化學工藝學習題及解答

1、化學工藝學121、煤、石油和天然氣在開采、運輸、加工和應用諸方面有哪些不同？煤、石油和天然氣在開采、運輸、加工和應用諸方面有哪些不同？答：答：（1）開采：一個煤礦往往有多層煤層。每煤層的厚度也不同，為此需建造長長的坑道，鋪上鐵軌，才能從各層將煤運出。為運送物資和人員，還需要建造豎井，裝上升降機。石油和天然氣，用鉆機鉆道并建立油井（或氣井）后，借用自身的壓力（開采后期需抽汲），石油及天燃氣即可大量從地下噴出，因此開采比煤方便得多。（2）運

2、輸：煤用鐵路或輪船運輸，運力受限制，石油和天然氣一般采用管道輸送，初期投資似乎較大，但從長期看還是劃算的，管道輸送成本低、方便，也不受運力限制。（3）加工：煤是高分子量縮聚物，一般用熱化學方法處理，將煤裂解，可得到氣體、液體和固體產(chǎn)物，由于成分復雜，從中制取純物質(zhì)難度較大。石油和天然氣是由許多小分子量有機物組成的混合物，一般采用物理方法將混合物分離和提純。為增加某一組分（或餾分）的產(chǎn)量，也常采用化學方法（如化學合成或化學熱裂解）。因此，

3、由石油和天然氣加工制得的化工產(chǎn)品，比煤多得多，生產(chǎn)成本也比煤低。（4）應用：煤主要用作一次性能源。隨著石油資源日益枯竭，由煤合成液體燃料已引起世界各國的重視，并得到迅速發(fā)展，繼而帶動煤化工工業(yè)的發(fā)展。煤化工產(chǎn)品的品種、品質(zhì)和數(shù)量不斷增加。人們指望在不久的將來，由煤化工和天然氣逐步取代石油化工，成為獲取化工產(chǎn)品的主要途徑。石油大量用作發(fā)動機燃料，由石油為原料形成的石油化工目前仍為世界各發(fā)達國家的支柱產(chǎn)業(yè)。大多數(shù)的化工產(chǎn)品都由石化行業(yè)生產(chǎn)出

4、來。但隨著石油資源的枯竭，石油化工將逐步萎縮，并被煤化工和天然氣化工取代。天然氣目前大量用作民用燃料。但以天然氣為原料的C1化學工業(yè)發(fā)展迅速，天然氣資源豐富，開采和運輸方便，以它為原料合成發(fā)動機液體燃料，投資和生產(chǎn)成本也比較低廉。今后，天然氣化工和煤化工一樣，將逐步取代石油化工，成為化學工業(yè)的主要產(chǎn)業(yè)。22、試敘述煤化程度與煤的性質(zhì)及應用的關(guān)系。試敘述煤化程度與煤的性質(zhì)及應用的關(guān)系。答：答：在泥炭化階段，經(jīng)好養(yǎng)細菌和厭氧細菌分解，植物開

5、始腐敗，植物中的蛋白質(zhì)開始消失，木質(zhì)素、纖維素等大為減少，產(chǎn)生大量腐蝕酸。但植物殘體清晰可見，水分含量很高，這一階段得到的泥炭，大量用作民用燃料，工業(yè)價值甚小。在煤化階段，形成的泥炭在地熱、地壓的長期作用下，開始進一步演變，首先有無定形的物質(zhì)轉(zhuǎn)換為巖石狀的褐煤，腐植酸大為減少，并發(fā)生脫水，增石炭作用（由縮合和疊合作用得到）氫和氧含量降低，褐煤水含量仍高，發(fā)熱量亦不高，由于縮合和疊合作用處于初級階段，用作民用燃料、煤氣化原料尚可，用作煉焦

6、原料則不宜。在地壓和地熱的繼續(xù)作用下，褐煤中的有機質(zhì)進一步反應，逐步形成凝膠化組份、絲炭組分和穩(wěn)定組份。由于成煤原料（植物）和成煤條件的差異，形成的上述組分的含量各不相同，所得的煙煤品質(zhì)也不同。隨著縮合和疊合作用持續(xù)地進行下去，結(jié)果形成不同煤化程度的煙煤。如長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤和瘦煤等。處于焦煤階段的煤，由于縮合和疊合程度適宜，煤的粘結(jié)性好，適合用作煉焦原料。由煙煤演變成的無煙煤，分子疊合程度進一步加深，H、O含量進一步減少，凝膠化

