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1、化工基础知识,讲课人：王磊,1、化学反应速率是怎样定义的？,化学反应速率指的是化学反应进行的快慢程度。化学反应速率通常用单位时间内反应物浓度的减少量或生成物浓度的增加量来表示。其单位是：mol.L-1.s-1或mol.L-1.min-1。,2、影响化学反应速率的因素有哪些？,（1）浓度对反应速率的影响。反应物质的浓度越大，反应速率越快，反之则越慢。（2）温度对反应速率的影响。提高温度是常用的加快反应速度的方法。当反应物浓度不变时，改变温度，速率就改变。可见，反应速率常数K随温度的升高而增大。,（3）催化剂对反应速率的影响。催化剂又叫触媒，是一类能改变化学反应速率，而本身的组成、质量和化学性质在
2、反应前后保持不变的物质。能加快反应速率的催化剂叫做正催化剂；能减缓反应速率的催化剂叫负催化剂。不同的化学反应需要不同的催化剂，这是催化剂的选择性。每一种催化剂必须在一个合适的温度范围内才能发挥最大的催化效力，这个温度范围称为催化剂的活性温度范围。,3、何为可逆反应与化学平衡？,在同一条件下，能同时向两个方向（正、逆反应方向）进行的化学反应叫做可逆反应。可逆反应常用可逆号“”表示，例如：N2 3H2 2NH3,当可逆反应开始时，正反应速率（以r正 表示）最大，但随着反应的进行，反应物浓度不断下降，正反应速率就逐渐减少。而生成物浓度从无到有，浓度在逐渐增大，逆反应速率（以r逆表示）也就增大。当反应
3、进行到某一时刻，就会出现正、逆反应速率相等（r正r逆）的状态。这时体系所处的平衡状态叫做化学平衡。化学平衡状态下，反应物和生成物的浓度叫做平衡浓度。,4、影响化学平衡的因素有哪些？,（1）浓度对化学平衡的影响。对任何可逆反应，在其它条件不变的情况下，增大某一反应物的浓度或减少生成物的浓度，都能使平衡向增加生成物方向，即正反应方向移动；增大生成物浓度或减小反应物浓度，都可以使平衡向逆反应方向移动。（2）压力对化学平衡的影响。当增加气体反应的总压力时，平衡向气体分子数减少的方向移动；减少压力，平衡向增加气体分子数方向移动。,（3）温度对化学平衡的影响。在其它条件不变的情况下，升高温度会使化学平衡向
4、吸热反应的方向移动；降低温度会使化学平衡向放热反应的方向移动。（4）催化剂对化学平衡的影响。由于催化剂只能同等程度地增加正、逆反应速率，因此，它只能使平衡较快达到，而不能使平衡发生移动。,5、化学平衡移动原理是什么？,假如改变平衡体系的条件之一，如浓度、压力和温度，平衡就向减弱这个改变的方向移动，这就是吕.查德里原理。根据这个原理，当增加反应物浓度时，平衡就向减少反应物浓度的方向移动；减少生成物浓度时，平衡就向增加生成物浓度的方向移动。当增大压力时，平衡就向减小压力的方向移动；当减小压力时，平衡就向增大压力的方向移动。升高温度时，平衡就向吸热的方向移动，降低温度时，平衡就向放热的方向移动。,6
5、、什么是饱和蒸汽压？,在一定温度下，任何液体的表面分子都会有飞到空间的倾向，即气化。同时，飞到空间去的分子，由于不停的地运动，也有飞回液面形成液体的倾向，即液化。当飞到空间去的分子数与飞回液面形成液体的分子数相等时，即气化和液化的相对量不再变化而建立了动态平衡。此时，液体上方的蒸汽压即为该液体在该温度下的饱和蒸汽压，简称蒸汽压。同一液体在不同的温度下，或同一温度的不同液体，它们的饱和蒸汽压是不同的。,什么是沸点？,沸点：1个大气压下，液体沸腾时的温度。如在1个大气压下水的沸点为100,甲醇的沸点64.7.1个大气压下，液氧的沸点约90K(-183)，液氮沸点约77K(-196).,7、甲醇合成
