工艺学基础知识

1、1.化工工艺学1.化工工艺学？ 化工工艺学就是研究运用各种学科的知识，经济地、先进地将各种原料生产出化工产品的技术、过程和方法，是化工产品生产的工程技术、诀窍和艺术。（利用自然界中大量存在的煤、石油、天然气及生物质等资源，通过各种化学加工的方法，制成一系列重要的基本有机化工产品）2.工艺?使各种原材料、半成品加工成为产品的方法和过程。3.天然气 ?天然气是埋藏在地下深度不同地层中的可燃性气体。它主要由甲烷、乙烷、丙烷和丁烷组成，并含有少量戍烷以上的重组分及二氧化碳、氮、硫化氢、氨等杂质。天然气有干气和湿气、富气和贫气之分。一般每m3气体中C5以上重质烃含量低于13.510-6m3的为干气，高于

2、此值为湿气；含C3以上烃类超过9410-6m3的为富气，低于此值为贫气。4.天然气的利用主要有三条途径 ?（1）转化 合成气 （CO+H2） 合成氨 （2）氧化 甲醇、甲醛（福尔马林 （3）裂解 石墨、乙烯、丙烯 5.石油加工的主要途径蒸馏、催化裂解、加氢精制、焦化、催化重整、脱蜡、溶剂抽提 6.炼厂气 ?将石油进行各种加工，除得到液体石油产品外，还得到各种石油加工气体。 7.辛烷值 ?辛烷值是一种衡量汽油作为动力燃料时抗爆、抗震性能的指标。规定正庚烷的辛烷值为0，异辛烷的辛烷值为100。在正庚烷和异辛烷的混合物中，异辛烷的百分率辛烷值越高，抗震性能越好、汽油质量就越好。（辛烷值越高燃烧越充分

3、。从动力角度，辛烷值越低越好；从环保角度，辛烷值越高越好。） 8.有机化工的主要原料 ?三烯： 乙烯 丙烯 丁二烯 三苯： 苯 甲苯 二甲苯一炔： 乙炔 一萘： 萘2.烃类热裂解1.烃类热裂解与催化裂解的区别1）看是否有催化剂（热裂解无催化剂，催化裂解有催化剂） 2）反应温度（热裂解反应温度高，催化裂解温度低） 3）原料（催化裂解因使用催化剂，原料面比较窄，有限制）2.热裂解的主要反应主要反应类型：1).断裂和脱氢 2).环烷化和芳构化 3).异构化 4).聚合、缩合3.裂解深度的几种表示方法 ：转化率 乙烯收率 出口温度 670720 浅度；720746 中度；746 深度 KSF 动力学深

4、度函数 KSF=Kdt4.温度、时间、压力的影响（1）温度 （2）停留时间：物料从反应开始到达某一转化率时在反应器内经历的反应时间温度停留时间效应: 1）裂解温度与停留时间是相互依赖，相互制约的。没有高温，停留时间无论怎样变化都不能提高乙烯的收率。同样，如果没有适当的停留时间，温度再高也不能有好的收率。 2）缩短停留时间，便可以允许提高温度。(3)压力 1）从化学平衡分析 从热力学分析，烃类裂解（一次反应）是分子增多的反应，而二次反应是分子减少的反应，降压有利。2）从动力学分析 一是减压操作 二是采用惰性气体作稀释剂，降低分压3）稀释剂的降压作用 要求：具有稳定性（热稳定、化学稳定）；要易分离

5、5.水蒸气作稀释剂的优点：1)易得、热容大2）易分离3）清焦作用6.SRT型炉的演变过程反应初期：传热、供热增加传热面积，延长停留时间 采用小管径多股 流速度慢反应后期：抑制二次反应，控制停留时间加快速度 多股变单股 流速度快反应初期转化率低，二次反应尚未发生，小管径不易堵塞；反应后期二次反应已发生，大管径不易堵塞。补充：变径管的优点：a.反应初期1）转化率低，管内体转化率低，管内体积流量增大不多，管径小不会影响压降。2）原料需升温，需大量加热，管径小，比表面积大。3）转化率低，流速小，时间长，对传热有利，二次反应尚未发生，结焦的可能性小，不易造成堵塞。b.反应后期1）转化率高，管内体积流量增

