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？

主要反应 (1) CH 4+H 2O ＝CO +3H 2-206. 4kJ mol (2) CO +H 2O ＝CO 2+H 2+41. 2kJ /mol 主要副反应 CH 4＝2H 2+C -74. 9kJ . mol -12CO =CO 2+C +172. 4kJ . mol -1 CO +H 2＝H 2O +C +131. 36kJ . mol -1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(1200℃) 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(1200～1400℃) ，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

1-钴钼加氢反应器；2-氧化锌脱硫罐；3-对流段；4-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)、硫醚(CH3SCH3)及噻吩(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、钴钼加氢法、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、硫醚等有机硫，但反应速度较慢，一般选择较高的温度350～400℃，才能获得较快的反应速度。反应式如下： ZnO (s ) +C 2H 5SH (g ) ＝ZnS (s ) +C 2H 5OH (g )

ZnO (s ) +CH 3SCH 3(g ) ＝ZnS (s ) +C 2H 4(g ) +H 2O (g )

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：

CS 2+4H 2＝H 2S +CH 4COS +H 2＝H 2S +CO

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？ CO +H 2O −催化剂−−→CO 2+H 2+41. 2kJ /mol

是将原料气中的CO 变成CO2和H2。H2是合成氨需要的原料成份，CO2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CO2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？ CO 2 (aq)+ K2CO 3 (aq)+ H2O (aq)= 2KHCO 3(aq)+Q

原理：CO2的吸收过程是CO2与K2CO3反应生成KHCO3。但是由于受反应速度的限制，气体中CO2与溶液中K2CO3的反应速度较慢。为了加快CO2在K2CO3溶液中的吸收速度，通常在K2CO3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K2CO3所已经吸收的CO2摩尔数，即溶液中K2CO3转化为KHCO3的转化度。

化肥

1. 描述由NH3和CO2合成尿素的化学反应过程与相态。（重点）

2NH 3(l ) +CO 2(l ) =NH 2COONH 4(l ) +86. 93kJ . mol -1

NH 2COONH 4(l ) =NH 2CONH 2(l ) +H 2O (l ) -28. 45kJ . mol -1

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铵；第二个脱水生成尿素的反应为慢速吸热反应，且为显著可逆反应。 2. 尿素合成反应过程的主要副反应及控制措施。（熟悉就行） 2NH 2CONH 2(l ) =NH 2CONHCONH 2(l ) +NH 3(g ) NH 2CONH 2(l ) +H 2O (l ) =2NH 3(g ) +CO 2(g )

当温度在60℃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CO2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190℃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180～190℃ 组成的影响：CO2过量对转化率影响很小，氨过量则明显提高转化率。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. 硝酸铵的主要用途是什么？

1．硝铵是重要的氮肥，特别适用于温度低的旱田。还是制造复合肥料的原料。 2. 硝铵是炸药的主要原料。

3. 硝铵还是制麻醉剂(N2O，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(PO4)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。

Ca 5F (PO 4) 3+nH 3PO 4+5H 2SO 4=(n +3) H 3PO 4

主反应：一步反应过程

+5CaSO 4. H 2O +HF

两步反应过程: Ca 5F (PO 4) 3+nH 3PO 4=(n -7) H 3PO 4+5Ca (H 2PO 4) 2+HF

5Ca (H 2PO 4) 2+5H 2SO 4=10H 3PO 4+5CaSO 4. nH 2O

副反应： 6HF +SiO 2=H 2SiF 6+2H 2O

H 2SiF 6=2HF (g ) +SiF 4(g )

H 2SiF 6+SiO 2=SiF 4(g ) +2H 2O

CaCO 3+H 2SO 4=CaSO 4(s ) +CO 2(g ) +H 2O

Fe 2O 3+2H 3PO 4=2FePO 4(s ) +3H 2O

Al 2O 3+2H 3PO 4=2AlPO 4(s ) +3H 2O

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SO2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