6、主要的化学反应？试分析影响甲醇合成的工艺因素及工艺条件的选择。,甲醇合成反应是多项铜基催化剂上进行的复杂的、可逆的化学反应。主反应有：CO+2H2 CH3OH+102.5kJ/mol CO2+3H2 CH3OH+H2O+59.6kJ/mol CO+H2O CO2+H2+41.19 kJ/mol,甲醇合成反应为放热、体积缩小的可逆反应，温度、压力及气体组成对反应进行的程度及速度有一定的影响。下面围绕温度、压力、气体的组成及空间速度对甲醇合成反应的影响来讨论工艺条件的选择。1)温度在甲醇合成反应过程中，温度对于反应混合物的平衡和速率都有很大影响。对于化学反应来说，温度升高会使分子的运动加快，分子间
7、的有效碰撞增多，并使分子克服化合时的阻力的能力增大，从而增加了分子有效结合的机会，使甲醇合成反应的速度加快；,但是，由一氧化碳加氢生成甲醇的反应和由二氧化碳加氢生成甲醇的反应均为可逆的放热反应，对于可逆的放热反应来讲，温度升高固然使反应速率常数增大，但平衡常数的数值将会降低。因此，选择合适的操作温度对甲醇合成至关重要。,所以必须兼顾上述两个方面，温度过低达不到催化剂的活性温度，则反应不能进行。温度太高不仅增加了副反应，消耗了原料气，而且反应过快，温度难以控制，容易使催化剂衰老失活。一般工业生产中反应温度取决于催化剂的活性温度，不同催化剂其反应温度不同。另外为了延长催化剂寿命，反应初期宜采用较低
8、温度，使用一段时间后再升温至适宜温度。,2)压力甲醇合成反应为分子数减少的反应，因此增加压力有利于反应向甲醇生成方向移动，使反应速度提高，增加装置生产能力，对甲醇合成反应有利。但压力的提高对设备的材质、加工制造的要求也会提高，原料气压缩功耗也要增加以及由于副产物的增加还会引起产品质量的变差。所以工厂对压力的选择要在技术、经济等方面综合考虑。,3)空间速度所谓空间速度（简称空速），是指在单位时间内，单位体积的催化剂所通过气体体积数。其单位是m3/（m3催化剂h，即h1）。可用来表示反应器的生产能力，即空速越高，单位体积催化剂处理能力越大，生产能力就越大。空速的大小意味着气体与催化剂接触时间的长短
9、，在数值上，空速与接触时间互为倒数。一般来说，催化剂活性愈高，对同样的生产负荷所需的接触时间就愈短，空速愈大。,甲醇合成所选用的空速的大小，既涉及合成反应的醇净值、合成塔的生产强度、循环气量的大小和系统压力降的大小，又涉及到反应热的综合利用。当甲醇合成反应采用较低的空速时，气体接触催化剂的时间长，反应接近平衡，反应物的单程转化率高。由于单位时间通过的气量小，总的产量仍然是低的。由于反应物的转化率高，单位甲醇合成所需要的循环量较少，所以气体循环的动力消耗小。,当空速增大时，将使出口气体中醇含量降低，即醇净值降低，催化剂床层中既定部位的醇含量与平衡醇浓度增大，反应速度也相应增大。由于醇净值降低的程
10、度比空速增大的倍数要小，从而合成塔的生产强度在增加空速的情况下有所提高，因此可以增大空速以增加产量。但实际生产中也不能太大，否则会带来一系列的问题：提高空速，意味着循环气量的增加，整个系统阻力增加，使得压缩机循环功耗增加;,甲醇合成是放热反应，依靠反应热来维持床层温度，那么若空速增大，单位体积气体产生的反应热随醇净值的下降而减少；空速过大，催化剂温度就难以维持，合成塔不能维持自热则可能在不启用加热炉的情况下使床层温度跨掉。,4)入塔气体组成,氢碳比的控制对甲醇合成的影响：甲醇由CO、CO2与H2反应生成，反应如下：CO2H2 CH3OH CO23H2 CH3OH H2O 从反应式可以看出，氢与
11、一氧化碳合成甲醇的物质的量比为2，与二氧化碳合成甲醇的物质的量比为3，当一氧化碳和二氧化碳都有时，对原料气中氢碳比（f或M值）有以下表示方法：H2CO2 H2 f 2.052.15；M 2.02.5 COCO2 CO1.5CO2 对甲醇合成原料气，即合成工序的新鲜气，其氢碳比要求控制在 H2CO2 f 2.052.15 COCO2,惰性气体（CH4、N2、Ar）的影响,合成系统中惰性气体含量的高低，影响到合成气中有效气体成分的高低。惰性气体的存在引起CO、CO2、H2分压的下降。合成系统中惰性气体含量，取决于进入合成系统中新鲜气中惰性气体的多少和从合成系统排放的气量的多少。排放量过多，增加新鲜
