化學(xué)工藝學(xué)1-5章部分課后習(xí)題詳解

PAGEPAGE4第二章2-1為什么說石油、天然氣和煤是現(xiàn)代阿化學(xué)工業(yè)的重要原料資源？它們的綜合利用途徑有哪些？答：石油化工自20世紀(jì)50年代開始蓬勃發(fā)展至今，基本有機(jī)化工、高分子化工、精細(xì)化工及氮肥工業(yè)等產(chǎn)品大約有90%來源于石油和天然氣。90%左右的有機(jī)化工產(chǎn)品上游原料可歸結(jié)為三烯（乙烯、丙烯、丁二烯）、三苯（苯、甲苯、二甲苯）、乙炔、萘和甲醇。其中的三烯主要有石油制取，三苯、萘、甲醇可有石油、天然氣、煤制取。2-2生物質(zhì)和再生資源的利用前景如何？答：生物質(zhì)和再生能源的市場在短期內(nèi)不可能取代，傳統(tǒng)能源的市場，但是在國家和國際政策的指引下，在技術(shù)上的不斷突破中，可以發(fā)現(xiàn)新能源在開始慢慢進(jìn)入試用階段，在石油等傳統(tǒng)資源日益緊張的前提下，開發(fā)新能源也是勢不可擋的，那么在我國生物質(zhì)作現(xiàn)階段主要仍是燃燒利用，但是越來越的的研究開始往更深層次的利用上轉(zhuǎn)變，估計在未來的一段時間生物質(zhì)能源會開始慢慢走入人們的視線2-3何謂化工生產(chǎn)的工藝流程？舉例說明工藝流程是如何組織的。答：將原料轉(zhuǎn)變成化工產(chǎn)品的工藝流程稱為化工生產(chǎn)工藝流程?；どa(chǎn)工藝流程的組織可運用推論分析、功能分析、形態(tài)分析等方法論來進(jìn)行流程的設(shè)計。如“洋蔥”模型。2-4何謂循環(huán)式工藝流程？它有什么優(yōu)缺點？答：循環(huán)流程是指未反應(yīng)的反應(yīng)物從產(chǎn)物中分離出來，再返回反應(yīng)器。循環(huán)流程的主要優(yōu)點是能顯著地提高原料利用率，減少系統(tǒng)排放量，降低了原料消耗，也減少了對環(huán)境的污染。其缺點是動力消耗大，惰性物料影響反應(yīng)速率及產(chǎn)品收率。2-5何謂轉(zhuǎn)化率？何謂選擇性？何謂收率？對于多反應(yīng)體系，為什么要同時考慮轉(zhuǎn)化率和選擇性兩個指標(biāo)？答：轉(zhuǎn)化率指某一反應(yīng)物參加反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的數(shù)量占該反應(yīng)物起始量的分率或百分率，用X表示；選擇性是指體系中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的某反應(yīng)物量與參加所有反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的該反應(yīng)物總量之比，用S表示；；收率。原因：對于復(fù)雜反應(yīng)體系，同時存在著生成目的產(chǎn)物的主反應(yīng)和生產(chǎn)副產(chǎn)物的許多副反應(yīng)只用轉(zhuǎn)化率來衡量是不夠的。因為，盡管有的反應(yīng)體系原料轉(zhuǎn)化率很高，但大多數(shù)轉(zhuǎn)化為副產(chǎn)物，目的產(chǎn)物很少，意味著愈多原料浪費，所以需要用選擇性這個指標(biāo)來評價反應(yīng)過程的效率，因此需要同時考慮這兩個指標(biāo)。在化工生產(chǎn)中通常使轉(zhuǎn)化率提高的反應(yīng)條件往往會使選擇性降低，所以不能單純追求高轉(zhuǎn)化率或高選擇性，而要兼顧兩者，使目的產(chǎn)物的收率最高。