工艺概论绪论-lsy.ppt

,化工工艺概论,主讲：李世友,第一章 绪论,一、 化学工艺学基本概念及研究范畴 二、 化学工业的发展、地位与作用 三、 现代化学工业的特点和发展方向 四、 化学工业的原料资源和主要产品,一、 化学工艺学基本概念及研究范畴,1. 化学工业 (Chemical Industry) ：,又称为化学加工工业，泛指依据化学原理人工生产化学品的工业。它指的是生产过程中化学方法占主导地位的加工制造业，它是通过化学工艺（即化工生产技术）将原料转化为化学产品的工业。,2. 化学工艺 (Chemical Technology)：,即化工技术，指将原料物主要经过化学反应转变为产品的方法和过程, 包括实现这一转变的全部的化学的和物理的措施。,3. 化学工艺学 (Chemical Technology)：,是根据化学、物理和其他科学的成就，来研究综合利用各种原料生产化工产品的方法原理、操作条件、流程和设备，以创立技术上先进、经济上合理、生产上安全的化工生产工艺的学科。,在早期，人类进行化工生产仅处于感性认识的水平，随着生产规模的发展，各种经验的积累，特别是许多化学定律的发现和各种科学原理的提出，使人们从感性认识提升到理性认识的水平，利用这些定律和原理来研究和指导化工生产，从而产生了化学工艺学这门学科。(举例：填料塔填料),生产不同的化学产品要采用不同的化学工艺，即使生产相同的产品但原料路线不同时，也要采用不同工艺。,特点:,个别生产的特殊性,研究范畴:,化工原料的选择和预处理；,不同化学工艺所设计的研究范畴是相同的。一般包括：,化工原料即用作化工生产的原料，可以来自自然界，也可人工合成。例如由食盐生产纯碱、烧碱、氯气和盐酸；由黄铁矿生产硫酸；由石油生产丁二烯，由丁二烯生产己二腈、己二胺、尼龙66（聚己二酸己二胺）。,生产方法的选择及方法原理；,例：苯可以由含碳量高的物质不完全燃烧获得。自然界中，火山爆发和森林火险都能生成苯。苯也存在于香烟的烟中。 直至二战，苯还是一种钢铁工业焦化过程中的副产物。这种方法只能从1吨煤中提取出1千克苯（在煤炼焦过程中生成的轻焦油含有较大量的苯）。1950年代后，随着工业上，尤其是日益发展的塑料工业对苯的需求增多，由石油生产苯的过程应运而生。现在全球大部分的苯来源于石油化工。,设备(反应器和其他)的作用、结构和操作（搅拌器、换热器）；,催化剂的选择和使用；,催化剂对化学反应速率的影响非常大，有的催化剂可以使化学反应速率加快到几百万倍以上。如H2与O2生成H2O的反应，虽然热力学上可行，但二者接触一万年仍无变化。钯催化剂下反应可很快发生。 催化剂一般具有选择性，它仅能使某一反应或某一类型的反应加速。例，加热时甲酸发生分解反应，一半脱水，一半脱氢： HCOOH=H2O+C HCOOH=H2+CO2 如果用Al2O3作催化剂，则只有脱水反应发生；如果用ZnO作催化剂，则脱氢反应单独进行。这种现象说明，不同性质的催化剂只能各自加速特定类型的化学反应过程。因此，我们利用催化剂的选择性，可使化学反应主要向某一方向进行。,其他物料的影响；,操作条件的影响和选定（精馏中回流比）；,流程组织；,生产控制；,产品规格和副产物的分离与利用；,能量的回收利用；,对不同工艺路线和流程的技术经济评分等；,化学工艺与化学工程有何区别与联系？,4. 化学工程 (Chemical Engineering )：,是研究化学工业和其他过程工业生产中所进行的化学过程和物理过程共同规律的一门工程学科。