12、气的消耗量，损失原料气的有效成分。排放量过少则影响合成反应进行。在给定系统压力操作下，为了维持一定的产量，必须确定适当的惰气含量，从而选择（驰放气）合适的排放量。,8、什么叫CO的变换反应？什么是变换率？什么是汽气比？,即在一定的温度T、压力P及催化剂条件下，CO和水蒸汽发生反应生成CO2和H2的反应。变换率是已变换的CO量与变换前的CO量的百分比。汽气比就是蒸汽与原料气的摩尔比。,转化率是指参加反应的原料数量与通入反应器原料数量比值的百分率，它说明原料的转化程度。转化率越大，参加反应的原料越多。参加反应的原料量=通入反应器的原料量未反应的原料量收率是指转化为目标产物的原料量与通入反应器原料量
13、之比。,9、CO变换反应的原理是什么？,原料气中的CO与水蒸汽的的变换反应可用下式表示：CO H2O CO2 H2 Q此反应是可逆的放热反应，在20时，反应热为40964J/mol，当开车正常生产后，即可利用其反应热以维持生产过程的连续进行。在一般情况下，CO和水蒸汽直接进行反应，其变换反应的速度是很慢的，如果用催化剂催化，则可加快反应速度，大大有利于变换反应的进行。随着CO变换反应的进行，伴随着微量的副反应发生，主要有如下几种：,（1）甲烷的生成 2CO 2H2 CH4 CO2 Q CO 3H2 CH4 H2O Q CO 4H2 CH4 2H2O Q（2）CO的分解反应 2CO C CO Q
14、,（3）有机硫的转化反应 COS H2 CO H2S COS H2O CO2 H2S CS2 2H2O CO2 2H2S,10、压力表示什么意义，常用什么单位？,单位面积上的作用力叫压力。对静止的气体，压力均匀地作用在与它接触的容器（气瓶、储气罐）的壁面上；对于液体，由于液体本身受到重力的作用，底部的压力高于表面的压力，而且随深度增加而增大。按国家标准，力的单位为牛（N），面积的单位为m2，则压力的单位为N/,叫帕（Pa）.工程上应用此单位嫌太小，实际常用的它的单位Mpa。1Mpa=106Pa=10 kg/cm2。,大气压力：气压表是用于衡量大气的压力。当加上仪表压力上就可得出绝对压力。大气压
15、力通常是以水银mm为单位，但是任何一个压力单位都能作出同样很好的解释：1个物理大气压力=760毫米汞柱=10.33米水柱=1.033kgf/cm20.1MPa.绝对压力：绝对压力是考虑到与完全真空或绝对零值相比，我们所居住的环境大气具有0.1Mpa 的绝对压力。在海平面上，仪表压力加上0.1MPa的大气压力可得出绝对压力。高度越高大气压力就越低。绝对压力=压力计压力大气压力,11、离心泵的构造及工作原理是什么？,离心泵的主要工作部件有叶轮、泵轴、吸液室、泵壳、轴封箱和密封环。工作原理：离心泵在起动前必须向泵壳内注水，将吸水管与泵壳中充满液，然后起动泵，此时电动机带动泵轴，使叶轮旋转，叶轮的叶片
16、迫使液体转动，产生离心力，在离心力的作用下，液体从叶轮中心甩向叶轮边缘，以高速进入泵壳，液体从叶轮流出时，获得了能量（动能和压能），这些高能量的液体经过泵壳导流，流向排出管。当叶轮将液体率向边缘的同时，叶轮中心形成真空，因而使液体在外界压力的作用下，不断地进入叶轮中，这样，液体就连续不断地通过离心泵输送出去。,12、离心泵的主要性能参数有哪些？,离心泵的主要性能参数有转速、流量、扬程、功率和效率等。（1）转速即泵轴每分钟的转数，用符号n表示。单位是r/min（2）流量是指在单位时间内所排出的液体量。通常是指体积流量，用符号Q表示，单位是m3/s或m3/h；有时也用质量流量表示，符合是G，单位是
