然气中的硫成分有哪些？干法脱硫和湿法脱硫的主要方法有哪些？其适用范围

有何区别？

硫化氢(H2S),同时此外还可能有一些有机硫化物，如硫醇(C2H5SH)、硫酸(CH3SCH3)

及曝吩(C4H4S)、二硫化碳(CS2)等。

•干法脱硫：一般适用于含S量较少的情况氧化锌法、钻钳加氢法、氢氧化

铁法、活性碳法等

•湿法脱硫：一般适用于含S量较大的场合化学吸收法、物理吸收法和化学

物理综合吸收法等

5.氧化锌脱硫的工作原理是什么？其工艺流程和工艺条件如何？

氧化锌脱硫法也可以脱除硫醇、硫酸等有机硫，但反应速度较慢，一般选择较高的温

度350〜400C,才能获得较快的反应速度。反应式如下：

在有H2存在时，一些有机硫可先转化为H2S,再被氧化锌所吸收，反应式如下：

流程1：硫含量较高流程2：硫含量较低

6.变换工序的反应原理和主要任务是什么？为什么要分中温变换和低温变换？

是将原料气中的CO变成C02和H2。H2是合成氨需要的原料成份，C02在后面的脱碳

和甲烷化两个工序中除去，作为生产尿素或食品级C02的原料。

变换反应为放热反应，温度升高，平衡常数减小。为了变换过程进行彻底，要求尽可

能低的反应温度；但温度低，反应速度必然减缓

7.苯菲尔脱碳的主要化学反应和脱碳原理是什么？再生指数(碳化度)的定义是什

么？

原理：C02的吸收过程是C02与K2C03反应生成KHC03。但是由于受反应速度的限制，

气体中C02与溶液中K2C03的反应速度较慢。为了加快C02在K2C03溶液中的吸收速

度，通常在K2C03溶液中又添加了一种催化剂二乙醇胺

再生指数(碳化度)的定义：每摩尔K2C03所已经吸收的C02摩尔数，即溶液中K2C03

转化为KHC03的转化度。

化肥

L描述由NH3和C02合成尿素的化学反应过程与相态。（重点）

上述两个反应中，第一个反应为快速放热反应，反应程度很大，生成溶解态的

氨基甲酸镂；第二个脱水生成尿素的反应为慢速吸热反应，且为显着可逆反应。

2.尿素合成反应过程的主要副反应及控制措施。（熟悉就行）

当温度在600c以下时，尿素水解缓慢：温度到100℃时尿素水解速度明显加快：温

度在145℃以上时，水解速度剧增。尿素浓度低时，水解率大。氨也有抑制尿素水

解的作用，氨含量高的尿素溶液的水解率低。

3.尿素生产的氨汽提法流程中，合成塔出来的尿素溶液主要经过了那些设备，溶液

的温度、压力、组成如何？（常识了解）

设备：气提塔，降膜分解器，

目前，工业合成尿素的方法都是在液相中由NH3和C02反应合成的，

温度的影响：温度较低时平衡转化率随温度升高而增加，在190c时达最大，温度进

一步升高，平衡转化率反而下降。一般选择尿素合成温度为180〜190c

组成的影响：C02过量对转化率影响很小，氨过量则明显提高技化率。氨碳比的影

响如右图。水碳比增加0.1,转化率下降约1%。不同工艺选择的合成过程物料比不

同。如：水溶液全循环法氨碳比4.0,水碳比0.65~0.7；汽提法工艺氨碳比2.9〜

3.1,水碳比0.3〜0.4。

压力的影响：压力对液相反应的影响很小。但由于体系存在惰性气体和气液平衡，操

作压力应该大于平衡压力

4.硝酸核的主要用途是什么？

1.硝镂是重要的氮肥，特别适用于温度低的旱田。还是制造

复合肥料的原料。

2.硝镂是炸药的主要原料。

3.硝镂还是制麻醉剂(N20,笑气)的原料。

5.湿法磷酸是用磷酸为催化剂、硫酸溶液分解磷矿的过程，磷矿以Ca5F(P04)3为主,

还有Si、Fe、Al等杂质元素，试分析一下反应过程的主、

副反应及其产物，并说明副反应对反应过程的影响。]

