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四川大学工业化学复习题(完整版)

第三章硫酸工业

1. 阐述硫铁矿为原料制取硫酸的主要工序及焙烧原理,并写出主要化学反应式。(10分)

主要工序:(FeS2)选矿→硫铁矿焙烧→炉气净化→SO2催化转化→三氧化硫吸收→尾气回收SO2 和污水处理。焙烧原理:主反应 : 4FeS2+11O2=8SO2+2Fe2O3 3FeS2+8O2=6SO2+Fe3O4

2. SO2催化氧化工艺条件如何确定?(20分)

1)催化剂——钒催化剂

V2O5 5%~9%,为活性组份。K2O 9%~13% NaO 1%~5%,碱金属盐为助催化剂。SO3 10%—20% SiO2

50%~70%,为载体。制成环形、球形、或粒状

2)温度:Tb—Tm 即催化剂起燃温度与耐热极限温度之

间,即活性温度范围内420-600℃。从t—X*—γ关

系曲线可知:存在最佳反应温度Tma(反应速率最大)反应温度原则: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:即先高后低原则3)SO2原始浓度:根据硫酸生产总费用最少原则,进入

SO2转化器浓度存在最佳浓度:7%~7.5%

4)压力:P↑→X*↑SO2↑,设备尺寸减小。不利条件:

加压对设备要求提高,反应压力最好在常压

5)最佳转化率:转化率提高→提高硫的利用率,减小尾

气SO2含量和对大气污染。不利条件→催化剂用量增加,设备尺寸增大。即存在最佳转化率。工艺上采用两次转化、两次吸流程,转化率 99%以上。

?3. 如何从热力学和动力学角度确定SO2催化氧化温度条件?(10分)见2,2)

热力学:由于反应是SO2的催化氧化是一个放热反应,所以为了让平衡向正方向移动应该降低温度更能够提高转化率;动力学:反应速率随着温度的升高而增大,但是由于催化剂的活性温度在420℃-600℃最大,当再随着温度升高时,反应速率就会下降甚至停止反应。综上所述,从热力学和动力学充分考虑到产率和速率的最优值来确定反应温度。?4. 在制取硫酸过程中,常易形成酸雾,试解释酸雾形成的原因,以及酸雾怎样清除之。(15分)

1)酸雾的形成:酸雾是指含有粒径小于5чm的液体颗

粒的气溶胶 SO3(g)+H2O(g)→H2SO4 (g),H2SO4 (g) 冷凝 H2SO4 (l),或以杂质微粒为凝结中心形成酸雾。

2)酸雾的清除:必须要用特殊的方法和设备清除较大的粒子(>2чm)用一般除尘设备除去(如电除雾器、文氏管等装置)

较小的粒子(<2чm)采用先增湿后清除。即增大雾粒直径,再用相应的设备清除。

?~5.画出四段间接换热式转化器中SO2转化的t-x图,阐述转化器的工艺过程。(15分)

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6. 阐述制取硫酸中,烟气净化的目的及净化的原则(10分)

目的:炉气含尘若不除净,进入后制酸系统,则会堵塞设备和管道,且使催化剂失活或中毒

净化原则: 1) 悬浮微粒,应先大后小,先易后难进行分级处理

2) 先重后轻即先固、液,后气(汽)体

3) 不同大小的粒子,选择配套有效的分离设备

7、在制取硫酸过程中,如何提高焙烧反应速率?(10分)

1)升高温度,加快扩散速率但低于炉渣温度,温度控制在850℃-900℃;

2)减小粒度,增大氧气与矿石的接触面,0.24—0.70mm;

3)增加氧气浓度,鼓入过量的空气;

4)扩散剂与矿粒的相对运动,采取沸腾炉;

第四章合成氨工业

?1. 试简述温度、压力及情性气体含量对氨合成反应中平衡氨含量及工艺条件的影响?(12分)

1)压力:有利于氨合成和氨分离,但对设备材质,加工制造要求高,必须综合利用,一般20~30MPa

2)温度:必须保持在催化剂反应活性温度范围内反应,催化剂床层温度分布应改尽可能接近最适宜温度线。(类似于

SO2转化反应P83图3—15)

