合
成氨
1. 合成氨生产过程主要分为哪几个工序?
以煤为原料
以天然气为原料 2. 天然气水蒸汽转化制气的主反应和副反应有哪些?抑制副反应的策略如何?
主要反应 主要副反应 抑制副反应:为控制积碳,增加水蒸汽用量以调整气体组成和选择适当的温度、压力来解决。
从反应平衡及副反应来看,水碳比高,残余甲烷含量降低,且可防止析碳。因此一般采用
较高的水碳比,约3.0~3.5
转化为可逆反应,温度越高,平衡转化率越高,从组成计算看出,1000℃以上CH4含量才
小于0.5%,要求设备的耐高温性能。
3.为什么采用两段转化?两段转化的供热方式各有什么不同?如何确定和控制二段转化的温度?
全部采用高温转化,设备费用和操作费用太高,所以采用低温(700~800℃)转化和高温(1200℃)转化的两段方式。
一段温度对合金钢管要求低,用合金钢管保证传热和供热;二段采用砖内衬的绝热设备,并通入一定比例的空气与一段的H2反应产生热量和高温(1200~1400℃),保证CH4转化彻底,同时加入了合成氨需要的原料N2。
二段炉温度:按甲烷控制指标来确定。压力和水碳比确定后,按甲烷平衡浓度来确定温度,要求yCH4<0.005,出口温度应为1000℃左右。
凯洛格(Kellogg)甲烷蒸汽转化工艺流程
1-钴钼加氢反应器;2-氧化锌脱硫罐;3-对流段;4-辐射段(一段炉);5-二段转化炉;6-第一废热锅炉;7-第二废热锅炉;8-汽包;9-辅助锅炉;10-排风机
4.天然气中的硫成分有哪些?干法脱硫和湿法脱硫的主要方法有哪些?其适用范围有何区别?
硫化氢(H2S),同时此外还可能有一些有机硫化物,如硫醇(C2H5SH)、硫醚(CH3SCH3)及噻吩(C4H4S)、二硫化碳(CS2)等。
?
干法脱硫:一般适用于含S 量较少的情况 氧化锌法、钴钼加氢法、氢氧化铁法、活性碳法等 ? 湿法脱硫:一般适用于含S 量较大的场合 化学吸收法、物理吸收法和化学物理综合吸收法
等
5.氧化锌脱硫的工作原理是什么?其工艺流程和工艺条件如何?
氧化锌脱硫法也可以脱除硫醇、硫醚等有机硫,但反应速度较慢,一般选择较高的温度350~400℃,才能获得较快的反应速度。反应式如下:
在有H2存在时,一些有机硫可先转化为H2S ,再被氧化锌所吸收,反应式如下:
流程1:硫含量较高 流程2:硫含量较低
6.变换工序的反应原理和主要任务是什么?为什么要分中温变换和低温变换?
是将原料气中的CO 变成CO2和H2。H2是合成氨需要的原料成份,CO2在后面的脱碳和甲烷化两个工序中除去,作为生产尿素或食品级CO2的原料。
变换反应为放热反应,温度升高,平衡常数减小。为了变换过程进行彻底,要求尽可能低的反应温度;但温度低,反应速度必然减缓
7.苯菲尔脱碳的主要化学反应和脱碳原理是什么?再生指数(碳化度)的定义是什么?
原理:CO2的吸收过程是CO2与K2CO3反应生成KHCO3。但是由于受反应速度的限制,气体中CO2
mol kJ H CO O H CH 4.2063)1(224-++=mol kJ H CO O H CO /2.41)2(222+++=124.9.742--+mol kJ C H CH =1
2.4.1722-++=mol kJ C CO CO
与溶液中K2CO3的反应速度较慢。为了加快CO2在K2CO3溶液中的吸收速度,通常在K2CO3溶液中又添加了一种催化剂二乙醇胺
再生指数(碳化度)的定义:每摩尔K2CO3所已经吸收的CO2摩尔数,即溶液中K2CO3转化为KHCO3的转化度。
化肥
1.描述由NH3和CO2合成尿素的化学反应过程与相态。(重点)
上述两个反应中,第一个反应为快速放热反应,反应程度很大,生成溶解态的氨基甲酸铵;第二个脱水生成尿素的反应为慢速吸热反应,且为显着可逆反应。
2. 尿素合成反应过程的主要副反应及控制措施。(熟悉就行)
当温度在60℃以下时,尿素水解缓慢;温度到100 ℃时尿素水解速度明显加快;温度在145 ℃以上时,水解速度剧增。尿素浓度低时,水解率大。氨也有抑制尿素水解的作用,氨含量高的尿素溶液的水解率低。
3. 尿素生产的氨汽提法流程中,合成塔出来的尿素溶液主要经过了那些设备,溶液的温度、压力、组成如何?(常识了解)
设备:气提塔,降膜分解器,
目前,工业合成尿素的方法都是在液相中由NH3和CO2反应合成的,
温度的影响:温度较低时平衡转化率随温度升高而增加,在190℃时达最大,温度进一步升高,平衡转化率反而下降。一般选择尿素合成温度为180~190℃
组成的影响:CO2过量对转化率影响很小,氨过量则明显提高转化率。氨碳比的影响如右图。水碳比增加0.1,转化率下降约1%。不同工艺选择的合成过程物料比不同。如:水溶液全循环法氨碳比4.0, 水碳比0.65 ~0.7; 汽提法工艺氨碳比2.9~3.1,水碳比0.3~0.4。
压力的影响:压力对液相反应的影响很小。但由于体系存在惰性气体和气液平衡,操作压力应该大于平衡压力
4. 硝酸铵的主要用途是什么?