2-6催化劑有哪些基本特征？它在化工生產(chǎn)中起到什么作用？在生產(chǎn)中如何正確使用催化劑？答：催化劑有三個基本特征：1；催化劑是參與反應(yīng)的，但反應(yīng)終了時催化劑本身未發(fā)生化學(xué)性質(zhì)和數(shù)量的變化。2；催化劑只能縮短達(dá)到化學(xué)平衡的時間，但不能改變平衡。3；催化劑具有明顯的選擇性，特定的催化劑只能催化特定的反應(yīng)。起到的作用：催化劑能夠提高正逆反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)時間：催化劑可以使反應(yīng)向需要的方向進(jìn)行。在生產(chǎn)中應(yīng)注意以下幾點：1；在生產(chǎn)過程中要考慮催化劑的活性，即活性越高則原料的的轉(zhuǎn)化率、選擇性越高，生產(chǎn)單位量的目的產(chǎn)物的原料消耗定額越低。若反應(yīng)原料昂貴或產(chǎn)物難以分離，宜選用選擇性高的催化劑；若原料廉價或產(chǎn)物易分離，則選用活性較高的催化劑；壽命（化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、耐毒性和力學(xué)性能穩(wěn)定性）在實際生產(chǎn)中催化劑可能會衰退，導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量均不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，此時，應(yīng)該更換催化劑。2；不同類型的催化劑要用不同的活化方法每種活化方法都有各自的活化條件和操作要求，應(yīng)該按照操作規(guī)程進(jìn)行活化。3；在化工生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)催化劑的失活和再生，對此在生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制操作條件，采用結(jié)構(gòu)合理的反應(yīng)器，使反應(yīng)器溫度在催化劑最佳適用范圍內(nèi)合理的分布，反應(yīng)器中的毒物雜質(zhì)應(yīng)預(yù)先加以脫除。在有碳反應(yīng)的體系中，宜采用有利于防止析碳的反應(yīng)并選用抗積碳性能高的催化劑。2-10假設(shè)某天然氣全是甲烷，將其燃燒來加熱一個管式爐，燃燒后煙道氣的摩爾分?jǐn)?shù)組成（干基）為86.4%N2、4.2%O2、9.4%CO2。試計算天然氣與空氣的摩爾比，并列出物料收支平衡表。解：設(shè)煙道氣（干基）的量為100mol。反應(yīng)式：CH4+2O2CO2+2H2O分子量：16324418反應(yīng)轉(zhuǎn)化的量：9.42×9.49.42×9.4則產(chǎn)物的量為：N2：86.4mol×28＝2419.2gO2：4.2mol×32＝134.4gCO2：9.4mol×44＝413.6gH2O：2×9.4mol×18＝338.4g原料的量為：N2：86.4mol×28＝2419.2gO2：（4.2+2×9.4）mol×32＝736gCH4：9.4mol×16＝150.4gCH4/空氣（摩爾比）＝9.4/（86.4+23）×100％＝8.6%列物料衡算表得組分輸入輸出molmol%gWt％molmol%gWt％N286.472.72419.273.286.472.72419.273.2O22319.473622.34.23.5134.44.1H2O18.815.8338.410.2CH49.47.9150.44.5CO29