这些工业包括石油炼制工业、冶金工业、建筑材料工业、食品工业、造纸工业等。它们从基本原料出发，借助化学过程或物理过程，改变物质的组成、性质和状态，使之成为多种价值较高的产品。化学工程的一个重要任务就是研究有关工程因素对过程和装置的效应，特别是放大中的效应。,单元操作； 化学反应工程； 传递过程； 化工热力学； 化工系统工程； 过程动态学及控制； ,包括:,单元操作：一切化工生产过程不论其生产规模大小， 除化学反应外，其它均可分解为一系列的物理加工过程。这些物理加工过程称为“单元操作”。其研究得到具有共性的结果，指导各类产品的生产和化工设备的设计。 化学反应工程：是化工生产的核心，决定着产品的收率，对生产成本有着重要影响。 传递过程：是单元操作和反应工程的共同基础。在各种单元操作设备和反应装置中进行的物理过程不外乎“三传”。,化工热力学：是单元操作和反应工程的理论基础，研究 传递过程的方向和极限，提供过程分析和设计所需的有关基础数据。,化学工程的学科分支也可以分两个层次：单元操作和反应工程较多地直接面向工业实际，传递过程和化工热力学较多地从基础研究角度，通过这两个层次使理论和实际得以密切结合。,化工系统工程：生产规模扩大和资源能源大量耗用，使得能量利用问题，设计和操作优化问题，在大型生产中都十分重要。由于化工过程中，各个过程单元相互影响，相互制约，因此很有必要将化工过程看作一个综合系统，并建立起整体优化的概念。于是系统工程这一学科在化学工程中得到了迅速的发展，也取得了明显的效果，形成了化工系统工程。它是系统工程方法与单元操作和化学反应工程这两个学科分支相结合的产物。为保持操作合理和优化，过程动态特性和控制方法也是化学工程的重要内容。,化学工业 (Chemical Industry) ：,又称为化学加工工业，泛指依据化学原理人工生产化学品的工业。它指的是生产过程中化学方法占主导地位的加工制造业，它是通过化学工艺（即化工生产技术）将原料转化为化学产品的工业。,化学工业,两者相辅相承，密不可分！,二、化学工业的发展、地位与作用,1. 发展,制陶、酿造、冶炼,制碱、制酸、煤化学、合成氨,石油化工,高分子化工：合成材料,新兴的化学工业,18世纪以前，化工生产均为作坊式手工工艺，像早期的制陶、酿造、冶炼等。,18世纪初，建立第一个典型化工厂，即以含硫矿石和硝石(主要成分为硝酸钾)为原料的铅室法硫酸厂。基本原理实质上是利用高级氮氧化物（主要是N2O3）使SO2氧化并生成硫酸：SO2+N2O3+H2OH2SO4+2NO。生成的NO又迅速氧化成高级氮氧化物： 2NO+O22NO2 NO2+NON2O3 因此，在理论上，氮氧化物仅起着传递氧的作用，本身并无消耗。,1791年，路布兰法制碱(碳法制碱)工艺出现。以食盐、石灰石和煤为主要原料。将食盐与硫酸加热制成硫酸钠（或直接用天然芒硝），与石灰石和煤混合后，在9501000共熔，而得粗制品黑灰。再经浸取、蒸发、结晶、洗涤、煅烧等步骤而得成品纯碱。反应生成的氯化氢气体回收制成盐酸。浸取后的黑灰残渣中含有大量硫化钙，可以回收硫化氢或硫黄。该法有成品质量差、原料消耗大、生产能力低等缺点，现已很少采用。但在当时满足了纺织、玻璃、肥皂等工业对碱的需求。,从18世纪到20世纪初期，接触法制硫酸取代了铅室法，索尔维法(氨碱法)制碱取代了路布兰法，以酸、碱为基础的无机化工初具规模。