《典型化工工艺》专题三 管式炉裂解产乙烯（2）-讲义

山东省《典型化工工艺》 举一反三考点练 专题三 管式炉裂解产乙烯-（2）讲义 1.了解产乙烯的工艺条件之裂解原料。 2.了解产乙烯的工艺条件之裂解温度和停留时间。 3.了解产乙烯的工艺条件之压力和稀释剂。 知识点一 裂解原料 在工业裂解原料中主要组成为正构烷烃、异构烷烃、环烷烃及芳烃，其化学稳定性为： ①烷烃的相对稳定性随分子量增加或碳链的增长而降低，稳定性顺序为CH₄>C₂H₈>C₂H…… ②对脱氢而言，其脱氢能力为叔氢>仲氢>伯氢； ③对相同碳原子数的碳氢化合物而言，其热稳定性顺序为：正构烷烃<异构烷烃<环烷烃<芳烃； ④ 对同一烃类而言，烷烃、环烷烃的断链较脱氢容易，而芳烃则因结构影响，脱氢较断链容易。 1. 族组成(简称PONA 值 ) PONA 值(各族烃的质量百分含量)。P- 烷族烃N- 环烷族烃 0-烯族烃 A一芳香族烃 愿料愈轻，乙烯收率愈高。随着烃分子量增大，N+A 含量增加，乙烯收率下降，液态裂解产物收率逐渐增加。 原料的 PONA 值常被用来判断其是否适宜作裂解原料的重要依据，我国轻柴油是较理想的裂解原料。 2.原料氢含量 相同碳原子数时，烷烃含氢量最高，环烷烃含氢量次之，芳烃含氢量最低，含氢量高的原料，裂解深度可深些，产 物中乙烯收率也高。 氢含量P>N>A 乙烯收率P>N>A 液体产物收率P<N<A, 容易结焦倾向P<N<A。 （多项选择题）关于工业裂解原料的化学性质与裂解性能，以下说法正确的是（ ） A. 正构烷烃的热稳定性高于异构烷烃和芳烃。 B. 叔氢原子比仲氢、伯氢更容易发生脱氢反应。 C. 原料中P（烷烃）含量越高，乙烯收率通常越高，但液态产物收率越低。 D. 芳烃因氢含量低，裂解时易发生断链反应，导致结焦倾向显著。 【答案】B、C 【解析】A错误：热稳定性顺序应为正构烷烃 < 异构烷烃 < 芳烃。 B正确：脱氢能力为叔氢 > 仲氢 > 伯氢。 C正确：P（烷烃）氢含量高，乙烯收率高；液态产物与N+A含量正相关。 D错误：芳烃易脱氢而非断链，脱氢是结焦的主因。 1.关于不同烃类的热稳定性，下列说法正确的是（ ） A. 相同碳数的正构烷烃比环烷烃更稳定。 B. 芳烃由于具有共轭结构，热稳定性最高。 C. 叔氢比伯氢更容易断裂，因此带支链的烷烃更稳定。 D. 甲烷（CH₄）是烷烃中最不稳定的。 【答案】B 【解析】A错误：环烷烃比正构烷烃更稳定。 B正确：芳烃的共轭结构使其热稳定性最高。 C错误：叔氢易脱氢，但带支链的烷烃（异构烷烃）比正构烷烃稳定。 D错误：甲烷是最稳定的烷烃。 2.某裂解原料的PONA分析显示：P=60%，N=25%，A=15%。以下推断错误的是（ ） A. 该原料乙烯收率较高，适合生产烯烃。 B. 裂解后液态产物（如燃油）收率较低。 C. 芳烃（A）含量较高，结焦倾向显著。 D. 原料含氢量较高，可进行较深度的裂解。 【答案】C 【解析】A正确：P（烷烃）含量高，乙烯收率高。 B正确：液态产物主要来自N+A，该原料N+A=40%，不算高。 C错误：芳烃仅占15%，结焦倾向不显著（需>20%才有明显影响）。 D正确：P含量高意味着氢含量高，可深度裂解。 3裂解过程中，不同烃类的断链与脱氢倾向不同，以下描述正确的是（ ） A. 