《化学过程工艺学·第二版》课后习题参考答案·刘代俊

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。浮选剂大致分为以卜儿类:

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，并且自较长的挣埃时间。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，底而提高选矿效果。

调节剂-在不再引入其他杂质的情况F,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款式破碎机（进料粒度

250-1250mm,破碎比2.5~4）,双破碎比为3.5,则出料粒度di=史=也9=114mm,

ii3.5

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＜12=包="=7.6,到达粉碎机允许的进料粒度范围。选择球磨机（进料粒度

i215

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.

矿石一孑分T颗式破碎机的分T锤式破碎机机T筛分了出料

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氨硅酸，氨硅酸分解有四筑

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。

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(PA)时，75℃对应的A=-0.891,B=0.282,按照式3T6计算:

ws=-0.891X0.2+0.282=0.1038=10.38%

即二水物工艺生产20%磷酸(P。)，反应温度为75℃对应的S0：t平衡浓度为10.38%o

要求控制的控制S0：,浓度为4.5%,在75℃时允许的S0?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^X105CP,搅拌釜的容积为2.3m3,试选择合适的搅拌桨。

解：1.5xl0$cP=150Pa-s,2.3m'=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

.二女ICACB，4,二七CACB

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，al>a2,bl=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.

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+首先进攻单能中段基的酰基氧，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NaCCh溶液中和后随废水排1k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、隧类、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：颂料利用率高；②催化剂的活化温度高于硫酸法工艺的活化温度；额收醒使用时间长，原

料醉质量适应性强；瓯艺废水量小，水质好，处理简单：⑤L艺热能利用率高；魏设备条件要求高，

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•种由于搅拌过快，黏结成块；笫二种，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：运用正负点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CI.和OH-,从而获得高纯度氢软化钠溶液。

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卜进行的。如果使用电渗析法，没有膜

材料，则不能得到纯净烧碱，化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。

6,某酸性萃取体系粗分离，要求获得高于90%的GdzOj的产品，希望从60%的(M2O3原料

进行富集，主要杂质是E112O3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,

PEU/GII=PEU/GCI=146，

由于医n/Gd与fEu/Gd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+Sm2Ch,B=Gd2O3；则：/b=0.6,%=0.9,=1-/B=().4,%=().9.

%0.9

b=1一'=ALL=6b-r8^^=8.5

-AFb(l-%)6x(l-0.9)

/A0.4

/,=9=。6

A=1-/B=0.4

计算工艺参数:

°=146=0,548

/B=06>

1+p1+1.46

E=1=1=0.828

B1.46

万EJB0.828X0.6._

EM=-53'一=--------=1.16

£M—/A0.828-0.4

Igblg6

=9.75

〃一馆(限)lg(l.46x0.828)

lg〃lg8.5

m+1==9.3

可得m=5.5,因此可取＞=10,〃=1取即萃取10级，洗涤10级。

第五章思考题

L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T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)“，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T为几十毫秒至1秒，周期循环。颗粒平均直径

O05~O.5mm,颗粒外循环量15~2000kg・(nFs)」,空隙率0.95~099,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，功率比蒸汽轮帆岛,IGCC

发电效率比传统方法高约5%0

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：炉燥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：①1J铁镒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司液体溶剂吸收二氧化碳，如热钾碱溶液吸收；

③氨气膜分离；

④氨气通过冰机冷凝制液氨。

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炸类的蒸汽转化反应，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%、C653%、H236.5%>CH4

4.8%,N203%、H1O413%,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L匕为x,即H2O/CH4=X,以一段转化气lOOmol为基准，i|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lm/s,表观气速l.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：亳秒裂解炉辐射管为单程直管，原料燃和稀释水蒸汽混介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

相射室顶部辐射管进入第一废热锅炉。亳秒裂解炉的停留时间仅为0.045-0.IS,是普通裂解炉停留时间

的1/47/6。毒秒裂解炉由于停留时间短，裂解温度高、裂解所得产品中快炸收率大幅调高，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竣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？

