化学工艺学.doc

1. 化学工业：又称化学加工工业，泛指生产过程中化学方法占主要地位的过程工业。产品种分类：1)无机化工产品2）有机化工产品：a)基本有机化工产品b)精细有机化工产品c)高分子有机化工产品d）生物有机化工产品2. 化学工业发展四个阶段：1）古代化学工业 远古18世纪 制陶，造纸，肥皂等 小作坊2）化学工业的初级阶段 18世纪20世纪初 制酸碱，炸药，天然橡胶，酚醛塑料等 标志事件：18世纪40年代在英国建立成世界上第一化工厂铝室法硫酸厂 3）化学工业形成大规模生产阶段：20世纪初70年代 合成氨，石油化工，高分子化工 标志事件：20世纪初在德国建立成世界上第一个合成氨厂（哈泊法） 4）现代化学工业阶段：20世纪70年代至今 生产的产品品种更多，技术水平更高，竞争更激烈。3. 现代化学工业的特点：1）原料、生产方法和产品的多样性和复杂性2)向大型化、综合化、精细化发展3)多学科合作、技术密集型生产4)重视能量合理利用,积极采用节能工艺和方法5)资金密集,投资回收速度快,利润高6)安全与环境保护问题日益突出4. 化学工艺:将原料物质主要经过化学反应转变成目的产物的方法和过程,包括实现这种转变的全部的物理和化学措施.包括8个方面:1)原料和生产方法的选择2)原料的预处理3)生产流程4)流程中每个设备的选择、结构和操作5)催化剂的选用和其他辅料的选用6)各个设备的操作条件以及生产控制方法7)控制产品规格的方法和副产品的分离、利用8)生产的安全、经济、环保措施.5. 石油蒸馏(一次加工)目的:利用原油中的各组分沸点的差别将原油切割成不同沸程的油品.6. 分离的基本原理:沸点不同(各组分挥发度的差别)7. 石油精馏塔与普通精馏塔的主要不同点:1)没有再沸器:蒸馏塔的热量考加热原料和塔底吹入过热蒸汽获得.2)塔下部是汽提段,而非提馏段.3)每个馏分都不是纯物质,都是混合物.4)回流比小(通常只有零点几):因为上升蒸汽少，回流比小，塔效率低.5)采出每个侧线馏分都需要气提提出来的组分。8. 催化裂解：目的：在催化剂和加热作用下将经济价值较低的重质油料加工成高辛烷值的产品：汽油，并副产柴油，锅炉燃油，液化气等。原料：蜡油（重质油），包括：A.减压渣油，B.常减压馏分油、润滑油制造和石蜡精制的下脚油C.催化裂化回炼油，延迟焦化的重质馏分油等。催化剂：以前：无定型硅酸铝（SiO2*Al2O3）选择性差，结焦严重；现在：Y型，2SM-5型（沸石），稀土改性的X(Y)形分子筛，选择性好，结焦大幅度改善。过程特点：反应过程中催化剂表面结焦活性降低，需将催化剂不断烧焦再生。催化剂循环的动力是密度差。9. 辛烷值： 是汽油在内燃机中燃烧时抗震性能的指标，汽油的辛烷值越大，抗震性能越高，质量也越好。10. 物料衡算的总衡算通式：输入物料的总质量=输出物料的总质量+系统内积累的物料质量。1）间歇操作：反应过程中浓度等各参数随时间变化。2）稳态流动：特点：系统中各点的参数如温度，压力，浓度和流量等不随时间变化。 计算方法：a)组分衡算：（mi）入=（mi）出+mi (mi0 ,i为反应物；mi0，i是生成物） b）原子衡算： 输入物料中所有原子的物质的量之和=输出物料中所有原子的物质的量之和。能量衡算：输入能量=输出能量+累积能量 11. 烃类热裂解的工业意义：该法是将石油系烃类燃料（天然气，炼厂气，轻油，柴油，重油等）经高温作用，使烃类分子发生碳链断裂或脱氢反应，生成相对分子质量较小的烯烃、烷烃和其他相对分子质量不同的轻质和重质烃类，乙烯等低级烯烃分子中有双键，化学性质活泼，能与许多物质发生合成、共聚或自聚等反应，生成一系列重要产物，是化学工业的重要原料。 12. 一级反应：定义：指原料在裂解过程中首先发生的原料烃的裂解反应。