化工基本生产技术-基本过程

第二章化工生产基本过程BasicUnitofChemicalProduction 化学工业出版社 总教学目标 知识目标 能力目标 素质目标 化学工业出版社 知识目标 了解产品包装与储存方面的知识 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 化学工业出版社 能力目标 能够根据产品的要求选用原料路线与生产路线 能够操控反应设备 正确地使用反应器 能够对所选用的原料进行预处理 混合与输送 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 化学工业出版社 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 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 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 素质目标 化学工业出版社 第三节反应产物的分离与精制 第四节产品的包装与储运 主要内容 第一节原料 第二节反应过程 化学工业出版社 第一节原料 化学工业出版社 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 化学工业出版社 主要内容 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 化学工业出版社 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 化学工业出版社 一 原料的选用与储存 项目 30万吨甲醇项目的原料的选用 项目 江苏恒成盛集团30万甲醇原料的选用条件 恒盛集团地处苏北东陇海铁路中部 有连霍高速 京沪高速从旁而过 苏北无石油和天然气 有渐渐枯竭煤矿资源 农业以小麦 玉米 水稻为主 要求 根据以上条件 选用合成甲醇的原料 并说明你选用的理由 分组讨论 根据教学班的实际情况 每一小组不超过6个人 讨论过程要指派专人记录 教师要深入组内与学生一起讨论 并引导讨论 化学工业出版社 2020年4月19日星期日 12 2 原料的储存 1 适量 一 原料的选用与储存 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 化学工业出版社 2020年4月19日星期日 13 2 原料的储存 2 安全 一 原料的选用与储存 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 化学工业出版社 2020年4月19日星期日 14 2 原料的储存 一 原料的选用与储存 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 3 经济 化学工业出版社 一 原料的选用与储存 2 原料的储存 项目 如何贮原料 要求 根据适量 安全 经济的原则进行讨论 包括周转量 贮存方法和注意事项 任务1 如何贮存有机化工原料要求 根据有机化工原料的特点 易燃 易爆 有毒 有害 易挥发的角度去讨论 是否能举出一些实例说明适量 安全 经济的原则 任务2 如何贮存无机化工原料要求 根据无机化工原料的特点 特别是有腐蚀性的物料 应该如何贮存才能保证安全 经济 化学工业出版社 1 气固相反应 2 气液相反应 3 液液相反应 4 气液固相反 二 原料的预处理 注意 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 1 化学反应类型 化学工业出版社 一类是直接参与气固相反应的固体物料的规格要求 一类是先溶解于溶剂中参与的液相或气液相反应 反应对原料纯度的要求 反应对原料纯度的要求 固体物料 液体物料 气体物料 要求 二 原料的预处理 2 对原料规格的要求 化学工业出版社 二 原料的预处理 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 化学工业出版社 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 化学工业出版社 三 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 化学工业出版社 三 原料输送 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 所以本节不作为重点介绍 下面着重介绍流体的输送过程 化学工业出版社 三 原料输送 3 流体输送 IS型离心泵和压缩机组 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 化学工业出版社 三 原料输送 3 流体输送 IS型离心泵和压缩机组 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 化学工业出版社 三 原料输送 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 化学工业出版社 第二节反应过程 ReactionProcess 化学工业出版社 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 化学工业出版社 一 二 三 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 主要内容 化学工业出版社 一 反应器选型 SelectionandUseofReactorType 化学工业出版社 一 反应器选型 1 管式反应器 tubularreactor 注意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 化学工业出版社 一 反应器选型 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 化学工业出版社 一 反应器选型 3 固定床式反应器 图2 5固定床式反应器 化学工业出版社 一 反应器选型 4 流化床式反应器 图2 6流化床反应器 化学工业出版社 一 反应器选型 5 鼓泡塔式反应器 图2 7鼓泡塔式反应器 化学工业出版社 一 反应器选型 6 涓流床反应器 图2 8涓流床式反应器 化学工业出版社 一 反应器选型 6 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 化学工业出版社 图2 10板式塔与填充塔 一 反应器选型 7 板式塔 填充塔反应器 化学工业出版社 二 反应条件的选择 SelectionofReactionCondition 化学工业出版社 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的能力 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 以下教学内容均采用分组讨论 互动式的教学方式 化学工业出版社 二 反应条件的选择 以下教学内容均采用分组讨论 互动式的教学方式 化学工业出版社 2020年4月19日星期日 40 2 压力的选择 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 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 二 反应条件的选择 以下教学内容均采用分组讨论 互动式的教学方式 化学工业出版社 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 二 反应条件的选择 以下教学内容均采用分组讨论 互动式的教学方式 要求 在老师的引导下能否举出一些实例 可以采用提问 讨论等多种形式教学 化学工业出版社 4 空间速度与接触时间 