陕西科技大学机电过控复习专刊第七期第一部分.docx
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陕西科技大学机电过控复习专刊第七期第一部分
陕西科技大学期末考试复习题
——第七期1st
陕西科技大学编
机电过控系审
第一篇工业化学基础
第一篇工业化学基础
合成氨原料气的制备
1.固体燃料气化:
是指用氧或含氧气化剂对固体燃料(指煤和焦炭)进行热加工,使其转化为可燃性气体的过程,简称为“造气”。
气化所得到的可燃性气体称为煤气,进行气化反应的设备称为煤气发生炉。
2,半水煤气:
以适量空气(或富氧空气)与水蒸气作为气化剂,所得气体的组成符合(co十H2)/Nz=3.1—3.2(摩尔比)以能满足生产合成氨对氢氧比的要求。
3,间歇式制取半水煤气的工作循环
(1)吹风阶段
由煤气发生炉底部送入空气,提高燃料层温度,吹风气放空。
(2)上吹制气阶段
水蒸气由炉底送入,经灰渣层预热、进入气化层进行气化反应,生成的煤气送入气柜。
随着反应的进行,燃料层下部温度下降,上部升高,造成煤气带走的显热增加。
因此,操作一段时间后需更换气流方向。
(3)下吹制气阶段
水蒸气自上而下通过燃料层进行气化反应。
煤气由炉底引出,经回收热量后送入气柜。
由于煤气下行时经过灰渣层温度下降,从而减少了煤气带走的显热损失,燃料层温度均衡。
(4)二次上改阶段
水蒸气自炉底送入,煤气炉底部的煤气排净,气作好安全准备。
目的是要将存在于为下一循环吹入空
(5)空气吹净阶段
目的是要回收存在于煤气炉上部及管道中残余的煤气,此部分吹风气亦应加以回收,作为半水煤气中N2的来源。
制气工艺条件:
提高燃料层温度的方法,增加吹风速度,延长吹风时间(降低含CO量)
6.甲烷蒸汽转化反应为什么要分段进行?
在加压操作条件下,相应地蒸汽转化温度应控制在1000℃以上。
因烃类蒸气转化反应为吸热反应,故应在高温下进行。
鉴于目前耐热合金钢管只能在800—900℃下工作,合成氨过程中不仅要有氢气,而且还应有氮气。
因此,工业上采用了分段转化的流程。
7.甲烷蒸汽为什么要加压转化?
答:
为了减少原料气的压缩功耗,加压的优点:
节约动力消耗;提高过星蒸汽热回收的价值;减小设备容积,降低投资费用。
第二章合成氨原料气的净化
硫容量:
单位质量脱硫剂所能脱除硫的最大数量
1.比较干、湿法脱硫的特点?
干法脱硫:
指采用固体吸收剂或吸附剂以脱除硫化氢或有机硫。
常见的干法脱硫有:
氧化铁法、活性炭法、钻—钥加氢和氧化锌法等。
特点:
由于固体脱硫剂硫容量有限,—般适于脱低硫且反应器体积较庞大。
虽然干法脱硫净化度高,并能脱除各种有机硫化物,但脱琉剂难于或不能再生,且系间歇操作,设备庞大。
因此不适于用作对大量硫化物的脱除。
湿法脱硫:
采用溶液吸收硫化物的脱硫方法通称为湿法脱硫。
适用于含大量硫化氢气体的脱除。
其优点之一是脱硫液可以再生循环使用并回收富有价值的硫磺。
脱硫效果没有干法脱硫好。
湿法脱硫方法,可分为化学吸收法、物理吸收法和物理—化学吸收法三类。
常见的有碳酸纳、氨水和醇胺溶液等吸收硫化氢的方法属化学吸收法,用冷甲醇吸收硫化氢的方法属物理吸收法。
依再生方式又可分为循环法和氧化法。
循环法是将吸收硫化氢后的富液在加热降压或气提条件下解吸硫化氢。
氧化法是将吸收硫化氢后的富液用空气进行氧比,同时将液相中的HS—氧化成单质硫。
4.一氧化碳变换此反应过程中消耗的只是水蒸汽。
因此,一氧化碳变换既是原料气的净化过程,又是原料气制备的继续。