3)空间速度:v越大,反应接触时间减少,出口氨含量减少,但总氨量增加。

4)惰性气体(CH4,Ar)由新鲜气带入,不断积累,对于反应不利,必须放空排除部分。

2. 试比较氨合成中CO变换与硫酸工业制气中SO2氧化两个反应过程的异同或特点。(20分)

一氧化碳变换:CO是氨合成的毒物,在原料中含13~30℅,必须清除。CO+H2O(g) CO2+H2+Q

CO变换成CO2易于吸收清除,同时生成原料气H2。

特点:都是气固相催化,可逆放热反应;温度、反应物组成都是影响平衡转化率的因素。其中,CO的变换是为了方便除去废气防止催化剂中毒,同时变换过程中也产生了反应物H2,而SO2的氧化是为了制得中间产物SO3;同时,CO的变换压强对反应平衡没有影响,但是工业上通常采取加压的方法提高反应速率和减少催化剂用量,而SO2的氧化增大压强有利于反应平衡向正方向移动。前者需要过量的水蒸气,减少CO,变换反应前催化剂要进行还原,而SO2可以循环利用。

3. 工业上以煤矿为原料间歇法制取半水煤气的工作循环可分为哪几个阶段?各个阶段起什么作用?(10分)

工作循环—间歇式气化时,开始进入空气到下一次进

放空气时为上,称为一个工作循环。

每个工作循环包括五个阶段:

1) 吹风:从下而上通入空气,提高燃料层温度。吹风

气放空。

2) 一次上吹制气:从下而上通入水蒸汽进行气化反应,

燃料层温度降低(上部高,下部低)

3) 下吹制气:水蒸气与加氮空气从上而下进行气化反

应使燃料层温度趋于均衡(为什么?) 4) 二次上吹制气:水蒸汽再次自下而上吹入:目的是

将炉底的煤气排净,为吹入空气作准备,否则炉底剩余的煤气与下次吹入的空气相遇,会发生爆炸。 5) 空气吹净:吹风气回收(从下而上),作为半水煤气

的氮气的主要来源。

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4. 实现氨合成和氨分离,包括哪五个基本流程环节?试简述两级氨分离流程(10分)

基本流程环节: 1.新鲜气的压缩 2.循环气的预热与氨的合成 3.反应热的回收及氨的分离 4.未反应气体循环使用 5.循环气部分放空 分离流程:合成-冷凝-氨分离-(液氨储存)-(压缩)气氨进冷凝塔-液氨储存

5. 试简述尿素合成原理及主要工艺条件。(10分)

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工艺条件:工艺条件:(1)温度,尿素合成塔温度大致为180~220℃ (2)压力,实际操作压力在18~25MPa (3)氨碳比,在3~5的范围内,并根据过程的动力消耗、氨损失及反应压力等因素进 行具体选择 (4)水碳比,一般原料中为0.5—1 (5)原料纯度,氨的质量分数大于99.5%,二氧化碳纯度大于98.5%

?6. 写出制半水煤气的煤气化反应,如何解决气体组成与热量平衡的矛盾?(10分)

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采用空气吹气-上吹制气-下吹制气-二次上吹-空气吹净的间歇法造气的方法解决这个矛盾。

第六章制碱工业

1、简述氨碱法生产纯碱的主要过程并写出其发生的主要化学反应式。(20分)

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以NaCl、石灰石(经煅烧生成生石灰和二氧化碳)、氨气为原料来制取纯碱:

先使NH3通入饱和食盐水中而成氨盐水,再通入CO2生成溶解度较小的NaHCO3沉淀和NH4Cl溶液。NaCl(饱和)+NH3+H2O+CO2=NaHCO3↓+NH4Cl

将得到的NaHCO

晶体,加热煅烧制得纯碱产品。

3

2NaHCO3=Na2CO3+H2O+CO2↑

2、简述氨碱法生产纯碱和联碱法生产纯碱的主要过程,各自的突出特点是什么?(20分)

