绿色化学工艺考前辅导内容.docx

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绿色化学工艺考前辅导内容

一名词解释

1、背包式精馏反应器“背包式”反应精馏是将多个装填催化剂的反应器连接到精馏塔上，通过循环抽料泵将精馏塔内的物料抽送至反应器中进行反应，根据反应器的不同，可以分为一次通过、单级再循环、多级再循环。

所谓“背包式”反应精馏塔，将催化剂置于塔外的反应器中，采用管道将上下相邻或相间的塔板与反应器出口相连的组合设备。

2、反应精馏反应精馏就是在进行反应的同时用精馏方法分离出产物的过程。

化工生产中，反应和分离两种操作通常分别在两类单独的设备中进行。

若能将两者结合起来，在一个设备中同时进行，将反应生成的产物或中间产物及时分离，则可以提高产品的收率，同时又可利用反应热供产品分离，达到节能的目的。

3、无载体促进传递无载体促进传递在于使渗透到接收相的溶质的有效浓度维持在0，溶质A因选择性溶解而从料液相进入液膜相，并在膜中扩散，当其抵达膜相与接受相的界面时，它与接受相中的B发生不可逆化学反应，生成的产物AB不溶于液膜，无法透过液膜作逆向扩散。

其结果，溶质A从料液中逆其浓度梯度被泵送到接受相，并在接受相得到富集。

4、吸收式热泵吸收式热泵是单纯以热能为补偿热能,在吸收式制冷循环基础上发展起来的。

常用的制冷剂是溴化锂水溶液。

它又分为两种类型:

Ⅰ型吸收式热泵—它是借消耗一部分高温热量将低温热量的温度提高到可以利用的中温程度的一种热泵,其性能系数大于1;Ⅱ型吸收式热泵不需要消耗高温热能就能使低温热量的温度提高,性能系数小于1。

5、絮凝悬浮于水中的细颗粒泥沙因分子力作用凝聚成絮团状集合体的现象。

在絮凝沉降过程中，悬浮颗粒因互相碰撞凝聚而使尺寸变大，沉速将随深度而增加。

同时水深越深，较大颗粒追上较小颗粒而发生碰撞并凝聚的可能性也越大。

因此，悬浮物的去除率不仅取决于沉降速度，而且与深度有关。

6、化学需氧量化学需氧量（COD）是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量。

所谓化学需氧量（COD），是在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。

它是表示水中还原性物质多少的一个指标。

7、原子利用率又叫原子经济性，可表示为：

原子利用率=目标产物的相对分子质量/反应物的相对分子质量总和

原子经济性是衡量所有反应物转变为最终产物的量度，如果全部转化，则原子经济性为100%，原子经济性是绿色化学的重要指标之一。

8、生命周期是指一个产品从摇篮到坟墓的全过程，包括从最初的原材料开采、提炼加工、产品制造、包装、运输、为消费者服务、回收和循环利用、最终的废弃物处理。

9、质量强度质量强度（MI）概念，即获得单位质量目标产物消耗的所有原料、助剂、溶剂等物质的质量与目标产物质量的比值。

MI=反应中所消耗的各物质的总质量/目标产物质量

E因子=MI-1

10、气浮气浮是气浮机的一种简称，也可以作为一种专有名词使用，即水处理中的气浮法，是在水中形成高度分散的微小气泡，粘附废水中疏水基的固体或液体颗粒，形成水-气-颗粒三相混合体系，颗粒粘附气泡后，形成表观密度小于水的絮体而上浮到水面，形成浮渣层被刮除，从而实现固液或者液液分离的过程。

11、化学热泵化学热泵是利用物质化学反应时产生的吸热和放热来组成热力循环的一种热泵,它可用于加热、制冷及提高能量的品位,具有其它类型热泵所没有的优点,即当化学反应停止时,它具有蓄能的功能。

