工业化学02PPT课件

1.5化工原料及主要产品,化学工业的原料及选择原则,根据物质来源分，有无机原料和有机原料两大类。前者主要有空气、水和化学矿物；后者主要是煤、石油、天然气和生物物质。,空气经液化和精馏为化工生产提供氧气和氮气。氧气与诸多化工原料反应生成含氧产品；氮气既可作为原料，也可用于洗涤、分离气体混合物。水主要用做原料、溶剂、冷却剂、蒸汽(热源或动力)。化学矿物有制硫酸的黄铁矿和硫，制磷酸盐的磷灰石等。,(1)无机化工原料,a煤煤焦油、焦碳、苯、焦炉气（CH4）、硫等。,(2)有机化工原料,d农林作物油料、药用、纤维作物、橡胶、染料等。,c石油油品、炼厂气、裂解、重整。,b天然气甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。,在选择原料路线和技术路线时，应全面权衡技术、经济、社会和环保等方面的利弊。要考虑原料的来源、种类，路线是否可行，技术上是否合理，分析原料的经济性。,(3)原料选择原则,1.5.1主要原料,起始原料主要有：1)空气空气是工业用氮气、氧气及惰性气体的来源。2)水水是最便宜和最丰富的溶剂，广泛应用于洗涤、冷却介质及锅炉给水，也可以作为制取氢气的原料。3)矿物资源矿物包括煤、石油、天然气及无机化学矿。煤是氨、染料、煤化学产品和有机合成的原料，随着石油化工的发展，石油和天然气已成为化学工业的主要原料。无机化学矿是无机化工生产的主要原料，主要有硫化物、氯化物，氟化物、碳酸盐、硝酸盐及磷酸盐等矿石，如黄铁矿(硫铁矿)，石盐(岩盐)，萤石(氟石)，石灰石，钾硝石，磷灰石(主要是含氟磷酸钙)等。除了上述矿物外，还有各种金属矿物，如金、银、铜、汞、锌、镁、铝、铅、锡、钒、铬，锰、镍等矿物，可分别为金属；金属氧化物或化合物如钛铁矿，滑石，高岭土，纤维硼镁矿，菱镁矿等。,1.5.1主要原料,4)生物原料粮食、农产废料及林业中木材加工副产物，可用于生产有机产品，如粮食发酵生产乙醇、丙酮、丁醇、柠檬酸等。随着石油化工的发展，生物原料已逐步由石油为原料代替之。因而，就目前整个化学工业而言，除生产少量生物制品外，其所占比例是很小的,1.5.2主要产品,主要化工产品有化学肥料、农药，合成树脂、塑料、合成橡胶、化学纤维、染料、颜料，涂料，药物等。化工产品应符合产品要求的各项指标，如外观、颜色、粒度、晶形、粘度、杂质含量等，产品质量通常以纯度或浓度来表示。根据其质量好坏可分为不同等级，各有一定的规格和措标。,1.6化工工艺学基础知识,1.6.1化工过程,化学生产过程是将原料物经过化学反应转变为产品的工艺过程，主要步骤：1)原料处理：为了使原料符合进行化学反应所要求的状态和规格通常根据具体情况对原料进行预处理，如净化，提浓、混合、粉碎(对固体原料)等。2)化学反应：这是生产的关键步骤。经过预处理的原料，在一定温度、压力及催化剂等条件下进行反应，以达到所要求的反应转化率和收率。通过化学反应，获得目的产品或其混合物。反应类型可以有氧化、还原、复分解、磺化、硝化、烷基化，异构化，聚合、焙烧，并在相应的反应器中进行。3)产品精制：将由化学反应得到的混合物进行分离，除去副产物或杂质，以获得符合组成规格的产品。,生产中，原料预处理、化学反应和产品精制，缺一不可。化学反应这一步是整个化工生产过程的核心，起主导作用，其要求和结果决定着原料预处理的程度和产物精制的任务，直接影响到其它两部分的设备投资和操作费用。,化学工业产品种类繁多，生产流程千差万别，共同之处是都有原料预处理、化学反应和产品精制三部分。,化工生产过程可视为物理过程和化学过程组成。由于被加工物料的相态不同、过程原理和采用方法的差异，将物理过程可进一步细分为一系列遵循不同物理定律，有某种功用的基本操作过程，称之为单元操作.,每一种单元操作都概括了化工生产中一类有共性的操作，从本质上归纳为动量传递、热量传递和质量传递三种传递过程。,化学反应类似于单元操作，按其反应的特点，寻求共性，提炼出诸多单元操作。称之为单元过程。