《化学过程工艺学·第二版》课后习题参考答案·刘代俊.doc 11页

'化学工业出版社《化学过程工艺学》第二版刘代俊、蒋文伟、张昭编著 化学工业出版社第三章思考题1.试叙述浮选过程中需使用哪几类药剂，各起什么作用。答:浮选过程加入药剂是为了改变某些矿物的湿润性以达到分离的目的。浮选剂大致分为以下几类：捕收剂--使某些矿物表面生成一层憎水膜，而与气泡结合使矿上浮。起泡剂--促使液体形成外膜结实的气泡，并且有较长的持续时间。起泡剂亲水极性基朝向水，非极性基朝向空气，可避免气泡兼并，降低界面张力，使气泡稳定。抑制剂--增加矿石中非上浮组分的亲水性使之完全沉底，从而提高选矿效果。调节剂--在不再引入其他杂质的情况下，调节pH，消除有害离子的影响，调节泥浆的分散度和絮凝度。2.已知矿石已被粗碎成400mm，现需要粉碎到0.074mm(200目),试选用适当的破碎机与流程（规模3万吨/年）答：由题目知道，进料粒度400mm，按破碎机的进料粒度范围首先选择颚式破碎机（进料粒度250~1250mm，破碎比2.5~4），取破碎比为3.5，则出料粒度，根据破碎比，在进料粒度允许情况下，选择锤式破碎机（进料粒度40~300mm，破碎比8~20），取破碎比15，则出料粒度，到达粉碎机允许的进料粒度范围。选择球磨机（进料粒度4~25mm，破碎比60~340），将破碎比控制在103左右，即可达到粉碎后粒度0.074mm.矿石→筛分→颚式破碎机→筛分→锤式破碎机→粉碎机→筛分→出料3.简述磷矿石酸浸取分解的介微观过程，并解释为何在反应中有气体产生。答：磷矿石酸浸取主要是磷矿先被磷酸分解成磷酸一钙，磷酸一钙再与硫酸反应生成磷酸。此外，还存在一些杂质副反应，如：第一步反应生成的氢氟酸，与磷矿中二氧化硅生成氟硅酸，氟硅酸分解有四氟化硅气体产生；磷矿中含有镁的碳酸盐，与磷酸和硫酸反应生成二氧化碳气体也是气体产生的另一种途径。4.采用二水物工艺生产20%磷酸（P2O5）,反应温度为75℃，求此时对应的SO3 化学工业出版社平衡浓度。又由于矿种含有较多杂质，要求实际控制SO3浓度为4.5%，此时能否保证二水物工艺的正常进行。解：生产20%磷酸（P2O5）时，75℃对应的A=-0.891，B=0.282，按照式3-16计算:ws=-0.891×0.2+0.282=0.1038=10.38%即二水物工艺生产20%磷酸（P2O5）,反应温度为75℃对应的SO3平衡浓度为10.38%。要求控制的控制SO3浓度为4.5%，在75℃时允许的SO3平衡浓度范围内，所以能够保证二水物工艺的正常进行。4.阐述单槽多桨流程中反应槽的几个区域在工艺安排上各有什么特点。答：单槽多桨反应槽由两个同心直立圆筒组成。分解过程在环形室中基本完成，中间的内筒起消除磷矿短路和降低过饱和度的作用。环形室内有八个搅拌桨和多个阻涡挡板。搅拌桨造成料浆沿环形室以大流速朝一个方向运动形成湍流，环形区分8个小区，中心筒为第9区。第一区送人矿浆和返回的稀磷酸，第二区末端送入硫酸，第八区两个溢流口一个通向一区送去回浆，一个通向九区。料浆从九区底部打出。第四章思考题1.生产乳化炸药时，黏度约为1.5×105cP，搅拌釜的容积为2.3m3，试选择合适的搅拌桨。解：1.5×105cP=150Pa·s，2.3m3=608gal，由图4-3可知螺旋桨及涡轮适用。2.对于平行反应，有化学反应速率式试问，在间歇操作和连续操作中应怎样选择反应器和控制浓度，才能使产物P有较大的收率。答：由题知，a1>a2,b1=b2,根据表4-7可得，连续反应使cA、cB都变大，使用平推流反应器或者全混流反应器串联进行操作，可以使P有较大的收率。间歇反应应尽力使cA、cB都高所以一次性加入所有A、B. 化学工业出版社3.讲述硫酸作催化剂对DOP生产的作用机理，并简述书中间歇法生产邻苯二甲酸增塑剂的工艺流程中硫酸的走向，并解释这样处理的原因，若采用固相催化剂时，又该怎样处理？