一、简答题1. 简述化学平衡常数的定义。
在一定温度下,可逆反应达到平衡时,产物浓度系数次方的乘积与反应浓度系数次方的乘积之比是一个常数,这个常数叫做化学平衡常数。
2. 离心式压缩机蜗壳的作用有哪些?
其主要作用是把扩压器或叶轮后面的气体汇集起来,并把它们引出压缩机;此外,还起到了一定的降速、扩压作用。
3. 回流比对精馏塔理论塔板数有何影响?
回流对精馏操作来说是必要的,而回流比的大小则对于精馏操作有很大的影响;精馏操作线的位置随回流比的大小而变;当回流比增大时,操作线离平衡曲线越远,越接近对角线,平衡线与操作线之间直角梯级的跨度越大,在分离要求不变的情况下,所需的理论塔板数越少;反之,回流比减小时所需的理论塔板数就越多。
4. 如图所示,是t=100℃时苯-甲苯溶液的P-x图,试写出0,0',0",0'''的相状态。
0点:100℃、气态、0.4atm,y苯=0.2。
0'点:开始有第一液滴析出。
0"点:全部的气相转为液相。
0'''点:100℃、液态、1.2atm,y苯=0.2。
5. 化工设备选材的一般原则是什么?
①首先必须了解所处理的是什么介质和介质的性质;②考虑材料的物理机械性能;③考虑本系统中其他材料的适应性;④考虑材料的价格和来源。
6. 压力容器全面检验的内容是什么?
①内外部检验的全部内容;②对压力容器进行耐压试验;③对主要焊缝进行无损探伤抽查或全部焊缝检查;④对于压力很低,无腐蚀性介质的容器,若没有发现缺陷,取得一定应用经验后可不作无损探伤检查。
7. 工业静电危害的消除措施有哪些?
①工业控制法;②泄漏导走法;③复合中和法;④静电屏蔽法;⑤整净措施;⑥人体防静电措施;⑦安全操作。
8. 什么是APC?
APC(advanced process control)是指一类在动态环境中,基于模型、充分借助计算机能力,为工厂获得最大利润,而实施的运行和技术策略。这种新的控制策略,是系统运行在最佳工况的时候,实现所谓的“卡边生产”。
9. 何为软测量技术?
软测量技术是应用计算机技术,对难以测量或暂时不能测量的重要变量(主导变量),选择一些容易测量的变量(辅助变量)通过某种数学关系来推断和估计,用软件代替硬件(传感器)功能。
10. 对于甲醛尾气循环法新工艺来说,甲醛吸收系统一般采用三塔吸收,请叙述三塔吸收系统的原理及流程。
①对于甲醛三塔吸收系统,一般地第三吸收塔和第二吸收塔是和合二为一的,即第三吸收塔放在第二吸收塔顶部。为提高甲醛气体吸收效果,三个吸收塔一般采用填料塔,即采用不锈钢规整填料;②来自氧化器的含甲醛混合气被冷却后,从氧化器底部排出进入第一吸收塔,气体从塔底往上流动,在塔内填料层与自上而下的吸收液接触,气体中的甲醛被吸收液吸收,吸收液中甲醛浓度逐渐升高,而混合气体中的甲醛含量逐渐减少;当混合气上升至一塔顶部时,约90%的甲醛气体被吸收,其余约10%的甲醛气体和其他气体从塔顶沿管道进入第二吸收塔;③在第二吸收塔中,气体与塔顶流下的二塔液接触,二塔液将其中的大部分甲醛吸收,未被吸收的余气(尾气)从二塔顶排出进入第三吸收塔,在第三吸收塔中,剩余甲醛气体基本被吸收,未被吸收的甲醛尾气一部分根据工艺需要送入反应系统循环使用,其余部分送尾气锅炉中燃烧产生蒸汽;④一塔底部的吸收液经一塔泵、冷却器回到一塔顶,成品甲醛从支路送到成品贮槽;⑤二塔底液除一部分从支路回到一塔顶部外,其余则由二塔泵送出经冷却器冷却后回到二塔顶;⑥三塔底液除一部分从支路回到二塔顶部外,其余则由三塔泵送出经冷却器冷却后回到三塔顶。
11. 请简述甲醛装置开车时选择点火条件应主要考虑的问题。
①不能在甲醇的爆炸极限范围内进行点火;②要防止因条件选择不当导致点火后反应温度剧烈升高使催化剂床层烧结;③防止因条件选择不当导致长时间点不着火;④防止因条件选择不当导致点火后催化剂床层严重“析碳”,降低催化剂活性;
12. 甲醛反应过程是一个气固相催化反应过程,请简述其基本步骤有哪些。
