化学工艺学 教案.pdf

安 康 学 院 教 案 2008 2009 学年 第 1 学期 课 程 名 称 化 学 工 艺 学 院 系 化 学 化 工 系 教 研 室 应化教研室 适 用 专 业 2006 级应用化学 授 课 教 师 袁 光 辉 职 称 讲 师 教 材 名 称 化 学 工 艺 学 2009 年 4 月 20 日 教学 进度 计划 周次 章次 内容 学时 绪论 2 4 流体动力学 化工原理已修 复习 2 4 精馏 化工原理已修 复习 2 4 吸收 化工原理已修 复习 2 4 化学反应器 6 8 硫酸工业 8 10 合成氨工业 8 10 石油化学工业 6 8 其他 4 教材 崔恩选 化学工艺学 高等教育出版社 1990 参考书 1 化学工艺学概论 黄仲九主编 高等教育出版社 2003 2 化学工艺学 第 2 版 崔恩选 高等教育出版社 1990 3 化学工艺学 第二版 米镇涛 化学工业出版社 2006 课程目的 通过本课程学习 培养学生应用已学过的基础理论解决实际工程 问题的能力 使学生了解当今化学工业概貌极其发展方向 掌握化工 过程的基本原理 典型工艺过程的方法 原理 流程及工艺条件 了 解化工生产中的设备材质 安全生产 三废治理等问题 章节题目 第一章 绪论 教学目的 和要求 熟悉本课程的学习模式与评分方法 要求 熟悉有关化学工艺学的基本概念 重点 难点 化学工艺学的研究对象 内容 化学工业的特点和国内外的现状 实验室工艺研究 中试放大 化学工艺学的类别 课时安排 2 4 学时 教学手段 及方法 课件 多媒体教学 利用课件和图片进行介绍性的归纳总结教学 教学内容 及过程 一 化学制药工艺学的研究对象 1 工艺学 2 化学工艺学 3 化学工艺学的特点 类别 二 化学工艺学的研究内容 1 三传一反 2 分类 无机化学工业 有机化学工业 三 化学工艺学课程及基本概念 1 物料衡算 2 能量横算 3 平衡关系 4 过程速率 作业与思 考题 预习 浏览相关文献 参考书了解化学工艺学的研究内容及特点 反思 从各教授 学者的成就 让学生感受工艺研究对我国化学工业发展 的重要意义 章节题目 第五章 化学反应器 教学目的 和要求 1 熟悉化学反应器的分类 2 熟悉化学反应器的操作方法 3 了解固体流态化现象 及各床层的概念 4 掌握固定床反应器和流化床反应器 重点 难点 1 反应器的操作方法及浓度变化 p112 图 5 2 2 固定床 流化床 移动床 3 停留时间 4 固定床反应器 流化床反应器 课时安排 6 8 学时 教学手段 及方法 课堂教学 教学 内容 及过 程 第一节 慨述 1 化学反应器与化学反应工程学 反应器是化工生产的核心设备 所谓最适宜的操作条件 最合理的结构和尺寸 就是为了达到同一产 量所需的反应器的尺寸最小 生成物中杂志的含量最低 目的产物的产 率最大 2 化学反应器的分类 按反应器的结构类型分类 釜式反应器 管式反应器 塔式反应器 按操作方法分类 间歇式反应器 半间歇式反应器 连续式反应器 按反应物形态分类 均相反应器 非均相反应器 概念 固定床 鼓泡床 流化床 沸腾床 移动床 输送床 3 流体在反应器内的流动 1 两种理想的流动状态 理想混合流动 理想置换流动 2 流体在反应器内的停留时间 平均停留时间 T VR F c 4 反应器内的物料衡算 反应物的加入速率 反应物的引出速率 反应物的消耗速率 反 应物的积累速率 第二节 间歇操作反应釜 了解 特点 反应釜内的物料浓度和温度均匀 可以采用不用的换热方式以 调节反应温度 反应物可以达到较高的反应转化率 适用 间歇操作反应釜对于不用生产的适应性较强 适用于小批量多 品种产品的生产 缺点 非反应时间长 设备利用率低 反应条件随时间变化 难以实 现自动化 耗人力较多 设备尺寸不宜过大 不适合大规模生产 第三节 管式反应器 了解 特点 一般连续操作设备的共同优点 反应的温度 浓度只沿着管长 方向改变 不随时间变化 易于自动化控制 适用 气相反应和均一液相反应 缺点 单位体积的表面积大 需要加热或冷却的面积和流量较大 会 加大设备投资和操作费用 第四节 