答：硫酸催化剂电离出H+首先进攻单酯中羧基的酰基氧，形成碳正离子中间体，形成醇分子羟基氧原子亲核进攻的有利条件，降低反应活化能，从而加快化学反应速率，形成双酯。间歇法生产DOP过程中的硫酸由双酯化反应釜顶部加入，在釜内催化酯化反应后，随酯化液进入中和洗涤器，被NaCO3溶液中和后随废水排出。原因：浓硫酸具有脱水氧化的作用，如长期停留在反应体系中不脱除，与醇作用易生成醛类、烯类、醚类、以及硫酸酯类副产物，影响产品色泽和酸值，为保证产品质量，在酸催化反应结束后，应立即将其从酯化液中脱离出去。若采用固体催化剂，可以将固体催化剂安装在固定床上，使反应物流经固定床，即可发挥作用。其优点如下：①原料利用率高；②催化剂的活化温度高于硫酸法工艺的活化温度；③回收醇使用时间长，原料醇质量适应性强；④工艺废水量小，水质好，处理简单；⑤工艺热能利用率高；⑥对设备条件要求高，腐蚀小。4.试叙悬浮聚合工艺的基本思路，并考虑氯乙烯悬浮聚合过程中有无固相产生。答：先将去离子水加入聚合釜内，在搅拌下继续加入分散剂水溶液和其他助剂，后加引发剂，密封，抽真空，以氮气排除釜内空气。最后加入单体，升温至预定温度进行聚合，为了缩短聚合时间，也可将排氧后的釜内物料先加热至预定局和温度，然后引入单体聚合。有固相产生。第一种由于搅拌过快，黏结成块；第二种，当聚合反应转化率较高时，液珠会基本变成固体颗粒。5.试叙离子膜在电渗析过程中的作用。如果没有膜，能否生产烧碱，二者有何不同，可查相关资料说明。答：离子膜的作用：运用正负离子具有选择性的特点，与反应过程进行耦合。同时膜体中的活性基团中的固定离子，排斥Cl-和OH-，从而获得高纯度氢氧化钠溶液。如果没有膜材料，也可以生成烧碱，工业生产烧碱的方法主要通过电解食盐水溶液来制取，途径有：隔离法、水银法和离子交换法。其他两种方法都是在没有膜的情况下进行的。如果使用电渗析法，没有膜材料，则不能得到纯净烧碱，但可以得到含有烧碱的产品。原理不同：膜分离是阴极生成氢氧根钠离子通过阳离子交换膜来到阴极一侧，结合生成烧碱。直接电解过程是电解食盐水，得到氢氧根和钠离子，结合生成烧碱。 化学工业出版社3.某酸性萃取体系粗分离，要求获得高于90%的Gd2O3的产品，希望从60%的Gd2O3原料进行富集，主要杂质是Eu2O3和Sm2O3,Gd2O3的收率要求达到90%，试求级数。解：已知：酸性萃取剂可以分离3价Eu/Gd，，由于与相近，所以Eu、Sm这两种杂质可以作为一种杂质考虑，Gd为主产品。由题意，设A=Eu2O3+Sm2O3，B=Gd2O3；则：，，，.，，计算工艺参数：可得，因此可取；即萃取10级，洗涤10级。 化学工业出版社第五章思考题1.在气固系统中，若床层中气速为5m/s，从床层的膨胀情况来看，大致处于何种状态？解：床层中气速为5m/s，从表5-1中看，在0.5~16m/s和3-16m/s两个区间内都存在。分两种情况讨论：其一，气固并流上行快速流化床。提升管中τ为几秒，周期性循环，颗粒平均直径0.05~0.5mm，颗粒外循环量15~2000kg·(m2·s)-1,空隙率0.85~0.98，少量气体返混，床内颗粒为同环-核流动结构，返混严重。其二，气固并流下行快速流化床。下行管中τ为几十毫秒至1秒，周期循环。颗粒平均直径0.05~0.5mm，颗粒外循环量15~2000kg·(m2·s)-1,空隙率0.95~0.99，气体和床内颗粒轴向返混很小。2实现煤气化联合循环发电（IGCC）工艺有哪些优点。答：煤气化联合循环发电工艺，清洁高效。制取得到中热值煤气，汽化和净化系统体积较小，煤气净化技术如采用新式的克里提高供电效率2%，燃气轮机发电量一般比蒸汽轮机大，功率比蒸汽轮机高，IGCC发电效率比传统方法高约5%。3水煤气与混合发生炉煤气的生产有哪些不同，各有什么用处？