工艺技术_化学工艺基础培训教材

第二章 化学工艺基础 2 1原料资源及其加工 石油天然气煤生物质空气水 2 1 1石油及其加工利用 石油化工自20世纪50年代开始蓬勃发展基本有机化工 高分子化工 精细化工及氮肥工业等的产品中大约有90 来源于石油和天然气 2 1 2石油及其加工 三烯 乙烯 丙烯 丁二烯石油制取三苯 苯 甲苯 二甲苯石油 天然气和煤制取 1 石油的组成 由分子量不同 组成和结构不同 数量众多的化合物构成的混合物 其中化合物的沸点从常温到500 以上石油中的化合物分为烃类非烃类胶质和沥青 烃类化合物非烃化合物胶质和沥青质 链式饱和烃环烷烃芳香烃 硫化物氮化物含氧化合物 稠环烃类等 根据沸程的不同 将石油分类 2 油品的概念 石脑油 轻汽油 50 140 汽油140 200 航空煤油140 230 煤油180 310 柴油260 350 润滑油350 520 重 渣油 520 来源常减压蒸馏 一次加工 得到直馏汽油催化裂化重整 二次加工 得到催化汽油辛烷值汽油在内燃机中燃烧时 抗爆震性能的指标 辛烷值越大 抗爆震性能愈高 汽油的质量也愈好测定方法 研究法 RON 马达法 MON 汽油的来源和指标 将异辛烷规定为100 正庚烷为0 两者以不同比例混合 制成标准汽油 将待测汽油与标准汽油相比较 若两者在标准汽油机中炕爆性能相同 则待测汽油的辛烷值就是同测标准汽油中异辛烷的百分含量93 90 辛烷值定义 评定柴油发火性能 自燃性 的指标定义 在单缸发动机中 当试验油料的自燃性和十六烷与2 甲基萘某一混合物的自燃性能相同时 待测油料的十六烷值就和混合油料中十六烷值的体积百分数相同 柴油的指标 十六烷值 馏程闪点 评定柴油蒸发性能的指标 主要是50 和90 的馏出温度凝点 在规定的实验条件下 试样开始失去流动性的温度冷滤点 通过过滤器的流量每分钟不足20mL时的最高温度 柴油的其他性能指标 5 8 以上0 8 至4 10 4 至 5 20 5 至 14 35 14 至 29 50 29 至 44 根据使用时的气温选用不同标号 柴油标号的依据是柴油的凝固点 柴油的标号 利用原油中各组分沸点的差别进行分离常压蒸馏减压蒸馏 3 石油的加工 一次加工 油品的加工 催化重整 catalyticreforming 催化裂化 catalyticcracking 催化加氢裂化 catalytichydrocracking 烃类热裂解 pyrolysisofhybrocarbons 二次加工 馏分油的化学加工调整烃类的组成 石油的加工的主要途径和产品 天然气主要成分是甲烷干气甲烷含量高于90 湿气C2 C4烷烃含量 15 20 油田伴生气天然气于石油伴生煤层气 瓦斯气 吸附在煤上的甲烷天然气水合物冻土带和海底甲烷与水组成的笼形化合物 2 1 3天然气及其加工利用 制氢气和合成氨经合成气路线制燃料和化工产品直接催化转化成化工产品热裂解制化工产品甲烷的氯化 硝化 氨氧化和硫化湿气中C2 C4烷烃的利用 天然气的化工利用 煤 coal 由含碳 氢的多种结构的大分子有机物和少量硅 铝 铁 钙 镁的无机矿物质组成成煤过程的程度不同分为泥煤 褐煤 烟煤和无烟煤H O 含量顺序泥煤 褐煤 烟煤 无烟煤 2 1 4煤及其加工利用 高温干馏 炼焦 低温干馏煤气化煤液化 直接液化间接液化 煤的加工 煤 低温干馏 焦炉煤气 含氢 甲烷 乙烯等 低温煤焦油 酚类 烷烃 环烷烃等 半焦 气化 合成气 高温干馏 焦炉煤气 粗苯 分离 苯 二甲苯 甲苯 氧 杂 茚 茚 煤焦油 分离 苯酚 甲酚 二甲酚 萘 烷基萘 蒽 其他化工原料 气化 合成气 合成 氨 甲醇 低碳混合醇 汽油 柴油等 高压加氢液化 汽油 煤油 柴油等 糠醛的生产 2C2H10O5 H2O 淀粉 C12H22O11 麦芽糖 H2O 2C6H12O6 葡萄糖 C6H12O6 酵母 2CH3CH2OH 2CO2 乙醇的生产 2 1 5生物质及其加工利用 HC CH C5H10O5 C C 糠醛 O CHO 3 H2O 产品分离与精制 化学反应 原料预处理 2 2化工生产过程及流程 化工生产过程 2 2化工生产过程及流程 化工生产工艺流程组织 推论分析法 从 目标 出发对不同功能的单元进行逻辑组合 化工工艺过程的 洋葱 模型 反应器 分离与再循环 换热网络 公用工程 2 2化工生产过程及流程 化工生产工艺流程组织 功能分析法 分析每个单元的基本功能和属性 列出不同方案 不同功能单元的实施方法 不同设备型式 不同流程方案 2 2化工生产过程及流程 化工生产工艺流程组织 形态分析法 对不同流程方案精确分析评价 择优汰劣 原则 是否满足所要求的技术指标经济指标的先进性环境 安全和法律技术资料的完整性和可信度 例 丙烯氨氧化制丙烯腈生产过程主反应 C3H6 NH3 1 2O2CH2 CHCN H2O主要副产物 HCNCH3CNQ 如何从吸收塔底流出的水溶液中分离出丙烯腈和副产物呢 方案一 将丙烯腈和各副产物同时从水溶液中蒸发出来 冷凝后再逐个精馏分离 Q 丙烯腈与乙腈的沸点相近 普通精馏方法难于将它们分离 