,接触法制硫酸分三步，生成SO2，生成SO3，以浓H2SO4吸收SO3（防止吸收速率过快，产生酸雾且利用浓H2SO4 吸水性）。,索尔维法(氨碱法)制碱以食盐、氨、二氧化碳为原料，制得碳酸钠。反应分三步进行： NH3+CO2+H2O=NH4HCO3 NH4HCO3+NaCl=NaHCO3+NH4Cl 2NaHCO3=Na2CO3+CO2 +H2O 反应生成的CO2可以回收再用，而NH4Cl又可以与生石灰反应，产生NH3(副产无用的CaCl2)，重新作为原料使用。氨碱法使生产实现了连续性生产，食盐的利用率得到提高，产品质量纯净，因而被称为纯碱，但最大的优点还在于成本低廉。1867年索尔维设厂制造的产品在巴黎世界博览会上获得铜制奖章，此法被正式命名为索尔维法。此后纯碱的价格大大下降。消息传到英国，正在从事路布兰法制碱的英国哈琴森公司取得了两年独占索尔维法的权利。,联合制碱法 (侯氏制碱法) NH3+CO2+H20+NaCl=NH4Cl+NaHCO3 (NaHCO3 因溶解度较小,故为沉淀,使反应得以进行) 2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O 。其要点是在索尔维制碱法的滤液中加入食盐固体，并在30 40 下往滤液中通入氨气和二氧化碳气，使它达到饱和，然后冷却到10以下，根据 NH4Cl 在常温时的溶解度比 NaCl 大，而在低温下却比 NaCl 溶解度小的原理，结晶出氯化铵(一种化肥)，其母液又可重新作为索尔维制碱法的制碱原料。此法优点：保留了氨碱法的优点，消除了它的缺点，使食盐的利用率提高到 96 ； NH4Cl 可做氮肥；可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气 CO 转化成 CO2 ，革除了 CaCO3 制 CO2 这一工序。,从18世纪到20世纪初期，接触法制硫酸取代了铅室法，索尔维法(氨碱法)制碱取代了路布兰法，以酸、碱为基础的无机化工初具规模。同时，随着钢铁工业的发展，炼焦过程产生的大量焦炉气、粗苯和煤焦油得到重视和应用。在德国，首创了肥料工业和煤化学工业，人类进入了化学合成的时代，燃料、农药、香料、医药等有机化工迅猛发展。 20世纪初，化学家F.哈伯发明了合成氨技术，并于1913年在工程师C.博施的协助下建成世界上第一个合成氨厂，促使氮肥及炸药等工业迅猛发展。,20世纪初以来，石油天然气得到大量开发应用，向人类提供了各种燃料和丰富的化工原理，并很快取代了煤在有机化工中的统治地位。,在氯丁橡胶实现工业化（1931）和尼龙66合成（1937）以后，高分子化工蓬勃发展，大规模塑料、合成橡胶和合成纤维的工业生产，使人类进入了合成材料的时代。,随新兴技术出现，与新兴技术相互渗透和结合的新兴化学工业，给传统的化学工业增添了新的活力。 产品批量小、品种多、功能优良、附加产值高的精细化工得到了快速发展。高新技术与新材料的开发与生产成为推动科技进步、培育经济新增长点的一个重要基础。,复合材料、信息材料、纳米材料、超导材料等。,三、现代化工的特点和发展方向,1. 特点,原料、方法和产品的多样性与复杂性 大型化、综合化、精细化率提高 多学科、生产技术密集型 能量合理利用，节能工艺和方法 资金密集，投资回收速度快，利润高 安全和环境保护,2. 