连续操作反应釜 了解 特点 操作条件稳定 所得产品质量均匀 容易实现自动化 适合大 规模生产 在单位时间内处理的物料量相等以及要求达到的转化率相同的条件 下 连续操作反应釜的体积比间歇操作反应釜及管式反应器的体积要大 第五节 均相反应器的性能比较与选择 一 主要从以下两个方面考虑 1 1 达到给定的生产能力而所需反应器的体积要小 1 2 用相同数量的原料所得到的目的产物要多 即收率要大 二 基本概念 选择率 s 收率 三 反应器型式的选择 参见教材 P129 第六节 气固相催化反应器 一 气固相催化反应过程 外扩散 内扩散 化学反应 内扩散 外扩散 概念 控制步骤 二 固定床催化反应器 气固相催化反应器分为 固定床 流化床 移动床 固定床催化反应器按照换热方式分为 绝热式 多段中间换热式 多 段中间冷激式 对外换热式 自身换热式 三 流化床反应器 1 概念 流化床现象 2 流化床催化反应器优缺点 P134 作业与思 考题 常见的反应器有哪些 流化床现象及流化床催化反应器的特点 反思 反应器的理论知识与工业中反应器设备之间的关系 章节题目 第六章 硫酸工业 教学目的和 要求 1 理解接触法制造硫酸的反应原理 2 了解接触法制造硫酸的生产过程 3 了解接触法制造硫酸的生产设备 4 知道制造硫酸的生产过程中带来的环境问 题以及处理的方 法 重点 难点 硫酸的生产原理 操作条件 硫酸生产的主要设备 工艺条件 课时安排 8 10 学时 教学手段及 方法 课件 多媒体教学 利用课件和板书的理论推导进行介绍性的 归纳 对其使用进行系统性的讲解 教学 内容 及过 程 一 概述 工业生产的硫酸是含有少量杂志的硫酸水溶液和含游离三氧化硫的发 烟硫酸 P137 表 6 1 硫酸工业在国民经济中的地位 1 1 农业 1 2 有机合成工业 1 3 无机合成工业 1 4 冶金工业 1 5 国防工业 硫酸产量 硫酸工业发展史 如今的发展特点 我国的硫酸工业 二 生产硫酸的原料和原则流程 原料 硫铁矿 硫磺 冶炼厂烟道气 1 硫铁矿为原料 1 1 硫铁矿的种类与性质 成分 普通硫铁矿 FeS2 磁硫铁矿 Fe7S8 来源 块状硫铁矿 浮选硫铁矿 含煤硫铁矿 1 2 硫铁矿的破碎与筛分 矿粒一般直径小于 3 6mm 1 3 以硫铁矿为原料生产硫酸的工艺流程 主要的化学反应 4FeS2 11 O2 2Fe2O3 8SO2 2SO2 O2 2SO3 SO3 H2O H2SO4 3 硫磺为原料生产硫酸 三 二氧化硫炉气的制备 大多数硫酸厂是焙烧硫铁矿或硫磺燃烧来制取 SO2 气体 详见 P141 表 6 4 3 1 硫铁矿的焙烧反应 2FeS2 2FeS S2 Q S2 2O2 2SO2 Q 4FeS 7O2 2Fe2O3 4SO2 Q 总 4FeS2 11 O2 2Fe2O3 8SO2 3411kJ 3 2 硫铁矿焙烧操作条件 1 温度 一般控制在 850 950 oC 较为适宜 2 硫铁矿粒度 一般控制颗粒直径在 3 6mm 以下 3 氧浓度 以空气中氧浓度为适宜 注意各操作条件过大和过小的影响 P142 概念 1 控制步骤 硫化亚铁的焙烧反应是整个过程的控制步骤 2 宏观动力学的气 固相扩散 硫化亚铁的焙烧反应速 率取决于氧气通过硫化亚铁固体粒子表面的扩散速率 3 3 沸腾焙烧炉的构造和操作原理 四 炉气的净化和干燥 4 1 炉气净化的目的和净化原理 4 1 1 炉气净化的目的 炉气成分 SO2 O2 N2 As2O3 Se2O3 HF Fe2O3 Fe3O4 H2O 粉尘等 净化的目的 尽可能的除去 SO2 和 O2 以外的其他杂质 4 1 2 炉气净化的原理 重力沉降 旋风分离器 电滤器 注意各净化能力大小 P145 4 1 炉气净化的流程与设备 4 1 1 水洗净化流程与设备 4 1 3 炉气的干燥 4 1 3 1 炉气干燥原理和工艺条件 炉气干燥剂 浓硫酸 淋洒酸的浓度和温度 93 95 的硫酸 温度一般在 45 oC 以下 淋洒酸的淋洒量 以干燥塔用50mm 50mm 瓷环乱堆计 淋洒酸密 度在 12 15m3 m2h 1 4 1 3 2 