正己烷（C₆H₁₄）主要发生脱氢反应，生成苯（C₆H₆）。 B. 环己烷（C₆H₁₂）比正己烷更容易发生断链反应。 C. 苯（C₆H₆）因结构稳定，裂解时优先发生断链而非脱氢。 D. 异构烷烃（如2-甲基戊烷）比正构烷烃更易发生断链反应。 【答案】B 【解析】A错误：正己烷以断链为主（生成小分子烯烃），脱氢生成苯需苛刻条件。 B正确：环烷烃断链比脱氢容易（开环生成烯烃）。 C错误：苯的脱氢比断链容易（芳环难以断裂，易缩合结焦）。 D错误：异构烷烃断链比正构烷烃难（支链保护C-C键）。 1.下列哪种原料在裂解时乙烯收率最高？（ ） A. 轻柴油（P=65%，N=20%，A=15%） B. 石脑油（P=50%，N=30%，A=20%） C. 重油（P=30%，N=40%，A=30%） D. 液化石油气（LPG，主要成分为C₃~C₄烷烃） 【答案】D 【解析】乙烯收率与原料中烷烃（P）含量和轻质程度正相关。LPG为轻质烷烃，几乎不含环烷烃和芳烃，乙烯收率最高。 2.以下哪种烃类在裂解过程中最容易导致结焦？（ ） A. 正庚烷（C₇H₁₆） B. 甲基环己烷（C₇H₁₄） C. 甲苯（C₇H₈） D. 异辛烷（C₈H₁₈） 【答案】C 【解析】芳烃（甲苯）氢含量低，易发生脱氢缩合反应生成焦炭，结焦倾向最高。 3.某裂解装置以环己烷（C₆H₁₂）为原料，最可能的主要产物是（ ） A. 苯（C₆H₆）+ 氢气 B. 乙烯（C₂H₄）+ 丁烯（C₄H₈） C. 甲烷（CH₄）+ 戊烯（C₅H₁₀） D. 丙烯（C₃H₆）+ 丙烷（C₃H₈） 【答案】B 【解析】环烷烃优先发生断链（开环）而非脱氢，生成小分子烯烃（如乙烯+丁烯）。脱氢生成苯需催化剂或更高温度。 4.某工厂希望提高裂解装置的乙烯产量，但现有原料的PONA分析显示A=25%。以下措施最合理的是（ ） A. 增加裂解温度以促进芳烃断链 B. 掺入更多轻柴油（P含量高）降低A比例 C. 延长原料在反应器的停留时间 D. 提高反应压力以减少结焦 【答案】B 【解析】芳烃（A）含量高会降低乙烯收率，掺入高P原料可直接改善PONA值。 A错误：芳烃断链极难，高温反而加剧结焦。 C错误：延长停留时间会加剧二次反应（如缩合结焦）。 D错误：低压才有利于烯烃生成。 烃类化学稳定性规律： 烷烃稳定性随碳链增长而降低（CH₄ > C₂H₆ > ...）。 脱氢能力：叔氢 > 仲氢 > 伯氢。 同碳数烃类热稳定性：正构烷烃 < 异构烷烃 < 环烷烃 < 芳烃。 断链与脱氢倾向：烷烃/环烷烃易断链，芳烃易脱氢。 PONA值（族组成）： P（烷烃）、N（环烷烃）、O（烯烃）、A（芳烃）的质量百分含量。 原料越轻（P含量高），乙烯收率越高；N+A含量高则液态产物增加。 氢含量与裂解性能： 氢含量：烷烃（P） > 环烷烃（N） > 芳烃（A）。 乙烯收率与氢含量正相关（P > N > A）。 结焦倾向：芳烃（A）最易结焦，烷烃（P）最不易 知识点二 工艺条件之裂解温度和停留时间 裂解深度就是裂解反应的进行程度。裂解深度愈高，表示裂解反应进行得愈深，则原料转化率愈高，H₂ 和CH₄ 释出得愈多，气态产物量愈大，残余液体产物的氢含量愈低。