7、組份和穩(wěn)定組分明顯減少，這種煤適合做民用燃料和煤氣化燃料，在化工上的應用也不如煙煤重要。煤化程度演變到石墨階段，煤分子中H、O已消失，分子排列正規(guī)，用加熱的方法已不能將其分解，物理、化學性質(zhì)已同普通煤有相當大的區(qū)別，似乎已是另類物質(zhì)，故不將它列為煤的一個品種。31氧化反應有哪些特點？這些特點與工藝流程的組織有什么氧化反應有哪些特點？這些特點與工藝流程的組織有什么具體的聯(lián)系？具體的聯(lián)系？答：氧化反應的共同特點有：1屬強放熱反應；2反映途徑

8、多樣化，副產(chǎn)品品種多；3生成CO2和水的傾向性（即深度氧化）大。在工藝流程中須考慮熱量的回收和合理利用，在設(shè)備的選用時，須考慮反應熱的及時攜出問題。由于生成的主、副產(chǎn)物品種多，含量不高（或集中度差），在工藝流程中須考慮產(chǎn)物的分離次序。分離設(shè)備的選用或設(shè)計時要考慮是否能達到分離要求的問題。為減少CO2和水的生成，選擇氧化劑和氧化催化劑相當重要，并在工藝流程組織重要考慮氧化劑和氧化催化劑的循環(huán)及回收利用問題，為減少深度氧化反應的發(fā)生，適時中

9、止氧化反應相當重要，為此，在工藝流程中須設(shè)置中止氧化反應的設(shè)備，如急冷器等。32二氧化硫催化氧化生成三氧化硫，為什么要在不同溫度條件下分段進行？二氧化硫催化氧化生成三氧化硫，為什么要在不同溫度條件下分段進行？答:在二氧化硫催化氧化生成三氧化硫的反應中，反應熱力學和反應動力學之間存在矛盾，即為達到高轉(zhuǎn)化率，希望反應在較低溫度下進行。為加快反應速率，希望反應在較高溫度下進行，在實際生產(chǎn)中，為兼顧資源利用、環(huán)境保護及企業(yè)生產(chǎn)能力，常將反應分段

10、進行。首先利用SO2初始濃度高，傳質(zhì)推動力大的優(yōu)勢。在較低溫度下快速將反應轉(zhuǎn)化率提升至70%75%，然后快速升溫至較高反應溫度，在此利用反應動力學優(yōu)勢，快速將反應轉(zhuǎn)化率提升至85%90%。進入第三階段后，反應又在較低溫度下進行，利用反應熱力學優(yōu)勢，將轉(zhuǎn)化率再次提至97%98%。由于提升幅度不大，花費的時間也不會很多。這種反應順序的安排，既照顧了反應轉(zhuǎn)化率，又兼顧了反應速率。但若追求高轉(zhuǎn)化率（如達到99.5%），反應需在更低的溫度下進行，

11、花費時間長，將嚴重影響到企業(yè)的生產(chǎn)能力，此時需采用本教科書上介紹的“二轉(zhuǎn)二吸”工藝才行。34簡述環(huán)氧乙烷生產(chǎn)中車間的安全問題。簡述環(huán)氧乙烷生產(chǎn)中車間的安全問題。答：環(huán)氧乙烷生產(chǎn)車間采用的原料（以西）和產(chǎn)品（EO）都是易燃易爆物料，運輸和儲存中，管路、容器和反應器都不準有溢流現(xiàn)象發(fā)生；車間動力線路采用暗線埋設(shè)，設(shè)備采用防爆電機驅(qū)動，設(shè)備之間排列順序和間距要符合國家安全要求，不能用鐵器擊打設(shè)備和管道，不穿有鐵釘?shù)男印８鞴ざ沃g的間距也符合