而残余的少量一氧化碳再通过其他净化方法加以脱除。
根据使用催化刑活性温度的高低,又可分为中温变换(或称高温变换)和低温变换。
中温变换是以Fe3O4为催化剂主体,反应温度为350一550℃,变换后气体中仍含有3%左右的CO。
低温变换是以铜或硫化钴-硫化钼为催化剂主体,操作温度为180一280℃,出口气中残余CO可降至0.3%左右。
6.二氧化碳的脱除
物理吸收法是利用CO2能溶解于水或有机溶剂的特性进行操作的。
常用的方法有水洗法、低温甲醇法、碳酸丙烯酯法、聚乙醇二甲醚法等。
吸收能力的大小取决于co2在该溶液中的溶解度。
溶液的再生采用减压闪蒸法。
缺点:
由于选择性差,且仅以减压闪蒸的方法进行再生.一般CO2回收率不高.此法仅适用于CO2有富余的合成氨厂。
化学吸收法是用热碳酸钾、有机醇胺和氨水等碱性溶液作为吸收剂,实际上属于酸碱中和反应。
1、催化裂化条件下,主要发生的化学反应?
●烷烃的的裂解,产物以C3、C4和中等大小的分子居多
●异构化、芳构化、环烷化,使裂解产物中异构烷烃、环烷烃和芳香烃的含量增多;
●氢转移反应(即烯烃还原成饱和烃),使催化汽油中容易聚合的二烯烃类大为减少
●聚合、缩合反应
2、催化重整过程所发生的化学反应主要有那几类?
六环环烷烃的脱氢;五元环烷烃异构化再脱氢;烷烃环化再脱氢;烷烃异构化;加氢裂化
3、加氢裂化过程发生的主要反应有哪些?
加氢裂化是催化裂化技术的改进,在临氢条件下进行催化裂化,可抑制催化裂化时的发生的脱氢缩合反应,避免焦炭的生成。
主要反应有加氢精制、加氢裂化。
加氢精制,以除去原料中的硫、氮、氧等杂质,和二烯烃,以改善加氢裂化所得的油料的质量;加氢裂化,在裂化活性较高的催化剂上进行裂化反应和异构化反应,最大限度的生产汽油和中间馏分油
1. 石油的主要组成是什么?
常、减压蒸馏有哪几类?
答:
石油的化合物可以分为烃类、非烃类以及胶质和沥青三大类。
烃类即碳氢化合物,在石油中占绝大部分。
非烃类指含有碳、氢及其他杂原子的有机化合物。
常、减压蒸馏有三类:
(1)燃料型
(2)燃料—润滑油型(3)燃料—化工型
2,石油的一次加工、二次加工介绍
答:
石油一次加工的方法为常压蒸馏和减压蒸馏。
石油的二次加工方法有:
(1)催化重整催化重整的原料是石脑油,催化重整装置能提供高辛烷值汽油,还为化纤、橡胶、塑料和精细化工提供苯、甲苯、二甲苯等芳烃原料以及提供液化气和溶剂油,并副产氢气。
其催化剂是由活性组分(铂)、助催化剂和酸性载体(如经HCl处理的Al2O3)组成。
(2)催化裂化(3)催化加氢裂化(4)烃类热裂解
3, 浓度、温度、压力对化学平衡、反应速率的影响?
答:
浓度根据反应平衡移动原理,反应物浓度越高,越有利于平衡向产物方向移动。
从反应速率式可知,反应物浓度越高,反应速率越快。
温度对于吸热反应,△H>0,平衡常数随着温度升高而增大,有利于反应,产物的平衡产率增加。
对于放热反应,△H<0,平衡常数随着温度升高而减小,平衡产率降低。
反应速率常数随温度升高而增加。
压力压力对液相和固相反应的平衡影响较小。
气体的体积受压力影响大,故压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大,其规律为:
(1)对分子数增加的反应,降低压力可以提高平衡产率;
(2)对分子数减小的反应,压力升高,产物的平衡产率增大;(3)对分子数没有变化的反应,压力对平衡产率无影响。
在一定的压力范围内,加压可减小气体反应体积,且对加快反应速率有一定好处。
4, 什么是最佳反应温度?