①反应物从气相主体扩散到固体催化剂颗粒的外表面;②反应物经颗粒内微孔扩散到固体催化剂颗粒的内表面;③反应物被催化剂表面活性中心吸附;④在表面活性中心上进行反应;⑤反应产物从表面活性中心脱附;⑥反应产物经颗粒内微孔扩散到催化剂颗粒外表面;⑦反应产物由催化剂颗粒外表面扩散到气相主体;
13. 甲醛装置开车时必须先用点火器进行加热,当反应温度上升到300~500℃后又应立即停止加热。试用热力学原理分析其原因。
①甲醛生产过程中的主要反应原理是甲醇氧化反应和甲醇脱氢反应,其热力学方程分别为:甲醇氧化反应:
甲醇脱氢反应:
②从热力学方程式可以看出:甲醇氧化反应为放热反应,甲醇脱氢反应为吸热反应;③在低温下,甲醇氧化反应速度极为缓慢,不能满足生产需要,所以在开车时仍需采用加热的办法来加速甲醇的氧化反应;④当催化剂床层温度上升至200℃左右时,甲醇氧化反应开始缓慢进行,由于它是一个放热反应,放热后使催化剂床层温度逐渐升高,又使甲醇氧化反应不断加快,使点火后催化剂床层的温度迅速升高;⑤尽管甲醇的脱氢反应要吸收一定的热量,但是,甲醇的氧化反应放出的热量远大于甲醇脱氢反应所吸收的热量,因此,一般当反应温度达到300~500℃后,就应立即停止点火器加热;
14. 甲醇脱氢反应是一个可逆反应。请分析如何改变浓度、压力、温度等条件才能使反应向着正反应方向移动?
①甲醇脱氢反应方程式为:
,从反应方程式可以看出,甲醇脱氢反应是一个体积增加,吸热的反应;②从浓度方面分析,为使反应向着正反应方向移动,就必须增加甲醇浓度和不断从系统中移走反应生成的甲醛和氢气;③增加反应系统的压力,会使反应向着体积减少的方向移动,对于体积增加的甲醇脱氢反应来说,降低反应系统压力对于反应有利;④对于吸热反应来说,升高温度将使反应向着吸热方向移动,对于甲醇脱氢反应来说,升高温度对于反应有利;
15. 请简述降低甲醇单耗的措施。
①选择和使用好的催化剂;②保持良好的催化剂床层状态;③把好甲醛装置的开车关;④严格净化原料混合气;⑤寻求最佳的工艺控制参数;⑥在操作过程中保持参数稳定;⑦改善设备性能和状态;⑧减少开停车次数。
16. 为了确保催化剂在铺装和使用时维持良好的床层状态,试简述需要注意的内容。
①与催化剂床层相关的设备及部件的结构与条件应合理,以防止床层变形,开裂和减少边界损失;②提高催化剂铺装质量,注意床层的严密、平整和均匀性,特别应防止在使用过程中的催化剂床层出现局部沟漏现象的发生;③使用中应防止催化剂床层的变形和保持催化剂的活性,为此,除坚持用料的质量标准外,应尽可能地将甲醇、空气、水蒸气进行净化处理,减少和防止催化剂的污染与中毒,应避免反应温度和操作负荷的急剧变化;④对于敞开式氧化器急冷段应防止氧化器满水,防止因骤冷而降低边界部位的催化剂活性,以及床层与器壁间缝隙度的急冷扩大,以免造成副反应增多、转化不完全的后果。
17. 请分析原料混合气必须按一定比例配制的目的。
①在甲醛生产中,原料混合气必须按一定比例进行配制,其目的是为了确保甲醇,空气和水的组成比例,以满足反应过程和安全生产的需要;②银法生产甲醛时,甲醇通过氧化反应生成甲醛,放出的热量除满足脱氢反应所需要的热量和原料气升温及热损失外,还有多余的热量,这部分热量必须及时带走,以维持反应的正常进行,否则反应温度将持续上升使反应温度失控,从而发生烧毁催化剂和燃烧爆炸事故,这部分多余的热量就靠水蒸气或其他不凝性惰性气体(甲醛尾气)带走,因此,在原料混合气中加入一定比例的水蒸气就起到调节、稳定反应温度的作用;③此外,水蒸气的加入还能抑制结炭反应和反应可能产生的缩聚物,从而延长催化剂的使用寿命,改善反应条件和提高产率;④由于甲醇和空气能形成爆炸性混合物,因此,空气和甲醇的比例也必须按照一定比例要求进行配制,在安全生产的前提下选定恰当的空气与甲醇的比例来满足甲醇氧化和脱氢反应的要求。
18. 为什么说电流密度的调优就是对电解银催化剂质量的调优?