,三种传递过程和反应工程，即所谓的“三传一反”是贯穿于化学工程学科的一条主线。,化工生产过程的工业特征,(5)化工生产涉及经济问题.如原料供应、设备投资、能源消耗、销售、投入,工时及生产的管理等。经济效益是评价化工生产过程是否能实施的重要指标。,(1)化工过程是大规模的工业生产，处理物料量大，与化学实验研究相差悬殊。,(2)化工生产多为连续化生产过程。,(3)化工生产中所处理的物料从原料的纯度到产品的收率都与化学实验研究不尽相同。,(4)化工生产需要设置专用供水、供电、动力、贮存、运输等设施。,1.6.2化工过程选择,(1)技术上的可行性：对一个新开发的工艺路线，技术可行性尤为重要。因为从实验室开发研究到实现工业化，需要包括一系列的环节。(2)经济上的合理性：除了国家急需的特殊产品外，一个过程能实现工业化的另一个条件是经济上的合理性，也即生产过程在经济上能过关，有利可图，否则工厂很难接受这一过程。,1.6.3化工过程的确立,在对过程进行技术经济指标评价、确立过程中，一般需考虑以下一些因素：1)原料的纯度，价格、供应来源、运输及贮存。2)产品的质量指标、收率，产品销售的数量与价格。3)在运行方面，连续运转的可靠性、安全性，运转周期，失控时的对策，开、停车方法，公共工程运转情况。,1.6.4化工工艺流程图,1）化工工艺流程化工生产从原料开始到制成目的产物，要经过一系列物理的和化学的加工处理步骤，这一系列加工处理步骤，称为“化工过程”。化工过程的相同之处(即其共性)是，它们都是由为数不多的一些化学处理(称为单元过程，如氧化、还原、加氢、脱氢、硝化、卤化等)和物理处理(称为单元操作，如加热、冷却、蒸馏、过滤等)步骤组成的；其不同之处(即其个性)是不同的过程，不但组成该过程的单元过程和单元操作各不相同，而且这些单元组合的次序和方式，以及单元设备的结构类型也各不相同。从原料开始，物料流经一系列由管道连结的单元设备，最后得到顶期的产品，这一系列设备及其组合的次序和方式，便称为工艺过程或工艺流程。,工艺流程图,为描述化工生产过程，工程上通常用形象的图形、符号和代号表示设备，用箭头表示物料流动方向，将化工过程从原料到最终产品经过的所有设备和相互关系以及物料流动顺序，以图示的方式表达出来，这种表示整个化工生产过程全貌的图形称为工艺流程图。,工艺流程图是工厂设计的基础，也是操作和检修的指南。一般可分为生产工艺流程图、物料流程图和带控制点的工艺流程图。,生产工艺流程图,生产工艺流程图有多种，根据其用途，繁简程度差别很大，在初学阶段，我们主要使用工艺流程示意图。其中最简单、也最粗略的一种流程图是方框流程图。流程图能用较小的篇幅传递较多的信息，得到广泛得到应用。,合成氨流程简图,合成塔,氨分离器,液氨,水冷器,循环气体,压缩机,循环压缩机,氢氮混合气,合成氨流程简图,合成塔,氨分离器,液氨,水冷器,循环气体,压缩机,循环压缩机,氢氮混合气,合成氨流程简图,合成塔,氨分离器,液氨,水冷器,循环气体,压缩机,循环压缩机,氢氮混合气,工艺流程图中的设备的图形和符号已标准化(HG20519.31-92)。生产工艺流程图常将设备的大致几何形状画出，甚至以方框表示。,无论采用那种工艺流程图表达工艺流程，均绘制在一平面上，一律从左向右展开，图中要有必要的文字对流程进行说明，例如设备名称(符号代号)、物料流向、进去方向、物料名称、图名、图号、设计阶段等。对有关化工制图的详细内容，可通过学习其它课程或参阅其它相关专业书籍进一步学习。,1.6.5化工单元操作,单元操作的概念认为任何化工生产过程不论规模如何，都可分为一系列基本操作，诸如流体流动、加热、冷却、混合、分离等等。随着科学技术的进步，新的单元操作不断出现，至今化工常用的单元操作约有26余种，如流体输送、沉降、过滤、搅拌、固体输送、加热、冷却、蒸发、蒸馏、吸收、萃取、浸取、吸附、离子交换、膜分离、增湿、减湿、干燥、结晶、粉碎、颗粒分级、流态化。,1.6.6化工产品的开发过程,人类社会经济发展的历史表明，生产力的提高是与科学技术的进步分不开的。