12、集约化生产集约化生产是现代企业集团提高效率与效益的基本取向。

集约化的“集”就是指集中，集合人力、物力、财力、管理等生产要素，进行统一配置，集约化的“约”是指在集中、统一配置生产要素的过程中，以节俭、约束、高效为价值取向，从而达到降低成本、高效生产，进而使企业集中核心力量，获得可持续竞争的优势。

二、简答题

1、绿色化学和环境化学的区别。

答：

（1）.研究任务不同，绿色化学是从源头上解决污染，寻找充分利用原材料和能源且在各个环节都洁净和无污染的反应途径和工艺；环境化学是要从微观的原子、分子水平上来研究宏观的环境现象与变化的化学机制及其防治途径。

（2）.研究内容不同，绿色化学的研究主要是围绕化学反应、原料、催化剂、溶剂和产品的绿色化来进行的；环境化学是研究污染物（主要是化学污染物）在环境（包括大气圈、水圈、土壤岩石圈和生物圈）中的迁移、转化的基本规律，环境中污染物的种类和成分及其定量分析方法，环境中天然的和人为释放的化学性质的迁移、转化规律及其与环境质量和人类健康的关系。

2、渗透蒸发的优点（3个即可）

1）分离系数大。

2）过程中不引入其它试剂，产品不会受到污染。

3）过程简单，附加的处理过程少，操作比较方便。

4）过程中透过物有相变，但因透过物量一般较少，汽化与随后的冷凝所需能量不大。

5）渗透通量小，一般小于1000g/m2·h。

3、反应萃取与萃取精馏

反应与萃取的耦合过程主要是解决反应过程中因产物抑制所引起的产率和转化率低的问题而发展起来的。

它同样是强调输出的牵引，而不是靠增加输入物质和能量的推动。

当体系的沸点太高时，或者产生大量的固体物难以精馏时，最有效的办法是萃取精馏。

萃取过程与反应过程的在线连接，通过分离过程将反应所得产物不断地移出反应系统，使反应过程向生成产物的方向进行，从而提高转化率和产品收率。

反应萃取的反应产物沸点高，有热敏性物质，平衡转化率低，反应物相变，而萃取精馏的反应有相变化。

4、打包式反应精馏塔的优缺点

优点：

该反应器可以看作是反应与分离在同一塔盘上同时进行，对于低平衡转化率的反应也有一定的分离效果。

结构简单，操作方便。

缺点：

持液量小，需要大的停留时间，适于反应快的反应。

制作麻烦，催化剂失活后装卸不便，不易再生。

成本高，催化剂利用率较低。

5、精馏型反应精馏与反应型反应精馏的区别

按照其应用目的分类，反应精馏可以大致分为两类：

第一类，以精馏促进反应，可称之为“反应型反应精馏”这一类型的目的主要是为了实现反应过程的要求，如提高反应物的转化率或提高反应的选择性。

这一类过程从应用上说是以反应为主而精馏为辅的过程。

第二类，以精馏为目的，反应为之服务的，可称之为“精馏型反应精馏”。

“精馏型反应精馏”的应用范围较窄。

6、开式A型热泵和开式B型热泵

1）当轻重组分的沸点相差比较小，而整体的沸点又比较低，其中轻组分的含量大于重组分的量，此时可以把塔底产生的气相通过加压液化，液化所放出的热量将会使塔底的液相气化，而液化之后的液体一部分回流一部分作为产品流出，从而完成两组分的分离。

2）当轻重组分的沸点相差比较小，其中重组分含量大于轻组分，此时可以把塔底的液相减压气化，气化吸热，可以使塔底的蒸汽冷凝，而减压后的气相通过压缩机加压，再重新从塔底打入塔内作为上升的蒸汽，从而完成两组分的分离。

