1化学工艺学概论ppt课件

化工工艺学ChemicalEngineeringTechnics,教材及参考书：1刘晓勤，化学工艺学，化学工业出版社，2013年2米镇涛，化学工艺学，化学工业出版社，2005年3陈五平，无机化工工艺学，化学工业出版社，2004年4田春云，有机化工工艺学，石化出版社，1998年,1,课程主要内容,第1章概论第2章合成气第3章合成气衍生产品第4章无机大宗化学品第5章石油炼制第6章烃类裂解及裂解气分离,2,第1章概论,化工原料、产品及工艺,2,化工工艺计算,3,1.1化学工业的分类及特征,化学工业（化学加工工业）指生产过程中化学方法占主导地位的制造工业。1.1.1化学工业的分类分类方法主要按产品和原料来分类按产品的物质组成可分为有机化工（碳氢化合物及其衍生物）和无机化工（非碳氢化合物）两大类。一般综合考虑产品的性质、用途和生产量分为如下几类：按原料的性质和来源分：,4,无机化学工业包括合成氨、无机酸、碱、盐和无机化学肥料基本有机化学工业包括合成醇、有机酸、醛、酯、酮以及烷烃、烯烃、芳烃系列产品高分子化学工业包括合成塑料及树脂、合成纤维、合成橡胶精细化学工业包括试剂、催化剂、助剂、添加剂、活性剂、染料、颜料、香料、涂料、农药、医药等生物化学工业包括有机酸、生物农药、饲料蛋白、抗生素、维生素、疫苗等,5,石油化工以石油和天然气为原料的化学工业煤化工通过煤的气化、干馏和生产的电石为原料的化学工业生物化工采用农、林等生物资源以及非生物资源，通过发酵、水解、酶催化而生产的化工产品矿产化工以化学矿为原料的化工产品海洋化工从海水中提炼的化工产品,6,1.1.2化学工业的特征,原料、生产方法和产品的多样性与复杂性向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高是多学科合作、生产技术密集型的生产部门重视能量合理利用，采用节能工艺和方法资金密集，投资回收速度快，利润高化工生产中易燃、易爆、有毒、污染环境,7,石油天然气煤化学矿农林副产物海洋资源,1.2化工原料、产品及其工艺,8,基本有机化学工业和部分无机化学工业的原料主要是煤和天然气我国的化学工业原料则以煤为主化学工艺：将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，其中包括实现这种转变的全部化学和物理的措施。,9,1.2.1石油及其加工工艺,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,10,1、石油的物理特征颜色：棕黑色或黄褐色状态：粘稠液体相对密度：0.751.0沸点：常温500以上元素组成：主要是C和H,2、分类按化学组成,11,3、石油的组成,石油的组成,烃类,非烃类,胶质和沥青,链式饱和烃,环烷烃,芳香烃,硫化物,氮化物,含氧化物,金属有机化合物,稠环环烷烃,稠环芳香烃,石油是成份极其复杂的有机矿物质。主要元素：C、H、S、O、N,其它金属及非金属元素,12,根据沸程的不同，将石油分类,石脑油（轻汽油）50140汽油140200航空煤油140230煤油180310柴油260350润滑油350520重、渣油520,4、油品的概念,13,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,14,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,15,以石油为原料加工出来的产品，按其主要性质和用途可分为燃料油（汽油、煤油、柴油）、润滑油、沥青、石油焦以及基本化工产品六大类。基本化工产品为烯烃（乙烯和丙烯）、芳烃（苯、甲苯、二甲苯）、液化石油气和合成气等。,16,乙烯,与丙烯共聚,乙丙橡胶,电缆、电线材料,氧化,乙醛,缩合,醋酸,辛醇、季戊四醇,2-羟基丁醛,丁醇,酯化,丁酯,溶剂、增塑剂,溶剂,药物、酯类、醋酸乙烯纤维（维尼龙）,增塑剂,齐聚、水合,高碳直链醇（C11C18）,合成洗涤剂,水合,乙醇,酯化,乙酸乙酯、其它酯类,溶剂及合成原,加氢脱水,丁二烯,合成橡胶,氢甲酰化,丙醛,丙酸,还原,正丙醇,溶剂,17,苯,加乙烯烷基化,乙苯,脱氢,苯乙烯,聚苯乙烯、丁苯橡胶、ABS树脂,加丙烯烷基化,异丙苯,苯酚,酚醛树脂、苯胺、壬基酚等,丙酮,双酚A,聚碳酸酯、环氧树脂,加十二烯,十二烷基苯,合成洗涤剂,加氢,环己烷,己内酰胺,聚酰胺纤维,氯化,氯苯,染料中间体、医药,氧化,顺丁烯二酸酐,四氢呋喃、1，4-丁二醇,医药、聚氨酯,硝化,硝基苯,苯胺,二苯基甲烷二异氰酸酯、橡胶助剂、染料、