简述见相关题目内容,氨碱法:优点,原料易于取得且价廉,生产过程中的氨可循环利用,损失较少;能够大规模连续生产,易于机械化,自动化;可得到较高质量的纯碱产品。缺点,原料利用率低,造成大量废液废渣排出,严重污染环境;母液中含有大量的氯化铵,需加入石灰乳使之分解回收氨,这样就必须设置蒸氨塔,造成流程长,设备庞大和能量上的浪费。氨碱法的最大缺点还在于原料食盐的利用率只有72%~74%,其余的食盐都随着氯化钙溶液作为废液被抛弃。

简述联合制碱法:1)将NH3通入饱和食盐水而成氨盐水,再通入CO2生成NaHCO3沉淀,过滤、洗涤得NaHCO3微小晶体,再煅烧制得纯碱产品;2)NH4Cl在常温下的溶解度比NaCl要大,低温时的溶解度则比NaCl小。在低温条件下,向滤液中加入细粉状的NaCl,并通入氨气,可以使NH4Cl结晶析出,经过滤、洗涤和干燥即得NH4Cl产品。

联合制碱法:优点,食盐的利用率提高到96%以上,同时生产出: 纯碱和氯化铵,将氨厂的废气CO2转变为碱厂的主要原料制取纯碱,节省了碱制取二氧化碳的庞大的石灰窑;将碱厂的无用的成分氯离子来

代替价格较高的硫酸固定氨厂里的氨,制取氮肥氯化铵。不再生成难处理的氯化钙,减少污染,并大大降低了纯碱和氮肥的成本。

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3、用方框图表示氨碱法生产纯碱的工艺流程,写出其发生的主要化学反应式。(20分)

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NaCl(饱和)+NH3+H2O+CO2=NaHCO3↓+NH4Cl

2NaHCO3=Na2CO3+H2O+CO2↑

4、用方框图表示联碱法生产纯碱与氯化铵工艺流程,简述其发生的主要工艺过程。(20分)

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NaCl(饱和)+NH3+H2O+CO2=NaHCO3↓+NH4Cl

2NaHCO3=Na2CO3+H2O+CO2↑再加一个氯化铵的分离

5、离子交换膜制烧碱的优势和缺点是什么?(10分)

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第八章 石油炼制与石油化工

?1. 何为催化裂化?催化裂化主要有哪几类反应?并举例写出化学反应式。(14分) 催化裂化:在催化剂和适当温度下,使沸点较高的重质油裂化分为轻质油的过程。

1. β键发生断裂,分解为两个小分子烯烃。

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2. 异构化反应:骨架异构双键移位异构 几何异构

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3.

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4.芳构化反应

5.叠合反应:烯烃与烯烃结合成较大分子的烯烃

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6.

?2. 在一定温度、压力下,汽油中的直链烃在催化剂表面上进行结构的重新调整,转化为带支链的烷烃异构体。其主要目的:生产芳烃、高辛烷值汽油和氢气。

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3. 原油蒸馏塔有哪些工艺特征?为何要采用减压范馏?(15分) 1) 复合塔结构(与一般蒸溜相比较,图(8-3)

2) 限定的最高进料温度。常压塔进料温度限制在360~370℃;减压塔进料温度限制在390~420 ℃。 3) 设有汽提段和汽提塔。气相回流通过注入过热水蒸汽降低油气分压使其中轻组分气化。 4) 适当的过汽化率。适当的过汽化率是为了保证蒸溜塔最低侧线以下的板上有液相回流。

32232

2

2

3

CH CH CH CH CH CH CH CH ------3

22332222CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH --=+-=??→?----=断裂

ββ3

223CH CH CH CH CH CH --=--=32232323CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH --=--→=-+=-33

O CH 3

CH 3

7H 16

目的:减压降低油料沸点,蒸馏得到高沸点的馏分而不致于受热分解

4. 常减压蒸馏装置分为原油预汽化、常压蒸馏、减压蒸馏三个部分、原油在每一部分都经历一次加热汽化冷凝,故称之为“三段汽化”,采用预汽化塔具有哪些优点?