6、大多，管径大压力上升不大2）转化率高，对热量要求不高，管径大，对传热影响不大。3）转化率高，流速快，时间短，二次反应已发生，管径大，不易堵塞。7.如何判别清焦是否需清焦：1）进口压力增大2）炉管是否出现光亮点3）裂解气中乙烯含量下降8.间接急冷工业解决结焦的方法能量回收的途径工业上解决的方法： 1）控制停留时间（在急冷器中）减少结焦。2）控制出口温度，要求高于裂解气的露点，因为重组分冷凝下来形成膜，影响传热。能量回收途径：1）高温裂解气的热量回收采用急冷锅炉2）初馏塔热油的能量回收与原料及产生蒸汽3）裂解炉烟道气的热量回收预热9.酸性气体的脱除酸性气体指CO2、H2S及少量有机硫化物。危害：1

7、）腐蚀管路与设备2）影响催化剂的寿命3）堵塞管路 干冰方法：1）溶剂法 采用乙醇胺2）碱洗法 碱浓度越高越好 常将此两法结合，先用乙醇胺水溶液脱去酸性气体，然后用碱洗法进一步将硫化物脱净，可以收到较好的效果。10.脱水、分子筛吸附规律、再生步骤脱水方法: 1）冷冻法 2）固体干燥法分子筛吸附规律:1）吸附小于其孔径的分子。2）极性吸附剂。它对极性分子有较大的亲和力。3）分子的不饱和度越大，越容易被吸附。4）沸点越低，越不易被吸附。再生步骤： a.放油 防止气化要带压放油 b.增湿 用水替代烃类 c.逆流加热 确保干燥度11.油吸收与深冷的区别 深冷分离的原理： 利用裂解气中各组分的相对挥发度不

8、同，在低温下将裂解气中除了甲烷和氢以外的其它组分全部地冷凝下来。然后再用精馏的方法将各组分逐一分开。油吸收分离的原理：利用溶剂对裂解气中各组分的不同吸收能力，将裂解气中除了甲烷和氢以外的其它组分全部吸收下来。然后再用精馏的方法将各组分逐一分开。补充：裂解气的分离特点：1.沸点低，需高压，低温 2.组分多 3.组分挥发度接近方法：1.深冷分离 2.浅冷分离 3.油吸收分离12. 脱甲烷过程为什么在分离设计中，工艺安排、设备和材质的选择，大多围绕脱甲烷过程考虑？（论述题）1）脱甲烷塔系统是裂解气分离的关键，直接影响产品质量 2）温度最低，压力最高，对设备材质要求高 3）直接影响产品的收率两个重要指

9、标：（1）甲烷对乙烯的相对挥发度 分离易（2）尾气中的乙烯含量 含量收率13.乙烯精馏（1）侧线采出（提高产品质量） （2） 中间再沸（目的是回收其能量）3 芳烃转化1芳烃转化定义：一种或几种芳烃转化为另外一种或几种芳烃的过程。2结构对形成正烃离子的影响cat能提供质子（H+），而质子只有一个正电荷，所以转移速度很快，容易接近其它极性分子中带负电的一端，形成化学键，同时因质子半径小，呈现很强的电场强度，极化接近它的分子，形成新键。另一方面芳烃转化反应中的反应物是芳烃，也有烯烃。它们是对质子具有一定亲和力的弱碱。因此能与催化剂提供的质子亲和形成正烃离子。3反应类型4混合氧化物cat 混合氧化物

10、SiO2Al2O3补充：芳烃转化都是在酸性催化剂存在下进行的 有1）无机酸 H2SO4、HCl、H3PO4 质子酸腐蚀性强2）酸性卤化物 AlCl3 通式 HX-MXn 3）固体酸 混合氧化物 SiO2Al2O35烷基化的方法及机理方法：1）气液相烷基化法：AlCl3为cat，HCl为助cat T 90100常压 2）气固相法：H3PO4为cat，温度230280 P 4065kg/cm2 3）低浓度乙烯气固相法：cat BF3和过渡族金属氧化物，温度：150250，压力：2035kg/cm2烷基化反应的机理 ：AlCl3为主cat，HCl为助cat6反应器的选择烷基化反应的特点:1）气液相反

11、应 2）有AlCl3和HCl存在 3）反应易达平衡，受返混影响不大 4）乙烯溶解及反应均为放热反应 5）络合物长期使用，易树脂化造成堵塞4加氢1加氢反应的一般规律温度：放热反应，自由基链反应，速度快，不易控制，要严格控制温度，不能只给定范围压力：加氢体积缩小过程，增大压力有利于正反应方向进行，尽可能采用高压，加压有利于氢气溶解于液相。配比：氢气和CO或氢氧化物，一般采用过量的氢气，因为氢气导热性能比较好，但不宜过量太多，因能耗大。溶剂：易接触，溶解；吸收反应介质，降低能耗，加氢时溶剂温度要低于临界温度20-40，使氢易溶。 2结构对加氢反应的影响1）不饱和烃加氢 ：C数，反应速度；双键碳上的取