7、如何理解是靠“输出的牵引”而不是“靠输入的推动”？

强调“输出”的牵引，而不是靠输入物质和能量的推动。

许多化学反应是平衡反应，当反应体系的温度、压力、浓度发生变化时会破坏这种平衡。

通常，通过提高反应温度、压力或反应物的量使化学平衡向生成产物的方向移动，但这会造成能量和原料的浪费。

通过不断将产品从反应体系中移出也可达到相同的目的，并可减少能量和原料的消耗。

反应精馏技术即是一个很好的应用。

8、非均相反应精馏塔

配置：

通常的反应精馏塔分为三部分，最上部是精馏段，中间是多级反应段，下部是提馏段，外带冷凝器和塔底再沸器。

结构形式：

9、反应精馏和萃取精馏的区别

为了提高产品收率、降低设备投资和能耗，出现了将“反应和分离”结合在同一个设备中进行的新型分离过程，其中一种是反应与精馏的耦合过程，称为反应精馏。

萃取精馏的原理是在精馏过程中外加一种与混合液中某一组分有较强亲和力，且沸点较高的溶剂（或称萃取剂），使两组分之间的相对挥发度增大，因而可以比较容易地用精馏方法分离。

10、反应偶合的特点

　特点：

是放热反应，反应速率很快。

偶合一般在水介质中进行，不同类型的偶合组分对介质要求不同的pH。

酚类偶合时在弱碱性介质中速率较快；芳胺偶合时在弱酸性介质中速率较快。

偶合是亲电取代反应。

偶合一般用釜式反应器间歇操作。

为了防止稀酸的腐蚀，一般用搪瓷或衬瓷砖的反应锅，并向锅中直接加入碎冰或者将冷冻盐水通入夹套或搪瓷蛇管来控制反应温度。

在反应后如需加热，可用直接蒸汽或间接蒸汽。

11、萃取精馏和萃取的区别

萃取精馏的原理是在精馏过程中外加一种与混合液中某一组分有较强亲和力，且沸点较高的溶剂（或称萃取剂），使两组分之间的相对挥发度增大，因而可以比较容易地用精馏方法分离。

萃取利用化合物在两种互不相溶（或微溶）的溶剂中溶解度或分配系数的不同，使化合物从一种溶剂内转移到另外一种溶剂中而提取出来的冶金过程。

　三工艺过程的设计及设备选型

3.用工业酒精生产无水酒精渗透汽化是以混合物中组分蒸汽压为推动力，依靠各组分在膜中溶解与扩散速率不同的性质来实现混合物分离的过程。

图4-4是最常用的一种渗透汽化过程的简单流程图。

图4-4渗透汽化简单流程图

在图4-4所示流程中包括预热器、渗透汽化膜分离器、冷凝器和真空泵等四个主要设备。

料液进入渗透汽化膜分离器，膜后侧保持低的组分分压，在膜两侧组分分压差的驱动下，组分通过膜向膜后侧扩散，并汽化成蒸汽而离开膜。

其中扩散快的组分较多地透过膜进入膜后侧，扩散速度慢的组分较少的，或很少透过膜，因此可以达到分离料液的目的。

透过膜的渗透物蒸汽用适当的溶剂将它吸收除去，也可使膜后侧保持低的组分蒸汽压，这种方法称为吸收渗透汽化法。

图4-5是吸收渗透汽化法分离苯与环己烷的流程。

4..甲缩醛的生产工艺

方法：

反应精馏Masamuto和Matsuzaki用实验室规模的反应精馏塔制备出来了甲缩醛，该过程是在装填有茶叶袋结构的形式的阳离子交换树脂存在的条件下的甲醛和甲醇反应完成的。

Kolah等人在下图所示的间歇及连续操作的反应精馏塔中，研究了这个反应，并进行了在反应精馏塔中进行多重反应的理论分析。

伴随着缩醛化的反应，二聚物和半缩醛的生成反应也同时发生并且具有相当大的转化率。

在封闭体系中，当甲醇与甲醛的摩尔比为6：

1时该反应的转化率为85%，而在反应精馏塔中当甲醇对甲醛的摩尔比为3：

1时，即可达到99%。

除了合成有用的缩醛外，这个反应是一个用于回收一些有价值的醛、酮和醇潜在的重要方法。

由于缩醛/缩酮产品具有相对较低的沸点，在反应过程中它可以被容易地分离出来并且随后可以被方便的水解成母体醇或醛/酮。

图13给出了由甲醇和甲醛制备甲缩醛的反应精馏工艺流程。

图13由甲醇和甲醛制备甲缩醛的反应精馏工艺

四、工艺过程分析

1.酯的水解

乙酸甲酯水解的常规工艺是用一个固定床反应器加上一个由几个蒸馏／萃取塔构成的复杂分离单元．反应的转化率被不利的平衡所限制（平衡常数为0.14－0.2）并且大量未转化的乙酸甲酯需要被分离和循环.反应在固定床内进行并且产物含有所有的四个组分。