炉气干燥流程和设备 炉气干燥流程参见 P146 图 6 4 概念 1 淋洒密度 2 填料塔 填料 五 二氧化硫的催化氧化 5 1 化学平衡和平衡转化率 参见 P149 150 5 2 催化剂和催化氧化反应速率 目前硫酸工业中常用的催化剂 钒催化剂 主催化剂 V2O5 助 辅 催化剂 K2O 载体 硅藻土 SiO2 气固相催化氧化过程 1 4 P151 5 3 最佳工艺条件 温度 以反应速率最大为准 SO2 的起始浓度 以硫酸生产总费用最低为准 最终转化率 以硫酸生产总成本最低为准 5 3 SO2 催化氧化设备 接触室 5 3 SO2 催化氧化的工艺流程 1 中间换热式四段转化流程 2 两转两吸工艺流程 催化剂 五氧化二矾 V2O5 温度 400 至 500 摄氏度 压强 常压 六 三氧化硫的吸收 6 1 吸收原理和操作条件 原理 nSO3 H2O H2SO4 n 1 SO3 在硫酸工业中多采用 98 3 的硫酸溶液来吸收三氧化硫 条件 1 吸收酸浓度 98 3 浓度过低导致水蒸气分压过大 SO3 易在气 相中形成酸雾 浓度过高导致 SO3 分压过大 不利于吸收 2 吸收酸温度 进塔温度 50 oC 出塔温度 70 oC 3 SO3 气体温度 140 160 oC 6 2 三氧化硫吸收工艺流程和设备 七 接触法生产硫酸的全流程 7 1 接触法生产硫酸的全过程包括 二氧化硫炉气的制备 二氧化硫炉气的净化 二氧化硫的催化氧化 转化 三氧化硫的吸收 7 2 文 泡 电 水洗净化两转两吸生产 工艺流程 详见 P158 八 硫酸生产的技术经济问题 8 1 技术经济指标 1 烧出率 硫矿石中所含硫分在焙烧过程中被烧出来的百分率 2 净化收率 SO2 炉气在净化过程中硫的收率 3 转化率 SO2 转化为 SO3 的百分率 4 吸收率 SO3 在吸收过程中被吸收生成硫酸的百分率 5 产酸率 矿石中的硫被制成硫酸部分所占的百分率 6 硫的利用率 矿石中的硫被利用制成各种硫产品总的百分数 7 产品的消耗定额 每生产 1 吨 100 的硫酸在整个生产过程中总 的消耗 8 2 热能的回收利用 P160 8 3 三废 治理和环境保护 1 废渣的利用 2 污水的处理 3 尾气的消除 采用两转两吸工艺流程 采用尾气回收 作业 与思 作业 以黄铁矿为原料 用接触法制硫酸 黄铁矿煅烧时 FeS2 的利用率 为 90 SO2 的转化率为 95 SO3 吸收为 H2SO4 时的损耗率为 2 现有 考题 含 70 FeS2 的黄铁矿 1 t 可生产 98 的硫酸多少 t 在硫酸工业生产中哪些地方涉及到了化学反应速率知识 在硫酸工业生产中哪些地方涉及到了化学平衡知识 反思 应进一步增加学生对知识的综合应用能力 本章体现为物理化学上的化 学动力学和化学热力学与硫酸生产的的关联 应注重学生的实践能力的培养 多增加实验和见习 实习 章节题目 第七章 合成氨工业 教学目的 和要求 了解和掌握合成氨中原料气的净化 一氧化碳变换 二氧化碳的 脱除 原料气的最终净化 氨的合成等工艺过程的参数 催化剂及 过程中涉及到的各种设备 重点 难点 重点 氨合成塔 氨合成催化剂 一氧化碳变换 二氧化碳的脱 除 氨合成的工艺条件 难点 氨合成反应动力学 氨合成反应热力学 催化剂的还原与 活性保持 课时安排 8 10 学时 教学手段 及方法 课件 多媒体教学 利用课件和板书的理论推导进行介绍性的归 纳 对其使用进行系统性的讲解 教学 内容 及过 程 一 合成氨工业简介 1909 年德国化学家哈伯成功建立了第一套合成氨的实验装置 产 量 80g 小时 在此基础上 1913 年德国化学工程专家波施建立了第一 个工业规模的合成氨工厂 产量为 7000 吨 年 所以合成氨的方法又 叫做哈伯 波施法 目前 全球氨产量约为 650 万吨 年 近年来 合成氨装置大型化 是世界合成氨发展的主流趋势 现世界最大单系列合成氨装置为阿根 廷 Profertil 公司的 2050 吨 天装置 而 3000 吨 天 约 100 万吨 年 的单系列合成氨装置将于 2005 年投产 4000 吨 天规模的装置也已完 成初步设计 二 