2025年化工氫化考試題及答案解析一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.以下關(guān)于催化氫化反應(yīng)的描述中，錯(cuò)誤的是（）。A.氫氣分子在催化劑表面發(fā)生解離吸附是反應(yīng)的關(guān)鍵步驟B.液相加氫中，氫氣需先溶解于液相才能參與反應(yīng)C.熱力學(xué)上不可行的氫化反應(yīng)，無法通過催化劑實(shí)現(xiàn)D.內(nèi)擴(kuò)散阻力主要影響催化劑顆粒內(nèi)部的反應(yīng)速率2.工業(yè)上用于不飽和烴加氫的雷尼鎳（RaneyNi）催化劑，其制備過程中關(guān)鍵步驟是（）。A.鎳鋁合金的酸蝕脫鋁B.鎳粉與氧化鋁的機(jī)械混合C.鎳鹽溶液的高溫焙燒D.鎳納米顆粒的溶膠凝膠合成3.某氫化反應(yīng)的速率方程為\(r=k\cdotp_{\text{H}_2}^{0.5}\cdotc_{\text{底物}}\)，其反應(yīng)級(jí)數(shù)為（）。A.0.5級(jí)B.1級(jí)C.1.5級(jí)D.2級(jí)4.關(guān)于氫化反應(yīng)中“催化劑中毒”的描述，正確的是（）。A.硫、磷化合物引起的中毒通常為可逆中毒B.一氧化碳導(dǎo)致的中毒可通過通入氫氣再生C.積碳引起的失活屬于化學(xué)中毒D.重金屬離子污染不會(huì)影響催化劑活性5.以下氫化工藝中，最適合處理高沸點(diǎn)、難溶底物的是（）。A.氣固相連續(xù)氫化（固定床）B.氣液固三相間歇?dú)浠ǜ剑〤.液相加氫（溶劑溶解底物）D.漿態(tài)床懸浮氫化6.某氫化反應(yīng)的平衡常數(shù)\(K_p\)隨溫度升高而減小，說明該反應(yīng)（）。A.吸熱，高溫有利于正向進(jìn)行B.放熱，高溫有利于正向進(jìn)行C.吸熱，低溫有利于正向進(jìn)行D.放熱，低溫有利于正向進(jìn)行7.工業(yè)氫化反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，為提高傳質(zhì)效率，通常不采用的措施是（）。A.增加攪拌轉(zhuǎn)速B.減小催化劑顆粒粒徑C.降低反應(yīng)壓力D.采用微通道反應(yīng)器8.以下關(guān)于氫化反應(yīng)安全控制的描述，錯(cuò)誤的是（）。A.氫氣泄漏檢測(cè)應(yīng)使用催化燃燒式或電化學(xué)傳感器B.反應(yīng)體系需設(shè)置爆破片防止超壓C.含不飽和鍵的底物可能因過度氫化放熱導(dǎo)致飛溫D.催化劑再生時(shí)，直接通入空氣灼燒積碳9.對(duì)于環(huán)己烯加氫制環(huán)己烷的反應(yīng)，若催化劑活性組分選擇錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致的副反應(yīng)是（）。A.環(huán)己烷脫氫生成環(huán)己烯B.環(huán)己烯異構(gòu)化為甲基環(huán)戊烯C.環(huán)己烷裂解為甲烷和乙烯D.環(huán)己烯聚合生成高聚物10.某企業(yè)采用Pd/C催化劑進(jìn)行芳香硝基化合物加氫，反應(yīng)后催化劑分離困難，最可能的原因是（）。A.催化劑粒徑過大（>100μm）B.反應(yīng)溶劑極性過低（如正己烷）C.催化劑表面疏水性過強(qiáng)D.反應(yīng)溫度過高導(dǎo)致催化劑燒結(jié)二、填空題（每空1分，共15分）1.催化氫化反應(yīng)的“三傳一反”中，“三傳”指動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和__________；“一反”指__________。2.工業(yè)常用的負(fù)載型氫化催化劑中，載體材料除氧化鋁外，還包括__________和__________（任寫兩種）。3.氣液固三相氫化中，氫氣的傳質(zhì)阻力主要來自__________和__________兩個(gè)界面。4.雷尼鎳催化劑的主要活性相是__________，其比表面積通常在__________\(\text{m}^2/\text{g}\)范圍內(nèi)。5.氫化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)研究中，若外擴(kuò)散控制，則提高_(dá)_________可顯著增加反應(yīng)速率；若內(nèi)擴(kuò)散控制，則需減小__________。