12、國家安全要求。乙烯氧氣混和器，氧化反應器的設(shè)計和制造要規(guī)范，嚴格符合工藝和安全要求，以避免混合器爆炸、氧化器“飛溫”和“尾燒”等事故發(fā)生。車間設(shè)置安全通道，配置滅火等消防設(shè)施。35丙烯腈反應器改進的方向以及目前遇到的困難丙烯腈反應器改進的方向以及目前遇到的困難答：目前廣泛采用的Sohio細粒子湍流床反應器比固定床反應器優(yōu)越，但實際操作與反應原理之間存在不小的矛盾。從氧化還原機理及丙烯氨氧化的特性來看，要求床層下部處于低氧烯比狀態(tài)，在獲得

13、一定轉(zhuǎn)化率（如80%）的同時，提高反化學工藝學3量被釋放出來，變成更低溫度級別的冷量，使之得到回收和利用。53采用催化蒸餾法有哪些好處？采用催化蒸餾法有哪些好處？答:首先，催化蒸餾法將反應器和蒸餾塔組合在一起，實現(xiàn)了反應和蒸餾在同一設(shè)備內(nèi)進行，因而節(jié)約了設(shè)備投資費。其次，可將反應熱供給蒸餾和提餾段。節(jié)能效果明顯，也省去加熱設(shè)備和相應管路。最后是因反應產(chǎn)物能通過蒸餾和提餾快速離開反應區(qū)，有利于平衡向生成目的產(chǎn)物方向移動，從而提高了反應的平

14、衡轉(zhuǎn)化率。54解釋氣相乙烯水合法生產(chǎn)乙醇。乙烯轉(zhuǎn)化率僅為解釋氣相乙烯水合法生產(chǎn)乙醇。乙烯轉(zhuǎn)化率僅為4.5%~5.0%的原因。的原因。答：這可由平衡轉(zhuǎn)化率與溫度和壓力的關(guān)系來確定（見本教材書圖5404）。由該圖可見，即使壓力升至14.7MPa。在300℃時，乙烯的平衡轉(zhuǎn)化率僅為22%，在此條件下，乙烯已發(fā)生猛烈的聚合反應。另一方面，工業(yè)上應用的磷酸硅藻土催化劑，只能在250~300℃時才能發(fā)揮正常活性。為防止聚合，工業(yè)上采用的壓力在7.0

15、MPa左右。250~300℃下相應的平衡轉(zhuǎn)化率為10%~20%。考慮到動力學因素（希望在稍高溫度下進行），實際的轉(zhuǎn)化率很低，僅為5%左右61煤的熱分解過程條件的變化對煤的干餾和氣化有什么影響煤的熱分解過程條件的變化對煤的干餾和氣化有什么影響答:溫度：隨最終溫度的升高，煤干餾時，焦炭和焦油產(chǎn)率下降，煤氣產(chǎn)率增加而煤氣熱值降低，焦油中芳烴與瀝青含量增加，酚類和脂肪烴含量降低，煤氣中氫氣成分增加而多碳烴類減少。氣化時，煤焦的氣化速率增加，氣化

16、過程由化學控制向擴散控制過渡，高溫氣化的煤氣中焦油和烴類物質(zhì)很少，接近平衡組成。升溫速率：隨加熱速率的增加，煤干餾時熱解的液體量增加、膠質(zhì)體溫度范圍擴大，煤膨脹度增加，焦炭裂紋增加，塊度下降?？焖偕郎赜欣趽]發(fā)分析出，半焦氣孔率增加，可促進氣化過程。壓力：在壓力下進行熱解時，煤的粘結(jié)性得到改善，此時，裂解產(chǎn)生的液體產(chǎn)物數(shù)量以及液體產(chǎn)物的停留時間隨壓力增加而增加，從而有利于對固相的潤濕作用的緣故。壓力增加同樣加速氣化反應速率。但煤干餾時，

17、壓力增加干餾煤氣產(chǎn)率下降。氣氛：在氫氣氛中進行熱裂解和在惰性氣氛中顯著不同，在加氫氣氛中裂解僅需幾秒鐘就能生成更多的揮發(fā)產(chǎn)物，加氫熱解后甲烷和輕質(zhì)油產(chǎn)率明顯增加，而干餾殘?zhí)慨a(chǎn)率明顯下降。同樣煤在二氧化碳氣氛和水蒸氣氣氛下的氣化速率也是不同的，一般煤焦與水蒸氣的氣化速率大于煤焦與二氧化碳的氣化速率。62實行配煤煉焦有哪些積極意義實行配煤煉焦有哪些積極意義答:煉焦煤資源：國內(nèi)外都存在優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源不足，中國更是如此。焦炭質(zhì)量本身：單一煤種煉