生成目的产物乙烯、丙烯的属一次反应，应促进 特点：原料烃的脱H和断链反应，产物：H2，CH4和低分子烯烃。 二级反应：定义：指一次反应物继续发生的后继反应 特点：乙烯、丙烯消失，烯烃在裂解条件下继续反应，生成分子量较大的液体产物以至结焦生炭。13.温度，压力，停留时间对一次，二次反应影响：强吸收 总的：高温短停留时间 （温度升高，对活化能大的反应有利） 分析 ：1）从化学平衡的观点看，如使裂解反应进行到平衡，所得烯烃很少，最后生成大量的氢和碳。为获得尽可能多的烯烃，必须采用尽可能短的停留时间进行裂解反应（即控制裂解深度） 2）己烷裂解生成乙烯的平衡常数Kp1,Kp1a远大于乙烯消失反应的平衡Kp2,随T升高，各平衡常数均增加，而Kp1,Kp1a与Kp2差距更大。而乙炔的Kp3虽高于Kp1,Kp1a,但其随温度的升高而降低，故提高裂解温度对生成烯烃有利。 裂解温度：1）提高裂解温度有利于生成乙烯（丙烯）的反应，并相对减少乙烯消失的反应，有利于提高裂解选择性。2）裂解原料相对分子量越小，其活化能和频率因子越高，活性越低，所需裂解温度越高。3）对于生产烯烃的裂解反应，裂解温度与停留时间是一组相关且不可分的参数。温度-停留时间效应：裂解深度（转化率）取决于裂解温度和停留时间。1） 高温裂解条件有利于一次反应的进行，短停留时间可抑制二次反应的进行。2） 高温短停留时间可抑制芳烃生成的反应。3） 裂解T 停留T的限定：A.裂解深度的限定：工程上常以C5和C5以上液相产品氢含量不低于8%为裂解深度的限定。 B.温度限定：炉管材质(出口T950) C.热强度限制：随停留时间缩短，炉管热强度升高，壁温进一步升高。压力：脱氢可逆且是分子数增多的反应，烃聚合缩合的二次反应是分子数减少的反应。1） 从平衡角度：降低压力，对提高乙烯平衡组成有利，对提高二次反应产物平衡组成不利，可抑制结焦。2）从反应速率角度：压力不能改变反应速率常数K，但降低压力能降低反应物浓度C，故对一次，二次反应均不利。但压力对于高于一级的反应的影响相对一级反应的影响大得多。即降低压力可增大一次反应对于二次反应的相对速率，提高一次反应的选择性。 14. 稀释剂：一般用水蒸汽作稀释剂的原因：降低烃分压（与降低压力影响一致）（N2，水蒸汽，惰性气体） 1）易分离（通过急冷即可实现） 2）热容量大，使系统有较大的热惯性，当操作供热不平稳时，可起到稳定温度的作用，保护炉管防止过热。 3）抑制裂解原料所含硫对镍铬合金管的腐蚀。 4）脱除积碳，抑制炉管的铁和镍的催化生碳反应。15.烃类热裂解气脱除酸性气体：（脱至1*10-6 以下）（摩尔分数含量）1）目的：裂解气中含有的酸性气体对裂解气分离装置以及乙烯和丙烯衍生物加工装置都会有很大危害，故脱除。2）方法和原理：.碱酸法：A.原理：CO2+2NaOHNaCO3+H2O H2S+2NaOHNa2S+H2O 化学平衡常数大，平衡产物中CO2 和H2S分压几可降至0。（但NaOH 吸收剂不可再生，釜液保持2% NaOH，耗碱量高。）B.节碱原理：分段碱洗：两段裂解气压缩机三段出口的裂解气经冷却并分离凝液后，再由37预热至42，进入碱洗塔，分三段，工段为，水洗塔是泡罩塔板，段和三段为碱洗段（填料层），裂解气经两段碱洗后，再经水洗段洗后进入压缩机四段吸收罐。补充新鲜碱液含量为18%20%，保证二段循环碱液NaOH含量约5%7%；部分二段循环碱液补充到三段循环碱液中以平衡塔釜排除的废碱；段2%3%。.乙醇胺法：A.原理：与CO2和H2S反应：2HOC2H4NH4+H2S（HOC2H4NH3）2S2HOC2H4NH4+CO2+H2（HOC2H4NH3）2CO3 可逆反应在温度低，压力高时，反应向右进行，并放热；常温加压下吸收，吸收液在低压下加热，释放出CO2和H2S，重生。