研究与开发指从最初的创意或设想起，经过实验室研究、中间试验、放大没计，直到在工业规模上实现一种新产品或新工艺的全过程。根据目前国际上比较通用的说法，研究与开发包括三个阶段，或者三种类型。(1)基础研究(2)应用研究(3)技术开发,化工生产过程的研究与开发,任何一个新的化工生产过程，都是从最初的创意或设想开始，经过实验室研究、中间试验、工业化试验、放大设计、技术经济评价等诸多环节，最后建成工业生产装置，实现规模生产。,在放大设计过程中,大小装置之间会产生工艺结果的差别，归结于“放大效应”，寻求其产生因由和改善的方法是过程开发一项中心任务。,.,1.7化工过程的主要指标,生产能力指一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量。生产强度指设备的单位几何量的生产能力，通常设备的单位体积或单位面积的生产能力。,.,1.7化工过程的主要指标,转化率定义式：,BB+CCRR+SS,关键反应物：3H2+N22NH3,.,化工过程的主要指标,转化率转化率的计算间歇过程连续过程循环流程,单程转化率XB=,全程转化率XB，tot=,.,化工过程的主要指标,选择性（Selectivity）,.,化工过程的主要指标,收率,根据转化率、选择性和收率的定义：,Y=SX,.,化工过程的主要指标,质量收率Ym=,.,化工过程的热力学分析,平衡转化率和平衡产率AA+BBRR+SS概念标准化学平衡常数Kp（KC）若为气相反应体系为理想气体，或压力0，T有利于产物产率对于放热反应，H0，T有利于产物产率,.,反应条件对化学平衡和反应速率的影响,温度的影响温度对反应速率的影响aA+bBdD反应速率方程为其中k与反应活化能和温度有关k=Aexp（-E/RT）（阿累尼乌斯方程）由此可见，T，k,.,反应条件对化学平衡和反应速率的影响,温度的影响温度对反应速率的影响对于不可逆反应，T，产物生成的速率对于可逆反应，T，正逆反应的速率都对于吸热反应，T，生成产物的净速率对于放热反应，（见图2-10）有一最佳反应温度,.,反应条件对化学平衡和反应速率的影响,浓度的影响浓度对反应平衡的影响根据反应平衡移动原理，反应物浓度，平衡向生成产物的方向移动浓度对反应速率的影响,.,反应条件对化学平衡和反应速率的影响,压力的影响压力对反应平衡的影响对分子数增加的反应，降低压力可以提高平衡产率；对分子数减少的反应，压力升高，产物的平衡产率增大；对分子数没有变化的反应，压力对平衡产率无影响。压力对反应速率的影响,.,催化剂的性能及使用,一催化剂的作用提高反应速率和选择性乙烯的氧化反应,.,催化剂的性能及使用,改进操作条件合成氨工艺N2+3H22NH2（放热反应）乙烯聚合反应,.,催化剂的性能及使用,催化剂有助于开发新的反应过程工业上乙酸的生产方法主要有乙醛氧化法丁烷和石脑油氧化法甲醇羰基化法19世纪初，三氟化硼、磷酸等催化剂，50-70MP，温度250-350；1941年，Reppe等人用铁、钴、镍等第八族金属羰基化合物和卤素为催化剂，20-45MP，温度250-270；1960年联邦德国的BASF公司建厂投产，催化剂为羰基钴,碘化物为助催化剂，仍高温高压；1968年美国孟山都公司开发成功了用铑做催化剂，3MP低压，温度175的条件下合成乙酸,.,催化剂的性能及使用,4.催化剂在能源开发和消除污染中发挥重要作用汽车尾气处理,.,催化剂的性能及使用,二催化剂的特征催化剂的作用机理,.,催化剂的性能及使用,催化剂的特征催化剂在反应中自身未发生化学性质和数量的变化催化剂能加快反应速率，但不能使热力学上不能进行的反应发生催化剂不能改变化学平衡催化剂具有明显的选择性,.,催化剂的性能及使用,三催化剂的分类按催化剂反应体系的物相均一性分为均相催化剂（液）非均相催化剂（固）按催化剂反应机理分氧化还原型催化剂酸碱催化剂,.,催化剂的性能及使用,按使用条件下的物态分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生物催化剂