.47.9413.612.5∑118.8100.03305.6100.0118.899.93305.6100.02-13一氧化碳與水蒸氣發(fā)生的變換反應(yīng)為CO＋H2OCO2＋H2，若初始混合原料的摩爾比為H2O／CO＝2／1，反應(yīng)在500℃進(jìn)行，此溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp＝P(CO2)·P(H2)／P(H2O)·P(CO)＝4.88，求反應(yīng)后混合物的平衡組成和CO的平衡轉(zhuǎn)化率。解：設(shè)初始原料中＝1mol，則＝2mol，達(dá)到平衡時，CO轉(zhuǎn)化了mmol。由CO＋H2OCO2＋H2轉(zhuǎn)化量mmmm平衡時＝1－m=2－m生成＝＝m產(chǎn)物總量n＝∑＝3，平衡時＝＝m/3度，而此溫度受到爐管材質(zhì)的限制。因此，研制新型的耐熱合金鋼是提高反應(yīng)溫度的技術(shù)關(guān)鍵。當(dāng)爐管材質(zhì)確定后，可采用縮短管長（實際上是減少管程數(shù)）來實現(xiàn)短停留時間操作，才能最大限度提高裂解溫度。或者改進(jìn)輻射盤管的結(jié)構(gòu)，采用單排分支變徑管、混排分支變徑管、不分支變徑管、單程等徑管等不同結(jié)構(gòu)的輻射盤管，這些改進(jìn)措施，采用了縮小管徑以增加比表面積來提高傳熱面積，使壁溫下降，提高了盤管的平均傳熱強度，由此達(dá)到高溫-短停留時間的操作條件。3-5為了降低烴分壓，通常加入稀釋劑，試分析稀釋劑加入量確定的原則是什么？（P75）答：①裂解反應(yīng)后通過急冷即可實現(xiàn)稀釋劑與裂解氣的分離，不會增加裂解氣的分離負(fù)荷和困難。②水蒸氣熱容量大，使系統(tǒng)有較大熱慣性，當(dāng)操作供熱不平衡時，可以起到穩(wěn)定溫度的作用，保護(hù)爐管防止過熱。③抑制裂解原料所含硫?qū)︽囥t合金爐管的腐蝕。④脫除積碳，爐管的鐵和鎳能催化烴類氣體的生碳反應(yīng)。3-6試討論影響熱裂解的主要因素有哪些？答：1；裂解條件(如溫度、壓力、烴分壓)；2；裂解爐的型式和結(jié)構(gòu)；3；原料特性。3-8裂解氣出口的急冷操作目的是什么？可采取的方法有幾種，你認(rèn)為哪種好，為什么？若設(shè)計一個間接急冷換熱器其關(guān)鍵指標(biāo)是什么？如何評價一個急冷換熱器的優(yōu)劣？答：裂解氣出口的急冷操作目的：從裂解管出來的裂解氣含有烯烴和大量的水蒸氣，溫度為727—927℃，烯烴反應(yīng)性強．若任它們在高溫下長時間停留，會繼續(xù)發(fā)生二次反應(yīng)，引起結(jié)焦和烯烴的損失，因此必須使裂解氣急冷以終止反應(yīng)。急冷的方法有兩種，一種是直接急冷，一種是間接急冷。我認(rèn)為間接急冷好，因為直接急冷是用急冷劑與裂解氣直接接觸，急冷劑用油或水，急冷下來的油、水密度相差不大，分離苦難，污水量大，不能回收高品位的熱量。采用間接急冷的目的是回收高品位的熱量，產(chǎn)生高壓水蒸氣作動力能源以驅(qū)動裂解氣、乙烯、丙稀的壓縮機(jī)，汽輪機(jī)及高壓水閥等機(jī)械，同時終止二次反應(yīng)。設(shè)計一個間接急冷換熱器其關(guān)鍵指標(biāo)是：為減少結(jié)焦傾向，應(yīng)控制兩個指標(biāo)．一是停留時間，一般控制在0.04s以內(nèi)；二是裂解氣出口溫度，要求高于裂解氣的露點。急冷換熱器是裂解裝置中五大關(guān)鍵設(shè)備之一，是間接急冷的關(guān)鍵設(shè)備。