答：生产方式：发生炉煤气为连续进料，物料层缓慢下降；水煤气为间歇生产，需要送风设备；料层不同：炉气料层分为五个区，水煤气没有；反应方式：一个是气固非催化反应，一个是气体间反应；设备结构：发生炉结构不同；反应过程：炉煤气单元反应较多，比较复杂，水煤气相对简单；气化剂不同：炉煤气主要是水蒸汽和空气，水煤气主要是氧气和水蒸气；成分不同：炉煤气为一氧化碳、氢气和甲烷，水煤气为一氧化碳和氢气。4.大型合成氨工艺中采用了那些气相分离手段？答：①用铁锰氧化锌催化剂脱硫中，氧化锌固体吸收硫化氢，分离出其他气体；②用液体溶剂吸收二氧化碳，如热钾碱溶液吸收； 化学工业出版社③氢气膜分离；④氨气通过冰机冷凝制液氨。5.大型合成氨造气过程为何要分成两段转化？答：天然气合成氨转化工段要求出口甲烷含量很低，需要的反应温度和水碳比较高，目前材料不能满足温度要求，因此分两段。在一段转化炉中较低温度下进行烃类的蒸汽转化反应，在有高温耐火砖衬里的二段炉中加空气和合成气需要的氮，实现一段转化气中甲烷的进一步转化。6.大型合成氨流程中最重要的节能手段是什么？答：在很多需要换热器的地方改成废热锅炉，用蒸汽推动透平。充分利用大装置余热供给小装置，实现能量的逐级充分利用。7.在天然气蒸汽转化过程中，已知一段转化气组成为CO5.2%、CO25.3%、H236.5%、CH44.8%、N20.3%、H2O41.3%，请计算转化前原料气中水和甲烷之比。思路：根据元素守恒，设原料气的水碳比为x，即，以一段转化气100mol为基准，计算转化气中C、H元素的量，根据反应方程式中的化学计量关系，计算反应前C、H元素在各组分中对应的摩尔数，从而得到反应前原料气的组成。（计算过程输入有点儿麻烦，写在纸上了，最终结果3.7）第六章思考题1.气液床内径0.6m，表观液速1m/s，表观气速1.02m/s,试问床层操作处于何种状态？答：湍流鼓泡区2.毫秒裂解炉与普通裂解炉相比有什么特点，前者采取什么手段才能使停留时间降至毫秒级？答：毫秒裂解炉辐射管为单程直管，原料烃和稀释水蒸汽混合物在对流段预热至物料横跨温度后，通过横跨管和猪尾管有裂解炉底部送入辐射管。物料自下向上流动，进入第一急冷段，通过套管换热器，由辐射室顶部辐射管进入第一废热锅炉。毫秒裂解炉的停留时间仅为0.045~0.1s，是普通裂解炉停留时间的1/4~1/6。毫秒裂解炉由于停留时间短，裂解温度高、裂解所得产品中炔烃收率大幅调高，比停留时间为0.3~0.4s的普通裂解炉高出80%以上。 化学工业出版社1.试叙述高压法与低压法羧基化的催化机理有何不同？在工业实践上各自有何特点，催化剂是怎样进行循环使用的？答：催化机理的不同点：所使用的活性金属不同，活性中间体组成也有差异，反应动力学、速率控制步骤也不同。高压法催化方程式：（反应过程见P191）（碘镍催化剂；高压法条件苛刻，高温高压，催化剂循环使用详见P193图6-38）低压法催化方程式：（反应过程见P191）（铑基催化剂；反应条件相对温和，副产品较少，生产过程收率极高，产品较纯；催化剂循环使用详见P194图6-40）2.简叙气液膜式磺化的特点。试问有无更好的磺化反应器？基本原理如何？工业化前景怎么样？答：特点：反应物料在圆管表面形成薄膜，自上而下流动，三氧化硫-空气混合物则沿薄膜表面顺流而下，在并流中，气液两相表面发生接触进行反映，反应热有管壁上的冷却水带走，气液相界面上会形成气膜，表面流动状况会影响传递效果，为控制磺化速率，有些反应器在烷基苯表面吹入二次风，增大气膜厚度，减缓三氧化硫向反应物料表面的扩散速率。目前，有日本研制的TO（等温反应器）的分配系统最为先进。不但加工、制造、安装简单，采用二次保护风新技术，减缓了磺化反应速率，使整个反应段内的温度分布都比较均匀，接近于等温过程。在改善产品质量，减少副反应方面有很大突破。3.查阅文献，了解并介绍其他气液相过程的工业实例，叙述这些过程中气液相接触器的形式与原理。答：在恒定的温度和压力下，气、液两相发生接触后，吸收质由气相向液相转移，随液体中吸收质浓度的逐渐提高，吸收速率逐渐减小，解吸速率逐渐增大。