第二章 化工生产基本过程

第二章化工生产基本过程 BasicUnitofChemicalProduction 三大目标 知识目标 能力目标 素质目标 知识目标 掌握原料的选用 储存 处理 混合与输送技术 了解并熟悉各种类型反应器的结构特征 掌握其优缺点及适应范围并能够进行正确地操控 掌握不同状态产物的分离与精制方法 了解产品包装与储存方面的知识 能力目标 能够根据产品的要求选用原料路线与生产路线 能够对所选用的原料进行预处理 混合与输送 能够操控反应设备 正确地使用反应器 能够根据反应产物的状态选用单元操作过程 正确地操作单元过程设备 能够正确地选用产物储存设备和运输装置 能够正确处置生产过程中所发生的安全事故 素质目标 严格遵守装置的操作规程和操作方法 养成遵章守纪的良好习惯 严格遵守工厂的规章制度 坚守岗位 保证装置或设备安全 优质 高效地运转 对工作严格要求 一丝不苟 实事求是 不弄虚作假 严格交接班制度 具有团结协作的精神 遇事不推逶 不扯皮 努力作好本职工作 第一节原料第二节反应过程第三节反应产物的分离与精制第四节产品的包装与储运 第一节原料 RawMaterial 应用知识 1 原料选用的方法和贮存 2 原料预处理的单元操作技术 3 原料输送设备的选用与操作 技能目标 1 能够根据生产要求和产品要求选用正确的化工原料 2 能够根据化工原料的物理和化学性质 正确贮存化工原料 确保安全的前提下 减少化工原料在贮存过程中的损失 3 根据化学反应单元对所选原料的要求 对于不符合反应要求的原料能够用正确的简单的方法处理 4 能够选择正确的原料输送机械将原料输送入反应器 一 原料的选用与储存 Selection UseandStoringofRawMaterial 二 原料的预处理 RawMaterialPretreatmentorPrehandling 三 原料输送 RawMaterialTransport 一 原料的选用与储存 Selection UseandStoringofRawMaterial 一 原料的选用与储存 1 原料的选用化工原料的选用 首先要考虑原料来源是否可靠 其次要考虑运输是否方便 安全 再者在确定原料后 要选择成本低廉 安全可靠的运输方式 所以原料的选用是一个复杂的系统工程 要从技术的 经济的 安全的 环保的等多方面综合考虑后 确定技术成熟 经济合理 来源可靠 而且环境友好 又符合国家能源政策的原料作为该生产装置的原料路线 2 原料的储存 1 适量在化工生产过程中 为了保证生产的正常进行 需要有一定的原料储存量 化工原料储存量既不能过多 也不能过少 过多的原料储存量 一是占用大量的流动资金 影响生产的发展 二是占用工厂的大量空间 三是有可能因为贮存过程不当而造成挥发 风化等形式的损耗和浪费 四是有时因为贮存过多而造成安全事故 同样 过少的储存量 一旦遇到原料价格的波动或者运输障碍 会直接影响工厂的正常生产 有时还会导致停产 所以为了保证生产的正常进行 必须有一定的原料储存量 原料储存量的多少应视原料的供应情况确定 另外 原料贮存量的多少直接确定了贮存场所或贮存设备投资的多少 例如 液体贮存就包括单个设备的容积和相同设备的套数 2 安全 正确地储存原料也是减少原料的损耗 避免安全事故的发生 提高生产经济效益的重要方面 在过去或即使现在有些化工厂无论从工程设计 工程施工直到正常生产 都忽略了化工原料储存的环节 以至于化工原料在储存的过程中造成原料的流失 甚至燃烧 爆炸事故的发生 给人们的生命财产造成了不必要的损失 所以 在化工生产过程中必须重视化工原料的储存 以防止流失或安全事故的发生 3 经济 化工原料的储存 从经济性上考虑的一般原则是 能室外储存不用室内储存 能堆放储存不用容器储存 能用非金属容器贮存不用金属容器贮存 能用普通碳钢容器贮存不用合金钢容器贮存 在保证原料贮存安全的前提下 尽量节约贮存原料场地或设备的投资 