1.硝铵是重要的氮肥,特别适用于温度低的旱田。还是制造复合肥料的原料。
2.硝铵是炸药的主要原料。
3.硝铵还是制麻醉剂(N2O ,笑气)的原料。
5.湿法磷酸是用磷酸为催化剂、硫酸溶液分解磷矿的过程,磷矿以Ca5F(PO4)3为主,还有Si 、Fe 、Al 等杂质元素,试分析一下反应过程的主、副反应及其产物,并说明副反应对反应过程的影响。
主反应:一步反应过程
HF O H CaSO PO H n SO H PO nH PO F Ca +++=++244
34243345.5)3(5)( 两步反应过程: 副反应: 副反应不仅损失磷,而且沉淀会包裹在矿石表面,阻止酸分解反应的进一步进行,产生“钝化现象”。 硫酸和硝酸
1. 工业上曾经氧化SO2制硫酸的方法有哪些?写出其主要反应式。
亚硝基法和接触法
亚硝基法
接触法
S + O2→SO2 2 SO2 + O2→2SO3 2SO3 + H2O →H2SO4
2. 硫铁矿的主要成分是什么?焙烧硫铁矿的主要化学反应有哪些?
HF
PO H Ca PO H n PO nH PO F Ca ++-=+2424343345)(5)7()(O
H SiF H SiO HF 262226+=+
℃ k 441 560 727 977 FeS2
主要反应
2FeS2=2FeS+S2 S2 + O2 = SO2
3. 焙烧硫铁矿的设备是什么?根据物料状态,设备内可分几个区
域?各区域的物料特点是什么?
设备:沸腾培烧炉
460~560℃为第一阶段,斜率大,活化能大。温度升高,反应速率
增加很快。化学反应受动力学(速度)控制。
560~720℃为过渡阶段,反应速度受温度影响较小。
> 720℃为第三阶段,反应速度随温度升高再增加,但增加幅度小。实验证明,第三阶段活
化能较小,焙烧反应主要受氧扩散的控制。
4. SO2氧化为SO3的温度、压力、SO2含量等工艺条件如何?
温度: 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
压力:二氧化硫氧化反应是体积减小的反应,提高压力可提高平衡转化率
SO2含量:根据硫酸生产总费用最低的原则来确定二氧化硫的起始浓度,最适宜的最终转化率与所采用的工艺流程、设备和操作条件有关。
5. SO3的吸收过程通常采用发烟硫酸或/和浓硫酸吸收,为什么采用浓度为98.3%的浓硫酸?浓
度太高、太低有什么影响?确定吸收塔操作温度主要考虑哪些方面的因素?
如图所示,在任何温度下选择浓度为98.3%的硫酸作为吸收液比较合适。若吸收酸浓度太低,因水蒸气分压增高,易形成酸雾;但若吸收酸浓度太高,则液面上SO3分压较高,气相中的不能完全被吸收。
因为标准发烟硫酸游离SO3浓度为21%。从上表看出,在气体中
SO3浓度为7%时,则说明吸收酸温不能超过80℃。
不同转化气SO3浓度下,SO3吸收率与温度的关系如右图所
示,其中7.4%的曲线与上表数据一致。可见,温度升高,吸收率
下降;气相SO3浓度增加,吸收率上升。
6. 制硝酸氨氧化的主要反应,其相态、热效应、反应平衡、催化剂
等有什么特点?主要副反应有哪些?