6.不飽和醛（如丙烯醛）選擇性加氫時(shí)，目標(biāo)產(chǎn)物為不飽和醇（如烯丙醇），需選擇__________（填“金屬”或“金屬氧化物”）催化劑，并控制__________（填“溫度”或“壓力”）避免羰基完全加氫。7.氫化反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算中，吉布斯自由能\(\DeltaG\)需滿足__________（填“>0”或“<0”）時(shí)，反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行；若\(\DeltaH<0\)，則升高溫度會(huì)__________（填“增大”或“減小”）平衡轉(zhuǎn)化率。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述負(fù)載型金屬催化劑（如Pt/Al?O?）中載體的主要作用，并舉例說明載體性質(zhì)對(duì)催化性能的影響。2.比較間歇式氫化釜與連續(xù)式固定床反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)，分別說明其適用場(chǎng)景。3.分析氫化反應(yīng)中“飛溫”現(xiàn)象的主要原因及預(yù)防措施。4.某工廠使用Ni基催化劑進(jìn)行苯加氫制環(huán)己烷，運(yùn)行3個(gè)月后發(fā)現(xiàn)催化劑活性下降，推測(cè)可能的失活原因，并提出再生方案。5.對(duì)于氣液固三相氫化反應(yīng)，如何通過實(shí)驗(yàn)判斷反應(yīng)速率是受傳質(zhì)控制還是動(dòng)力學(xué)控制？（需給出具體實(shí)驗(yàn)方法及判斷依據(jù)）四、計(jì)算題（共15分）某企業(yè)采用Pd/C催化劑進(jìn)行對(duì)硝基苯酚（PNP）加氫制對(duì)氨基苯酚（PAP）的反應(yīng)，反應(yīng)式為：\(\text{PNP}+3\text{H}_2\rightarrow\text{PAP}+2\text{H}_2\text{O}\)已知：反應(yīng)在1.5MPa、80℃下進(jìn)行，氫氣分壓\(p_{\text{H}_2}=1.2\text{MPa}\)；動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得反應(yīng)速率方程為\(r=k\cdotc_{\text{PNP}}\cdotp_{\text{H}_2}^{0.5}\)，其中\(zhòng)(k=0.05\text{L}^{0.5}\cdot\text{mol}^{0.5}\cdot\text{min}^{1}\)（30℃時(shí)）；反應(yīng)活化能\(E_a=45\text{kJ/mol}\)；80℃下，PNP在溶劑中的初始濃度\(c_0=0.2\text{mol/L}\)。（1）計(jì)算80℃時(shí)的速率常數(shù)\(k'\)（提示：阿倫尼烏斯方程\(k=A\cdote^{E_a/(RT)}\)）；（5分）（2）若反應(yīng)為恒容過程，求初始反應(yīng)速率\(r_0\)（單位：\(\text{mol}\cdot\text{L}^{1}\cdot\text{min}^{1}\)）；（5分）（3）若反應(yīng)進(jìn)行到10min時(shí)，PNP轉(zhuǎn)化率為60%，求此時(shí)的反應(yīng)速率\(r_{10}\)。（5分）五、綜合分析題（共10分）某制藥企業(yè)需開發(fā)一種新型抗抑郁藥物中間體的氫化工藝，該中間體分子含1個(gè)硝基（NO?）和1個(gè)碳碳雙鍵（C=C），目標(biāo)產(chǎn)物需保留碳碳雙鍵并將硝基還原為氨基（NH?）。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一套完整的工藝優(yōu)化方案，包括：（1）催化劑的選擇（活性組分、載體、粒徑）；（2）反應(yīng)條件（溫度、壓力、溶劑）的控制依據(jù)；（3）傳質(zhì)強(qiáng)化措施；（4）安全與環(huán)保注意事項(xiàng)。答案及解析一、單項(xiàng)選擇題1.答案：C解析：催化劑只能改變反應(yīng)路徑、降低活化能，無法改變熱力學(xué)可行性（即\(\DeltaG\)不變）。