以下是其表示方法： (1)转化率：它以原料转化的多少来表示裂解进行的深度。对纯组分原料作裂解，用转化率表示裂解深度比较方便和准确。对混合烃裂解则比较复杂，通常选其中一种烃作当量组分计算转化率，如乙烷、丙烷混合裂解，选丙烷作当量 组分，以丙烷的转化率表示裂解深度。对石脑油裂解，可选正戊烷作当量组分计算其转化率。 (2)乙烯产率：它以获得目的产品乙烯的质量多少来表示裂解过程的深度。此指标忽略了进料组成、温度和时间的重要影响。 (3)出口温度：它以裂解产品离开裂解炉的出口温度的高低来衡量裂解进行的深度。670~720℃为浅度，720~ 746℃为中度、746℃以上为深度。此指标的缺点是忽略了温度分布情况和停留时间的因素。 (4)裂解深度函数T-t：表示了温度T和时间t对裂解的独立影响，但未反映出T和 t的相互关系。 (5)动力学深度函数KSF：此种表示法既能反映温度T与接触时间t的相互关系，又把原料烃的裂解反应动力学性质联系起来了。既考虑了操作条件，又考虑了原料性质，比较客观地反映了裂解反应的情况。 关于乙烷裂解制乙烯过程中裂解温度和停留时间的关系，以下哪些说法是正确的？ A. 温度过低，即使停留时间很长，也无法得到高收率的乙烯。 B. 提高温度可以缩短停留时间，从而减少二次反应的发生，提高乙烯收率。 C. 停留时间过长会导致二次反应增多，乙烯的损失加剧。 D. 温度和停留时间是相互制约的，适宜的停留时间可以提高乙烯的生成量和收率。 【答案】A、B、C、D 【解析】A：正确。温度过低，即使停留时间很长，也无法得到高收率的乙烯。 B：正确。提高温度可以缩短停留时间，从而减少二次反应的发生，提高乙烯收率。 C：正确。停留时间过长会导致二次反应增多，乙烯的损失加剧。 D：正确。温度和停留时间是相互制约的，适宜的停留时间可以提高乙烯的生成量和收率。 1.在乙烷裂解制乙烯的过程中，关于温度和停留时间的相互关系，以下说法正确的是（ ） A. 温度越高，所需的停留时间越长，才能得到高收率的乙烯。 B. 温度越低，所需的停留时间越短，才能得到高收率的乙烯。 C. 在一定温度下，停留时间过长会导致乙烯的收率下降。 D. 停留时间对乙烯的收率没有显著影响，主要取决于温度。 【答案】C 【解析】A：错误。温度越高，最适宜的停留时间越短，而不是越长。 B：错误。温度越低，停留时间再长也难以得到高收率的乙烯。 C：正确。在一定温度下，停留时间过长会导致二次反应增多，乙烯的损失加剧，收率下降。 D：错误。停留时间和温度都对乙烯的收率有显著影响，两者是相互制约的。 2.在乙烷裂解制乙烯的过程中，以下哪种措施可以有效提高乙烯的收率？ A. 降低裂解温度并延长停留时间。 B. 提高裂解温度并缩短停留时间。 C. 保持裂解温度不变，大幅延长停留时间。 D. 保持停留时间不变，大幅降低裂解温度。 【答案】B 【解析】A：错误。降低裂解温度，即使延长停留时间，也难以得到高收率的乙烯。 B：正确。提高裂解温度并缩短停留时间可以减少二次反应的发生，从而提高乙烯的收率。 C：错误。延长停留时间会导致二次反应增多，乙烯的损失加剧，收率下降。 D：错误。降低裂解温度，即使保持停留时间不变，也难以得到高收率的乙烯。 3.在乙烷裂解制乙烯的过程中，关于裂解温度和停留时间的相互制约关系，以下说法错误的是： A. 