除此之外 还要考虑原料量的多少才能最终确定化工原料的储存方式 因为固体原料储存时 所占空间的大小 气体物料或液体物料贮存时 所需单个容器的容积和容器的数量 都直接确定了化工原料贮存的安全性和经济性 二 原料的预处理 RawMaterialPretreatmentorPrehandling 二 原料的预处理 1 化学反应类型 1 气固相反应 2 气液相反应 3 液液相反应 4 气液固相反应应该类型反应对原料的要求 主要考虑参加反应的物料特性 2 对原料规格的要求 1 固体物料 一类是直接参与气固相反应的固体物料的规格要求 为增大反应接触面积需有一定粒度 一类是先溶解于溶剂中参与的液相或气液相反应 破碎成小块物料 增大溶解速度 并加热 肺沉着病 2 液体物料 反应对原料纯度的要求 3 气体物料 反应对原料纯度的要求 吸收方法脱除有害杂质 3 原料的混合 定义 原料的混合 Mixingofrawmaterial 是指参加化学反应的两种或两种以上的物料在进入反应器之前需要按比例进行的混合 以保证反应的正常进行 方式 化工原料的混合有的是在混合器中混合好后进入反应器 有的是在反应器中进行混合 混合后直接升温反应 气固相反应的气体反应物料一般在混合器中进行混合 混合时 对于有氧参加的化学反应各反应物的量按爆炸极限的要求进行计量混合 无氧参加的化学反应各反应物料一般是以化学计量比为基础 经具体的工艺研究确定各物料实际量进行混合 气液相反应 反应物料有的是气体 有的是液体 当反应体系是液相 原料的混合根据工艺要求直接进入反应器进行混合 对于液液相反应 反应物料可能是液体 也可能是固体 是液体的直接按照计量要求投入反应器中 通过机械搅拌或鼓泡搅拌使其混合均匀后参与反应 而不需要事先混合 当反应物料是固体的 如焙烧反应 一般是用螺旋推进器送入焙烧炉 若是液相反应 有的是按照计量比投入反应器的溶剂中 加热溶解 然后进行反应 也有的是先熔化成液体再按要求投入反应器进行反应 3 原料的混合 三 原料输送 RawMaterialTransport 三 原料输送 1 原料输送定义 原料输送是指利用输送机械将原料从储存区输送到计量罐或者反应器让其参与化学反应的过程 根据原料的状态 可分为固体原料输送和流体原料输送 流体原料输送又可分为液体原料输送和气体原料输送 2 固体原料输送 固体原料的输送都是敞开输送过程 有的利用皮带输送机 如右上图 进行具有一定斜坡高度的输送 如电解食盐水溶液之前的粗盐的精制 就是利用皮带输送机械将工业粗盐从粗盐仓库输送到具有一定高度的食盐溶解槽中 2 固体原料输送 有的利用平板车 手推车将固体物料搬运到反应装置 然后利用料斗或料桶通过手提或电动葫卢提升到进料口送入反应器中 还有的是通过螺旋推进器连续不断地定量的送入反应器中 如右下图 由于固体物料的输送相对于流体输送来说比较安全 方便 快捷 3 流体输送 无论是气体或是液体的输送总是以一定的流速或流量沿着管道从一处送往另一处 它属于流体动力过程的单元操作过程 作为化工生产处理的物料 包括原料 中间产物 产品和载体等 多数为流体 按工艺要求如何在原料贮罐和化学反应设备之间把这些物料安全的输送 是实现化工安全生产的重要环节 3 流体输送 液体化工原料的种类繁多 性质各异 如密度 黏度 毒性 腐蚀性 易燃性与易爆性等各不相同 而且温度变化较大 从低于 200 到高达1000 以上 压力从高度真空到100MPa 流量从10 3m3 h到104m3 h以上 所以输送液体原料所用的流体输送机械有多种形式 输送机械或管道的材质也是多种多样 但工业上最常见的是离心泵 气体常用的输送机械是压缩机 注意 当送料点流体的位能足够高时 所要求的流体输送量能自行的流至位能较低的反应器中 否则就需要补充能量以才能满足输送的要求 补充能量的方式对于液体和气体是不同的 液体可以采用压送 抽吸和泵送的方式 