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：CH3OH+COCH3COOH（反应过程见P191）（碘锲催化剂；高压法条件

苛刻，高温高压，催化剂循环使用详见P193图&38）

低压法催化方程式：CH.OH+COCH.COOH（反应过程见P191）（错基催化剂；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PI94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，二氧化硫•空气混合物则沿薄膜表而顺流而下,

在并流中，气液两相表面发生接触进行反映，反应热有管壁上的冷却水带走，气液相界面上会形成气膜,

表面流动状况会影响传递效果，为控制磺化速率，有些反应器在烷基苯表面吹入二次风，增大气膜厚度,

减缓三氧化硫向反应物料表面的扩散速率。

目前，有日本研制的TO（等温反应器）的分配系统最为先进。不但加工、制造、安装简单.，采用二次

保护风新技术，减缓了磺化反应速率，使整个反应段内的温度分布都比较均匀，接近于等温过程。在改

善产品质量，减少副反应方面有很大突破。

5•查阅文献，了解并介绍其他气液相过程的工业实例，叙述这些过程中气液相接触器的形

式与原理。

答：在恒定的温度和压力下，气、液两相发生接触后，吸收质由气相向液相转移，随液体中吸收质浓度

的逐渐提高，吸收速率逐渐减小，解吸速率逐渐增大。经过相当长的时间接触后，吸收速率与解吸速率

相等，即吸收质在气相中的分压及在液相中的浓度不再发生变化。

第七章思考题

L若液体速度为5m/s,气体速度为20cm/s,床层处于何种状态？若要达到湍流状态应该怎

样调整气液两相的流速？

答：栓流区。降低气体流速在10cm/s以下。

2,磷钱工艺在反应器中有多少化学反应发生？实际上有多少相参与此过程？

答：有10个化学反应发生。三相参与此过程。

3.试叙述S、Q化合物产生与变化的条件。

答:产生条件:当F/(Al+Fe)的原子比小于1.5,PH为2~6.2时,形成Q和S化合物。

变化条件：PH>6.2时，Q亿合物消失，形成(Al,Fe)PO4・nFhO凝胶和S化合物，当F/(A1+Fe)的

原子比增大，Q化合物消失，S化合物单独存在的区域增大，转折点的PH减小。

4.料浆浓缩法与磷酸浓缩法生产磷酸一铁工艺各有什么区别和特点？

答：区别：①和反应预浓缩的先后次序不同，浓缩法是先浓缩，再中和，料浆法正好相反；②料浆法

中间过程为水分分离过程，在蒸发器中进行，浓缩法无此过程，反应后直接干燥造粒；③农缩法对品位

高的磷矿比较有利，料浆法对品位低的磷矿有利。

5.试述管式反应器的优缺点。

答：优点：结构简单，内部三相成激烈的翻腾状态，气泡切割迅速，流速很快，三相体系在输送状态中

可在近似绝热的条件下反应，因而，料浆可以在很短时间内上升至沸点，反应温度可达180c特利用

率高，对后续干燥过程有利。

6试述磷酸二核流程中是怎样控制造粒转鼓中的热量平衡的。

答：①周节预中和的中和度和中和量；②周节返料比，返料比大，有利于散热；③i周节抽气量，进而调节

温度。

7•试述PAFP烟气脱硫工艺过程及原理。

答：工艺过程主要有：吸附、浸取、中和、吸收、氧化、浓缩干燥等单元组成。原理：以及脱硫吸附与

催化反应过程，对磷矿的浸取，氨对磷酸的中和，二级脱硫，对脱附物料的氧化，浓缩，干燥。

8,赖氨酸生产中发酵前为什么要进行多次扩大培养？若发酵罐中搅拌速率过快，会产生什

么影响？

菌种量大，有利于缩短发酵周期。供氧程度较