急冷換熱器的結(jié)構(gòu)，必須滿足裂解氣急冷的特殊條件：①溫度高;②降溫快，熱強度高，內(nèi)外溫差高。3-9裂解氣進(jìn)行預(yù)分離的目的和任務(wù)是什么？裂解氣中要嚴(yán)格控制的雜質(zhì)有哪些？這些雜質(zhì)存在的害處？用什么方法除掉這些雜質(zhì)，這些處理方法的原理是什么？（P85，87-92）答：目的和任務(wù)：①經(jīng)預(yù)分餾處理，盡可能降低裂解氣的溫度，從而保證裂解氣壓縮機(jī)的正常運轉(zhuǎn)，并降低裂解氣壓縮機(jī)的功耗。②裂解氣經(jīng)預(yù)分餾處理，盡可能分餾出裂解氣的重組分，減少進(jìn)入壓縮分離系統(tǒng)的負(fù)荷。③在裂解氣的預(yù)分餾過程中將裂解氣中的稀釋蒸汽以冷凝水的形式分離回收，用以再發(fā)生稀釋蒸汽，從而大大減少污水排放量。④在裂解氣的預(yù)分餾過程中繼續(xù)回收裂解氣低能位熱量。需嚴(yán)格控制的雜質(zhì)有H2S，CO2，H2O，C2H2，CO等氣體。這些雜質(zhì)量不大，但對深冷分離過程是有害的，而且會使產(chǎn)品達(dá)不到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。酸性氣體的脫除有堿洗法和醇胺法。脫水用吸附干燥法。炔烴脫除有催化加氫法和溶劑吸收法。3-10壓縮氣的壓縮為什么采用多級壓縮，確定段數(shù)的依據(jù)是什么？（P95-96）答：壓縮氣壓縮基本上是一個絕熱過程，氣體壓力升高后，溫度也上升。為了節(jié)約壓縮功耗、降低出口溫度、減少分離凈化負(fù)荷，氣體壓縮采用多級壓縮。3-12裂解氣分離流程各有不同，其共同點是什么？答：①在分離順序上遵循先易后難的原則，先將不同碳原子數(shù)的烴分開，再分同一碳原子數(shù)的烯烴和烷烴；②將生產(chǎn)乙烯的乙烯精餾塔和生產(chǎn)丙烯的丙烯精餾塔置于流程最后，可確保這兩個主要產(chǎn)品純度，同時也減少分離損失，提高烯烴收率。3-14對于一已有的甲烷塔，H2/CH4對乙烯回收率有何影響？采用前冷工藝對甲烷塔分離有何好處？答：相同壓力相同溫度下，乙烯在塔頂尾氣中的含量，隨H2/CH4比增加而增加，即乙烯的損失率加大，降低了乙烯的回收率。前冷是將塔頂餾分的冷量將裂解氣預(yù)冷，通過分凝將裂解其中的大部分氫和部分甲烷分離，使H2/CH4比下降，提高了乙烯的回收率，減少了甲烷塔的進(jìn)料量，節(jié)約能耗。3-15何謂非絕熱精餾？何種情況下采用中間冷凝器或中間再沸器？分析其利弊？答：非絕熱精餾——在塔中間對塔內(nèi)物料進(jìn)行冷卻和加熱的過程。使用條件：對于頂溫低于環(huán)境溫度、底溫高于環(huán)境溫度，且頂?shù)诇夭钶^大的精餾塔。利：可降低分離過程的有效能損失，達(dá)到節(jié)省能量的目的。對中間再沸器而言，還可減小提餾段塔徑。弊：由于中間冷凝器和中間再沸器的設(shè)置，在降低塔頂冷凝器和塔釜再沸器負(fù)荷的同時，會導(dǎo)致精餾段回流和提餾段上升蒸氣的減少，故為了達(dá)到分離要求，就相應(yīng)增加塔板數(shù)，從而增加設(shè)備投資。3-16根據(jù)本章所學(xué)知識，試設(shè)計一個簡單的流程表述烴類熱裂解從原料到產(chǎn)品所經(jīng)歷的主要工序及彼此的關(guān)系。答：原料→熱裂解→預(yù)分離（→裂解汽油→芳烴）→裂解氣→凈化（脫酸、脫水、脫炔）→深冷（壓縮系統(tǒng)）→分離（精餾系統(tǒng)）補10.正構(gòu)烷烴熱裂解過程的主要反應(yīng)通式？（P54-55）：QUOTE錯誤!未找到引用源。補11.在烴類熱裂解過程中，何謂一次反應(yīng)？