若熱力學(xué)不可行（\(\DeltaG>0\)），催化劑無法使反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行。2.答案：A解析：雷尼鎳通過鎳鋁合金（通常含50%Ni）用NaOH溶液脫鋁制備，形成多孔骨架結(jié)構(gòu)，大幅增加比表面積。3.答案：C解析：反應(yīng)級(jí)數(shù)為各組分濃度（分壓）指數(shù)之和，即0.5（H?分壓）+1（底物濃度）=1.5級(jí)。4.答案：B解析：CO在金屬表面的吸附為可逆吸附，可通過通氫氣置換再生；硫、磷為強(qiáng)吸附毒物，引起不可逆中毒；積碳屬于物理覆蓋失活；重金屬離子（如Pb2?）會(huì)與活性位點(diǎn)結(jié)合導(dǎo)致中毒。5.答案：B解析：高沸點(diǎn)、難溶底物在液相中溶解度低，氣液固三相釜式反應(yīng)器可通過攪拌強(qiáng)化氣液傳質(zhì)，使氫氣與底物在催化劑表面接觸。6.答案：D解析：\(K_p\)隨溫度升高減小，說明升溫平衡逆向移動(dòng)，正向?yàn)榉艧岱磻?yīng)（\(\DeltaH<0\)），低溫有利于正向進(jìn)行。7.答案：C解析：降低壓力會(huì)減少氫氣在液相中的溶解度，降低傳質(zhì)推動(dòng)力，不利于傳質(zhì)；其他選項(xiàng)均能提高傳質(zhì)效率。8.答案：D解析：催化劑再生時(shí)直接通入空氣灼燒積碳可能引發(fā)氫氣空氣爆炸（若系統(tǒng)內(nèi)殘留氫氣），需先惰性氣體置換，再緩慢通入空氣。9.答案：B解析：若催化劑酸性過強(qiáng)（如含Al?O?載體），環(huán)己烯可能發(fā)生異構(gòu)化；Pd、Ni等金屬催化劑主要促進(jìn)加氫，不會(huì)引發(fā)裂解或聚合。10.答案：B解析：Pd/C催化劑通常為微米級(jí)顆粒（<50μm），若溶劑極性過低（如正己烷），催化劑表面疏水，易形成穩(wěn)定懸浮液，難以通過過濾分離；粒徑過大反而易沉降。二、填空題1.質(zhì)量傳遞；化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2.活性炭（C）；二氧化硅（SiO?）（或分子篩、硅藻土等）3.氣液界面；液固界面4.金屬鎳（Ni）；501505.攪拌速率（或氣液接觸面積）；催化劑顆粒粒徑6.金屬氧化物（如CuCr?O?）；溫度（低溫抑制羰基加氫）7.<0；減小三、簡(jiǎn)答題1.答案要點(diǎn)載體作用：①分散活性組分，提高比表面積（如Al?O?負(fù)載Pt，避免金屬團(tuán)聚）；②增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度（如SiO?載體用于固定床反應(yīng)器）；③調(diào)節(jié)表面酸堿性（如活性炭載體的弱酸性可抑制副反應(yīng)）；④熱穩(wěn)定性（如ZrO?載體耐高溫，防止燒結(jié)）。舉例：活性炭（C）載體因表面含弱酸性基團(tuán)，用于硝基苯加氫時(shí)可抑制脫鹵副反應(yīng)；而Al?O?載體的堿性可能促進(jìn)某些底物的分解。2.答案要點(diǎn)間歇式氫化釜：優(yōu)點(diǎn)：操作靈活，適合小批量、多品種生產(chǎn)；可精確控制反應(yīng)時(shí)間；設(shè)備投資低。缺點(diǎn)：生產(chǎn)效率低；批次間重復(fù)性差；人工操作誤差大。適用場(chǎng)景：精細(xì)化工（如醫(yī)藥中間體）、實(shí)驗(yàn)放大階段。連續(xù)式固定床反應(yīng)器：優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高；易于自動(dòng)化控制；催化劑裝填量大，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：設(shè)備復(fù)雜；對(duì)原料純度要求高（易堵塞床層）；難以切換產(chǎn)品。適用場(chǎng)景：大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)（如苯加氫制環(huán)己烷）。3.答案要點(diǎn)原因：①反應(yīng)放熱速率大于散熱速率（如攪拌故障導(dǎo)致熱量積聚）；②氫氣過量通入，反應(yīng)速率驟增；③催化劑活性過高（如新鮮催化劑未鈍化）。