18、焦只有焦煤合適，但隨著高爐大型化，單一煤種的焦炭不能滿足現(xiàn)代高爐要求。調(diào)整煉焦企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：在保證焦炭質(zhì)量前提下，盡量增加焦化產(chǎn)品收率，有利于企業(yè)經(jīng)濟利益。63實現(xiàn)煤氣化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)有哪些好處實現(xiàn)煤氣化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)有哪些好處答:傳統(tǒng)煤化工主要是焦化、氣化、液化和電石乙炔。粗放式加工：以焦炭、煤氣為主要產(chǎn)品，為冶金和化工（化肥，芳烴，乙炔）提供原料；本質(zhì)是熱加工：基本不用催化劑和反應器，采用高溫加熱的焦爐和煤氣爐。雖稱煤化工，但缺少化工特色；

19、工藝技術(shù)發(fā)展程度低，勞動條件較差；規(guī)模小，增值少，環(huán)境污染嚴重。煤氣化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的好處：以煤氣化為龍頭，采用資源能源環(huán)境一體化的多聯(lián)產(chǎn)工藝，實現(xiàn)煤炭大規(guī)模、高效、清潔轉(zhuǎn)化和多聯(lián)產(chǎn)。①它是一個多元集成技術(shù)體系，并能根據(jù)市場需求把多種先進技術(shù)組合成不同能源體系；②考慮工業(yè)生態(tài)學，可實現(xiàn)顆粒物、SO2、NO2和固體廢物等污染物的近零排放，通過提高效率和碳封存實現(xiàn)CO2零排放；③原料和產(chǎn)品的多元化，原料包括煤、天然氣、渣油、石油焦、生物質(zhì)、城市

20、垃圾等，產(chǎn)品有發(fā)電聯(lián)產(chǎn)蒸汽、液體燃料、合成氣、化學品、氫等；④先進的系統(tǒng)集成及計算機控制技術(shù)以保證系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。71寫出芳烴磺化反應的主要副反應以及克服這些副反應的方法。寫出芳烴磺化反應的主要副反應以及克服這些副反應的方法。答:芳烴的磺化最主要的副反應是形成砜特別是再芳環(huán)過剩和磺化劑活性強的時候，如：用三氧化硫磺化時，極易形成砜，可以用鹵代烷烴為溶劑，也可以用三氧化硫和二氧六環(huán)、吡啶等的復合物來調(diào)節(jié)三氧化硫的活性。發(fā)煙硫酸磺

21、化時，可通過加入無水硫酸鈉，抑制砜的形成。75談談苯環(huán)反應氨解時，苯環(huán)上原有取代基對氨解反應的影響談談苯環(huán)反應氨解時，苯環(huán)上原有取代基對氨解反應的影響.答：由于苯環(huán)上引入氨基通常先引入吸電子基團，降低苯環(huán)的堿性，再進行親核取代引入基，因此苯環(huán)的直接反應氨解，可以大大簡化工藝過程。當苯環(huán)上由吸電子基團存在時，苯環(huán)的堿性降低，發(fā)生氨解反應容易進行；相反，當苯環(huán)上存在供電子基團時，氨解反應難以進行。81舉例說明和區(qū)別線形和體形結(jié)構(gòu)，熱塑性和熱

22、固性聚合物，無定型和結(jié)晶聚合物。舉例說明和區(qū)別線形和體形結(jié)構(gòu)，熱塑性和熱固性聚合物，無定型和結(jié)晶聚合物。答:線形和支鏈大分子依靠分子間力聚集成聚合物，聚合物受熱時，克服了分子間力，塑化或熔融；冷卻后，又凝聚成固態(tài)聚合物。受熱塑化和冷卻固化可以反復可逆進行，這種熱行為特稱做熱塑性。但大分子間力過大（強氫鍵）的線形聚合物，如纖維素，在熱分解溫度以下，不能塑化，也就不具備熱塑性。帶有潛在官能團的線形或支鏈大分子受熱后，在塑化的同時，交聯(lián)成體形