方案二 采用萃取精馏法先将丙烯腈和HCN解吸出来 乙腈留在水溶液中 然后再分离丙烯腈和HCN 乙腈与水完全互溶 而丙烯腈在水中的溶解度很小 用水作萃取剂 使两者精馏分离变得很容易 2 3化工过程的主要效率指标 生产能力和生产强度化学反应的效率 合成效率转化率选择性收率平衡转化率和平衡产率 生产能力 一个设备 一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量或处理的原料量单位千克 时 kg h 吨 天 t d 万吨 年 10kt a 设计能力 在最佳条件下可以达到的最大生产能力 设备的单位体积 或面积 的生产能力单位 kg h m3 t d m3kg h m2 t d m2 生产强度 时空收率 催化剂的生产强度单位时间 单位体积 质量 催化剂所得产品量 合成效率 原子经济性AE 环境因子 反应器 反应系统 循环流程 转化率 选择性 表达主 副反应进行程度的大小反映原料的利用是否合理 从产物角度来描述反应过程的效率 单程收率总收率 平衡转化率平衡产率 转化率 选择性和收率的关系 收率产率 2 4反应条件对化学平衡和反应速率的影响 可逆反应 平衡常数与温度的关系 温度的影响 化学平衡 吸热反应 H 0 K值随着温度升高而增大 有利于平衡产率增加 放热反应 H 0 K值随着温度升高而减小 降低温度使平衡产率增加 2 4反应条件对化学平衡和反应速率的影响 温度的影响 反应速率 总是随温度的升高而增加 不可逆反应 产物生成速率随温度的升高而加快 可逆吸热反应 净速率随温度的升高而增高 可逆放热反应 在最佳反应温度下净反应速率最大 2 4反应条件对化学平衡和反应速率的影响 浓度的影响 反应物浓度越高 越有利于平衡向产物方向移动使廉价易得的反应物过量 提高价贵难得反应物的利用率 反应物浓度愈高 反应速率愈快 2 4反应条件对化学平衡和反应速率的影响 压力的影响 压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大分子数增加的反应 降低压力可以提高平衡产率分子数减少的反应 提高压力可以提高平衡产率分子数不变的反应 压力对平衡产率无影响 一定的压力范围内加压 对加快反应速率有一定好处 但压力过高 反而不经济 惰性气体的存在 降低反应物的分压 对反应速率不利 但有利于分子数增加的反应的平衡 2 5催化剂的性能及使用 提高反应速率和选择性改进操作条件催化剂有助于开发新的反应过程 发展新的化工技术催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用 催化剂的基本特征 催化剂是参与了反应的 但反应终了时 催化剂本身未发生化学性质和数量的变化催化剂只能缩短达到化学平衡的时间 即加速作用 但不能改变平衡催化剂具有明显的选择性 特定的催化剂只能催化特定的反应 催化剂的分类 按催化反应体系的物相均一性均相催化剂非均相催化剂按反应类别加氢 脱氢 氧化 裂化 水合 聚合 烷基化 异构化 芳构化 羰基化 卤化 按反应机理氧化还原型催化剂 酸碱催化剂按使用条件下的物态金属催化剂 氧化物催化剂 硫化物催化剂 酸催化剂 碱催化剂 络合物催化剂和生物催化剂 工业催化剂的使用性能 活性选择性寿命 寿命的影响因素化学稳定性热稳定性力学性能稳定性耐毒性 失活原因 超温过热 使催化剂表面发生烧结 晶型转变或物相转变 原料气中混有毒物杂质 使催化剂中毒 有污垢覆盖催化剂表面 催化剂的失活和再生 再生 暂时性中毒是可逆的 当原料中除去毒物后 催化剂可逐渐恢复活性永久性中毒则是不可逆的 催化剂积碳可通过烧碳再生无论是暂时性中毒后的再生 还是积碳后的再生 均会引起催化剂结构的损伤 致使活性下降 催化剂的失活和再生 2 6反应过程的物料衡算和热量衡算基础 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 衡算系统的物料衡算通式 间歇操作过程的物料衡算 以每批生产时间为基准输入物料量每批投入的所有物料质量的总和 包括反应物 溶剂 充入的气体 催化剂等 输出物料量该批卸出的所有物料质量的总和 包括目的产物 副产物 剩余反应物 抽出的气体 溶剂 催化剂等 投入料总量与卸出料总量之差为残存在反应器内的物料量及其它机械损失 稳定流动过程的物料衡算 系统中各点的参数 温度 压力 浓度和流量等 不随时间而变化 系统中没有积累输入系统的物料总质量 输出系统的物料总质量组分衡算 mi 入 mi 出 mi原子衡算输入物料中所有原子的摩尔数之和 输出物料中所有原子的摩尔数之和 物料衡算的步骤 绘出流程的方框图 以便选定衡算系统写出化学反应方程式并配平选定衡算基准 以计算方便为原则收集或计算必要的各种数据设未知数 列方程式组 联立求解计算和核对报告计算结果 物料衡算的步骤 绘出流程的方框图 以便选定衡算系统写出化学反应方程式并配平选定衡算基准 以计算方便为原则收集或计算必要的各种数据设未知数 列方程式组 联立求解计算和核对报告计算结果 稳态流动反应过程的热量衡算 稳