气体采用鼓风机和压缩机 液体的压送适应于那些挥发性较大 沸点较低 易于发生燃烧爆炸的物质 这类物质是无法用抽吸或泵送的方式输送 抽吸的方式适应于那些物质沸点较高 挥发性相对较小 泵送一般适应于水溶液 或有机液体 第二节反应过程 ReactionProcess 应用知识 1 不同反应器的结构特征 优缺点以及适用范围 2 反应影响因素分析的方法 选择反应条件的依据 3 操控各反应条件的方法与技巧 技能目标 1 能根据反应类型和对反应的要求正确地选用化学反应器 2 能够分析简单化学反应的工艺影响因素 能够正确地确定工艺条件 3 能够正确地控制工艺条件 一 反应器选型 SelectionandUseofReactorType 二 反应条件的选择 SelectionofReactionCondition 三 反应条件的控制 ControlofReactionCondition 一 反应器选型 SelectionandUseofReactorType 一 反应器选型 1 管式反应器 tubularreactor 管式反应器的结构特性 优缺点及适用范围 图2 3管式反应器a 多管式反应器装置图 b 多管式反应器结构示意图 2 釜式反应器 a 外型结构图b 结构示意图图2 4釜式反应器 3 固定床式反应器 图2 5固定床式反应器 4 流化床反应器 图2 6流化床反应器 5 鼓泡塔式反应器 图2 7鼓泡塔式反应器 6 涓流床反应器 图2 8涓流床式反应器 7 浆态反应器 图2 9浆态反应器1 原料气进口 2 产物出口 3 热介质 4 气泡 5 催化剂 载体 8 板式塔 填充塔反应器 图2 10板式塔与填充塔 二 反应条件的选择 SelectionofReactionCondition 二 反应条件的选择 1 反应温度的选择 1 理论分析 即满足反应热力学和动力分析要求 是放热还吸热 热效应的大小 转折温度 阿累尼乌斯方程和反应速率方程式 2 催化剂性能要求 活性温度范围 3 向反应器的供热能力或从反应器中移热能力 即放热或吸热速率与移热或供热速率的平衡问题 热点温度以及工程问题 4 设备材质要求 即材质的强度随温度的升高而下降 2 压力的选择 压力的选择一般要考虑四个方面的因素 一是反应压力的增加使反应在热力学上是否有利 主要是考虑反应前后有体积变化的气相或气固相反应 二是要考虑增加压力确实能够提高设备的生产能力 但是对设备材质的强度要求提高 设备的投资费用也相应的增加 也就是说设备生产能力的增加所创造的经济效益是否能超过设备投资费用的增加所造成生产成本的增加 三是要考虑整个系统的压力关系 需要负压操作时 就要选择机械真空装置 水流喷射装置或蒸汽喷射装置实现真空操作 需要加压操作时 对于来料系统不能满足该反应压力要求的 则需要加压设备 四是考虑原料气压缩功的消耗 3 原料配比的选择 1 对于有氧参加的化学反应的原料配比 考虑爆炸极限 什么是爆炸极限 爆炸极限与哪些因素有关 2 对于无氧参加的化学反应的原料配比 首先考虑以化学计量比为基础 然后再考虑其它因素 如原料的价格 产物的分离难易程度等 才能确定一个适当的原料配比 4 空间速度和接触时间 1 空速是指单位时间内 单位体积的催化剂上所通过反应物的体积 在标准状态下 单位为标准米3 米3催化剂 小时 简写成 h 1 空间速度简称空速 常用SV表示 2 接触时间是指反应物料 蒸汽或气体 在催化剂上的停留时间 又称为停留时间 常用表示 单位 s 5 原料纯度 原料中含有一些对催化剂有毒害作用的物质 还有虽然对催化剂无害但是却会恶化反应条件的有害物质 另外有些既对催化剂无毒 又对反应无害的惰性物质 它的存在会降低反应的速率 对于催化剂的毒物和容易恶化反应条件的有害物质 一定要脱除到反应要求的微量以下 惰性物质也要控制其含量 空气使用前要进行净化 空气要经过吸附除尘 水洗和碱洗脱除酸性气体 