1.新设计装置,如果原油较轻,使用预汽化塔可以降低常压塔负荷,常压炉负荷,起到节能目的。

2.改造提高加工量,起到负荷转移办法达到扩量目的。

3.初馏塔顶产品轻汽油一般作催化重整装置进料。由于原油中的含砷的有机物质,随着原油温度的升高而分解汽化,因而初馏塔顶汽油的砷含量较低,而常压塔顶汽油含砷量很高。砷是重整催化剂的有害物质,因而一般含砷量高的原油生产重整原料均采用初馏塔。

另一说法:

1)当常减压蒸馏装置需要秤重整原料、而原料中砷含量较高会随温度升高而分解汽化时,则需要设置初馏塔;2)其次是在加工含硫含盐均较高时,为减少塔顶低温部位的腐蚀,设置初馏塔;3)再就是原油较轻时,为降低原油换热系统及常压炉的压降和热负荷,设置初馏塔。

?5. 催化重整工艺过程包括哪几个主要部分,过程的主要目标?试阐述催化重整原料的预处理过程及工艺特点?(10分)

重整原料的预处理及工艺特点:

1)预分馏:目的是将原料切割为一定沸点范围的馏分,

得到合乎馏程要求的重整原料,预分馏的切割方式有三种:见P274页,为什么?

2)预脱砷:清除有毒物重金属砷

3)预加氢:除去原料中含S、N、O化合物,使之转化生

成H2S、NH3、H2O易于除去;分解含砷铅、铜等化合

物;加氢使部分烯烃饱和反应,提高汽油辛烷值和易于同芳烃分离。

4)预脱水:重整催化剂要求原料中含水量小于5×10-6。重整工艺流程:

1)重整:得到重整芳烃原料。见图7-15

2)芳烃抽提:溶剂精制芳烃,分离出非芳烃,保证芳烃

产品的高纯度,包括抽提,溶剂回收、再生。

3)芳烃精馏:得到苯、甲苯、二甲苯等芳烃。

6.裂解气净化分离采取哪些方法?各利用什么原理?

1)深冷分离法:冷冻温度低于-100℃,其实质就是冷凝精馏过程。分离原理:利用各种烃类相对挥发度不同,在低

温和高压下除氢气和甲烷外其余冷冻为液体,再按顺序进入C2、C3、C4等精馏塔进行分离。

2)吸收精馏法又称油吸收分离法,用C3、C4作吸收剂;亦称为中冷油吸收精馏法,冷冻温度提高到-70℃。比乙烯

重的组分能吸收,而氢、甲烷不能被吸收。被吸收的组分再按顺序进入C2、C3、C4等精馏塔进行分离。

?7.催化裂化装置由哪三大系统组成?简述各系统的主要作用(16分)

共分三部分:反应一再生系统;分馏系统;吸收稳定系统。

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8.简述含油废水和含硫废水的治理方法?

空气氧化是利用空气中的氧气氧化废水中有机物和还原性物质的一种处理方法,是一种常规处理含硫废水的方法。空气氧化的能力较弱,为提高氧化效果,氧化要在一定条件下进行。如采用高温、高压条件,或使用催化剂。

含油:上浮法、气上浮法、溶气上浮法和电解上浮法、重力分离法、过滤法、生物法。化学法主要用于处理废水中不能单独用物理法或生物法去除的一部分胶体和溶解性物质,特别是含油废水中的乳化油。包括混凝沉淀、化学转化和中和法。

第十章、精细化学工业

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1. 阐述表面活性剂的特点及选择乳化剂的应用方法? 特点:双亲媒性结构。 即具有亲水性和亲油性;

界面吸附。即达到平衡时,表面活性剂溶质在界面上的浓度要大于溶液中的浓度;

界面定向。表面活性剂溶质分子在界面上会定向排列成分子层; 生成胶束。达到临界胶束浓度(CMC )时,会形成胶束 多功能性。如清洗、发泡、湿润、乳化、分散等作用功能(如洗衣粉)

?选择乳化剂的方法:

