精细化工工艺学思考题与习题
《精细化工工艺学》思考题与习题
第一章 绪论
1. 何谓精细化学品？
精细化学品: 指对基本化学工业生产的初级或次级化学品进行深加工而制取的具有特定功能、特定用途、小批量、多品种、附加价值高、技术密集的一类化工产品。如医药,化学试剂等。
2. 精细化工有哪些特点？
多品种、小批量，技术密集度高，综合生产流程和多功能生产装置，大量采用复配技术，投资少、附加价值高、利润大，
3. 何谓精细化工率？目前世界发达国家及我国的精细化工率分别为多少？
国际上将精细化工产品在化学品销售总额中的比例定义为精细化工率。
精细化工率=精细化工产品的总值/化工产品的总值×100%,
美国精细化工率已由20世纪70年代的40%上升为现在的60%,德国由38.4%上升为65%,日本为60%左右，瑞士95％。我国从1985年的23.1%提高到1994年的29.78%,2002年已达39.44%，目前约为45%。
4. 中国新领域精细化工包括哪些门类？
饲料添加剂、食品添加剂、表面活性剂、水处理化学品、造纸化学品、皮革化学品、油田化学品、胶黏剂、电子化学品、气雾剂。
第二章 精细化工工艺学基础及技术开发
1. 基本概念：限制反应物、过量反应物、过量百分数、转化率、选择性、理论收率、原料消耗定额、单程转化率、总转化率。
限制反应物：以最小化学计量数存在的反应物，过量反应物：用量超过“限制反应物”完全反应的理论量，过量百分数：
1 转化率（x ）
定义：某一种反应物A 反应掉的量N AR 占其向反应器中输入的量N A,in 的百
分数叫作反应物A 的转率x A
%100,,,,?-==in
A out A in A in A AR A N N N N N x 同一反应以不同的反应物为计算基准，可得到不同的转化率。
NA ，out 表示A 从反应器输出的量。均以摩尔数表示。
选择性：指某一反应物转变成目的产物，其理论消耗的摩尔数占该反应物实际消耗掉的总摩尔数的百分比。
过量百分数=N e N t —N t ×100
理论收率：指生成的目的产物的摩尔数占输入的反应物摩尔数的百分数。
in
A p p N N p y ,?=α 转化率、选择性和理论收率者之间的关系为：y = s ?x αA +
B pP
原料消耗定额：定义：指每生产一吨产品需要消耗多少吨（或公斤）各种原料。 对于主要反应，原料消耗定额为重量收率的倒数。
单程转化率、总转化率
9．单程转化率和总转化率
主要是对于每次反应转化率很低，但反应物又可回收循环套用的反应。设：
R in A N ,为反应物A 输入反应器的摩尔数；
R out A N ,为反应物A 输出反应器的摩尔数； S in A N ,为反应物A 输入全过程的摩尔数；
S out A N ,为反应物A 输出全过程的摩尔数；
则：%100%100,,,,,,?-=?-=S in A S out A S in A R in
A R out A R in A N N N N N N 总转化率单程转化率
例：教材P42
反应器 分离器
C6H6 60mol c b a a: C 6H 6 100mol b: C 6H 6 61mol C 6H 5Cl 38mol C 6H 4Cl 2 1mol c: C 6H 6 1mol C 6H 5Cl 38mo 苯的单程转化率=39.0% 苯的总转化率=97.5% 生成氯苯的选择性=97.44% 生成氯苯的总收率=95.0%
2. 一个新的精细化工过程开发分为哪几个阶段？
一个新的过程开发可分为三大阶段：实验室研究阶段、中间试验阶段、工业化阶段
3. 配方优化设计的方法有哪些？
配方优化设计方法有很多，常用的有单因素优选法,多因素、多水平优选法（包括全面
试验法、正交试验法、均匀设计法等）。
4.何谓正交实验？L9（34）的含义是什么？
正交试验法也叫正交试验设计法，它是用“正交表”来安排和分析多因素试验的一种数理统计方法。这种方法的优点是试验次数少，效果好，方法简单，使用方便，效率高。
L9（34）：含意如下：“L”代表正交表；L下角的数字“9”表示有9横行，简称行，即要做九次试验；括号内的指数“4”表示有4纵列，简称列，即最多允许安排的因素是4个；括号内的数“3”表示表的主要部分只有3种数字，即因素有三种水平l、2和3.
