化工工艺学复习

一、简答题

1、罗列化学工业五大门类并例举典型产品？

答：（1）基础无机化工：三酸两碱，合成氨，化肥（包括合氮肥、磷肥、钾肥），亦即大宗无机化工；

（2）基础有机化工：生产有机小分子的工业部门，包括：乙烯、丙烯、丁二烯、氯乙烯等不饱和链烃或取代链烃，以及酯、醛、醇、酮、醚、酸等含氧衍生物以及苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯等烃；

（3）高分子化工：包括塑料、合成橡胶、合成纤维三个分支；

（4）生物化工：泛指利用生物质为原料，或以生化反应方式生产，或产品具备特定的生化性能的工业部门，包括：医药、农药、食品、食品助剂（调味）等，可见，生物化工只是化学工业的一个小小分支，化工专业广度由此可见一斑。

（5）精细化工：精细化工是一个与其他分支交叉最多，最难定义的门类，特殊用途的无机有机小分子，所有的制药、食品添加剂等均属于精细化工。

日化用品：如洗发水、洗衣粉、香皂、肥皂、洗洁精、牙膏、化妆品。 染料及中间体，药品及中间体，涂料（油漆和水性涂料）。

颜料：钛白、铁红、铅铬黄等无机颜料，铁红、氧化铬等磁性颜料，以及大量的有机颜料。又是还包括碳酸钙、二氢磷酸钙、氧化铝、二氧化硅粉体等填料。

催化剂：硫酸系列催化剂、合成氨催化剂、各种有机化工及精细化工用催化剂。 2、化工工艺多样性主要体现在那些方面，举例说明化学工业原料、工艺、产品的多样化。 答：可以从不同原料经不同工艺得到同一产品、同一原料可以经不同工艺加工成不同产品、同一原料可以利用不同工艺生产同一产品。（所举例子不限，合理即可）

例如：（1）以乙烯为原料制得不同产品（同一原料可以经不同工艺加工成不同产品、同一原料可以利用不同工艺生产同一产品）

① 乙烯高压法制低密度聚乙烯

?100~300MPa、200~300C，O2或过氧化物引发，管式、釜式反应器均可，单程转化

率20%~30%，产品密度0.91~0.92g/cm，用于制薄膜、饮料瓶等。 ② 乙烯流化床聚合

?2MPa、85~100C，铬系或钛系催化剂催化，此法可生产低密度，高密度

3（0.96~0.97g/cm）产品，投资低（高压法的30%）、操作费低（高压法的1/6）。 ③ 乙烯部分氧化制环氧乙烯、环氧乙烷水合乙二醇（合成无菌活性剂等）。 ④ 乙烯制苯乙烯 ⑤ 乙烯制氯乙烯

3??Al2O3氧化铜催化、200~230?C、0.2~1MPa、C2H4;HCl;O2=1.05；2.0；0.75~0.85

（物质的量）流化床反应器中完成氯氧化反应

1

（C2H4?2HCl?12O2?C2H4Cl2?H2O)。所得二氯乙烷在管式裂解炉中，于

?500~550C、0.6~1.5MPa下脱HCl得氯乙烯?C2H4Cl2?C2H3Cl?HCl?。

（2）以钛铁矿为原料生产不同产品（从不同原料经不同工艺得到同一产品、同一原料可以经不同工艺加工成不同产品、同一原料可以利用不同工艺生产同一产品）。 ① 硫酸法钛白 ② 酸溶渣制钛白

③ 氯化渣或人造金红石→氯化钛白 ④ 氯化渣或人造金红石→海绵钛

考虑到天然金红石和人造金红石及氯化渣的可替代性，钛原料→钛白粉或海绵钛体现了三种工艺多样性特征，甚至还多了\不同原料可经同一工艺得到同一产品\这一特点。 （3）乙炔的生产方法（从不同原料经不同工艺得到同一产品）

?① 电石法：生石灰与焦炭在2000~2200C下冶炼（电炉冶炼），得电石

?CaO?3C?CaC2?CO?,电石与水反应得乙炔，该工艺原料为生石灰、焦炭、水、产物

为乙炔和基本无用的电石乳（含大量杂质的耗石灰乳）。

② 甲烷氧化法：天然气与氧预混和后，于1500燃烧数毫秒，出口气乙炔含量约8%，此法成本比电石法低一半多。

（4）石脑油制甲醇（同一原料可以利用不同工艺生产同一产品）

?① 高压工艺：30MPa以上，ZnO?Cr2O3复合氧化物为催化剂，330~400C，空速

20000~40000m/m催化剂h，所的出口气甲醇摩尔分数为0.05。

?② 5~10MPa、约270C、ZnO?Cr2O3?CuO复合氧化物为催化剂、空速

3310000m/m催化剂h，出口气甲醇含量0.025，与高压法相比，产品杂质少、操作能耗低。

（5）CO合成甲酸（同一原料可以利用不同工艺生产同一产品） ① 甲酸钠路线

??180C、2MP下，用烧碱吸收CO得甲酸钠?NaOH?CO?HCOONa?，然后在40C33下与硫酸发生复分解反应得甲酸?2HCOONa?H2SO4?Na2SO4?2HCOOH?，烧碱和硫酸经此工艺后成为基本无用的硫酸钠。 ② 甲酸甲酯路线