預(yù)防措施：①設(shè)置夾套/盤管換熱，控制反應(yīng)溫度；②安裝溫度傳感器與聯(lián)鎖系統(tǒng)（超溫時(shí)自動(dòng)停氫、通冷卻水）；③使用惰性溶劑（如乙醇）吸收熱量；④催化劑預(yù)處理（如部分硫化鈍化活性）。4.答案要點(diǎn)可能失活原因：①中毒：原料中含硫、磷雜質(zhì)（如苯中殘留噻吩），與Ni活性位點(diǎn)結(jié)合；②燒結(jié)：長(zhǎng)期高溫運(yùn)行導(dǎo)致Ni顆粒團(tuán)聚，比表面積下降；③積碳：苯或中間產(chǎn)物（環(huán)己烯）在催化劑表面聚合，覆蓋活性位點(diǎn)；④機(jī)械磨損：固定床反應(yīng)器中催化劑顆粒碰撞破碎，流失活性組分。再生方案：①惰性氣體（N?）吹掃去除積碳前驅(qū)體；②通入氫氣還原（若因氧化失活）；③若為硫中毒，用稀酸（如HNO?）溶液洗滌脫除毒物；④嚴(yán)重?zé)Y(jié)時(shí)需重新負(fù)載Ni活性組分。5.答案要點(diǎn)實(shí)驗(yàn)方法：（1）改變攪拌速率：保持其他條件不變，若反應(yīng)速率隨攪拌速率增加而顯著提高，說明受外擴(kuò)散（氣液傳質(zhì)）控制；若速率基本不變，說明受動(dòng)力學(xué)或內(nèi)擴(kuò)散控制。（2）改變催化劑粒徑：使用不同粒徑（如50μm、200μm）的催化劑，若小粒徑催化劑速率更高，說明受內(nèi)擴(kuò)散控制；若速率無顯著差異，說明受動(dòng)力學(xué)控制。（3）改變氫氣分壓：若速率與\(p_{\text{H}_2}\)呈線性關(guān)系，可能受傳質(zhì)控制；若符合動(dòng)力學(xué)方程（如冪律關(guān)系），則為動(dòng)力學(xué)控制。四、計(jì)算題（1）80℃時(shí)的速率常數(shù)\(k'\)阿倫尼烏斯方程：\(\ln\left(\frac{k_2}{k_1}\right)=\frac{E_a}{R}\left(\frac{1}{T_2}\frac{1}{T_1}\right)\)已知\(T_1=30℃=303K\)，\(T_2=80℃=353K\)，\(R=8.314\text{J/mol·K}\)，\(E_a=45000\text{J/mol}\)，\(k_1=0.05\)。代入計(jì)算：\(\ln\left(\frac{k'}{0.05}\right)=\frac{45000}{8.314}\left(\frac{1}{353}\frac{1}{303}\right)\)計(jì)算右側(cè)：\(\frac{1}{353}\frac{1}{303}\approx4.67\times10^{4}\)，則\(\frac{45000}{8.314}\times(4.67\times10^{4})\approx2.53\)因此\(\ln(k'/0.05)=2.53\)，解得\(k'\approx0.05\timese^{2.53}\approx0.05\times12.58\approx0.629\text{L}^{0.5}\cdot\text{mol}^{0.5}\cdot\text{min}^{1}\)（2）初始反應(yīng)速率\(r_0\)初始時(shí)\(c_{\text{PNP}}=0.2\text{mol/L}\)，\(p_{\text{H}_2}=1.2\text{MPa}\)（注意單位需與速率方程匹配，此處假設(shè)分壓以MPa為單位，或已歸一化）。\(r_0=k'\cdotc_{\text{PNP}}\cdotp_{\text{H}_2}^{0.5}=0.629\times0.2\times(1.2)^{0.5}\approx0.629\times0.2\times1.095\approx0.137\text{mol·L}^{1}·\text{min}^{1}\)（3）10min時(shí)的反應(yīng)速率\(r_{10}\)轉(zhuǎn)化率\(x=60\%\)，則\(c_{\text{PNP}}=c_0(1x)=0.2\times0.4=0.08\text{mol/L}\)（假設(shè)反應(yīng)為一級(jí)對(duì)底物）。\(r_{10}=k'\cdotc_{\text{PNP}}\cdotp_{\text{H}_2}^{0.5}=0.629\times0.08\times1.095\approx0.055\text{mol·L}^{1}·\text{min}^{1}\)五、綜合分析題工藝優(yōu)化方案（1）催化劑選擇