何謂二次反應(yīng)？（P64）答：一次反應(yīng)是指原料烴在裂解過程中首先發(fā)生的原料烴的裂解反應(yīng)，二次反應(yīng)則是指一次反應(yīng)產(chǎn)物繼續(xù)發(fā)生的后繼反應(yīng)。補12.試分別簡述直餾汽油、重整汽油、催化裂化汽油和裂解汽油的生產(chǎn)過程。答：直餾汽油是以原油為原料經(jīng)常壓蒸餾得到沸程為175℃～275℃的C9～C16烴類。重整汽油是以直餾汽油為原料經(jīng)催化重整制得的芳烴或異構(gòu)烷烴等高辛烷值汽油。催化裂化汽油是以重質(zhì)油為原料在450～530℃，0.1～0.3MPa下經(jīng)催化裂化得到的汽油。裂解汽油是以各種烴類為原料的裂解產(chǎn)物C5～C9汽油。第四章4-1簡述芳烴的主要來源及主要生產(chǎn)過程。（P114-119）答：芳烴的主要來源為焦化芳烴和石油芳烴。焦化芳烴生產(chǎn)過程為在高溫作用下，煤在焦?fàn)t炭室內(nèi)進(jìn)行干餾得到粗苯，粗苯再經(jīng)分離精制得到苯、甲苯和二甲苯等芳烴。石油芳烴是以石腦油和裂解汽油為原料經(jīng)反應(yīng)、分離和轉(zhuǎn)化生產(chǎn)苯、甲苯和二甲苯等芳烴的過程。2、芳烴主要產(chǎn)品及其用途有哪些？芳烴主要產(chǎn)品：苯、甲苯、二甲苯、乙苯、異丙苯、十二烷基苯和萘。用途：合成樹脂、合成纖維、合成橡膠、合成洗滌劑、增塑劑、染劑、醫(yī)藥、農(nóng)藥、炸藥、香料、專用化學(xué)品等工業(yè)。（苯：合成苯乙烯、環(huán)己烷、苯酚、苯胺及烷基苯等。甲苯：溶劑，合成異氰酸酯、甲酚。對二甲苯：對苯二甲酸或?qū)Ρ蕉姿岫柞ィc乙二醇反應(yīng)生成的聚酯用于生產(chǎn)纖維、膠片和樹脂，是最重要的合成纖維和塑料之一。鄰二甲苯：鄰苯二甲酸酐，增塑劑，如鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）、鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）等。間二甲苯：間苯二甲酸。乙苯：苯乙烯。異丙苯：苯酚/丙酮。萘：染料、鞣料、潤滑劑、殺蟲劑、防蛀劑）4-3試論芳烴轉(zhuǎn)化的必要性與意義，主要的芳烴轉(zhuǎn)化反應(yīng)有哪些？（P123-124）答：開發(fā)芳烴的轉(zhuǎn)化是為了依據(jù)市場的供求調(diào)節(jié)和平衡各種芳烴的產(chǎn)量，解決供需不平衡的矛盾。主要的芳烴轉(zhuǎn)化反應(yīng)如下a.異構(gòu)化反應(yīng)：間二甲苯轉(zhuǎn)化為對二甲苯及鄰二甲苯。b.歧化反應(yīng)：甲苯歧化為二甲苯。c.烷基化反應(yīng)：苯與乙烯通過烷基化轉(zhuǎn)化為乙苯。5、簡述苯、甲苯和各種二甲苯單體的主要生產(chǎn)過程，并說明各自的特點。簡述苯、甲苯和各種二甲苯單體的主要生產(chǎn)過程，并說明各自的特點。苯、甲苯和各種二甲苯單體可以從由煤焦油、石油芳烴（主要來源于石腦油重整生成油及烴裂解生產(chǎn)乙烯副產(chǎn)的裂解汽油）中經(jīng)過精制、芳烴抽提、精餾及通過吸附、結(jié)晶等過程分離提煉而得。除此之外，還可以通過以下各工藝來補充生產(chǎn)。1）苯單體的其他主要生產(chǎn)過程脫烷基化：甲苯脫甲基制苯。甲苯的歧化反應(yīng):通過甲苯歧化反應(yīng)可使用途較少并有過剩的甲苯轉(zhuǎn)化為苯和二甲苯兩種重要的芳烴原料。2）各種二甲苯單體的其他主要生產(chǎn)過程。甲苯的歧化反應(yīng)。