主反应 副反应 在反应温度下,上述反应的平衡常数都很大。如果对反应不加控制,氨和
氧反应的最终产物必然是N2。要得到希望的产物NO ,不能从反应热力学
去改变化学平衡来达到目的,只能从反应动力学方面去着手。即寻找一种
选择性的催化剂,抑制不希望的反应。目前最好选择性的催化剂是铂。 纯碱和烧碱复习思考题
1. 纯碱中的重碱是什么意思?
密度为0.95~1.07g/cm-3的纯碱
2. 氨碱法制纯碱的主要原料有哪些?制碱过程的主要反应有哪些?主要副产物是什么?
原料:氯化钠(NaCl)和碳酸钙(CaCO3)
主要反应
主要副产物CaO NH4Cl 3. 从干盐相图分析,为什么在P1点NaHCO3的结晶析出最多?且Na 利用率最高?如何控制操
作点的位置。升高温度对最佳操作点P1、Na 利用率和NaHCO3结晶有什么影响?
kJ/mol
.O H NO O g NH 28907645)(4223++=+kJ/mol
O H O N O g NH 9.1104624)(42223++=+mol
kJ s CaO g CO s CaCO /105.176)()()(23-+??→?焙烧
右图中,ⅠP2、P2Ⅱ、P2P1、P1Ⅲ、P1Ⅳ为饱和线;1,2,3区为NaHCO3、NH4HCO3、NH4Cl 的析出区;P1点可析出三种结晶。
氨盐水碳酸化后的组成在AC 线上。如果只需析出NaHCO3时,组成应R-S 线内,超过S 析出NH4HCO3,超过R 析出NaCl 。
如果总组成在X 点,T 点为饱和溶液,结晶与溶液比为TX:XD ,比值越大,析出结晶越多。可见P1点操作最好。
4. 氨盐水碳化是在什么设备中进行的?CO2经氨盐水吸收,生成氨基甲酸铵、碳酸氢铵、最终
生成碳酸氢纳,各步骤的速度、温度有何特点?
氨盐水碳酸化是在碳酸化塔中进行
随着CO2的不断溶解,溶液中过量的氨基甲酸铵进一步发生水解反应。甲铵水解是慢反应,是碳酸化的控制步骤:
当PH 值>10.5的强碱性时,碳酸氢盐也存在下述离解反应
当氨盐水被碳酸化达到一定程度,HCO3-积累超过溶度积,析出碳酸氢钠:
氨盐水进塔温度约30~50 ℃,中部温度升到60℃左右,中部不冷却,但下部要冷却,控制塔底温度在30℃以下,保证结晶析出。
碳化塔中部温度高,一方面反应本身有一些热量放出,另一方面主要是考虑结晶初期温度高一点对晶粒长大有利,可形成较大晶体以利过滤。同时冷却速度不宜过快,过快可能形成结晶浆,难于过滤分离。
5. 工业生产烧碱的方法有哪些?电解法生产烧碱的原料、电极反应、总化学反应是什么?精制食
盐水时,其中的镁、硫酸根杂质如何去除?
方法:生产氢氧化钠通常用电解法(NaCl 为原料)、苛化法(Na2CO3为原料)。
原料:NaCl 水溶液
电极反应:
总反应:
除去杂质:去除镁离子的方法用OH-而沉淀Mg(OH)2出来:
少量硫酸盐对电解过程影响大,在这一步也要除去:
煤的化学加工
1. 煤的结构及煤气化原理。
煤的基本结构单元为缩合芳烃及环烷烃及多种侧链,杂原子及官能团。
网络结构模型-整体 平均结构单元模型-有机质
煤气化原理:煤气化是煤与气化剂作用生成气体混合物的反应过程。目的是将煤转化成可 燃气体。煤气化过程包含煤的热解、半焦的气化等过程。
2. 煤气化主要方法及能量利用。
煤气化方法有多种,气化炉也有多种。可分为固定床、沸腾床、气流床三种形式。
3. 费托合成原理。
化学反应
基本反应: nCO + 2nH 2 (CH 2) n + nH 2O
△H=-158 kJ/mol (250oC)
H 2O + CO CO 2 + H 2
△H=-39.5 kJ/mol (250oC)
4.费托合成流程及产品加工流程的主要过程
5.煤的成焦过程及影响因素。
在高温脱氧情况下,煤大分子的侧链不断脱落,芳核缩合并稠化,最后形成煤气、焦炭及硫铵、苯、酚等多种化学产品。煤的成焦过程分为:煤的干燥预热阶段(温度<350oC)胶质形成阶段(温度-+-+=23
3CO H HCO
350~480oC) →?半焦形成阶段(温度480~650oC) →焦炭形成阶段(温度650~950oC)。