5.简要说明精细化工新产品的开发程序。
1. 选择研究课题
2.课题可行性分析和论证
课题的意义、是否重复研究；
科学和技术上的可行性与合理性
经济效益和社会效益
3.实验研究
即所谓小试，考察生产方法、生产流程；寻找合适的工艺条件和操作条件。
4.中间试验
5.性能、质量测定和鉴定
权威机构检测
用户试用
第三章精细化工单元操作过程与设备
1.精细化工对生产工艺有哪些要求？
在能够实现目标产品要求的前提下，工艺简单、流程简短、条件不苛刻、操作方便、生产成本低、原料来源广泛。
2.精细化工对实现生产工艺的设备有哪些要求？
满足生产工艺要求、安全可靠性高、使用耐久性好、经济合理性佳。
生产工艺能否顺利实现，与设备的型式、结构、尺寸以及操作条件等因素均密切相关。
3.精细化工的单元操作包括哪些方面？
4.液体、固体、气体物料的输送设备各有哪些类型？
液体物料的输送：泵（泵通常按工作原理分为容积式泵、动力式泵和其他类型泵，如射流泵、水锤泵、电磁泵、气体升液泵等。）固体物料的输送：(1)带式输送机(2)斗式提升机(3)刮板输送机(4)螺旋输送机(6)O型带输送机(5)气力输送机。气体物料的输送：(1)通风机（3）压缩机（2）鼓风机，(4)真空泵
5.对反应设备的选择要考虑哪些因素？
精细化工产品的生产涉及的化学反应很多，但反应的过程基本上是在反应器内完成的，因此反应器是核心的设备。
正确选择反应设备的形式、结构尺寸、确定最适宜的反应温度、浓度和物料流动状态是精细化工生产能否达到工艺要求的关键，是保证主产品的生成、分离提纯和减少污染的关键。
6.反应设备分类：
①按反应器的几何形状分为：釜式、管式、塔式等类型。
②按操作方法分为：间歇式、半间歇式、连续式等几种。
③按反应物的相态，气相反应一般采用管式反应器，单一的液相反应可以采用
釜式也可以采用管式反应器，气—液非均相反应可采用
釜式、管式、塔式反应器，气—固非均相反应可采用
床类、管式、塔式式反应器。
④按反应条件（吸热放热要求）分为：等温反应器、不等温反应器、绝
热反应器三种。
7.塔式反应器的的种类、结构、特点及应用范围。
①鼓泡塔：圆柱形塔体内设挡板及鼓泡器构成鼓泡塔式反应器，液体物料从塔顶加入，从底部流出；气体物料从塔底部通入，分散成气泡沿液层上升，从塔顶排出。
结构简单、造价低、易控制和维修；不同的选材可以适用于腐蚀性的反应物料；用于高压操作也很方便。
适用于气一液相反应及气一固三相反应，是生产中应用较广泛的气液反应设备。
②填料塔：塔内部有填充物，填充物可为圆环、螺旋环或马鞍环等，是广泛使用的气体吸收设备。填料塔适宜于处理气体物料量大而液体物料量小的过程。
③板式塔：塔体内部有塔板结构，可采用筛板或泡罩板，在每块塔板上，气体分散于液体中，故气体为分散相，液体为连续相。适用于气液相逆流操作的反应和要求伴随蒸馏的化学反应。
④喷雾塔：喷雾塔系将液体分散于气体中，气体为连续相，液体为分散相。塔体内部可有搅拌装置或脉冲振动装置，适用于气液、液液、液固等非均相反应、气液相进行的快速反应及要求伴随萃取的化学反应。
8.床类反应器的种类、结构、特点及应用范围。
①固定床反应器：反应气体从筒体上部进，经过气体预分布装置均匀通过催化剂层进行反应，在从下部引出。特点：结构简单、操作稳定、便于控制、易实现大型化和连续化生产等优点，是现代化工和反应中应用很广泛的反应器。
②移动床反应器：在反应器顶部连续加入颗粒状或块状固体反应物或催化剂，随着反应的进行，固体物料逐渐下移，最后自底部连续卸出。流体则自下而上（或自上而下）通过固体床层，以进行反应。由于固体颗粒之间基本上没有相对运动，但却有固体颗粒层的下移运动，因此，也可将其看成是一种移动的固定床反应器。