通過甲苯歧化反應(yīng)可使用途較少并有過剩的甲苯轉(zhuǎn)化為苯和二甲苯兩種重要的芳烴原料。C8芳烴的異構(gòu)化：C8芳烴的異構(gòu)化是以不含或少含對二甲苯的C8芳烴為原料，通過催化劑的作用，轉(zhuǎn)化成濃度接近平衡濃度的C8芳烴，從而達(dá)到增產(chǎn)對二甲苯的目的。5-2合成氣的用途：1）合成氨；甲醇；乙烯；乙醛；乙二醇；丙酸；甲基丙烯酸；醋酸乙烯；醋酸；醋酐。還有托過費—托合成制合成油（烴）；2）近年來有機(jī)金屬絡(luò)合物催化劑體系的技術(shù)開發(fā)已取得長足的進(jìn)步，利用CO為原料的液相催化羰基化工藝在工業(yè)上被大量應(yīng)用，導(dǎo)致人們對開發(fā)合成氣制備新工藝的興趣愈來愈大。第五章5-1有哪些原料可生產(chǎn)合成氣？合成氣的生產(chǎn)方法有哪些？近年來出現(xiàn)哪些生產(chǎn)合成氣的新方法？它們與原有生產(chǎn)方法相比有什么優(yōu)點？答：原料：煤、天然氣、石油餾分、農(nóng)林廢料、城市垃圾等。合成氣的生產(chǎn)方法：1.以天然氣為原料的生產(chǎn)方法：主要有轉(zhuǎn)化法和部分氧化法。2.以重油或渣油為原料的生產(chǎn)方法：主要采用部分氧化法3.以煤為原料的生產(chǎn)方法：有間歇式和連續(xù)式兩種操作方式。以上幾種方法的比較：1.以天然氣為原料制合成氣的成本最低；2.重質(zhì)油與煤炭制造合成氣的成本差不多，重油和渣油制合成氣可以使石油資源得到充分的綜合利用；3.輕質(zhì)油價格很貴，用它來制造合成氣的成本較高，而它很容易經(jīng)其他方法加工成液體燃料和化工原料，不必走合成氣路線。其他含碳原料(包括各種含碳廢料)制合成氣在工業(yè)上尚未形成大規(guī)模生產(chǎn)，隨著再生資源的開發(fā)、二次原料的廣泛利用，今后會迅速發(fā)展起來的。生產(chǎn)合成氣的新方法：近年來，部分氧化法的工藝因其熱效率較高。H2/CO比值易于調(diào)節(jié)，故逐漸收到重視和應(yīng)用，但需要有廉價的氧源，才能有滿意的經(jīng)濟(jì)性。最近開展了二氧化碳轉(zhuǎn)化法的研究，有些公司和研究者已進(jìn)行了中間規(guī)模和工業(yè)化的擴(kuò)大試驗。5-3以天然氣為原料生產(chǎn)合成氣的過程有哪些主要反應(yīng)？從熱力學(xué)角度考慮，對反應(yīng)條件有哪些要求？從動力學(xué)角度考慮又有哪些要求？（P161，165-168）答：甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)CH4＋H2OCO＋3H2CO變換反應(yīng)CO＋H2OCO2＋H2析碳反應(yīng)CH4C＋2H2熱力學(xué)：溫度800℃以上，水碳比3.5以上，壓力2MPa左右。動力學(xué)：溫度（高溫使反應(yīng)速率加快，所以出口殘余甲烷含量低。因加壓對平衡的不利影響，更要提高溫度來彌補）、壓力（在反應(yīng)初期，增加系統(tǒng)壓力，相當(dāng)于增加了反應(yīng)物分壓，反應(yīng)速率加快；但到反應(yīng)后期，反應(yīng)接近平衡，反應(yīng)物濃度很低，而產(chǎn)物濃度高，加壓反而會降低反應(yīng)速率，所以從化學(xué)角度看，壓力不宜過高）、組分。5-5天然氣-水蒸氣轉(zhuǎn)化法制合成氣過程有哪些步驟？為什么天然氣要預(yù)先脫硫才能進(jìn)行轉(zhuǎn)化？用哪些方法較好？（P169，181-182）答：預(yù)先脫硫是為了避免蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑中毒。