答:
正、逆反应速率之差即为产物生成的净速率有一个极大值,此极大值对应的温度称为最佳反应温度。
5,影响氨平衡浓度的因素有哪些?
答:
①温度和压力温度降低或压力增高,都能使平衡常数及相应的平衡氨含量增大;②氢氮比当氢氮比为3时,平衡氨含量最大;③惰性气体惰性气体会使平衡氨含量明显下降。
6,惰性气体对氨合成反应的平衡浓度及反应速率的影响。
答:
惰性气体含量对平衡氨浓度有影响,对反应速率也有影响,而且对两方面的影响是一致的,即惰气含量增加,会使反应速率下降,也使平衡氨浓度降低。
7,在氨合成工艺流程中,排放气为什么在循环压缩前,而氨冷则在循环压缩机之后?
答:
因为排放气中含有一定量的惰性气体,若惰性气体浓度达到一定值时会影响反应的正常进行,即降低合成率和平衡氨含量,若不在循环压缩机前排放,其将与新鲜原料气混合进入下一循环过程,可能影响后续反应。
氨冷在循环压缩机之后是为了对新鲜原料气和循环气同时进行氨冷,方便除杂。
2.2.2有关物料计算的基本概念
一、物料、能量与热量的平衡:
稳态系统中,
进入系统的质量(能量)=离开系统的质量(能量)
绝大多数化工过程无其他能量输入、输出,也无热量与其他形式能量间的相互转化,则作“热量守恒”计算(近似绝热)。
2、化学反应效率——反应度:
定义:
表示一个化学反应进行的程度;
对单一化学反应系统,该反应的反应度称为某种原料的转化率(转化反应)、变换率(变换反应)、合成率(合成反应)。
计算原则:
选择反应物系中不过量的关键组分或限制组分的转化率。
1.限制反应物
化学反应原料不按化学计量比配料时,其中以最小化学计量数存在的反应物称为限制反应物。
2.过量反应物
不按化学计量比配料的原料中,某种反应物的量超过限制反应物完全反应所需的理论量,该反应物称为过量反应物。
注意
1.复杂反应:
反应度≠转化率(因为有转化成别种物质的可能);
2.原料按方程式计量系数配备时,各反应物转化率相等;
3.反应度≠产物浓度(因为有副反应、副产物存在)。
三、产率和选择性
1.产率
产率指的是化学反应过程中得到目的产品的百分数。
常用的产率指标为理论产率。
理论产率是以产品的理论产量为基础来计算的产率,即化学反应过程中实际所得目的产品量占理论产量的百分数。
一般情况下,实际得到的目的产品数量只会比理论产量小,因此理论产率总是小于100%。
根据计算目的产品理论产量的基准不同,理论产率又有两种不同的表示方法。
2.选择性
φ=生成目的产物所消耗的反应物的量(mol)/转化了的反应物的量(mol);
φ≤1,并且具有——针对性。
四、收率
收率=生成产物所消耗的反应物的量(mol)与进入系统的反应物的量(mol)的比值
说明
在某些生产过程中,由于采用的原料是复杂的混合物,其中的各种成分都有可能转化为目的产物,而各种物料在反应中转化为目的产物的情况又很难确定(比如石油裂解生产有机原料乙烯过程),此时,无法或很难用产率来表示产品的得率。
为了表明反应效果,就常以收率来计算目的产物的得率。
五、原材料消耗指标:
消耗指标又称单耗,指制造单位数量(吨产品)的产品所消耗原材料和能量的数量;为重要经济技术指标。
按反应方程式计算的叫理论单耗。
六、气相反应过程体积膨胀比或体积缩小比:
E=反应生成产物的体积/反应前原料的体积
七、空速、接触时间和空时得率:
空速:
对于气-固相催化反应,说明了催化剂床层处理气体的能力;