医药、农药,聚氨酯纤维,18,甲苯,硝化,硝基甲苯,染料中间体、炸药,歧化,苯、二甲苯,氧化,苯甲酸,染料中间体、医药、增塑剂,临氢脱烷基,苯,硝化、还原、光气化,甲苯二异氰酸酯,聚氨酯类泡沫塑料、聚氨酯橡胶,19,二甲苯,对二甲苯,氧化,对苯二甲酸,聚酯树脂、涤纶,间二甲苯,异构化,对二甲苯,氨氧化,间苯二腈,农药、聚酰胺纤维,邻二甲苯,氧化,邻苯二甲酸酐,医药、染料、增塑剂,萘,氧化,烷基萘,脱烷基,萘,氧化,20,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,5、石油的加工,一次加工油品的加工,21,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,22,石油的加工的主要途径和产品,23,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,1.2.2天然气及其加工工艺,24,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,25,26,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,1.2.3煤及其加工工艺,27,煤的元素组成,28,煤的分子结构,煤的基本结构单元缩合芳烃、环烷烃及多种侧链，杂原子及官能团。侧链往往是联结各基本单元的桥键。年轻煤缩合芳烃少，侧链长，脂肪烃和含氧官能团多。煤大分子之间由交联键形成空间结构。在大分子空间结构中有许多内表面积大的微孔。大分子中分散着一些低分子化合物，尤其以年轻煤为多。,29,不同类型煤的基础结构单元示意图,缩合芳烃、环烷烃及多种侧链，杂原子及官能团,30,煤的加工,煤气化（CoalGasification）将其变成水煤气或发生炉煤气，作燃料或化工原料。煤液化（CoalLiquefaction）将其变成芳烃、烷烃、脂肪烃等油品。煤干馏（CoalCarbonization）干馏是炼焦。同时得到焦油、煤气。或称部分液化和部分气化。,31,煤干馏（高温干馏和低温干馏）：在隔绝空气条件下加热煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和焦炉气的过程，也称煤的热解或热分解。高温干馏：煤在炼焦炉中隔绝空气加热到1000左右，经过干馏的一系列阶段，最终得到焦炭，简称炼焦。煤在终温500-700下进行的干馏过程，产生半焦、低温焦油和煤气等产物称为低温干馏。,32,煤气化：是一个热化学过程，以煤或煤焦（半焦）为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸汽或氢气等作气化剂，在高温（900-1300）通过化学反应把煤或煤焦中的可燃部分转化为气体的过程，气化所得到的气体称为煤气，其有效成分包括CO、H2、CH4。是合成气，合成氨、甲醇的基本原料。,33,煤液化：煤通过化学加工转化为液体燃料的过程，可分为直接液化和间接液化两个过程，汽油、煤油、柴油。,34,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,35,1.2.4化学矿及其加工工艺,一、化学矿的种类我国共有20多个矿种。硫铁矿、自然硫、硫化氢气藏、磷矿、钾盐、钾长石、明矾石、蛇纹石、化工用石灰岩、硼矿、芒硝、天然碱、石膏、钠硝石、镁盐、沸石盐、重晶石、碘、溴、砷、硅藻土、天青石等。其中：硫铁矿、重晶石、芒硝及磷矿储量居世界前列，稀土矿的储量居世界首位。二、磷矿、硫矿的情况1、资源比较丰富，但分布不均衡2、高品位矿储量比较少3、选矿比较为困难，利用较为复杂,36,芒硝Na2SO410H2O,天青石SrSO4,蛇纹石(Mg,Fe,Ni)3Si2O5(OH)4,钠硝石NaNO3,硫铁矿Pyrite,重晶石Barite,37,三、磷矿,资源情况：我国磷矿储量居世界第四，但品位低。主要分布在西南和中南地区。用途：生产磷肥、磷酸、单质磷、磷化物与磷酸盐。具有工业价值的磷矿为磷块岩与磷灰石，85%的磷矿用于制造磷肥。,1、概况,38,2、磷肥的生产方法,39,四、硫铁矿,用途：主要用于制造硫酸，但成本较高，目前硫酸主要用硫磺生产。资源情况：主要集中在广东、内蒙、安徽、和四川，占总储量的85%。,硫酸的工业生产,40,五、硼矿,资源情况：我国硼矿储量居世界第四，但品位低。,用途：生产硼酸、硼砂、单质硼以及硼酸盐（主要是硼镁矿）。