?180 C，2MPa，甲醇钠?CH3ONa?催化。用甲醇吸收CO得甲酸甲酯

?CH3OH?CO?HCOOCH3?,然后让甲酸甲酯在0.5~1.8MPa下水解得甲酸和甲醇?HCOOCH3?H2O?CH3OH?HCOOH?，甲醇分离出来后循环使用，仅有少量

工艺损耗。

3、简述化工污染控制层次并举例说明？ 答：污染控制分以下几个层次：

（1）经过治理，达标排放。如工艺尾气、提钒废水、钛白废水废酸等。

2

（2）以某种工艺进行综合利用。如高炉渣一类工业固体废弃物。

（3）付出一定代价，实现闭路循环，这是更高层次的综合利用，相对而言，不大容易产生二次污染。如洗煤水循环、铸造水循环、焦化水循环。 （4）改进工艺，避免产生污染。如钒钛磁铁矿的新流程。 4、列举描述工艺过程指标，并简述含义。

转化率：某一反应物参加反应而转化的数量占该反应物起始量的百分率。 收率：得到目的产物量与投入反应系统原料量的比值。

选择率：体系中转化成目的产物的某反应物量与参加所有反应而转化的该反应物总量之比。 5、如何通过控制温度、压力、惰性组分、原料配比，使得目标反应具有更大的热力学优势？ 答：（1）温度：放热反应在较低温度下进行，吸热反应在高温下进行。

（2）压力和惰性组分：对于产物气体化学计量数大于反应物的多相反应及分子数增大的气相反应，采用较低压力或加入易于分离的气相惰性组分；对于产物气体化学计量数小于反应物的多相反应及分子数减少的气相反应，采用较高压力，减少体系惰性组分。

（3）进料组成：化学平衡关系表明，要增加关键组分的转化率，要提高非关键组分的比例，在反应物之一为水、O2（空气中的）等廉价原料，或者某种原料在反应体系中易于低成本分离回收即可采用这种操作方式。 6、举例说明如何克服工艺中的热力学障碍？

?答：对于?rGm?40kJ的反应，计算表明，平衡转化率太低，没有实用价值，可以采用以

下办法克服气热力学障碍：

?（1）反应耦合——通过拼加一个?rGm??0的反应，使目标反应顺利进行。

例如：

?以C为目标产物的目标反应——A+B?C+D ?rGm?40kJ

向系统中添加E，与D发生反应，生成F。

?E+D?F ?rGm??0

?总反应： A+B+E?C+F ?rGm?0

工程上有很多这样的实例： a、富钛料的氯化；

富钛料是TiO2含量在88%以上（一般90%~94%，金红石型）的复合氧化物，氯化的目的是获得TiCl4，进而制得海绵钛或钛白粉，

目标反应： TiO2?s??2Cl2?g??TiCl4?g??O2?g?

?在温度T下 ?rGm?184.3?0.058T?400K?2000K?

?即便将反应温度提高到2000K以上（反应器耐火材料无法在高温氯气环境下工作哦），?rGm仍有较大的正值，在氯化钛白、海绵钛等工艺中，将富钛料与石油焦混和氯化，发生如下反应：

3

? TiO2?s??2Cl?g??2C?s??TiCl4?g??2CO?g? ?rGm??48?0.226T

同时伴随以下反应：

? TiO2?s??2Cl?g??2CO?g??TiCl4?g??2CO2?g? ?rGm??389.1?0.125T

可见，拼加了2C+O?2CO和2CO?O2?2CO2以后，富钛料的氯化得以顺利进行。 b、甲烷制乙炔

目标反应：2CH4?C2H2?3H2

? -74.85 226.7 0 ?fHm? 186.3 200.8 130.59 ?fSm? -50.84 209.2 0 ?fGm??rGm?209.2?2???50.84??310.88kj/mol

??rGT?226.7?2??74.85??T?10?3?(3?130.59?200.8?2?186.3)?376.4?0.22T （理论上要4211K才等于0）

强放热反应，实际实施工艺时，将天然气与不足量氧预混和，于1500C反应数毫秒，出口气乙炔含量约8%。 c、氧化铁的固相还原

铁氧化物的固相还原是一个晶格脱氧过程，以生成金属铁的反应为例：

?FeO?Fe?0.5O2 ?rG1000K?199KJ/mol

?拼加C氧化反应C?0.5O2?CO ?rG1000K??200.6KJ/mol

?总反应FeO?C?Fe?CO ?rG1000K??1.6KJ/mol

目前的研究热点——非高炉炼铁技术，就是依据上述原理。

（2）分步反应——特点是反应分步，使每步反应都在较好的热力学态势下进行，绕过热力学障碍。

例如：天然气制甲醇为例，

目标反应：3CH4?CO2?2H2O?4CH3OH

? -74.85 -393.5 -248.1 -239 ?fHm? 186.3 213.7 188.72 127.2 ?fSm? -50.84 -394.4 -228.6 -166.8 ?fGm??rGm??166.8?4?3???50.84????394.4??2???228.6??336.8KJ/mol

??rGT?4???2.39??3???74.85????393.5??2???248.1??T?10?3?(4?127.2?3?186.3?213.7?2?188.72)?233.1?0.641T 4