①电解时电流密度的大小直接影响到电解银催化剂的纯度,比表面积和催化剂的孔结构,对催化剂活性的高低起着重要作用;②在电解银催化剂制备时必须严格电流密度,其一般原则是以阴极不发生氢气泡为准;③一次电解时,应控制较小的电流密度,以得到纯度较高的结晶银,原因是如果电流密度越大,银析出的速度越快,得到的电解银越疏松,吸附杂质的可能性越大,而且当电流密度增到某一极限值时,H+、Fe3+、Pb2+等离子相继在阴极析出,因此,一次电解一般控制较小的电流密度;④二次电解时,为了较快地得到疏松程度适当,比表面积较高的海绵状的长纤维电解银,可以控制较大的电流密度。
19. 试用双膜理论分析甲醛吸收的过程。
①在吸收塔中,气体混合物中溶质(甲醛)被水(液相)吸收,必须通过气膜和液膜,而且,两膜内呈层流状态,甲醛分子必须以扩散的方式通过两膜;②由于扩散的速度是很慢的,所以分子扩散阻力就成了吸收的总阻力;③要想提高吸收效率,就应使气膜和液膜越薄越好;④根据流体力学原理,两主相的流速越大,膜层厚度就越小,因此,提高气流速度和液流速度,可使两膜厚度减小,从而导致吸收效率的提高;⑤由于甲醛的溶解度较大,属于易溶性气体,因此甲醛分子通过液膜时阻力不大,故甲醛在水中吸收过程的吸收阻力集中在气膜,这种情况称为气膜控制。所以,在甲醛/水吸收过程中,增大吸收塔内的气流速度,对提高甲醛的吸收效率是有利的。
20. 复合式氧化器是目前较好的一种结构型式,它具有哪些特点?
①与一般的带余热炉的氧化器不同,氧化器中只有一段余热炉,没有冷却段;②有别于一般的汽包和氧化器分别设置的方式,它是将汽包和氧化器复合在一起。它的汽包设计在氧化器催化剂室外的夹层内,并使余热炉的管板处于汽包液位的同一高度上,有利于对管板和催化剂层的保护;③为使上管板和高温区的热量迅速传播,在余热炉的所用列管内都插有比列管稍长的方形紫铜棒,使流通截面积检修63.66%,提高了气流的湍流程度;④不同于一般的氧化器,管板上没有支架和花板,催化剂直接铺装在有三层经退火的紫铜丝网上,承载催化剂的铜丝网分别为1目、5目和40目。缩短了反应后气体在高温区的停留时间;⑤氧化器盖的型式也和一般的氧化器不一样,使原料混合气能均匀地进入催化剂层。
21. 本征控制的矩形氧化器更适合于装置大型化的趋势。矩形氧化器按本征控制的原理进行设计,它具有哪些特点?
①集蒸发器与氧化器于一个设备进行本征控制,并设置甲醇浓缩器,将蒸发器内杂质连续排出;②反应层的高温气体,按其热含量的不同品位依次进入氧化器的三个功能换热区:产生配料蒸汽的1#换热区、产生工艺蒸汽的2#换热区和用来蒸发甲醇的3#换热区。并采用催化剂室换热器截面积渐变的特殊结构,使降温减速的气流增速;③将一般的余热炉的垂直列管改为水平列管结构。克服垂直安装的管板及其周边工况条件差、急冷效果低等缺陷,以延长设备寿命,提高工艺效果;④采用催化剂筐,使催化剂铺装可靠、省时、省力,更适用于大型装置;⑤为防止水垢的附着,设置强制循环的炉水系统和水垢收集器。
二、计算题1. 合成氨的反应
在某温度下达到平衡时,各物质的浓度是[N
2]=3mol/L,[H
2]=9mol/L,[NH
3]=4mol/L,求该温度下的平衡常数。
解:根据化学平衡定律得
答:该温度下的平衡常数为7.32×10
-3。
2. 某料液从高位槽流至反应器,已知该溶液的相对密度为1.1,黏度为1×10
-3Pa·s,采用内径106mm的钢管,直管全长20m,管路上有一个全开的闸阀和两个90°标准弯头,其流量为31.7m
3/h,求总的压头损失?(Re=1.0×10
5时,λ=0.022)
名 称 | l当/d | | 名 称 | l当/d |
90°标准弯头 由管口入容器 | 30~40 40 | 由容器入管口 全开闸阀 | 20 7 |
解:①已知ρ=1100kg/m
3,μ=1×10
-3Pa·s,d=0.106m,
②
此时λ=0.022
③查得各局部之l
当/d:
由容器入管口 20
全开闸阀 7
两个标准弯头 2×40=80
由管口入容器 40
∑l
当/d=147
④
答:总的压头损失0.376m。
3. 某车间欲安装一台离心泵,把常压下293K的水从河中送到冷却器里,所用泵的铭牌上标明该泵的允许吸上真空高度为5m,估计吸水管的损失压头为1.5m,试确定该泵的实际安装高度。
解:Z大=H允-h损
Z大=5-1.5=3.5m
实际安装高度应比Z大低0.5m,则实际安装高度为:3.5-0.5=3m
答:该泵的实际安装高度3m。
4. 一填料吸收塔,用来从空气和丙酮蒸气组成的混合气中回收丙酮,用水做吸收剂。已知条件:混合气中丙酮蒸气的含量为6%(体积分数),所处理的混合气中的空气量为1400m
3/h,操作在293K和101.3kPa下进行,要求丙酮的回收率达98%。若吸收剂用量为154kmol/h,试问吸收塔溶液出口浓度为多少?