定义:
每小时通过1m3催化剂床层的气体标准体积数,m3(气体)/m3(催化剂)·h
若空速大,说明反应器生产能力大。
Vsp=V°
Vcat
空时(接触时间):
虚拟时间,表示气体混合物流过床层的平均逗留时间。
τ=1/Vsp=Vcat
V°
3.空时得率:
㎏(产品)/m3(催化剂)·h,用来衡量催化剂生产强度。
4.单程收率
选择性和单程收率的关系:
选择性×单程转化率=单程收率
Y=α×φ
二、稳定过程与非稳定过程
1.定义:
若一个过程的所有变量(p、T、流量、组成等)仅随空间而变化(设备内不同点有差别),而不随时间而变化,则此过程为稳定过程。
反之为非稳定过程。
2.稳定条件
质量流量不变:
即单位时间内进入系统的物料总量等于离开系统的物料总量。
热流不变:
单位时间内进入和离开系统的热量相等。
状态不变(进出口状态不随时间而变化)
3.实际过程的处理
实际的化工生产中一般常常是连续操作的过程(如化肥厂,与机加工有很大区别),除开、停车阶段外,其他阶段可按稳定过程处理。
对于间歇操作,从长时间看,其物料及产物的平均值也基本稳定,故也可按稳定过程对待。
4.通式:
〔输入的物料量〕+〔反应生成的物料量〕=〔输出的物料量〕+〔积累的物料〕+〔消耗的物料量〕
硫酸工业
一、净化原则及净化指标:
原则:
悬浮微粒粒径广——
分级逐段、先大后小、先易后难;
悬浮微粒密度相差大——
先重后轻,先固、液,后气(汽)体;
不同粒径选择相应有效设备,分离效率一定要与粒子大小联系考虑。
二、炉气除尘(干法):
硫酸生产中大多采用
机械除尘——自然沉降及惯性除尘;电除尘。
集尘器除尘:
分为
自然沉降——借助重力来分离,粒径越小,其速度越慢;仅能除去粒径>40μm;
惯性除尘——当矿尘与气体均以高速运动时,在除尘设备中急剧改变气流方向,矿尘由于运动的惯性即可与气体分离。
三、炉气中氟、砷、硒和酸雾的清除:
1、氟的清除:
HF、少部分SiF4
利用其极易被水或稀酸吸收的特点,效率很高。
注:
(1)酸洗洗涤酸循环使用,因而要定期排出部分洗涤酸;
(2)HF强烈腐蚀硅酸盐,避免使用硅酸盐陶瓷材料。
2、砷、硒的清除:
原理:
与除酸雾结合;
湿法净化的重要特点:
除雾是关键;
原因——As2O3、SeO2高温时以气态存在,使用液体洗涤炉温迅速降低,出现凝华:
As2O3(g)→As2O3(s);SeO2(g)→SeO2(s)
凝华速度很快,使生成的固体颗粒非常细小,不易被液体吸收或捕捉,而成为酸雾凝结的核心;酸雾在细小的As2O3、SeO2表面形成后就很快将其溶解;所以可通过除雾除去砷、硒。
酸雾的形成:
雾的概念:
含有粒径小于5μm的液体颗粒的气溶胶,是一两相体系;
湿法净化过程中,由于炉气被洗涤冷却,大量水蒸气进入气相:
SO3(g)+H2O(g)=H2SO4(g)
当气相中硫酸蒸气压大于洗涤液液面上的饱和蒸气压时,硫酸蒸气冷凝,而快速冷凝会形成酸雾;由于炉气在洗涤中冷却速度很快,因而会产生酸雾液滴;若存在凝结中心,则生成的酸雾粒子就大。
酸雾的清除:
不能以普通方法除去,因为:
①宏观方法:
细小的微粒(滴)倾向于跟随流体的流线运动,难以通过撞击方式捕捉;
②微观方法:
雾粒直径比分子直径大得多,不能通过扩散使之进入液相,即不能被液体吸收。
酸雾的清除:
当炉气温度快速降至100℃以下时,硫酸蒸气几乎全部变成酸雾;