酸性气体含量高时，甲醇胺法较好，一般用碱洗法。16.芳烃转化目的：把经济价值低，需求量少的芳烃转化为经济价值高，需求量大的芳烃，以便保持市场需求平衡。17.合成气：指一氧化碳和氢气的混合气,Syngas。制造原料：煤，石油馏分，天然气，农林废料，城市垃圾。18.天然气为原料生成合成气的方框流程：天然气脱硫一段转化二段转化变换脱碳合成气 蒸汽 氧气或空气 19.CO变换：1）目的：适应对合成气中CO/H2 比值要求的不同。 2）高温变换和低温变换的不同点： 催化剂 反应温度 出口残余CO量 出口温度高温转化 铁铬系 370 0.3% 430低温转化 铜基 220 0.3% 24025020.以煤为原料的固定床间歇式气化制水煤气：1）六步过程：吹风（空气自下而上）蒸汽吹净（蒸汽自下而上）一次上吹制气下吹制气（蒸汽自上而下）二次上吹制气（蒸汽自下而上）空气吹净（空气自下而上）即：.吹入空气，提高燃料温度，吹空气放空，1200结束；.置换炉内和出口管中的吹风气，以保证水煤气质量；.燃料层下部温度下降多，上部温度下降少；.使燃料层温度均衡；.将炉底部下吹煤气排净，为吸入空气做准备；.将顶部的煤气继续送入气柜。2） 气化剂是空气，作用是放空，提高燃料温度。21.骨架催化剂：将金属活性组分和载体铝或硅制成合金形式，然后将制成的催化剂再用氢氧化钠溶液溶解合金中的铝或硅，得到活性组分构成的骨架状物质，称之为骨架催化剂。最常用镍。 特点：很高的活性，足够的机械强度。 22.合成氨原料气中加入氮气的方法和加入量： 1）以煤为原料：A.间歇法：将一部分烟气（空气吹净阶段）导入气柜。 B.连续法：用富氧空气代替纯氧。2）以天然气或石脑油（轻质油）为原料：二段转化时用富氧空气代替氧气。3）以重油或渣油为原料：用富氧空气代替纯氧。 N2的加入量：使（CO+H2）/N2约等于3.13.2 23.以天然气为原料制合成氨时二段转化的目的：降低合成气中CO的含量，方便原料气的净化，进而减少催化剂的中毒。24氨合成： 1）反应式：0.5N2+1.5H2=NH3 可逆 放热 2）温度，压力，氢氮比和惰性气体含量对平衡氨浓度的影响：a.温度和压力：温度降低或压力增高时，都能使平衡常数及相应的平衡氨含量增大。b.氢氮比：最佳y(H2)/y(N2)=m，在2.682.90之间变动。c.惰性气体：惰性气体的存在，会使平衡氨含量明显下降。3）温度，压力，氢氮比和惰性气体含量对反应速率的影响：a.温度：温度对正逆反应k都有影响，存在最适宜的温度，具体由气体组成，压力和催化剂活性而定。b.压力;压力升高，正反应速率加快，逆反应速率减慢，净速率提高。c.氢氮比：反应初期，H2/N2=1.5时速率最大，随反应继续进行，要求H2，N2比随之变化。 d.惰性气体：惰性气体含量增加，会使反应速率下降，也使平衡氨浓度下降。4）放空驰放气的原因：氨合成工艺为提高原料利用率带循环系统，由于循环，新鲜气体中带入的惰性气体在系统中不断积累，当其浓度达到一定值时，会影响反应的正常进行，即降低合成率和平衡氨含量，因此必须将惰性气体的含量稳定在要求的范围内，这就需要定期或连续放空一些循环气，称为驰放气。5）合成原料气中惰性气体含量对原料利用率的影响：使下降。25.高压反应器：外筒：是承受高压的，壁很厚，机械强度高，但不能接触高温，避免了钢材脆化，可用低合金钢。 内筒：虽接触高温，但不承受压力，因而较安全，可用合金钢。26.合成氨与合成甲醇过程的相似之处：1）原料相同；2）反应类型相同（均为分子数减少的可逆放热反应）；3）均为高压和带循环物料的过程；4）均使用催化剂；5）合成塔结构相似。27.氧化反应：1）氧化反应的共同特点：a.反应放热量大；b.反应不可逆；c.氧化途径复杂多样；d.过程易燃易爆