主反应：一步反应过程

g

C"(POJ+nH3PO4+5H2sos=(〃+3)/9

k

+5CaSO4.H2O+HF727/977

两步反应过建PO4)3+nHyPO4=(n-7)”3Pq+5Ca(H2PoJ?+HF>C

6HF+SiO=HSiF+2HO

副反应:22()2

副反应不仅损失磷，而且沉淀会包裹在矿石表面，阻止酸分解反应的进一步

进行，产生“钝化现象”。

硫酸和硝酸

1.工业上曾经氧化S02制硫酸的方法有哪些？写出其主要反应式。

亚硝基法和接触法

亚硝基法

接触法

S+02fs022S02+02-2s032S03+H20-H2s04

2.硫铁矿的主要成分是什么？焙烧硫铁矿的主要化学反应有哪些？

FeS2

主要反应

2FeS2=2FeS+S2S2+02=S02

3.焙烧硫铁矿的设备是什么？根据物料状态，设备内可分几个区域？各区域的物

料特点是什么？

设备：沸腾培烧炉

460〜560℃为第一阶段，斜率大，活化能大。温度升高，反应速率增加很快。

化学反应受动力学（速度）控制。

560〜720c为过渡阶段，反应速度受温度影响较小。

>720℃为第三阶段，反应速度随温度升高再增加，但增加幅度小，实验证

明，第三阶段活化能较小，焙烧反应主要受氧扩散的控制。

4.S02氧化为SO3的温度、压力、S02含量等工艺条件如何？

温度：在催化剂活性温度范围内催化剂床层温度应沿最佳温度线变化，即先

।同后低

压力：二氧化硫氧化反应是体积减小的反应，提高压力可提高平衡转化率

S02含量：根据硫酸生产总费用最低的原则来确定二氧化硫的起始浓度，最适宜的

最终转化率与所采用的工艺流程、设备和操作条件有关。

5.S03的吸收过程通常采用发烟硫酸或/和浓硫酸吸收，为什么采用浓度为98.3%

的浓硫酸？浓度太高、太低有什么影响？确定吸收塔

操作温度主要考虑哪些方面的因素？

如图所示，在任何温度下选择浓度为98.3%的

硫酸作为吸收液比较合适。若吸收酸浓度太低，因

水蒸气分压增高，易形成酸雾；但若吸收酸浓度太

高，则液面上SO3分压较高，气相中的不能完全被吸收。

因为标准发烟硫酸游离SO3浓度为21%。从上表看出，在气体中S03浓度为

7%时，则说明吸收酸温不能超过80℃。

不同转化气SO3浓度下，SO3吸收率与温度的关系如右图所示，其中7.4%

的曲线与上表数据一致。可见，温度升高，吸收率下降；气相S03浓度增加,

吸收率上升。

6.制硝酸氨氧化的主要反应，其相态、热效应、反应平衡、催化剂等有什么特点？

主要副反应有哪些？

一十4N”3（g）+5U=4N0+6He+9W728kJ/mol

匚-4NH式g）+4。2=2N.O+6H,O+1\M3k.J/mol

副反应3

在反应温度下，上述反应的平衡常数都很大。如果对反应不加控制，氨和氧反应的最

终产物必然是N2。要得到希望的产物NO,不能从反应热力学去改变化学平衡来达到

目的，只能从反应动力学方面去着手。即寻找一种选择性的催化剂，抑制不希望的反

应。目前最好选择性的催化剂是伯。

纯碱和烧碱复习思考题

1.纯碱中的重碱是什么意思？

密度为0.95~L07g/cm-3的纯碱

2.氨碱法制纯碱的主要原料有哪些？制碱过程的主要反应有哪些？主要副产物

是什么？

原料：氯化钠(NaCl)和碳酸钙(CaC03)

主要反应CaC°y⑶焙—>C°2(/+CaO(s)-176.105AJVmol

主要副产物CaONH4C1

3.从干盐相图分析，为什么在P1点NaHCO3的结晶析出

最多？且Na利用率最高？如何控制操作点的位置。升

高温度对最佳操作点Pl、Na利用率和NaHC03结晶有

什么影响？

右图中，IP2、P2II、P2P1、PHILP1W为饱和线;

1,2,3区为NaHCO3、NH4HC03、NH4C1的析出区；Pl点可析出

三种结晶。

氨盐水碳酸化后的组成在AC线上。如果只需析出NaHCO3时，组成应R-S线内,

超过S析出NH4HC03,超过R析出NaCk

如果总组成在X点，T点为饱和溶液，结晶与溶液比为TX:XD,比值越大，析

出结晶越多。可见P1点操作最好。

4.氨盐水碳化是在什么设备中进行的？C02经氨盐水吸收，生成氨基甲酸铁、碳

酸氢钱、最终生成碳酸氢纳，各步骤的速度、温度有何特点？

氨盐水碳酸化是在碳酸化塔中进行

随着C02的不断溶解，溶液中过量的氨基甲酸镂进一步发生水解反应。甲镂水解

是慢反应，是碳酸化的控制步骤：

当PH值＞10.5的强碱性时，碳酸氢盐也存在下述离解反应

当氨盐水被碳酸化达到一定程度，HCO3-积累超过溶度积，析出碳酸氢钠：

氨盐水进塔温度约30~50℃,中部温度升到60℃左右，中部不冷却，但下部要

冷却，控制塔底温度在30℃以下，保证结晶析出。

碳化塔中部温度高，一方面反应本身有一些热量放出，另一方面主要是考

虑结晶初期温度高一点对晶粒长大有利，可形成较大晶体以利过滤。同时冷却速

度不宜过快，过快可能形成结晶浆，难于过滤分离。

5.工业生产烧碱的方法有哪些？电解法生产烧碱的原料、电极反应、总化学反应

是什么？精制食盐水时，其中的镁、硫酸根杂质如何去除？

方法：生产氢氧化钠通常用电解法（NaCl为原料）、苛化法（Na2C03为原料）。

原料：NaCl水溶液

电极反应：

总反应：

除去杂质：去除镁离子的方法用OH-而