17、kg/h或kg/s；,（3）扬程是指单位重量液体通过泵后所获得的能量，用符号H表示，单位是m。有泵的实际扬程及理论扬程之分。（4）功率与效率，泵的功率分为有效功率、轴功率和原动功率。有效功率是指单位时间内通过泵的流体所获得的功率，即泵的输出功率，用符号Ne表示，单位为KW。,轴功率即原动机传动泵轴上的功率，用符号N表示。效率是泵的有效功率与轴功率之比，效率的表达式为 Ne（）N原动机轴与泵轴连接存在机械损失，所以原动机功率通常比轴功率大。,13、如何正确使用离心泵？,（1）开泵前向轴承注润滑油，关闭出口阀门，打开排气阀，向泵内注满输送液体，用手盘车检查轴转动是否灵快。（2）启动泵后，观察压力大
18、小是否达到规定值，运转正常后，缓慢地开大出口阀门，使压力平稳上升。（3）经常检查填料函与轴承的温度，防止泵轴磨损和轴承烧坏。,（4）泵内无液体时，切不可运转，更不能开反转，否则损伤叶轮和轴套松扣。（5）出口阀门关闭后，泵的运转时间不能太长，不然泵会发热。（6）在冬季停泵后应将泵内的液体放净，并冲洗干净，防止将泵体冻裂或冻结。,14、对离心泵怎样做好维护保养工作？,（1）经常检查泵内有无杂音和振动现象，发现后及时检修。（2）经常注意压力表和电流表的指针摆动情况，超过规定指标应立即查明原因并处理之。（3）按时检查动密封泄漏情况，泄漏严重应停泵检查动静密封环磨损情况，如属于填料密封应调整压盖的压力。
19、,15、管路的标准有哪些？如何定义的？,管路的标准是统一规定的：管子和管件的主要结构尺寸与参数，即公称直径与公称压力，具有相同公称直径与公称压力的管子和管件可以互相配合或互换使用。公称直径，管子的公称直径即不是它的内径，也不是它的外径，而是与它内径相近的一个整数值，一般以DN表示，公称直径也称公称通径；对于压力容器来讲公称直径是指设备直径的内径。公称压力，公称压力是为了设计、制造和使用方便，而人为规定的一种标准压力，通常以PN表示，如公称压力10MPa，用PN10表示。,16、简述安全阀的作用及类型。,安全阀的作用是当压力容器内介质压力超过允许值时，阀门开启并发出警报声，继而全开，排放一定量介
20、质，以防止容器设备压力继续升高；当压力降到规定值时，阀门便及时关闭，从而保护设备安全运行，安全阀的种类很多，按其整体结构及加载机构的形式可分为杠杆式、弹簧式和脉冲式。,（1）杠杆式安全阀是利用重锤通过杠杆来平衡阀瓣上的力，根据杠杆原理计算和调整阀码重来控制安全阀压力。这种安全阀结构简单，调整容易又比较准确。（2）弹簧式安全阀是利用压缩弹簧的作用力来平衡介质作用在阀瓣山的力，弹簧上的作用力可用调节螺母调节弹簧压缩量，以限定阀瓣上的开启力。（3）脉冲式安全阀只在大型锅炉上使用。,17管路的连接方法有哪些？适用范围是什么？,管路的连接方法有螺纹连接、焊接、法兰连接等。螺纹连接也称丝扣连接，只适用与公
21、称直径不超过65mm，工作压力不超过1MPa，介质温度不超过373K的热水管路和公称直径不超过100 mm，公称压力不超过0.98 MPa的给水管路，也可用于公称直径不超过50 mm，工作压力不超过0.196MPa的饱和蒸汽管路，在有连接螺纹的阀门和设备时，只能采用螺纹连接。,法兰连接，中、低压管路常采用平焊法兰连接，低压采用光滑密封面，压力较高时则采用凹凸型密封面，常用非金属软垫片做垫片，高压管路连接采用平面形和锥形两种连接法兰。平面形要求密封面光滑，采用软金属做垫片，锥面形要求端面为光滑锥形面，垫片为凸透镜式，用低碳钢制成。,18、煤气中氧含量高对变换系统有什么危害？,煤气中氧含量高会引起
22、变换炉床层温度暴涨，烧坏催化剂，严重时会引发恶性爆炸事故，一旦发生过氧，应立即按紧急停车处理，然后根据情况对变换系统分段降温。,19、“三懂四会”是什么？,“三懂”：懂性能、懂原理、懂结构。“四会”：会操作、会保养、会维修、会处理一般故障。,20、流量和流速的关系式？,流量：单位时间内流过任一流通面积的流体的体积或质量。单位：kg/h,m3/h,t/h 流速：单位时间内流体在流动方向上流过的距离。单位：m/s。流量=管道的截面积*流速（注意单位）例如：假定159*4.5的水管道,管内水的流速为1.5m/s，则每小时流过的水为：3.14/4*(0.159-0.0045*2)2*1.5*3600=95.38m3/h,王磊,