温度和停留时间是相互依赖的，两者都不能偏废。 B. 提高温度可以缩短停留时间，从而减少二次反应的发生。 C. 停留时间过长会导致二次反应增多，乙烯的收率下降。 D. 温度越高，最适宜的停留时间越长，以确保乙烯的高收率。 【答案】D 【解析】A：正确。温度和停留时间是相互依赖的，两者都不能偏废。 B：正确。提高温度可以缩短停留时间，从而减少二次反应的发生。 C：正确。停留时间过长会导致二次反应增多，乙烯的收率下降。 D：错误。温度越高，最适宜的停留时间越短，而不是越长。 1.在乙烷裂解制乙烯的过程中，如果裂解温度较低，以下哪种情况最有可能发生？ A. 乙烯收率显著提高 B. 乙烷转化率显著提高 C. 二次反应显著减少 D. 乙烯收率和乙烷转化率均较低 【答案】D 【解析】A：错误。低温下乙烯收率不会显著提高，因为一次反应不充分。 B：错误。低温下乙烷转化率不会显著提高，因为裂解反应需要较高的温度。 C：错误。低温下二次反应减少，但一次反应也不充分，乙烯收率仍然较低。 D：正确。低温下，一次反应不充分，乙烯收率和乙烷转化率均较低。 2.在乙烷裂解制乙烯的过程中，为了提高乙烯的收率，以下哪种操作是合理的？ A. 在高温下大幅延长停留时间 B. 在高温下适当缩短停留时间 C. 在低温下大幅延长停留时间 D. 在低温下适当缩短停留时间 【答案】B 【解析】A：错误。高温下大幅延长停留时间会增加二次反应，导致乙烯收率下降。 B：正确。高温下适当缩短停留时间可以减少二次反应，提高乙烯收率。 C：错误。低温下大幅延长停留时间会导致一次反应不充分，乙烯收率较低。 D：错误。低温下适当缩短停留时间虽然可以减少二次反应，但一次反应也不充分，乙烯收率仍然较低。 3.在乙烷裂解制乙烯的过程中，关于裂解温度和停留时间的相互关系，以下哪种说法是正确的？ A. 温度越高，最适宜的停留时间越长，以确保乙烯的高收率 B. 温度越低，最适宜的停留时间越短，以确保乙烯的高收率 C. 温度越高，最适宜的停留时间越短，以减少二次反应的发生 D. 温度和停留时间对乙烯收率没有显著影响 【答案】C 【解析】A：错误。温度越高，最适宜的停留时间越短，而不是越长。 B：错误。温度越低，最适宜的停留时间越长，但乙烯收率仍然较低。 C：正确。温度越高，最适宜的停留时间越短，以减少二次反应的发生，从而提高乙烯收率。 D：错误。温度和停留时间对乙烯收率有显著影响，两者是相互制约的。 4.在乙烷裂解制乙烯的过程中，如果停留时间过长，以下哪种情况最有可能发生？ A. 乙烯收率显著提高 B. 乙烷转化率显著提高 C. 二次反应显著减少 D. 乙烯收率和乙烷转化率均显著提高 【答案】B 【解析】A：错误。停留时间过长会导致二次反应增多，乙烯收率下降。 B：正确。停留时间过长，一次反应进行得更充分，乙烷转化率显著提高，但乙烯收率会因二次反应而下降。 C：错误。停留时间过长会导致二次反应增多，而不是减少。 D：错误。停留时间过长，虽然乙烷转化率会提高，但乙烯收率会因二次反应而下降。 温度和停留时间的相互依赖性： 温度过低，即使停留时间很长，也无法得到高收率的乙烯。 停留时间过短，即使温度很高，也无法得到高收率的乙烯。 