12、代基的大小、多少，反应速度2)芳烃加氢：取代基大小、多少，反应速度；先邻对位再间位3)含氧化合物的加氢：醛、酮、酸、酯加氢产物都是醇 .3加氢反应器 冷凝式绝热反应器 列管式等温反应器 反应器材质：合成气中含有氢和一氧化碳，所以材质要求有抗氢蚀和抗一氧化碳腐蚀的能力。5 脱氢1.脱氢反应的反应类型：1）环烷烃的脱氢2）芳香烃的脱氢或脱氢缩合3）直链烃的脱氢 4）直链烃的脱氢环化或芳构化5）醇类的脱氢2.乙苯脱氢制苯乙烯主反应：副反应：3.影响因素1）温度 脱氢是吸热反应 T X 有利2）压力 脱氢反应是分子增多的反应。 P Kx x 有利3） cat a.铁系 b.镍系 c.铬系4.反应器结构

13、等温式列管反应器优点：反应器轴向温度分布均匀，易于控制，不需要过热蒸汽，蒸汽耗量少，能量消耗少。缺点：需要特殊合金钢，结构复杂，检修不方便绝热式列管反应器优点：结构简单，反应空间利用率高，不需耐热金属材料，检修方便，基建投资少。缺点：温度波动大，操作不平稳，消耗大量的高温蒸汽。6催化氧化1. 氧化反应的类型1） 在作用物分子中直接引入氧CH3CHO1/2O2CH3COOH CH2=CH21/2O2CH3CHO2）作用物分子脱去氢同时添加氧CH2=CHCH3O2CH2=CHCHOH2O 3）作用物分子只脱去氢，氢被氧化成水氧化脱氢反应CH3CH2OH1/2O2CH3CHOH2OCH3CH2CH=

14、CH21/2O2CH2=CHCH=CH2H2O4）两个作用物分子共同失去氢，氢被氧化为水氧化偶联反应CH3CHCH3NH33/2O2CH2=CHCN3H2O 5）降解氧化反应2均相氧化反应的机理补充：常用过渡金属离子为催化剂，具有自由基链反应的特点，称为催化自氧化反应。3.cat加入后的作用：1）缩短或清除了诱导期2）促进过氧化物的分解，加速分支氧化反应的进行3）可提高氧化反应选择性4.均相氧化反应的特点：1）气液相反应2）氧的传递过程对反应影响大3）反应热效应大4）具有腐蚀性5）有爆炸危险性5.氧化反应器：1）能提高供充分的相接触表面2）能有效的移出反应热3）设备必须防腐4）需有安全装置6.

15、非均相催化氧化反应的特点：(1)反应过程复杂：A扩散 反应物通过流体相向cat表面扩散B吸附 反应物在cat表面吸附C表面反应D脱附 产物从cat表面脱附E反扩散 脱附的产物内由表面扩散到流体相并带出热量 (2)强放热反应7.络合催化氧化的特点 （论述题：为什么络合催化使均相催化氧化出现了生机？）1）反应条件温和 2）反应选择性高3）反应产物可预见4）反应产物可调7氯 化 1. 氯化反应的方法：1）热氯化法2）光氯化法3）催化氯化法4）氧氯化法2. 烃类氯化反应的一般规律1）在低温和中温时，不同位置上的氢原子被取代的速度按下列次序递增 伯仲叔2）在高温时，各氢原子被取代的速度相等（趋近于）。3

16、）在液相中进行氯化时，反应速度较快。既液相氯化可在比气相氯化为低的温度下达到同一相对取代速度。4）水分、炭、cat和光的作用对伯、仲、叔氢原子的相对取代速度没有重大影响。5）升高温度和延长时间可以导致一氯代物的裂解而脱掉氯化氢。此时最稳定的是伯位氯取代物，其次是仲、叔。6）当烃类过量，并且氯化物条件维持不变时，则生成的一氯代物与多氯代物的产率可以用下式表示：x=ky 式中：x一氯代物与多氯代物的重量 k对一定的烃是一常数 3.取代和加成反应的竞争规律： 低温时 发生加成反应 活化能起决定因素 高温时 发生取代反应 位阻起决定作用 8物料及能量衡算化工过程的主要效率指标1转化率（conversion）X=反应掉的量/进入反应器的原料量 2选择性（selectivity）S=转化为目的产物的原料量/反应掉的原料量 3收率（yield）Y=SX一、常用的几个衡算方法原子衡算： 这是物料衡算的一种重要