过程中的循环物料主要是脱除惰性物质 以提高反应的速率 对于某些气固相反应 经分离产物后 有大量未反应的原料需循环使用 但不能全部循环 必须有部分气体放空 或进入火炬烧掉 或经脱除惰性气体后循环气再与新鲜原料气混合进入反应器进行反应 这样做的目的就是为了控制惰性气体含量 提高反应物的浓度 增大反应速度 以期提高设备的生产能力 三 反应条件的控制 ControlofReactionCondition 三 反应条件的控制 注意 对于高职学生来说控制反应条件比选择反应条件更重要 因为选择条件是科学家和工程师的事情 而控制条件的确生产一线操作人员必须掌握的技术 1 反应温度的控制 在催化剂确定的情况下 反应温度指标是确定的 但是反应温度能否稳定在工艺指标下操作 主要受进料的温度 流量 加热介质或移热介质的流量和温度 反应器的结构型式和使用状态的影响 反应温度的控制取决于进料流量 进料组成 换热介质的状态等 2 反应压力的控制 常压反应 在反应器或连同反应器一起的产物冷却器的最高点均设有放空阀 该放空阀在正常反应过程中是打开的 绝对不允许关闭 负压操作下的反应 真空度的大小主要靠真空设备来控制 真空机械前有一缓冲罐 靠罐顶放空阀调节 加压操作下的反应 压力的大小靠压缩机的回流管线上的回流阀调节或者缓冲罐顶的放空阀调节 3 原料配比的控制 确定了原料配比之后 应该采用正确的控制方法 如液相物料的流量或配比的控制 一般采用离心泵 计量罐 液位计三位一体的控制 也可采用计量泵直接计量 首先用离心泵将料罐中的料液打入高位计量槽 然后通过现场液位计或远程指示液位计对其进行计量放入反应器中 这类计量只适应于间歇反应过程 对于采用计量泵计量的过程 可以适应于连续反应过程 对于气体物料的计量 一般采用气动阀或电动阀自动调节 4 空速的控制 空速的大小与所使用的催化剂有很大的关系 不同的催化剂有不同的空速数值 同一催化剂在不同的使用阶段采用不同的空速 空速的控制一般用孔板流量计 文丘里流量计 实际空速控制过程中还要参考反应温度 反应后产物的组成 反应的压力降及催化剂使用时间等 5 原料纯度的控制 原料纯度是根据化学反应对原料要求进行控制的 其纯度是否符合要求由原料来源确定 进入装置的原料纯度必须符合工艺要求 不符合时必须拒收或进行预处理 若需要精馏 吸收等复杂操作处理才能符合要求的的原料 一般是不能接收的 对于经过简单吸附 干燥 非均相分离等操作处理后能满足要求的原料可以接收 但必须用这些简单的预处理过程进行处理后才能进行配料进入反应装置 第三节反应产物的分离与精制 SeparationandRefinementofReactionProducts 应用知识 气体 液体 固体和非均相混合物的分离方法 过程和原则 技能目标 1 对各种高温气体混合物能够选择正确的分离装置进行气体混合物的分离操作 能够回收高温气体的热量 根据能级要求合理利用 2 能够根据液体混合物各物质的沸点 互溶性等选择正确分离方案 3 能够根据固体混合物饱和溶解度 选择适当的溶剂 进行重结晶操作 4 能够对气固 气液 液液和气液固进行非均相分离 一 气体混合物的分离 SeparationofReactedGasMixture 二 液体混合物的分离 SeparationofReactedLiquidMixture 三 固体混合物的分离 SeparationofSolidMixture 四 非均相混合物的分离 SeparationofHeterogeneousMixture 一 气体混合物的分离 SeparationofReactedGasMixture 一 气体混合物的分离 1 合成甲醇后气体混合物分离过程 图2 11合成甲醇后气体混合物分离流程示意图 2 以石脑油为裂解原料的烃类裂解气的分离 图2 12裂解气分离流示意图 二 液体混合物的分离 举例 粗醋酸的分离与精制三个方案 方案一 蒸发 高沸塔 