移动床反应器的主要优点是固体和流体的停留时间可以在较大范围内改变，返混较小（与固定床反应器相近），对固体物料性状以中等速度（以小时计）变化的反应过程也能适用。与此相比，固定床反应器和流化床反应器分别仅适用于固体物料性状变化很慢（以月计）和很快（以分、秒计）的反应过程。移动床反应器的缺点是控制固体颗粒的均匀下移比较困难。
用移动床反应器的重要化工生产过程有连续重整、二甲苯异构化等催化反应过程和连续法离子交换水处理过程。
③流化床反应器：利用气体或液体自下而上通过固体颗粒床层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固反应或者液固反应的反应器。优点：①能实现固体物料的连续输入和输出；
②特别适用于强放热反应；③便于进行催化剂的连续再生和循环操作。
局限性：①目的产物的收率低；②反应转化率较低；③催化剂加速粉化，流失大；④经验性操作，随意性大。流化床反应器用于气固反应，固定床反应器用于气液反应，催化剂多为固体。
9.精细化工生产中的一些分离操作：
①过滤
②沉降
③蒸发
④结晶
⑤萃取
⑥超临界流体分离
⑦固体膜分离
⑧液膜分离
10. 影响过滤操作的因素：物料性质、过滤介质和过滤条件、。
11. 过滤设备主要有：叶滤机、板框压滤机、回转真空过滤。
12. 蒸发操作可以在常压、加压和减压的条件下进行，蒸发操作的流程根据对蒸汽的利用方法分为：单效蒸发流程和多效蒸发流程两大类。
13. 蒸发器类型很多，按溶液的流动方式主要分为：单程型和循环多程型两大类。单程型蒸发器又称薄膜蒸发器，是精细化工生产中最常用的。
14. 薄膜蒸发器有哪些优点？
蒸发效率高、宽广的粘度加工范围、停留时间短、可消除结焦、结垢、生产能力调节幅度大、在蒸发去设备的贮液量低、操作方便，产品指标易控制。
15. 薄膜蒸发器有哪些主要类型？
长筒型、圆筒型、刮膜板型、离心型。
16. 制备过饱和溶液的方法有哪些？
冷却法——自然冷却、间壁冷却、接触冷却
蒸发法——常压、加压、减压蒸发
真空蒸发冷却法——溶剂在真空的条件下迅速蒸发而后绝热冷却
化学反应结晶法——调节溶液pH值或加入反应试剂
盐析法——加入一些物质(盐析剂)
17. 精细化工生产中常用的结晶设备主要有：冷却结晶器、蒸发结晶器、真空结晶器和喷雾结晶器等几类。
18. 物料的干燥操作，根据热能供给的方式，分为：传导干燥、对流干燥、辐射干燥和介电加热干燥等四种。
19. 精细化工中常用的干燥设备有：厢式干燥器、转筒干燥器、沸腾床干燥器、滚筒干燥器、喷雾干燥器、耙式真空干燥器、红外线干燥器、微波干燥、冷冻干燥等。
20. 主要的萃取设备有：混合—搅拌澄清器、筛板萃取塔、填料萃取塔、转盘萃取塔、往复筛萃取塔、脉冲萃取塔、离心萃取塔等。
第四章表面活性剂
1. 表面活性剂的定义
是指在加入少量时能显著降低表面张力并改变体系界面状态的物质，具有亲水亲油的性质，能起乳化、分散、增溶、洗涤、润湿、发泡、保湿、润滑、杀菌、柔软、拒水、抗静电、防腐蚀等一系列作用。
2. 表面张力与表面活性剂浓度间存在何种关系？
(1)浓度↑,表面张力↑。如：NaCl Na2SO4 KOH NaOH KNO3等无机酸、碱、盐溶液。
(2)浓度↑,表面张力↓。如：有机酸、醇、醛、酮、醚、酯等极性物质溶液。
(3)随浓度增大，开始表面张力急剧下降，但到一定程度便不再下降。如：肥皂、长链烷基苯磺酸钠等溶液。这些物质称为表面活性剂。
1.表面活性剂有何结构特点？
双亲结构：亲油基和亲水基
2.何谓临界胶束浓度？表面活性剂浓度大小与胶束形状有何关系？
临界胶束浓度：表面活性剂分子或离子在溶液中开始形成胶束的最低浓度，简称cmc(Critical micella concentration)。