脫硫方法有干法和濕法。干法分為吸附法和催化轉(zhuǎn)化法。濕法分為化學(xué)吸收法、物理吸收法、物理-化學(xué)吸收法和濕式氧化法。5.6為什么天然氣—水蒸氣轉(zhuǎn)化過程中需要供熱？供熱形式是什么？一段轉(zhuǎn)化爐有哪些型式？答：從熱力學(xué)角度看，高溫下甲烷濃度低，從動力學(xué)看，高溫使反應(yīng)速率加快，所以出口殘余甲烷含量低。因加壓對平衡的不利影響，更要提高溫度來補償。甲烷與水蒸氣反應(yīng)生成CO和H2是吸熱的可逆反應(yīng)，高溫對平衡有利，即H2及CO的平衡產(chǎn)率高，CH4平衡含量低。高溫對一氧化碳變換反應(yīng)的平衡不利，可以少生成二氧化碳，而且高溫也會抑制一氧化碳岐化和還原析碳的副反應(yīng)。但是，溫度過高，會有利于甲烷裂解，當(dāng)高于700℃時，甲烷均相裂解速率很快，會大量析出碳，并沉積在催化劑和器壁上。一段轉(zhuǎn)化采用管間供熱；二段轉(zhuǎn)化則是溫度在800℃左右的一段轉(zhuǎn)化氣絕熱進(jìn)入二段爐，同時補入氧氣，氧與轉(zhuǎn)化氣中甲烷燃燒放熱進(jìn)行供熱。一段轉(zhuǎn)化爐的爐型主要有兩大類，一類是以美國凱洛格公司為代表所采用的頂燒爐，另一類是以丹麥托普索公司為代表所采用的側(cè)燒爐。預(yù)先脫硫是為了避免蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑中毒。脫硫方法有干法和濕法。干法分為吸附法和催化轉(zhuǎn)化法。濕法分為化學(xué)吸收法、物理吸收法、物理-化學(xué)吸收法和濕式氧化法。5-7為什么說一段轉(zhuǎn)化管屬于變溫反應(yīng)器？為什么天然氣-水蒸氣轉(zhuǎn)化要用變溫反應(yīng)器？答：一段轉(zhuǎn)化爐溫度沿爐管軸向分布是：在入口端甲烷的含量最高，應(yīng)著重降低裂解的速率，故溫度應(yīng)低些，一般不超過500℃，因有催化劑，轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速率不會太低，析出的少量碳也及時氣化，不會積碳。在離入口端1/3處，溫度應(yīng)嚴(yán)格控制不超過650℃，此時氫氣已增多，同時水碳比相對增大，可抑制裂解，溫度又高，消碳速率大增，因此不可能積碳，之后溫度繼續(xù)升高，直到出口處達(dá)到800℃左右，以保證低的甲烷殘余量。因而，一段轉(zhuǎn)化爐是變溫反應(yīng)器。天然氣-水蒸氣轉(zhuǎn)化過程分為兩段進(jìn)行：第一段轉(zhuǎn)化在多管變溫反應(yīng)器中進(jìn)行，管間供熱，反應(yīng)器稱為一段轉(zhuǎn)化爐，最高溫度(出口處)控制在800℃左右，出口殘余甲烷10％(干基)左右。第二段轉(zhuǎn)化反應(yīng)器為大直徑的鋼制圓筒，內(nèi)襯耐火材料，可耐1000℃以上高溫。5-9由煤制合成氣有哪些生產(chǎn)方法？這些方法相比較各有什么優(yōu)點？較先進(jìn)的方法是什么？（P156-159）答：生產(chǎn)方法有固定床間歇式氣化法、固定床連續(xù)式氣化法、流化床連續(xù)式氣化法、氣流床連續(xù)式氣化法。固定床間歇式氣化法優(yōu)點：只用空氣而不用純氧，成本和投資費用低。固定床連續(xù)式氣化法優(yōu)點：①可控制和調(diào)節(jié)爐中溫度；②因無N2存在，不需放空，故可連續(xù)制氣，生產(chǎn)強度較高，而且煤氣質(zhì)量也穩(wěn)定。