解:按题意,将组成换算成比摩尔分率:
①塔底 Y1=6/(100-6)=0.0638
②塔顶 Y2=Y1(1-98%)=0.0638×0.02=0.00128
X2=0
③入塔空气流量为:V=(1400/22.4)×(273/293)=58.2kmol/h
④溶液出口浓度便可由全塔物料衡算求出,V(Y1-Y2)=L(X1-X2)
X1=V(Y1-Y2)/L+X2=58.2×(0.0638-0.00128)/154+0=0.0236
答:故溶液出口浓度为0.0236 kmol丙酮/kmol水。
5. 在某连续精馏系统中分离一种混合液,已知:进料组成X
F=0.60,塔顶产品组成X
D=0.90,组分相对挥发度α=2,沸点下进料,塔顶采用全凝器,且采用R
实=2R
最小,试求第一块理论板下降的液相组成与第二块理论板上升的蒸气组成。
解:先求出平衡关系式和精馏段操作线方程式。
①平衡关系式:
②要求操作线方程式需要先求出R
最小再求R
实。
已知x
D=0.90,x
q=x
F=0.60
注:(x
q,y
q)为q线与操作线交点的坐标。
由x
q求y
q:
R
最小=(0.90-0.75)/(0.75-0.60)=1,则R
实=2R
最小=2×1=2
③精馏段操作线方程式:
④第一块板:y
1=X
D=0.90
x
1=0.90/(2-0.90)=0.818
⑤第二块板:y
2=0.667×0.818+0.3=0.8456
答:第一块理论板下降的液相组成中易挥发组分为0.818,第二块理论板上升的蒸气组成中易挥发组分为0.8456。
6. 若甲醛B槽浓度为37.5%的甲醛溶液100m
3;A槽甲醛浓度为37%,要将B槽配成浓度37.3%的甲醛溶液,需加入多少A槽甲醛到B槽?(假设甲醛溶液密度随浓度变化不大)
解:设需X m3到B槽,
根据题意得:37.5%×100+37%×X=37.3%×(100+X)
解得X=67m3
答:需加入67m3A槽甲醛到B槽。
7. 假设某次时确定空气流量为500Nm
3/h,如果要在甲醇的爆炸极限的上限点火,请问甲醇蒸发量至少应为多少?
解:因为甲醇在空气中的爆炸极限范围是6%~36.5%,因此甲醇爆炸上限是36.5%
设甲醇蒸发量至少应为X Nm
3/h。
据题意有:
解得X>287.4Nm
3/h
换算为甲醇质量流量为:
答:甲醇蒸发量应大于410kg/h。
8. 当空气流量为500Nm
3/h,甲醇蒸发量为450kg/h,请问在此种情况下点火是否安全?