胶束：表面活性剂在溶液中超过一定浓度时会从单个离子或分子缔合成胶体粒子，即形成胶团或胶束。
当浓度超过cmc不是很大时，胶束呈表面不平的球状，亲油基朝向核以液体状态存在，球的外层区域被水化的亲水基与结合水包围。
当浓度超过cmc 10倍以上，胶束呈棒状，内核由亲油基构成，外层由亲水基排列而成。
当浓度更大时，胶束呈层状。
3.表面活性剂的亲水亲油性用何值来描述？通过哪些方法可得出该值？
亲水亲油平衡（Hydrophile-Lipophile Balance）。
在水－油－表面活性剂体系中，当表面活性剂的亲水性远大于亲油性时，表面活性剂表现为水溶性，反之表现为油溶性。当亲水性与亲油性相当时，则称亲水性与亲油性达到了平衡。于是产生了亲水亲油平衡（Hydrophile-Lipophile Balance）的概念，简称HLB。
他测量表面活性剂亲水或亲油的方法是，先假定油酸的HLB值为1.0，后作乳化实验，令乳化剂在乳化制品中，其亲水性与其亲油性基保持着不溶于水又不溶于油之下，即呈平衡态时与油酸HLB值比较所得相对数据，即为该乳化剂HLB值。
4.HLB值大小与表面活性剂的适用场合间有何关系？
5.离子型表面活性剂的溶解度与温度之间存在何种关系？
在低温时，表面活性剂一般都很难溶解。如果增加水溶液的浓度，达到饱和态，饱和了的表面活性剂便会从水中析出。但是，如果加热水溶液，达到某一温度时，其溶解度会突然增大。这个使表面活性剂的溶解度突然增大的温度点，称之为克拉夫点(Kraft Point)，也称之为临界溶解温度。
6.如何解释聚乙二醇型非离子型表面活性剂存在浊点？
聚乙二醇型非离子表面活性剂与离子型表面活性剂相反，将其溶液加热，达到某一温度时，透明溶液会突然变混浊，这一温度称为浊点。这一过程是可逆的，温度达浊点时乳浊液形成，降温时透明溶液又重现。当温度保持在浊点以上时，静置一定时间乳浊液将分层。7.乳状液一般分为哪几种类型？为什么乳状液中需要加入乳化剂？
乳状液可分水包油和油包水两种类型
乳状液是高度分散的不稳定体系，因为它有巨大的界面，所以整个体系的能量增大了。为了提高乳状液的稳定性，其中可采用的一种方法是加入表面活性剂。因加入表面活性剂，可降低两相界面的张力，促使乳液稳定。
8.阴离子型表面活性剂表面活性剂有何结构特点？有哪些主要类型？
结构特点：烃链C10—C20，亲水基羧酸、磺酸、硫酸、磷酸组成表面活性部分。
分类：通常按其亲水基分为羧酸盐型、磺酸盐型、硫酸（酯）盐型和磷酸（酯）盐型等。
9.羧酸盐型阴离子表面活性剂可应用于哪些方面？
用作洗涤剂、化妆品。
工业助剂：如油漆催干剂、防结块剂。塑料稳定剂等。
乳化剂、洗净剂等。
10.高级醇硫酸酯盐型表面活性剂有何特点？
特点：良好的洗净力、乳化力，泡沫丰富，易于生物降解，水溶性和去污力比肥皂好，耐硬水。
应用：是香波、合成香皂、浴用品、化妆品、家庭及工业洗涤剂的重要组分。
11.“磺酸盐型阴离子表面活性剂易溶于水，有良好的发泡作用，主要用于生产洗涤剂。”
对吗？
对
12.AOS的主要成分是什么？
a-烯烃磺酸盐（AOS）
AOS其主要成分：
烯基磺酸盐、羟基磺酸盐和少量的二磺酸盐。
13.简述AOS的特点及应用。
生物降解性好，对皮肤的刺激性小，去污力好，泡沫细腻、丰富而持久，因此在家庭和工业上均具有广泛的用途。适于配制个人保护、卫生用品如各种有盐的和无盐的香波、抗硬水的块皂、牙膏、浴液、泡沫浴等；以及各种家用洗涤剂等。
工业上AOS 主要用作乳液聚合用乳化剂、配制增加石油采收率的油田化学品、混凝土密度改进剂、发泡墙板、消防用泡沫剂等，还可用作农药乳化剂、润湿剂等。
14. 阳离子表面活性剂的主要类型有哪两大类？
主要为两大类：胺盐和季铵盐
N R 1
R 2R 3
·HX