定义是指单位时间内 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 请写出空速的表达式 通过空速换算得到倒实际空塔气速 通过换算使学习者了解空速与实际空塔气速之间有什么区别与联系 定义是指反应物料 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 说明接触时间与转化率 选择性 生产能力之间的辩证关系 三 反应条件的控制 空间速度 接触时间 化学工业出版社 杂质及有害物质的来源原料中除了含有主要的反应物料外 还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 5 原料纯度 二 反应条件的选择 以下教学内容均采用分组讨论 互动式的教学方式 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 除了空气或氧气以外 其余的新鲜反应物料都是上一工段或其它厂家的化工产品 其产品质量应符合本工段的要求 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 化学工业出版社 三 反应条件的控制 ControlofReactionCondition 化学工业出版社 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 三 反应条件的控制 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 化学工业出版社 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 1 3 2 2 反应压力的控制 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 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 化学工业出版社 化学工业出版社 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 4 空速的控制 化学工业出版社 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 化学工业出版社 第三节反应产物的分离与精制 SeparationandRefinementofReactionProducts 化学工业出版社 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 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 技能目标 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 气体 液体 固体和非均相混合物的分离方法 过程和原则 应用知识 化学工业出版社 1 3 4 2 主要内容 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 化学工业出版社 一 气体混合物的分离 SeparationofReactedGasMixture 化学工业出版社 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 化学工业出版社 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 化学工业出版社 二 液体混合物的分离 SeparationofReactedLiquidMixture 化学工业出版社 二 液体混合物的分离 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 举例 粗醋酸的分离与精制 化学工业出版社 二 液体混合物的分离 举例 粗醋酸的分离与精制 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 化学工业出版社 三 固体混合物的分离 SeparationofSolidMixture 化学工业出版社 三 固体混合物的分离 1 溶解 dissolution 就是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 化学工业出版社 三 固体混合物的分离 2 过滤 filtration 就是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 化学工业出版社 三 固体混合物的分离 3 结晶 crystallization 1 利用共同离子效应 加入具有同离子的固体盐于溶液中 溶液中相对更不易溶解的组分被析出 加入的固体盐类溶解 进入液相 取代被折出的盐类 例如联合制碱的盐析结晶 2 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 开始是细微的晶核 逐步再与后面折出的结晶相结合逐步生长 最后达到要求的粒度 化学工业出版社 三 固体混合物的分离 3 结晶 crystallization 3 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 打破了原有的溶解度平衡状态 有细微的晶核折出 然后互相结合或生长达到成品结晶的粒度 4 真空结晶是依靠闪蒸使溶剂离开溶液 同时又有潜热带出 使溶液温度下降 也就是兼具蒸发与冷却的双重效应 从而达到过饱和状态 有部分晶体折出 5 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 化学工业出版社 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 类型 化学工业出版社 5 再过滤 refiltration 即得产品晶体 再过滤与过滤的不同点 是其处于在冷态过滤 初始过滤时 为了防止已经溶解的晶体由于温度的下降而重新析出 与不溶解的杂质一起被过滤掉 造成浪费 所以初始过滤必须热过滤 再过滤操作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 而且过滤后的母液可作为溶剂回收使用 对晶体进行再洗涤 可除去晶体中包裹的杂质 晶体中的杂质是否除去干净 常用洗涤液的pH值作为控制指标 当pH值接近于7时 可以认为洗涤干净 化学工业出版社 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 化学工业出版社 四 非均相混合物的分离 SeparationofHeterogeneousMixture 化学工业出版社 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 化学工业出版社 第四节产品的包装与储运 Packing StoringandTransportingofProducts 化学工业出版社 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 知识拓展 化学工业出版社 Reality 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 化学工业出版社 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 化学工业出版社 二 按材质分类 非金属类包装 如塑料 纸质等 金属类包装 化学工业出版社 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 三 按封口类别分类 化学工业出版社 四 包装物外观印刷要求 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