发展方向,高新技术，缩短开发周期 最充分、最彻底地利用原料 大力发展绿色化工 化工过程要高效、节能和智能化 实施废弃物再生利用工程(循环经济),化学工业是产生 “三废”大户, 清洁生产刻不容缓。清洁生产不能片面地理解为保持生产车间环境的清洁,减少“跑、冒、滴、漏”,而应理解为是应用于工业生产的一种预防性的环境战略。它的关键是应用绿色技术,从产品的源头和生产过程中削减或消除对环境有害的污染物。在产品的设计阶段引进,从而使生产工艺发生根本改变;也可以在现有工艺中引进,从而分离和利用本来要排放的污染物,实现“零排放”的循环利用策略。,绿色技术以节约资源、能源为目标。即通过各种技术手段或管理手段去减少资源和能源的使用，提高其利用率，或者采用可再生资源与能源，以实现经济的持续发展。,再者，绿色技术的使用，可减少废弃物的产生和排放，有利于保护环境，维持生态平衡。,循环经济的三个原则,减量化 Reduce,再循环 Recycle,再利用 Reuse,输入端,过程中,输出端,减少进入生产和消费过程的物质量,从源头节约资源使用和减少污染物的排放。,提高产品和服务的利用效率,要求产品或包装以初始形式多次使用,减少一次污染。,要求物品完成使用的功能后重新变成再生资源。,全过程都必须做到资源化、无害化,循环经济概念的引入及实践，成为中国糖业发展的一个重要分水岭。在此之前，糖业被认为是效益低、污染大，没有多大潜力的夕阳产业。在此之后，糖业重获新生，其发展势头强劲，成为方兴未艾的朝阳产业,广西贵糖集团是中国制糖业循环经济的起步地。贵糖当年提出的循环经济、生态工业园和二步法制糖三个概念，成为开辟糖业新天地的重要标志。其创建了一系列子公司或分公司来循环利用制糖过程中的废物，从而减少污染和从中获益：制糖厂、酿酒厂、纸浆厂、造纸厂、碳酸钙厂、水泥厂、发电厂及蔗田等。,贵糖制糖生态工业雏形,贵港模式的总体结构,三条生态链：蔗田甘蔗制糖废糖蜜制酒精酒精废液制复合肥回到蔗田；甘蔗制糖蔗渣造纸；制糖（有机糖）低聚果糖生态链。,蔗田负责向园区提供高品质的甘蔗，保障园区制造系统有充足的原料供应；制糖系统生产出各种糖产品；酒精系统通过开发能源酒精、酵母精工艺，利用甘蔗制糖副产品废糖蜜生产出能源酒精和酵母精等产品；造纸系统利用甘蔗制糖的副产品蔗渣生产出高质量的生活用纸及文化用纸等产品；热电联产系统用甘蔗制糖的副产品蔗糖替代部分燃煤，实现热电联产，供应生产所必需的电力和蒸汽，保障园区整个生产系统的动力供应；环境综合处理系统为园区内制造系统提供环境服务，包括废气、废水的处理，生产水泥及复合肥等副产品。这6个系统通过废弃物和能源的交换，既节约了废物处理及能源成本，又减少了对空气、地下水及土地的污染。,四、化学工业的原料资源和主要产品,1. 原料资源,典型化工生产过程剖析,原料储存,产品储存,销 售,产品纯化,进料预备,反 应,产品分离,未反应原料再循环,副产物,废物,第一阶段,第二阶段,第三阶段,第四阶段,第五阶段,第六阶段,阶段1-原料储备：消除供给中的波动和中断，保障原料供应和装置正常运行； 阶段2-进料准备：进行一定程度纯化和预处理，保证原理纯度和使用形式满足反应要求； 阶段3-反应：属化工生产过程的核心。在反应器中，原料在有利于所需产物生产的条件下反应，一般总有副产物和杂质生成；,阶段4-产物分离：产物和副产物与未反应原料分离。未反应原料多时循环使用：回反应器或回到进料纯化和预处理阶段。副产物也在此与产物分离 阶段5-产品纯化：主产物纯化以满足规格。