西南大学网络与继续教育学院课程考试试题卷类别：网教(网教/成教) 专业：应用化学 课程名称【编号】：化学工艺【0745】 A 卷大作业 满分：100 分以下题中，1-4 题任选两道作答，每题 30 分，第五题必答，40 分。一、化肥对人类赖以生存的农业有着极为主要的作用，发展也十分迅速。请列举化学肥料的主要种类，并阐述化学肥料在国民经济中的地位和作用，以及目前我国的化肥生产业存在的主要问题。答：1.根据化学性质可将化学肥料分为：（1）生理酸性肥料。在化学肥料的水溶液中牧草吸收肥料的阳离子过多，剩余的阴离子生成相应的酸类，使溶液变酸，大多数的铵盐和钾盐都属于这类肥料。 （2）生理碱性肥料。如果牧草吸收利用的阴离子比吸收利用的阳离子快时，土壤溶液中阳离子过剩，生成相应的碱性化合物，使溶液变成碱性，如硝酸钙、硝酸镁等都属于碱性肥料。 （3）生理中性肥料。牧草吸收阴离子与吸收阳离子的速度大致相等土壤溶液呈中性反应，如硝酸钾、硝酸铵、尿素等。根据养分的成分可将化学肥料分为：氮肥、磷肥、钾肥、复合肥、微量元素等。根据用途可将化学肥料分为：基肥和追肥。 此外还可将化学肥料分为速效肥、缓效肥、长效肥。土壤用肥、叶面用肥等。2.化学肥料的地位和作用：中国是一个人口众多的国家，粮食生产在农业生产的发展中占有重要的位置。通常增加粮食产量的途径是扩大耕地面积或提高单位面积产量。根据中国国情，继续扩大耕地面积的潜力已不大，虽然中国尚有许多未开垦的土地，但大多存在投资多、难度大的问题。这就决定了中国粮食增产必须走提高单位面积产量的途径。施肥不仅能提高土壤肥力，而且也是提高作物单位面积产量的重要措施。化肥是农业生产最基础而且是最重要的物质投入。据联合国粮农组织 (FAO）统计，化肥在对农作物增产的总份额中约占 40%～60%。中国能以占世界 7%的耕地养活了占世界 22%的人口，可以说化肥起到举足轻重的作用。3. 我国的化肥生产业存在的主要问题如下：一是产能过剩、同质化严重、研发能力弱。二是销售链条过长、成本高、赊销严重。三是施肥不科学，浪费严重，环境面临威胁。四是种植大户和职业农民崛起，服务和规模不匹配。二、硫酸和硝酸都是主要的基本化学产品，但在生产过程中有不少有毒有害物质产生。请比较硫酸和硝酸生产过程的三废治理措施。三、烧碱生产方法中，离子膜法具有能耗低，产品质量高，占地面积小，生产能力大及能适应电流昼夜变化波动等优点，成为氯碱工业发展的方向。试述离子交换膜法电解制烧碱的原理及工艺条件。答：1.离子交换膜法电解制烧碱原理- 1 - 原理与隔膜法相同（见上图），只是用离子交换膜代替普通隔膜。该膜只允许钠离子通过。2.离子交换膜法电解工艺条件离子交换膜法是一种先进的电解法制烧碱工艺，对工艺条件提出了较严格的要求。（1）饱和食盐水的质量盐水中的 Ca2+、Mg2+和其它重金属离子以及阴极室反渗透过来的 OH-结合成难溶的氢氧化物会沉积在膜内，使膜电阻增加，槽电压上升；还会使膜的性能发生不可逆恶化而缩短膜的使用寿命。用于离子膜法电解的盐水纯度远远高于隔膜法和水银法，须在原来一次精制的基础上，再进行第二次精制，保证膜的使用寿命和较高的电流效率。（2）电解槽的操作温度离子膜在一定的电流密度下，有一个取得最高电流效率的温度范围。操作温度不能低于 65°C。因为温度过低，膜内的－COO-离子与 Na+结合成－COONa 后，使离子交换难以进行；同时阴极侧的膜由于得不到水合钠离子而造成脱水，使膜的微观结构发生不可逆改变，电流效率急剧下降。槽温也不能太高（92°C 以上），否则产生大量水蒸气而使槽电压上升。电解槽温度通常控制在 70～90°C 之间。（3）阴极液中 NaOH 的浓度当阴极液中 NaOH 浓度上升时，膜的含水率就降低，膜内固定离子浓度上升，膜的交换能力增强，电流效率高。但是 NaOH 浓度过高，膜中 OH-离子反渗透到阳极机会增多，使电流效率下降。曲线有一最高点。（4）阳极液中 NaCl 的含量当阳极液中 NaCl 浓度太低时，对提高电流效率、降低碱中含盐都不利。主要是阴极室的 OH-容易反渗透，阳极液中的氯离子易迁移到阴极室。另外，离子膜长期处于- 2 - NaOH 低浓度下运行，还会使膜膨胀、严重起泡、分离直至永久性破坏。阳极液中的NaCl 浓度也不宜太高，否则槽电压上升。生产中一般控制阳极液中 NaCl 浓度约为210g/L四、纯碱是重要的化工原料，最早的工业生产方法可以追溯到 18 世纪末的路布兰制碱法发展到 20 世纪，先后出现了氨碱法和联合制碱法。请阐述氨碱法和联碱法主要反应并分析各自的优势与不足。五、合成氨是将空气中的大量氮元素转变为含氮化合物氨气，进而成为多种工业产品的主要原料。合成氨是无机化工的代表，在国民经济中占有十分重要地位。请阐述：合成氨生产主要分几个工序？请依次列出各工序的主要化学反应及其催化剂。并阐述氨的合成反应的原理及主要工艺条件。答：1.原料气制备 即制备含有氢、氮的原料气。用煤、原油、或天然气作原料，制备含氮、氢气的原料气。