1) 根据HLB 值选择乳化剂 :HLB 是指乳化剂分子结构中亲水疏水(亲油)平衡值(Hydrophilic-Lipophilis-Balemc )。

Griffis 公式 HLB=20×M H /M M H -亲水基部分的分子量 M-总的分子量 此式适用于非离型的乳化剂的HLB ,对于多元醇的脂肪酸类乳化剂: HLB=20(1-S/A ) S-乳化剂的皂化值 A-脂肪酸值 。

2) HLB 值和其他方法相结合的选择方法:a. 一般阴离子乳化剂与乳液粒子带同种电荷相互排质,易于获得稳定的乳

化液。 b. 乳化剂的憎水基团与被乳化结构相似时乳化效果比较好,(相似相容原理) c. 乳化剂在被乳化物中易于溶解的,乳化效果较好。 d.被乳化物的憎水性强,若使用亲水性强、HLB 过大的乳化剂,由于乳化剂与被乳化物缺乏亲和力,乳化剂易溶于水,乳化效果不好,此时要选用部分HLB 值小的乳化剂进行调节 2. 试简述下列表面活性剂的分类与中文命名,并写出其生产的合成反应(LAS 、FAS ,OP 、AEO )。(20分) 烷基苯磺酸钠(LAS), 阴离子型表面活性剂

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脂肪醇硫酸钠FAS R —OSO 3Na ,阴离子型表面活性剂 ,

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?烷基酚聚氧乙烯醚 “乳化剂OP ” 非离子型表面活性剂,

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?脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)“平平加”,非离子型表面活性剂,

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3. 试阐述增塑剂和光稳定剂作用的基本原理(10分)

增塑剂:降低聚合物分子间作用力,增加聚合物分子链的流动性。

光稳定剂:(1)紫外线的屏蔽和吸收:遮光剂或屏蔽剂,紫外光吸收剂(水杨酸类) (2)氢过氧化物的非自由基分解:受阻胺光稳定剂(3)捕获自由基:受阻胺光稳定剂(4)阻止光引发(5)切断链增长

2、在日常生活中,用表面活性剂达到洗涤去污效果,请用形象的图案或方法描述洗涤去污过程。

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4、试分别举例写出各两种(阴离子、非离子、阳离子)表面活性剂的合成反应。

阴离子,非离子,阳离子:

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4.美白化妆品的作用机理是什么?(8分)

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第十一章新型功能材料

一、试简述生态环境材料的特点及研究的主要内容。(10分)

生态环境材料特点:1)先进性2)环境协调性3)舒适性。

主要内容:1)直接具有净化环境、修复等功能的新材料的研究与开发

2)对现有传统材料及其产品的改造,使其生态化、环境化。

二、何为梯度功能材料?与通用材料相比,它具有什么显著的特点?(10分)

它是选用两种(或多种)性能不同的材料,通过连续地改变这两种(或多种)材料的组成和结构,使其界面消失导致材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化,形成梯度功能材料。

1)将FGM用作界面层来连接不相容的两种材料,可以大大地提高粘结强度;

2)将FGM用作涂层和界面层可以减小残余应力和热应力;

3)将FGM用作涂层和界面层可以消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性;

4)用FGM代替传统的均匀材料涂层,既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

?六、纳米材料的四种效应是什么?试解释其中两种效应最基本的特性。(10分)

一、小尺寸效应;二、表面效应;三、量子尺寸效应;四、宏观量子隧道效应

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与常规材料有显著的不同。

表面效应:纳米晶体材料中含有大量的晶界,因而晶界上的原子占有相当高的比例。随着材料尺寸减小,最外层表面原子所占的比例大幅增加。

球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。

随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大,说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于 0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计,当尺寸小于 0.1微米时,其表面原子百分数激剧增长,甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米,这时的表面效应将不容忽略。4、何为纳米材料的表面效应?在化学工业领域,试举例说明如何利用材料的表面效应(15分)?

表面效应:纳米晶体材料中含有大量的晶界,因而晶界上的原子占有相当高的比例。随着材料尺寸减小,最外层表面原子所占的比例大幅增加。

超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃,可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率,使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层,确保表面稳定化。利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。