经过相当长的时间接触后，吸收速率与解吸速率相等，即吸收质在气相中的分压及在液相中的浓度不再发生变化。 化学工业出版社第七章思考题1.若液体速度为5m/s，气体速度为20cm/s，床层处于何种状态？若要达到湍流状态应该怎样调整气液两相的流速？答：栓流区。降低气体流速在10cm/s以下。2.磷铵工艺在反应器中有多少化学反应发生？实际上有多少相参与此过程？答：有10个化学反应发生。三相参与此过程。3.试叙述S、Q化合物产生与变化的条件。答：产生条件：当F/（Al+Fe）的原子比小于1.5，PH为2~6.2时，形成Q和S化合物。变化条件：PH>6.2时，Q化合物消失，形成(Al,Fe)PO4·nH2O凝胶和S化合物，当F/(Al+Fe)的原子比增大，Q化合物消失，S化合物单独存在的区域增大，转折点的PH减小。4.料浆浓缩法与磷酸浓缩法生产磷酸一铵工艺各有什么区别和特点？答：区别：①中和反应预浓缩的先后次序不同，浓缩法是先浓缩，再中和，料浆法正好相反；②料浆法中间过程为水分分离过程，在蒸发器中进行，浓缩法无此过程，反应后直接干燥造粒；③浓缩法对品位高的磷矿比较有利，料浆法对品位低的磷矿有利。5.试述管式反应器的优缺点。答：优点：结构简单，内部三相成激烈的翻腾状态，气泡切割迅速，流速很快，三相体系在输送状态中可在近似绝热的条件下反应，因而，料浆可以在很短时间内上升至沸点，反应温度可达180℃，特利用率高，对后续干燥过程有利。6.试述磷酸二铵流程中是怎样控制造粒转鼓中的热量平衡的。答：①调节预中和的中和度和中和量；②调节返料比，返料比大，有利于散热；③调节抽气量，进而调节温度。7.试述PAFP烟气脱硫工艺过程及原理。 化学工业出版社答：工艺过程主要有：吸附、浸取、中和、吸收、氧化、浓缩干燥等单元组成。原理：以及脱硫吸附与催化反应过程，对磷矿的浸取，氨对磷酸的中和，二级脱硫，对脱附物料的氧化，浓缩，干燥。1.赖氨酸生产中发酵前为什么要进行多次扩大培养？若发酵罐中搅拌速率过快，会产生什么影响？菌种量大，有利于缩短发酵周期。供氧程度较低，氧气不足，赖氨酸产量少，乳酸积累较多。2.简述赖氨酸的精制过程。答：精制过程包括重结晶和干燥，将粗产品加适量水，加热到70~80℃，使其浓度达到16̊Be,加入3%~5%的活性炭，搅拌脱色，停留时间约1h，过滤得清液，将清液在0.08MPa真空度、70℃一下蒸发至21~22̊Bé，放入搅拌结晶槽中搅拌结晶，离子交换柱洗涤、结晶、干燥即可得到赖氨酸晶体。3.超重力合成碳酸钙的基本原理是什么？用超重力机制备纳米材料有什么特点？答：原理：首先是石灰石的煅烧，得到纯净的氧化钙，氧化钙经水消化得到石灰乳，石灰乳与二氧化碳在超重力反应器中完成碳酸化反应并形成纳米级碳酸钙晶体。特点：克服了间歇鼓泡及搅拌釜等传统碳化法中传质速率低、粒度分布宽、粒径较大、产品质量不均匀等不足。第八章思考题1.熟悉BaO-TiO2二元相图，指出制备BaTiO3烧块的理论依据和具体配料要求。理论依据：BaCO3+TiO2→BaTiO3+CO2实际配方中，钛酸钡配方中，总是二氧化钛稍微过量。2.对于高温固相过程，采用哪些方法可以预定反应过程的适宜温度？答：隧道窑和大型罩式炉，通过计算机实现高温精度控制，至少要九个以上的控温点，隧道窑路中应分为多个温度控制区间，分别为升温段、保温段、降温段。3.若磷矿石含P2O517%、Fe2O3%、CaO32%、SiO221%,需要加入多少硅石才能适合黄磷生产？此时耗电量多少？ 化学工业出版社解：1.试叙述窑法磷酸的基本原理。基本原理：在磷矿硅石和焦炭粉造粒后，在其表面涂一层类似釉的包裹层，在高温下熔融成液相，层内还原反应生成的P2和CO即可鼓泡逸出，而周围空气中的氧，不能穿过液膜进入包裹层内部的反应物。有效的隔离了氧化区和还原区。2.固相反应过程的主要影响因素有哪些？答：反应固体间的接触面积和表面积；产物相的成核速率；离子通过各物相特别是产物相的扩散速率。'