温度和停留时间的相互制约性： 在一定的温度条件下，停留时间过长，一次反应进行得更充分，乙烷的转化率增大，但二次反应也增多，导致乙烯的损失加剧，实际产率下降。 适宜的停留时间可以提高乙烯的生成量，同时减少因二次反应导致的乙烯损失，从而提高乙烷的转化率和乙烯收率。 提高温度的影响： 提高温度可以缩短停留时间，温度越高，最适宜的停留时间越短。 短的停留时间可以减少二次反应的发生，从而提高乙烯的收率。 知识点三 压力和稀释剂 1.压力 (1)从化学平衡分析：减小压力对裂解一次反应(体积增大的反应)有利，对二次反应(体积减小的反应)不利。 (2)从反应速度：烃类裂解的一次反应是单分子反应，浓度的改变对双分子和多分子反应速度的影响比对单 分子反应速度的影响要大得多。降低压力可增大一次反应对二次反应的相对速度。所以，降低压力可抑制聚合 或缩合等二次反应，从而减轻结焦的程度。 2.稀释剂 裂解过程是在高温下操作，不易采用真空操作。由于高温密封不易， 一旦空气漏入负压操作的裂解系统，便会 造成爆炸危险，而且减压操作对分离工序的压缩操作也不利，会增加能耗。稀释剂的加入，降低了反应物的分压，有利于产物收率的提高，对结焦的二次反应有抑制作用。因此，裂解操作是采用向系统中加入稀释剂来降 低烃类分压方法来达到减压操作目的。 稀释剂一般采用水蒸气。其优点是：①水蒸气具有较大的比热容，升温 时虽然消耗热量较多，但能使炉管温度分布均匀，减少局部过热，在一定程度上保护了炉管；②水蒸气与裂解产 物气容易分离，对裂解气质量无影响；③可抑制原料中的硫对合金钢裂解炉管的腐蚀作用；④水蒸气在高温下 能与裂解炉管中沉积的焦炭发生反应，起到了对裂解炉管内表面的清焦作用：⑤水蒸气对裂解管炉管内表面金 属具有一定氧化作用，使金属表面的铁、镍形成氧化物薄膜，减轻了铁和镍对烃类气体分解生碳的催化作用。 （多项选择题）关于裂解过程中降低烃分压的作用及水蒸气作为稀释剂的优点，下列说法正确的是（ ） A. 降低压力可促进一次反应（断链、脱氢），同时抑制二次反应（结焦）。 B. 减压操作易导致空气漏入系统，故工业上采用水蒸气稀释来降低烃分压。 C. 水蒸气能均匀炉管温度，但会加剧裂解炉管表面的铁、镍催化结焦。 D. 水蒸气在高温下可与焦炭反应（C + H₂O → CO + H₂），起到清焦作用。 【答案】A、B、D 【解析】A正确：降低压力使化学平衡向体积增大的方向移动（一次反应），并减少二次反应（缩合/聚合）。 B正确：真空操作风险高，水蒸气稀释是工业常用方法。 C错误：水蒸气形成的氧化物薄膜可抑制铁、镍的催化结焦作用。 D正确：水蒸气与焦炭发生气化反应（水煤气反应），清除炉管积碳。 1.关于裂解反应中压力的影响，下列说法错误的是（ ） A. 降低压力有利于体积增大的断链反应 B. 提高压力可以抑制烯烃聚合等二次反应 C. 减压操作会增加分离工序的能耗 D. 工业上采用水蒸气稀释来替代真空减压 【答案】B 【解析】A正确：减压促进一次反应（断链、脱氢等体积增大的反应）。 B错误：提高压力会促进二次反应（如聚合、缩合等体积减小的反应）。 C正确：真空操作对后续压缩分离不利，能耗增加。 D正确：水蒸气稀释是工业常用方法，避免真空操作风险。 2.水蒸气作为裂解稀释剂不具备以下哪种作用？