S +O 2(高温) →SO 2 SO 2+NO 2→SO 3+NO SO 3+H 2O →H 2SO 4

接触法

S + O2→SO2 2 SO2 + O2→2SO3 2SO3 + H2O→H2SO4

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+S2 S2 + O2 = SO2

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。 560～720℃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441 ℃ 560

727 977 氧扩散的控制。

4. SO2氧化为SO3的温度、压力、SO2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，即先高后低 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

SO2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. SO3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SO3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SO3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？

主反应

4NH 3(g ) +5O 2=4NO +6H 2O +907. 28kJ/mol副反应 4NH 3(g ) +4O 2=2N 2O +6H 2O +1104. 9kJ/mol 4NH 3(g ) +3O 2=2N 2+6H 2O +1269. 02kJ/mol 2NH 3(g ) =N 2+3H 2-91. 69kJ/mol 2NO =N 2+O 2+180. 6kJ/mol

4NH 3+6NO =5N 2+6H 2O +1810. 6kJ/mol

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铂。

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0.95~1.07g/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(CaCO3) 主要反应 CaCO 3(s ) −焙烧−→−CO 2(g ) +CaO (s ) -176. 105kJ /mol

NaCl +NH 3+CO 2+H 2O ＝NaHCO 3(s ) +NH 4Cl 2NaHCO 3(s ) =Na 2CO 3(s ) +CO 2(g ) +H 2O (g )

主要副产物CaO NH4Cl

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P1、Na 利用率和NaHCO3结晶有什么影响？

右图中，ⅠP2、P2Ⅱ、P2P1、P1Ⅲ、P1Ⅳ为饱和线；1,2,3区为NaHCO3、NH4HCO3、NH4Cl 的析出区；P1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NH4HCO3, 超过R 析出NaCl 。 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？CO2经氨盐水吸收，生成氨基甲酸铵、碳酸氢

铵、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CO2的不断溶解，溶液中过量的氨基甲酸铵进一步发生水解反应。甲铵水解是慢反应，是碳酸化的控制步骤：

2NH 2COONH 4(aq ) =NH 4HCO 3+2NH 3

当PH 值>10.5的强碱性时，碳酸氢盐也存在下述离解反应

-2-

HCO 3=H ++CO 3

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： -

Na ++HCO 3=NaHCO 3(s )

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(Na2CO3为原料) 。 原料：NaCl 水溶液 电极反应：

总反应： 2NaCl (aq ) +2H 2O =Cl 2(g ) +H 2(g ) +2NaOH (aq ) 除去杂质：去除镁离子的方法用OH-而沉淀Mg(OH)2出来：

Mg 2++2NaOH =Mg (OH ) 2(s ) +2Na +

少量硫酸盐对电解过程影响大，在这一步也要除去： 2--

SO +BaCl =BaSO (s ) +2Cl 424

煤的化学加工

1. 煤的结构及煤气化原理。

煤的基本结构单元为缩合芳烃及环烷烃及多种侧链，杂原子及官能团。 网络结构模型－整体 平均结构单元模型－有机质 煤气化原理：煤气化是煤与气化剂作用生成气体混合物的反应过程。目的是将煤转化成可 燃气体。煤气化过程包含煤的热解、半焦的气化等过程。 2. 煤气化主要方法及能量利用。

煤气化方法有多种，气化炉也有多种。可分为固定床、沸腾床、气流床三种形式。 3. 费托合成原理。 化学反应

基本反应： nCO + 2nH2 (CH2) n＋ nH 2O △H=-158 kJ/mol (250ºC) H 2O + CO CO 2 + H2 △H=-39.5 kJ/mol (250ºC)

4. 费托合成流程及产品加工流程的主要过程

5. 煤的成焦过程及影响因素。

在高温脱氧情况下，煤大分子的侧链不断脱落，芳核缩合并稠化，最后形成煤气、焦炭及硫铵、苯、酚等多种化学产品。煤的成焦过程分为：煤的干燥预热阶段(温度