,硼矿转化工艺,落后工艺,先进工艺,41,1.2.5生物质的加工工艺,农、林、牧、副、渔业的产品及其废物(壳、芯、秆、糠、渣)等生物质通过化学或生物化学方法可以转变为基础化学品或中间产品，加工过程涉及一系列化学工艺，如化学水解、酶水解、微生物水解、皂化、催化加氢、气化、裂解、萃取。,42,（1）糠醛的生产,主要用于生产糠醇树脂、黏结剂、医药产品、合成纤维、杀虫剂等。,HC,CH,C5H10O5,C,C,糠醛,O,CHO,+3,H2O,43,（2）乙醇的生产,乙醇的生产虽然工业生产乙醇是用乙烯水合法，但用农产品生产乙醇仍是重要方法之一。将含淀粉的谷类、薯类、植物果实经蒸煮糊化，加水冷却至60，加入淀粉酶使淀粉依次水解为麦芽糖和葡萄糖，再加人酵母使之发酵则转变成乙醇(食用酒精)。,2C2H10O5,H2O,淀粉,C12H22O11,(麦芽糖),H2O,2C6H12O6,(葡萄糖）,C6H12O6,酵母,2CH3CH2OH+2CO2,44,1.3化学工艺计算,衡算的意义与用途进行方案比较，参数值确定的基本方法化工设计的基础通过衡算，找出生产的薄弱环节，工艺参数值是否合理，提出生产的方向，提供设计数据。,45,1.3.1物料衡算,物料衡算的依据质量守恒定律进入系统的质量从系统出来的质量积累的质量对连续稳定过程，系统中无积累的质量,进入系统的质量从系统出来的质量,46,对于化学反应过程，可采用不同衡算基准，常采用的方式如下。(1)组分衡算对其中某组分i的衡算式为：,由于惰性物质不参加反应，它在进出物料中的数量不变，常用来作联系物料进行衡算，使计算简化。,47,(2)原子衡算,在一般化学反应中，原子本身不发生变化，故可用元素的原子的物质的量来做衡算。可以不涉及化学反应式中的化学计量关系，故对于复杂反应体系的计算是很方便的。对于稳定流动过程有输人物料中所有原子的=输出物料中所有原子的物质的量(mol)之和物质的量(mol)之和,48,1.3.1.1物理变化过程,当体系只发生物理变化时，除了建立总物料衡算式之外，还可以按每一种组分分别建立该组分生物物料衡算式。湿气体在冷却塔内冷却冷凝时，该物料可看作由干气和水蒸气两种组分所组成，故可建立三个物料衡算式：,49,例1：苯、甲苯、二甲苯混合物采用由两个精馏塔组成的单元操作设备进行分离，得到三种物流，各为一种物质的富集液，系统流程如图所示。已知料液流率1000mol/h，其组成为苯20%，甲苯30%，其余为二甲苯（均为摩尔分数）。在第一个精馏塔的釜底液中含苯2.5%和甲苯35%，然后进入第二个精馏塔分离，塔顶得到含苯8%和甲苯72%的馏出液，试计算各个精馏塔得到的馏出液、釜底液及其组成。,50,51,52,1.3.1.2化学变化过程,对于化学反应过程，同一种元素的物质的量(mol)是不变的，故可以按元素的物质的量列出物料衡算式。,53,54,进行化学过程的物料衡算时，常用转化率、产率、选择性的概念。(1)转化率对某一组分来说，反应所消耗的物料量与投入反应的物料量之比值称为该组分的转化率，一般以分率来表示。,55,(2)产率指主产物的实际收得量与按投入原料计算的理论产量之比值。,56,(3)选择性是表示各种主、副产物中，主产物所占的分率或百分率，反映原料的利用是否合理。相对于同一反应而言，转化率、产率与选择性之间存在如下关系：Y=XS,57,例2：用邻二甲苯气相催化氧化生产邻苯二甲酸（苯酐）。邻二甲苯投料量205Kg/h，空气（标准状态）4500m3/h。反应器出口物料组成摩尔分数如图所示，试计算邻二甲苯转化率、苯酐收率及反应选择性。,58,59,60,特殊反应过程的物料和热量衡算,具有旁路调节的反应，利用节点进行衡算具有循环物流的反应过程的物料衡算，为了控制连串副反应，采用低转化率操作。受热力学控制转化率低,61,有循环物流的反应过程,对反应器，三种方法（直接，原子平衡，联系物）MF=RP对分离RP=SP+P对整个系统FF=P+W对A节点MF=FF+RC对B节点SP=RC+W,62,例3：在银催化剂作用下，乙烯被空气氧化成环氧乙烷(C2H4O)，副反应是乙烯完全氧化生成CO2和H2O。已知离开氧化反应器的气体干基组成为:C2H43.22%,N279.64%,O210.81%，C2H4O0.83%,CO25.5%(均为体积分数)。该气体进人水吸收塔，其中的环氧乙烷和水蒸气全部溶解于水中，而其他气体不溶于水，由吸收塔顶逸出后排放少量至系统外，其余循环回氧化反应器。计算(1)乙烯的单程转化率;(2)生成环氧乙烷的选择性;(3)循环比;(4)新鲜原料中乙烯和空气量之比。,63,64,65,66,67,68,69,化工生产工艺流程有循环过程和非循环过程（序列过程）。弛放过程：为了使循环系统中惰