①较大粒子——由电除雾器、文氏管、冲挡式洗涤器除去,电除雾器最为可靠;
②粒径小于2μm的雾粒,电除雾器效率也不高,为增加效率,采用对炉气增湿,使酸雾液滴长大后再清除,设备:
增湿塔;
③增加除雾段数、降低炉气流速;
④积极方法:
控制SO3含量。
4、湿法净化流程
前面干法净化无洗涤剂,用旋分、电除尘、袋式除尘器等,(适于小厂,设备少);而湿法净化有洗涤剂。
湿法又分为水洗流程、酸洗流程,其中水洗由于大量排污,在国外大都已被淘汰,而国内大多仍在沿用。
1、酸洗净化流程:
普通酸洗、稀酸洗、绝热增湿酸洗、热浓酸洗;
2、水洗净化流程:
(1)二文-器-电流程:
多用于大中型厂;
(2)文-泡-电流程:
五、炉气的干燥:
1、干燥原因:
湿法净化除去尘、雾、大部分杂质后,炉气中已饱和了水蒸气,所以会在SO2转化生成SO3之后再次生成酸雾——次生酸雾;
危害:
若在热交换器中发生——腐蚀设备、管道;
若开停车时在催化剂上发生——损坏催化剂;损失硫、污染大气。
2、炉气干燥原理:
浓硫酸有较强的吸湿性,且在同一温度下,硫酸浓度愈高,硫酸液面上水蒸气平衡分压愈小,例如:
98.3%的浓硫酸,温度为40℃时,水蒸气平衡分压仅0.0039Pa;当水蒸气分压大于硫酸液面上平衡水蒸气分压时,水蒸气会被硫酸溶液吸收。
3.干燥方法:
干燥酸:
92.5~94%温度40~50℃,炉气温度不高于40℃;
4.干燥流程:
设备:
填料塔,完成逆流传质;
炉气在净化、干燥之后,进入转化系统,即催化氧化系统,组成(体积):
7~7.5%SO2、10.5~11%O2;
转化的任务就是在催化剂的作用下,生成SO3。
石油炼制
一、催化裂化的目的及主要步骤:
催化裂化是与热裂化并行的重油加工方法,但催化裂化有催化剂存在,反应选择性好,轻质油收率高,汽油安定性好,辛烷值高。
催化裂化的原料:
常减压馏分油、催化裂化回炼油、延迟焦化的重质馏分油等。
1、目的:
常减压精馏所得的轻质油太少,为获得更多轻质油,对重质馏分二次加工,也是得到“三烯”、“三苯”的重要手段;
轻质油——直馏汽油、煤油、柴油
催化裂化产物
气体:
(占原料总质量的10~17%)含烯烃、烷烃
液体:
汽油(占原料总质量的40~50%.)、轻柴油、重柴油(占原料总质量的30~40%.)渣油
2、主要步骤:
(1)反应-再生系统:
反应和再生分别在反应器和再生器中完成。
热的催化剂和(由减压塔来)重质油一起进入反应器,原料在催化剂的作用下吸收催化剂的热量而裂化;积炭后的催化剂送再生器,通入空气烧掉表面积炭成为再生催化剂,即恢复了催化剂的活性,又被加热到反应所需要的温度,再返回反应器,这样就构成了反应—再生系统的循环。
催化裂化过程在催化剂表面仍有结焦,所以催化剂使用一段时间后必须再生。
再生反应为放热反应,而裂化反应为吸热反应,反应装置必须处理好这一矛盾。
(2)分馏系统:
裂化反应器——高温油气——分馏塔
塔顶:
富气、粗汽油、轻重柴油
塔底:
重质油、油浆(含催化剂细粉)。
(3)吸收-稳定系统:
作用:
加工富气、粗汽油;
吸收塔(1Mpa)——用粗汽油吸收富气中大于C3的组分;
干气——H2、C、C2;
烃——合成氨原料、燃料气;
稳定塔——分离(精馏)含液态烃汽油、液化气(C3、C4)
得到“稳定汽油”(高辛烷值)。
9.4催化重整
一、催化重整的目的及主要步骤:
提出问题:
为何在裂化之后要重整?