解:甲醇的体积流量为
所以甲醇在空气中的体积浓度为:
因为甲醇在空气中的爆炸极限范围是6%~36.5%,所以点火是安全的。
答:点火是安全的。
9. 假设进入反应系统的甲醇全部进行氧化反应,如果有1000kg甲醇进入反应器,试计算需要多少立方米空气才能与其完全反应?(已知甲醇的相对分子质量为32)
解:设需要Xkmol氧气才能与其完全反应,
甲醇氧化反应式为:
从反应式中可看出:1mol甲醇与0.5mol氧气完全反应,
则
解得:X=15.625kmol
已知:空气中氧含量为21%,则1000kg甲醇要完全反应所需要的空气量为15.625÷21%=74.40kmol,折合为体积单位,则为:74.40×22.4=1667m
3。
答:需要1667m
3空气才能与其完全反应。
10. 假设进入反应系统的甲醇全部进行脱氢反应,如果有1000kg甲醇进入反应器,试计算需要多少m
3空气才能与脱氢反应产生的氢气完全反应?(已知甲醇的相对分子质量为32)
解:首先计算1000kg甲醇脱氢反应产生的氢气量。
设1000kg甲醇脱氢反应产生的氢气量为Xkmol,
甲醇脱氢反应式为:
根据反应式得:
解得:X=31.25kmol
氢气与氧气完全反应的方程式为:
设需要Ykmol氧气才能与反应所产生的氢气完全反应,
根据反应式得:
解得:Y=15.625kmol
折合为空气量为:15.625÷21%×22.4=1667m
3。
答:需要1667m
3空气才能与脱氢反应产生的氢气完全反应。
11. 根据反应式
,试从理论上计算100kg甲醇(浓度为98%)能生产多少浓度为37%的甲醛溶液?(已知甲醇相对分子质量为32,甲醛相对分子质量为30)。
解:设可生产甲醛Xkg,据题意有:
已知:
则:X=30×98/32=91.875kg。
换算浓度为37%的甲醛溶液为:91.875÷37%=248.3kg。
答:能生产248.3kg浓度为37%的甲醛溶液。
12. 某天甲醛生产中,已知空气量为1800Nm
3/h,甲醇消耗量为35t/d。试求氧醇比?
解:甲醇量换算为小时流量为:35×1000÷24=1458.3kg/h
因为:
氧气摩尔数为:1800×21%÷22.4=16.875kmol/h
甲醇摩尔数为:1485.3÷32=46.416kmol/h
所以:氧醇比=16.875÷46.416=0.364
答:氧醇比为0.364。
13. 已知:CH
2O(g)、CH
3OH(g)、H
2O(g)的
分别为-115.9kJ/mol、-201.17kJ/mol、-241.827kJ/mol,试求
在25℃和12个大气压条件下的反应热
。
解:因为:
又因为:0
2是单质,其
为0,
将已知数据代入计算公式得:
答:其反应热
为-156.557kJ/mol。
14. 甲醇在空气中的爆炸极限为6%~36.5%,其相对应的氧醇比范围是0.365~3.29。当甲醇蒸发温度为48℃,甲醇平衡浓度为98%,蒸发器压力为70mmHg时氧化器进行点火操作,试问在此条件下点火是否安全?(已知:温度为48℃时,甲醇和水的饱和蒸汽压分别为P
m=380mmHg,P
W=83.71mmHg)
解:将甲醇浓度换算为摩尔分率:
故:甲醇的分压为:P
m=0.965×380mmHg=366.7mmHg
水的分压为:P
W=(1-0.965)×83.71mmHg=2.93mmHg
空气的分压为:P
a=760-70-P
m-P
W=760-70-366.7-2.93=460.37mmHg
因为:
所以:氧醇比=0.21P
a/P
m代入数据得:氧醇比=0.2636
氧醇比小于0.365,在甲醇的爆炸极限范围外,在此条件下点火是安全的。
答:在此条件下点火是安全的。
15. 已知甲醛装置第一吸收塔循环泵扬程50m,一塔底甲醛液密度为1.110g/cm
3,循环泵入口静压0.02MPa,求泵出口压力是多少?
解:设泵的出口压力为P,
根据公式:P=(泵扬程×甲醛液密度/10.33)÷10+P0
根据题意:泵的扬程为50m,甲醛液密度为1.110,P0为0.02,
代入公式得:P=(50×1.110/10.33)÷10+0.02=0.56MPa
答:泵的出口压力是0.56MPa。
16. 已知甲醛装置第二吸收塔循环泵出口压力0.5MPa,二塔甲醛液密度为1.110g/cm
3,循环泵入口静压为0.01MPa,求泵的扬程是多少?
解:设泵的扬程为H,
根据公式:P=(泵扬程×甲醛液密度/10.33)÷10+P0
H=(P-P0)×10.33×10/甲醛液密度
根据题意:P为50m,甲醛液密度为1.110,P0为0.02,
代入公式得:H=(0.5-0.01)×10.33×10/1.110=45.6m
答:泵的扬程为45.6m。