（ ） A. 降低烃分压，提高乙烯收率 B. 与焦炭反应生成CO和H₂，清除炉管积碳 C. 提高裂解气的热值，减少燃料消耗 D. 抑制硫对合金钢炉管的腐蚀 【答案】C 【解析】A正确：水蒸气稀释降低烃分压，促进一次反应。 B正确：水蒸气与焦炭发生水煤气反应（C + H₂O → CO + H₂）。 C错误：水蒸气会降低裂解气热值（因稀释作用），但优点远大于此缺点。 D正确：水蒸气可缓解硫对炉管的腐蚀。 3.裂解操作中采用水蒸气稀释的主要目的是： ① ______（降低烃分压，替代真空操作）； ② ______（通过水煤气反应清除炉管焦炭）。 【答案】① 避免空气漏入爆炸风险② 在线清焦 【解析】水蒸气稀释既能实现减压效果，又避免真空操作的安全隐患（空填①）。 水蒸气与焦炭反应生成CO和H₂，实现不停工清焦（空填②）。 1.（多项选择题）关于烃类裂解反应的特点，下列说法正确的是（ ） A. 裂解反应是体积减小的反应，因此提高压力有利于乙烯生成 B. 一次反应主要是断链和脱氢反应，生成小分子烯烃和氢气 C. 二次反应主要是烯烃聚合反应，会降低乙烯选择性 D. 降低反应温度可以显著提高乙烯收率 【答案】B、C 【解析】A错误：裂解一次反应是体积增大的反应，降低压力才有利于乙烯生成 B正确：一次反应主要包括断链和脱氢，生成乙烯、丙烯等小分子 C正确：二次反应如烯烃聚合、芳烃缩合会降低目标产物收率 D错误：需要高温（750-850℃）才能保证足够的裂解深度 2.工业裂解过程中选择水蒸气作为稀释剂的原因不包括（ ） A. 水蒸气比热容大，可以使炉管温度分布均匀 B. 水蒸气可以与裂解气中的烯烃发生加成反应 C. 水蒸气容易与裂解产物分离，不影响产品质量 D. 水蒸气可以抑制炉管金属表面对结焦的催化作用 【答案】B 【解析】B错误：水蒸气不会与烯烃发生化学反应A、C、D均为水蒸气作为稀释剂的优点 3.下列哪种操作会显著增加裂解过程中的结焦倾向（ ） A. 将裂解温度从800℃提高到850℃ B. 在原料中添加5%的水蒸气 C. 将停留时间从0.3秒延长到0.5秒 D. 将原料中的烷烃含量从60%提高到70% 【答案】C 【解析】C正确：延长停留时间会加剧二次反应，促进结焦 A错误：适当提高温度主要促进一次反应 B错误：水蒸气可以抑制结焦 D错误：提高烷烃含量会减少结焦 4.某工厂有以下四种裂解原料可供选择，从乙烯收率角度考虑，最优选择是（ ） A. 轻柴油（P=65%，N=20%，A=15%） B. 石脑油（P=55%，N=30%，A=15%） C. 加氢尾油（P=75%，N=15%，A=10%） D. 减压柴油（P=40%，N=35%，A=25%） 【答案】C 【解析】C选项P含量最高（75%），A含量最低（10%），最有利于乙烯生产 D选项A含量过高（25%），乙烯收率最低 压力影响：减小压力有利于一次反应，不利于二次反应。 反应速度：降低压力可抑制二次反应，减轻结焦。 稀释剂（如水蒸气）降低反应物分压，提高产物收率，抑制结焦。 优点：比热容大，保护炉管。易于分离，不影响裂解气质量。抑制腐蚀，清焦作用，氧化保护 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$