流化床連續(xù)式氣化法特點：提高了單爐的生產(chǎn)能力，適應(yīng)了采煤技術(shù)的發(fā)展，直接使用小顆粒碎煤為原料，并可利用褐煤等高灰分煤。氣流床連續(xù)式氣化法優(yōu)點：一種在常壓、高溫下以水蒸氣和氧氣與粉煤反應(yīng)的氣化法，生產(chǎn)強度非常大。5-10一氧化碳變換的反應(yīng)是什么？影響該反應(yīng)的平衡和速度的因素有哪些？如何影響？為什么該反應(yīng)存在最佳反應(yīng)溫度？最佳反應(yīng)溫度與哪些參數(shù)有關(guān)？（P175-177）答：CO變換反應(yīng)CO＋H2OCO2＋H2影響平衡因素有溫度、水碳比、原料氣中CO2含量等。影響速度因素有壓力（加壓可以提高反應(yīng)物分壓，在3.0MPa以下，反應(yīng)速率與壓力的平方根成正比，壓力再高，影響就不明顯了）、溫度（CO的變換反應(yīng)為可逆放熱反應(yīng)，所以存在最佳反應(yīng)溫度Top）、水蒸氣（水蒸氣的用量決定了H2O/CO比值，在水碳比低于4時，提高水碳比，可使反應(yīng)速率增長較快，但水碳比大于4后，反應(yīng)速率的增長不明顯，故一般選用H2O/CO比為4左右）。因該反應(yīng)為可逆放熱反應(yīng)，所以存在最佳反應(yīng)溫度Top，Top與氣體原始組成、轉(zhuǎn)化率及催化劑有關(guān)。5-11為什么一氧化碳變換過程要分段進(jìn)行，要用多段反應(yīng)器？段數(shù)的選定依據(jù)是什么？有哪些形式的反應(yīng)器？（P178-179）答：在工程實際中，降溫措施不可能完全符合最佳溫度曲線，因此采用分段冷卻，段數(shù)越多操作溫度越接近最佳溫度曲線。具體段數(shù)由水煤氣中CO含量、所要達(dá)到的轉(zhuǎn)化率、催化劑活性溫度范圍等因素決定。變換反應(yīng)器的類型有中間間接冷卻式多段絕熱反應(yīng)器、原料氣冷激式多段絕熱反應(yīng)器、水蒸氣或冷凝水冷激式多段絕熱反應(yīng)器等。5-12一氧化碳變換催化劑有哪些類型？各適用于什么場合？使用中注意哪些事項？（P176）答：一氧化碳變換催化劑有三大類，①鐵鉻系變換催化劑，反應(yīng)前還原成Fe3O4才有活性，適用溫度為300～530℃，為中溫或高溫變換催化劑；②銅基變換催化劑，反應(yīng)前要還原成具有活性的小銅晶粒，適用溫度為180～260℃，為低溫變換催化劑；③鈷鉬系耐硫催化劑，反應(yīng)前將鈷、鉬氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)榱蚧锊庞谢钚裕m用溫度為160～500℃，為寬溫變換催化劑。13、寫出渣油制合成氣的加工步驟渣油制合成氣的加工步驟：渣油＋水蒸氣＋氧→水煤氣→變換氣→合成氣33工業(yè)氣體的脫硫方法有：（1）干法脫硫：吸附法；催化轉(zhuǎn)化法（加氫催化轉(zhuǎn)化）。（2）濕法脫硫：化學(xué)吸收法；物理吸收法；物理-化學(xué)吸收法；濕式氧化法。5-14在合成氣制造過程中，為什么要有脫碳（CO2）步驟？通常有哪些脫碳方法，各適用于什么場合？（P183-185）答：在將氣、液、固原料經(jīng)轉(zhuǎn)化或氣化制造合成氣過程中會生成一定量的CO2，尤其當(dāng)有一氧化碳變換過程時，生成更多的CO2，因此需要脫除CO2。通常脫碳方法有化學(xué)吸收法（本菲爾法、復(fù)合催化法、空間位阻胺促進(jìn)法、氨基乙酸法）、物理吸收法（低溫甲醇洗滌法、聚乙二醇二甲醚法、碳酸丙烯酯法）、物理-化學(xué)吸收法、變壓吸附法。5-15工業(yè)上氣體脫硫有哪些方法，各適用于哪些場合？（P181-182）答：脫硫方法有干法和濕法。干法分為吸附法和催化