若副产物批量大，也应纯化销售; 阶段6-产品储存：成品保持一定库存，以匹配生产和销售,典型化工生产过程剖析,原料储存,产品储存,销 售,产品纯化,进料预备,反 应,产品分离,未反应原料再循环,副产物,废物,第一阶段,第二阶段,第三阶段,第四阶段,第五阶段,第六阶段,2. 主要产品,无机酸、碱、盐、化肥等大宗的无机化工产品及工业气体,从石油、煤、天然气等出发，经过化学加工可得到乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、乙炔、萘、合成气等产品，是有机化工基础原料。进一步经过化学加工制成品种繁多、用途广泛的有机化工产品,主要产品,乙 烯,与丙烯共聚,乙丙橡胶,电缆、电线材料,氧化,乙醛,缩合,醋酸,辛醇、季戊四醇,2-羟基丁醛,丁醇,酯化,丁酯,溶剂、 增塑剂,溶剂,药物、酯类、醋酸乙烯纤维（维尼龙）,增塑剂,齐聚、水合,高碳直链醇（C11C18）,合成洗涤剂,水合,乙醇,酯化,乙酸乙酯、其它酯类,溶剂及合成原,加氢脱水,丁二烯,合成橡胶,氢甲酰化,丙醛,丙酸,还原,正丙醇,溶剂,聚合,聚乙烯,塑料材料,丙 烯,聚合,聚丙烯,合成纤维、塑料,氨氧化,合成纤维、ABS树脂、AS树脂、丁腈橡胶,丙烯酰胺,絮凝剂、水增稠剂、纸张处理剂,丙烯腈,与乙烯共聚,乙丙橡胶,次氯酸化,氯丙醇,环氧丙烷,丙二醇,聚酯塑料,聚氨酯塑料、表面活性剂,过氧化物环氧化,环氧丙烷、苯乙烯或异丁烯,高温氯化,氯丙烯,丙烯醇,1，4-丁二醇,聚酯,甘油,医药、炸药,环氧氯丙烷,水解,环氧树脂,丁 二 烯,与苯乙烯共聚,丁苯橡胶,与丙烯腈共聚,丁腈橡胶,聚合,顺丁橡胶,与苯乙烯、丙烯腈共聚,ABS塑料,氯化,2-氯丁二烯,氯丁橡胶,与顺酐反应,四氢邻苯二甲酸酐,与HCN反应,己二腈,己二胺,尼龙66,三聚环化,1，5，9-环十二碳三烯,十二碳内酰胺（尼龙12的单体）,香料、增塑剂、阻燃剂、聚酯原料,乙酰氧基化、加氢、水解,1，4-丁二醇,聚酯树脂,异 丁 烯,与异戊二烯共聚,丁基橡胶,氧化,甲基丙烯酸,甲基丙烯酸酯,有机玻璃,与甲醛反应,异戊二烯,异戊橡胶,水合,叔丁醇,香料原料、溶剂、医药中间体、,与甲醇反应,甲基叔丁基醚（MTBE）（汽油添加剂）,聚合,聚异丁烯,粘合剂、密封胶,正 丁 烯,聚合,聚丁烯,合成塑料,氧化,顺丁烯二酸酐,1，4-丁二醇、增强塑料、农药,氧化,甲乙酮,溶剂,水合,仲丁醇,脱氢或氧化脱氢,丁二烯,正 丁 烷,脱氢,正丁烯,深加工产品见上,异构化,异丁烷,氧化,顺酐、醋酸、乙醛、甲乙酮,蒸汽裂解,乙烯、丙烯、丁二烯等,烷基化,烷基化汽油,脱氢,异丁烯,深加工产品见上,蒸汽裂解,乙烯、丙烯、丁二烯等,异 丁 烷,苯,加乙烯烷基化,乙苯,脱氢,苯乙烯,聚苯乙烯、丁苯橡胶、 ABS树脂,加丙烯烷基化,异丙苯,苯酚,酚醛树脂、苯胺、壬基酚等,丙酮,双酚A,聚碳酸酯、环氧树脂,加十二烯,十二烷基苯,合成洗涤剂,加氢,环己烷,己内酰胺,聚酰胺纤维,氯化,氯苯,染料中间体、医药,氧化,顺丁烯二酸酐,四氢呋喃、1，4-丁二醇,医药、聚氨酯,硝化,硝基苯,苯胺,二苯基甲烷二异氰酸酯、橡胶助剂、 染料、医药、农药,聚氨酯纤维,甲 苯,硝化,硝基甲苯,染料中间体、炸药,歧化,苯、二甲苯,氧化,苯甲酸,染料中间体、医药、增塑剂,临氢脱烷基,苯,硝化、还原、光气化,甲苯二异氰酸酯,聚氨酯类泡沫塑料、聚氨酯橡胶,二甲苯,对二