（将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。一般焦炭、无烟煤等固体燃料通常采用气化的方法制取合成气；对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。 渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气。）2.净化 因为无论用何种方法造气，原料气中都含有对合成氨反应过程有害的各种杂质，必须采取适当的方法除去这些杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。 （1）脱硫过程 无论以焦炭还是天然气为原料获得的原料气中，都含有一氧化碳、二氧化碳、硫化物等不利于合成反应的成分，需要在进入合成塔之前除去。其中硫化物对蒸气转化都是有害的，故在原料气进入界区后，首先进行脱硫。氧化锌脱硫就是 H2S 气体在固体 ZnO 上进行反应，生成 H2O 进入气相，ZnS 则沉积在 ZnO 固体表面上。脱无机硫温度约 200℃。（2）一氧化碳变换过程 在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有 CO，其体积分数一般为 12%~40%。合成氨需要的两种组分是 H2和 N2，因此需要除去合成气中的CO。变换反应如下： CO+H2O→H2+CO2 ,ΔH=-41.2kJ/mol 由于 CO 变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余 CO 含量。第一步是高温变换，使大部分 CO转变为 CO2和 H2；第二步是低温变换，将 CO 含量降至 0.3%左右。因此，CO 变换反应既- 3 - 是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。 （3）脱碳过程 粗原料气经 CO 变换以后，变换气中除 H2外，还有 CO2、CO 和 CH4等组分，其中以 CO2含量最多。CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中 CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。 一般采用溶液吸收法脱除 CO2。根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法(Rectisol)，聚乙二醇二甲醚法(Selexol)，碳酸丙烯酯法。一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗苯菲尔法，活化 MDEA 法，MEA 法等。（4）气体精制过程 (少量一氧化碳的脱除) 经 CO 变换和 CO2脱除后的原料气中尚含有少量残余的 CO 和 CO2。为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定 CO 和 CO2总含量不得大于 10cm3/m3(体积分数)。因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制过程。目前在工业生产中，最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法。深冷分离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻(-190℃左右)条件下用液氮吸收分离少量 CO，而且也能脱除甲烷和大部分氩，这样可以获得只含有惰性气体 100cm3/m3以下的氢氮混合气，深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合。甲烷化法是在催化剂存在下使少量 CO、CO2与 H2反应生成 CH4和 H2O 的一种净化工艺，要求入口原料气中碳的氧化物含量(体积分数)一般应小于 0.7%。甲烷化法可以将气体中碳的氧化物(CO+CO2)含量脱除到 10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分 H2，并且增加了惰性气体 CH4的含量。甲烷化反应如下：CO+3H2→CH4+H2O， ΔH=-206.2kJ/mol CO2+4H2→CH4+2H2O,Δ H =-165.1kJ/mol 3.压缩和合成 将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有 10%~20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨合成反应式如下： N2+3H2→2NH3(g) ,ΔH=-92.4kJ/mol - 4 -