低沸塔 产品醋酸方案二 蒸发 低沸塔 高沸塔 产品醋酸方案三 蒸发 低沸塔 蒸发 产品醋酸要求 从产品质量 设备投资 能量消耗等方面进行探讨 从而达到确定分离方案 三 固体混合物的分离 重结晶 将晶体溶于溶剂或熔融后 又重新从溶液或熔体中结晶的过程 可以使得不纯净物质纯化 也使混合在一起盐类分离1 溶解 dissolution 选择适当的溶剂将粗品固体溶解其中形成稀溶液 目的是除去粗品中不溶的固体杂质 以制取纯度较高的符合产品质量要求的晶体 2 过滤 filtration 去除在溶解过程中没有溶解的固体杂质 此时过滤过程应处于热状态过滤 根据过滤推动力不同可分为 重力过滤 加压过滤 真空过滤和离心过滤 加压过滤机 圆盘式真空过滤机 3 结晶 crystallization 1 利用冷却的方法是使初始不饱和溶液变为饱和溶液 过饱和溶液 使晶体析出来 2 在蒸发结晶中 是以去除溶剂的方式 使溶液由不饱和变成饱和进而变成过饱和溶液 有细微的晶核折出 然后互相结合生长 3 真空结晶是依靠闪蒸使溶剂离开溶液 有潜热带出 兼具蒸发与冷却的双重效应 从而达到过饱和状态 有部分晶体析出 4 盐析结晶则是在初始的饱和溶液中先加入适量的另外一种固体盐 溶液中相对更不易溶解的盐被新加入的盐所取代 新固体盐被溶解 而液相中的盐被析出 4 结晶器 crystallizationtank 是为了满足结晶需要的装置 按照溶解度因温度的变化的特性不同 结晶器的基本类型有 冷却结晶器 蒸发结晶器 真空结晶器 盐析结晶器和喷雾结晶器 附有反应的结晶器 非混相的两相直接接触致冷结晶器等 根据 晶习 的要求选择不同的结晶器 所谓 晶习 就是晶体在一定的条件下形成特定的晶形 晶体的粒度及其分布取决于 1 晶核生长速率 2 晶体生长速率 3 晶体在结晶器中的平均停留时间 5 再过滤 refiltration 再过滤与过滤的不同点 是其处于在冷态过滤 初始过滤时 为了防止已溶解的晶体由于温度下降重新析出 与不溶解杂质一起被过滤掉 初始过滤必须热过滤 再过滤是为了得到更多的晶体 必须降低晶体的饱和溶解度 所以再过滤必须采用冷过滤 过滤后的母液可作为溶剂回收使用 对晶体进行再洗涤 可除去晶体中杂质 晶体中杂质是否除去干净 当pH值接近于7时 可以认为洗涤干净 6 干燥 chemicalorphysicaldrying 目的是使湿滤饼除去其中的湿份 得到干燥的产品 干燥过程控制的好坏是控制产品质量的关键操作步骤 非结合水结合水 四 非均相混合物的分离 此外非均相混合物的分离特指产物离开反应器之后 但还没有进入精制操作之前的非均相分离 含尘气体 含雾气体等 悬浮液 乳浊液 泡沫液等 第四节产品的包装与储运 Packing StoringandTransportingofProducts 知识拓展 产品包装是实现产品商品化的重要一环 包装总的要求是安全 经济 环保 实用 最终将产品安全地送到用户手中 第四节产品的包装与储运 一 按物质的状态分类二 按材质分类三 按封口类别分类四 包装物外观印刷要求 一 按物质的状态分类 气 气体贮存有钢瓶 气柜 气柜又分为湿式低压气柜 干式低压气柜和高压气柜等液 液体有桶装和瓶装固 固体主要是袋装和瓶装 少量利用桶装 二 按材质分类 非金属类包装 如塑料 纸质等 金属类包装 三 按封口类别分类 缝线 采用缝线的包装有 PP编织袋 纸塑袋 纸袋等 热封 采用热封的包装有 PE聚乙烯薄膜袋 热熔胶袋和铝箔袋等 不封口袋包装或自封口包装 四 包装物外观印刷要求 袋装或桶装外观印刷要求是 对于有毒物质 要有骷颅人头标志 在人头标志下方标明毒物或剧毒物 商标 商品名 化学名称 纯物质要有化学分子式或结构式 分子量 混合物要注明主要物质和主要添加物的名称及其含量 产品的主要性能 适用范围 有的要注明用法与用量 袋或桶毛重 净重以及误差 厂址 联系方式 生产日期等 本