（R 1为烷基，R 2、R 3为烷基或氢）N R 1
R 2R 3·R 4+X
（R 1R 2R 3R 4为烷基）、、、
15. 阳离子表面活性剂遇到哪些物质时会失效？
不能与肥皂或其它阴离子表面活性剂使用，否则引起阳离子活性物沉淀而失效；
16. 简述阳离子表面活性剂的应用领域。
（1）阳离子表面活性剂在固体表面吸附所形成的吸附膜具有独特的性能，该性能构成了其应用的特殊性。
织物柔软剂（textil softeners ），头发调理剂，
矿石浮选剂（flotation chemicals ），沥青乳化剂，
腐蚀抑制剂（corrosion inhibitors ），抗静电剂(antistatic agents)。
（2）阳离子表面活性剂可作为杀菌剂能应用于：
家庭、公共机构，工业以及医院的杀菌消毒，防腐防霉等；
游泳池和水处理的杀菌灭藻；
洗涤过程的消毒杀菌，及织物防霉；
油田杀菌灭藻。
（3）缓染剂
阳离子表面活性剂和阳离子染料在纤维上竞争吸附，可将其作为缓染剂。
17. 简述两性离子表面活性剂的结构特点及性质。
两性离子表面活性剂的分子的一端同时存在有酸性基和碱性基。
¨耐硬水，钙皂分散力较强，能与电解质共存；
¨可与阴、阳、非离子表面活性剂混配，生物降解性好；
¨与阴离子表面活性剂混合使用时与皮肤相容性好，毒性小，对皮肤刺激性低； ¨有抗菌性；
¨对硬表面及织物的去污力较好；
¨具有抗静电及织物柔软性能。
18. 分别写出羧基甜菜碱、磺基甜菜碱型表面活性剂的结构通式。
N CH 3
CH 2COO
CH 3
CH 3+三甲基乙酸铵N CH 3
CH 2COO
CH 3+R R ：C 12～C 18（甜菜碱）甜菜碱型表面活性剂
19. 简述甜菜碱型表面活性剂的应用领域。
表面活性甜菜碱最主要的应用领域是洗发香波和其它个人盥洗用品，具有对皮肤的温和效应并显示良好的头发调理性质；同时甜菜碱型表面活性剂也可作为抗静电剂和柔软剂。具有高碳烷基或酰胺烷基的磺基甜菜碱在硬水中防止皂沉淀，可作为钙皂分散剂。同时磺基甜菜碱与阴离子表面活性剂复配具有良好的协同效应。
20. 咪唑啉型两性离子表面活性剂有何特点？
两性咪唑啉产品性质温和、无毒，对眼睛刺激性低，对皮肤无过敏反应
在硬水和软水中均有良好的洗涤力、耐硬水、耐电解质、有钙皂分散能力、有良好的润湿性、对纤维织品有柔软性能，生物降解性良好，依结构不同可有高泡性或低泡性、对酸对碱稳定，在广泛的PH 范围内能与多种清洗剂组分相容，因而在清洗剂配方中有广泛的应用。
21. 非离子型表面活性剂的亲水、亲油基原料各有哪些物质？
亲油基原料是具有活泼氢原子的疏水化合物，如高碳脂肪醇、脂肪酸、高碳脂肪酰胺、脂肪酰胺等物质。
目前用量最大的是高碳脂肪醇。亲水基原料为环氧乙烷、聚乙二醇、单乙醇胺、二乙醇胺等
22. 非离子型表面活性剂可分为哪几类？
烷基酚聚氧乙烯醚
(AEPO )：脂肪醇聚氧乙烯醚
(AEO )：脂肪酸聚氧乙烯酯：
聚氧乙烯酰胺：
聚氧乙烯脂肪胺：吐温系列非离子表面活性剂
其它聚氧乙烯非离子表面活性剂
R O(CH 2CH 2O)nH RO(CH 2CH 2O)nH RCOO(CH 2CH 2O)nH RCON (CH 2CH 2O)nH (CH 2CH 2O)nH R N
(CH 2CH 2O)nH
(CH 2CH 2O)nH
23. 我国生产的脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO ）的主要品种有哪些？
我国生产的脂肪醇聚氧乙烯醚的主要品种（教材P68，表3-9）
24. 商品名为TX-10、OP-10的表面活性剂属于哪类表面活性剂？
烷基酚聚氧乙烯醚非离子表面活性剂
25. 何谓EO 分布指数？