回答:
对于油品中烃类分子结构的重新调整和排列过程;
实际应用:
以直馏汽油为原料,在催化剂作用下进行,称“催化重整”。
催化剂:
铂、铂铼重整;
铂+其他两种或以上(铼、钯、铱、铑)
1、目的:
(1)获得高辛烷值汽油——使正构烷烃异构化;
(2)生产芳烃(比如三苯)——非芳烃发生芳构化。
2、步骤:
(若主要目的为
(2)时)
(1)原料油预处理:
预分馏——切去65/80℃;
预加氢——除杂:
H2O、As、S、N2、Cu
(2)催化重整:
多段固定床催化反应器
(3)溶剂抽提(萃取):
萃取芳烃(如二甘醇)
注:
重整液态产物中含25-60%芳烃。
提出问题:
为何不精馏?
∵碳原子数同,芳烃与非芳烃沸点相近,∴无法精馏。
(4)芳烃混合物的分离:
精馏,三苯及其他
说明:
若以目的
(1)为主要目的,则步骤仅
(1)、
(2)两步。
二、催化重整反应过程特点:
1、气-固相催化反应:
催化剂活性组分:
铂、铼为活性组分,0.3-0.8%
载体:
Al2O3
助催化剂:
加入0.4-1.0%的F、Cl化合物;
注:
贵金属呈氧化物状态,用H2还原成金属才具活性;
2、平行进行多个反应:
(1)正构烷烃异构化:
提高辛烷值
(2)C6环烷烃脱氢→芳烃;
3)C5环烷烃异构、脱氢→芳烃(速度低于
(2),强吸热);
(4)烷烃(或烯烃)环化脱氢生成芳烃。
小结:
(1)-(4)作用——提高辛烷值;使重整产物进一步→芳烃变为可能;
(5)加氢裂化反应:
属综合反应,包括裂化、加氢、异构化
作用:
提高辛烷值,但同时生成小于C5的小分子烃使汽油产率降低;
(6)副反应:
生成焦炭
3、吸热反应:
绝大多数为分子数增加的反应。
催化重整是石油加工过程中重要的二次加工方法,其目的是用以生产高辛烷值汽油或化工原料-芳香烃,同时副产大量氢气,用作加氢工艺的氢气来源。
重整工艺装置大致包括原料油预处理、重整反应、产品后加氢和稳定处理。
生产芳烃为目的的重整装置还包括芳烃抽提和芳烃分离部分。
广义处理包括预分馏、预脱砷、预加氢、脱水、脱硫等。
重整反应是吸热反应,温度约为500℃左右。
重整反应部分一般设置3~4个反应器串连操作。
稳定塔的作用是从塔顶脱除溶于重整产物中的少量气体烃和戊烷,塔底出汽油(对生产高辛烷值汽油的重整)。
三、主要操作条件:
1、温度:
分析:
∵主要反应吸热,∴提高温度可增加芳烃产率,但温度过高会导致裂化加剧——增加轻组分,降低汽油产量,积炭。
结论:
反应器入口——480-520℃
2、压力:
分析:
(1)绝大多数为分子数增加的反应,∴↑P不利于反应,但加压可抑制积炭,有利于催化剂长期操作;
(2)原料性质:
(3)催化剂性能:
铂铼双金属、多金属——稳定性↑,容焦↑,定为1.8MPa;
铂——2.0-3.0MPa
3、氢油比:
分析:
配入氢气作用—
(1)保护催化剂,“循环氢”;
(2)热载体——减少床层温度降低;
(3)稀释原料——原料均布催化剂床;
结论:
氢气/原料油=5-8(mol比)、1200-1500(体积比)
四、工艺流程和主要设备:
1、工艺流程:
2、主要设备:
反应器
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