合成氨生产方法简介 原料气的制备 净化 防止催化剂中毒 压缩 合成 分离 液氨 1 以无烟煤为原料 P164 2 以天然气为原料 三 合成氨的生产 3 1 造气 3 1 1 固体燃料 无烟煤 焦炭 气化剂 空气 空气煤气 水蒸气 水煤气 以水蒸气为气化剂为例 C 2H2O 气 CO2 2H2 H 90 2 kJ mol C H2O 气 CO H2 H 131 4 kJ mol CO H2O 气 CO2 H2 H 41 2 kJ mol C H2 CH4 H 74 9 kJ mol 温度愈高 愈有利于水蒸气的分解和获得优质的水煤气 但温度不能超过灰熔点 以防煤层熔融结疤 3 1 2 造气设备 参见 P181 图 7 14 吹风循环及目的参见 P181 3 2 变换气 CO 变换 3 2 1 基本原理 造气车间的气体中 CO 含量过高 28 30 容易引起 爆炸和催化剂中毒 CO H2O 气 CO2 H2 可逆 放热 体积不变 3 2 2 工艺条件选择 催化剂 中温变换催化剂 Fe3O4 Cr2O3 350 500 C 低温变换催化剂 CuO ZnO 180 260 C 操作温度 催化剂活性温度范围内 操作压强 中型 1 5 3 0 MPa 小型 0 2 0 8 MPa 水蒸气比例 中温变换时 H2O CO 3 5 3 2 3 CO 变换的工艺流程及设备 参见 P184 185 图 7 16 3 3 净化和精制 3 3 1 脱硫 半水煤气 半水煤气中的无机硫化物和有机硫化物必须在进入变换 合成系统以前除去 硫化物的影响参见 P186 脱硫方法 氨水中和法 氨水液相催化法 蒽二磺酸钠 钒酸盐脱硫法 氨水中和法 NH3 H2O H2S NH4HS H2O NH3 H2O H2O NH4HCO3 氨水液相催化法 3 3 2 变换气中 CO 的除净 脱碳 脱碳方法 加压水洗法 低温甲醇洗涤法 碳酸丙烯脂法 氨水吸收法等 参见 P188 3 3 3 原料气的精制 精制方法 铜洗法 醋酸铜氨液洗涤法 甲烷化法 参见 P189 3 4 氨的合成 3 4 1 合成工艺条件选择 催化剂 FeO Fe2O3 Al2O3 CaO MgO K2O 操作温度 催化剂活性温度范围内 450 C 左右 进入催化剂层的 气体应保持较高温度 随着反应进行和氨含量的增加温度则相应的降 低 操作压强 高压法 70 100 MPa 550 650 C 中压法 30 50 MPa 450 550 C 低压法 10 MPa 400 450 C 空间速度 压强为 30MPa 的中压法合成氨 空间速度在 20000 30000 1 h 较适宜 氢氮比 进塔气中氢氮比为 2 7 2 9 新鲜原料气中氢氮比为 3 惰性气体含量一般在 0 5 0 7 之间 3 4 2 合成氨工艺流程及设备 四 氨的加工 阅读 P190 196 4 1 生产碳酸氢铵 4 2 氨氧化制硝酸 4 3 成产尿素 作业 与思 考题 分别写出氨加工生产碳酸氢铵 硝酸 尿素的基本原理 写出工业合成氨的工艺条件和反应设备 反思 应进一步增加学生对知识的综合应用能力 本章体现为物理化学上的化 学动力学和化学热力学与硫酸生产的的关联 应注重学生的实践能力的培养 多增加实验和见习 实习 章节题 目 第七章 石油工业 教学目 的和要 求 了解和掌握辛烷值 常减压蒸馏 催化裂化 重整与分离等工艺过程的参数 催化剂及过程中涉及到的各种设备 重点 难点 重点 常减压蒸馏 催化裂化 重整与分离的工艺条件 难点 常减压蒸馏 催化裂化 重整与分离工艺流程及设备 课时安 排 6 8 学时 教学手 段及方 法 课件 多媒体教学 利用课件和板书的理论推导进行介绍性的归纳 对其使 用进行系统性的讲解 教 学 内 容 及 过 程 石油化学工业 石油 特点 来自地层深处黏稠的可燃液体燃料 通常是黑色 主要成分是复杂的碳氢化 合物中的 烃 烷烃 环烷烃 芳香烃等 来源 地质学家认为石油是几百万年前 海底沉积大量的动 植物尸体 且被碎石 层所掩沒 这层覆盖阻绝了完全氧化及分解的过程 并增大压力和热量 使有机物 部分蒸馏 最后产生油和煤气 石油化