它还需要四个塔分离甲醇和乙酸，并且将未转化的乙酸甲酯和甲醇一起循环到反应器中。

实验室规模的反应精馏工艺用于乙酸甲酯的水解，该工艺使用一种特殊形式的离子交换树脂，将该过程从常规的工艺转换为反应精馏工艺可以消除很多复杂的步骤，固体酸催化剂的使用消除了对废酸回收的需求以及对耐酸材料的需求。

树脂用聚乙烯粉固化成7mm×7mm的颗粒。

精馏塔内直接装填这些既起催化剂作用又起填料作用的颗粒。

图11就是两种工艺的情况。

图11乙酸甲酯水解的反应精馏工艺与传统工艺

水在反应段的顶部引入而乙酸甲酯在反应段的底部引入。

塔在乙酸甲酯-甲醇共沸物全回流的条件下，汽提段汽提除去所有的乙酸甲酯，因此塔底产品中几乎不含有乙酸甲酯。

仅含有甲醇、水和乙酸的塔底产品用两个串联的精馏塔能够容易地分成甲醇和乙酸产品。

这样，这个工艺从常规的工艺中取消的两个主要设备：

一是从乙酸甲酯中分离甲醇的水洗塔；二是从含甲醇的稀水溶液中回收甲醇的富集塔，该工艺的转化率能够达到约99%，与常规工艺相比较能耗减少50%。

该反应也被研究用流化床反应精馏塔，在该塔中催化剂颗粒在精馏筛板上保持悬浮状态。

2.醚化：

MTBE

MTBE还改善了燃料的耐水性，并且比其它添加剂如乙醇具有更高的热值。

反应精馏工艺能够超越平衡限制并且可以达到99%以上的转化率。

这个过程如图12所示，进行醚化到接近完全转化的另一个重要方面是可以有效利用从含有正构和异构丁烯的炼厂气中分离出来的异构烯烃，否则分离异构烯烃是非常困难的。

反应精馏塔能相当有效地处理混合烯烃并且开发利用存在的的惰性丁烯以改善其自身性能。

这种分离是必要的，因为要求n-丁烯以纯的形式生产纯1-丁烯，这样的1-丁烯方能作为乙烯聚合的共聚单体，生产丙烯酸酯的原料以及氧化生产丁二烯的原料。

图12TMBE的生产过程：

一个绝热反应器和一个反应蒸馏塔

MTBE生产的常规的工艺使用一个甲醇稍微过量的反应器（甲醇/异丁烯=1.05-2.0），产物收率约为平衡转化率的90%-95%。

反应混合物利用精馏的方式分离，但是由于二元共沸物甲醇-MTBE和异丁烯-甲醇的形成导致；该分离过程的复杂化。

未反应的异丁烯难以从其它的挥发性组分中分离出来。

而另一方面，在反应精馏工艺中，异丁烯几乎完全转化，因此消除了分离和循环问题。

反应精馏塔由三部分组成，塔的中间段装填有固体催化剂的反应区，上部无反应的精馏段完成惰性气体与过量甲醇的分离，而底部分离出高纯度的MTBE。

MTBE的沸点是328K而甲醇的沸点是337.5K，出人意料的是MTBE是塔底产品而未反应的较高沸点的甲醇则作为塔顶馏出物而被收集到，这种现象是由于异丁烯和甲醇形成低沸点的共沸物引起的，这导致甲醇从塔的提馏段上升到塔顶。