2化学工艺基础

1、 化学工艺学化学工艺学 化学工艺基础化学工艺基础 化学工艺学化学工艺学 石油石油 天然气天然气 煤煤 生物质生物质 空气空气 水水 化学工艺学化学工艺学 石油化工自石油化工自20世纪世纪50年代开始蓬勃发展年代开始蓬勃发展基本有机化工、高分子化工、精细化工基本有机化工、高分子化工、精细化工及氮肥工业等的产品中大约有及氮肥工业等的产品中大约有90%来源来源于石油和天然气于石油和天然气 化学工艺学化学工艺学 三烯三烯乙烯、丙烯、丁二烯乙烯、丙烯、丁二烯 石油制取石油制取三苯三苯苯、甲苯、二甲苯苯、甲苯、二甲苯 石油、天然气和煤制取石油、天然气和煤制取 化学工艺学化学工艺学 l由分子量不同、组成和结

2、构不同、数量由分子量不同、组成和结构不同、数量众多的化合物构成的众多的化合物构成的混合物混合物，其中化合，其中化合物的沸点从常温到物的沸点从常温到500以上以上l石油中的化合物分为石油中的化合物分为 烃类烃类 非烃类非烃类 胶质和沥青胶质和沥青 化学工艺学化学工艺学 l烃类化合物烃类化合物l非烃化合物非烃化合物 l胶质和沥青质胶质和沥青质 链式饱和烃链式饱和烃 环烷烃环烷烃 芳香烃芳香烃 硫化物硫化物 氮化物氮化物 含氧化合物含氧化合物 稠环烃类等稠环烃类等 化学工艺学化学工艺学 根据沸程的不同，将石油分类根据沸程的不同，将石油分类石脑油（轻汽油）石脑油（轻汽油） 50140汽油汽油 1402

3、00航空煤油航空煤油 140230煤油煤油 180310柴油柴油 260350润滑油润滑油 350520重、渣油重、渣油 520 化学工艺学化学工艺学 来源来源 常减压蒸馏（一次加工）得到直馏汽油常减压蒸馏（一次加工）得到直馏汽油 催化裂化重整（二次加工）得到催化汽油催化裂化重整（二次加工）得到催化汽油辛烷值辛烷值 汽油在内燃机中燃烧时，抗爆震性能的指标。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，汽油的质量辛烷值越大，抗爆震性能愈高，汽油的质量也愈好也愈好 测定测定方法：研究法方法：研究法(RON)、马达法、马达法(MON) 汽油的来源和指标汽油的来源和指标 化学工艺

4、学化学工艺学 将异辛烷规定为将异辛烷规定为100，正庚烷为，正庚烷为0，两，两者以不同比例混合，制成标准汽油。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中异辛烷的百分含量 93 ？ 90 辛烷值定义辛烷值定义 化学工艺学化学工艺学 评定柴油发火性能（自燃性）的指标评定柴油发火性能（自燃性）的指标定义：在单缸发动机中，当试验油料的自定义：在单缸发动机中，当试验油料的自燃性和十六烷与燃性和十六烷与2甲

5、基萘某一混合物甲基萘某一混合物的自燃性能相同时，待测油料的十六烷的自燃性能相同时，待测油料的十六烷值就和混合油料中十六烷值的体积百分值就和混合油料中十六烷值的体积百分数相同数相同 柴油的指标柴油的指标- 十六烷值十六烷值 化学工艺学化学工艺学 馏程闪点：评定柴油蒸发性能的指标，馏程闪点：评定柴油蒸发性能的指标，主要是主要是50%和和90%的馏出温度的馏出温度凝点：在规定的实验条件下，试样开凝点：在规定的实验条件下，试样开始失去流动性的温度始失去流动性的温度冷滤点：通过过滤器的流量每分钟不冷滤点：通过过滤器的流量每分钟不足足20mL时的最高温度时的最高温度 柴油的其他性能指标柴油的其他性能指标

6、化学工艺学化学工艺学 5: 8以上以上 0: 8至至4 10: 4至至5 20: 5至至14 35: 14至至29 50: 29至至44 根据使用时的气温选用不同标根据使用时的气温选用不同标号号柴油标号的依据是柴油的凝固点柴油标号的依据是柴油的凝固点 柴油的标号柴油的标号 化学工艺学化学工艺学 利用原油中各组分沸点的差别进行分离利用原油中各组分沸点的差别进行分离常压蒸馏常压蒸馏减压蒸馏减压蒸馏 3、石油的加工、石油的加工一次加工一次加工 油品的加工油品的加工 化学工艺学化学工艺学 l催化重整催化重整 （catalytic reforming）l催化裂化催化裂化 (catalytic crack

7、ing) l催化加氢裂化催化加氢裂化 (catalytic hydrocracking) l烃类热裂解烃类热裂解 （pyrolysis of hybrocarbons）二次加工二次加工 馏分油的化学加工馏分油的化学加工 调整烃类的组成调整烃类的组成 化学工艺学化学工艺学 石油的加工的主要途径和产品石油的加工的主要途径和产品 化学工艺学化学工艺学 天然气天然气 主要成分是甲烷主要成分是甲烷 干气干气 甲烷含量高于甲烷含量高于90% 湿气湿气 C2C4烷烃含量烷烃含量15%20%油田伴生气油田伴生气 天然气于石油伴生天然气于石油伴生煤层气（瓦斯气）煤层气（瓦斯气） 吸附在煤上的甲烷吸附在煤上的甲烷

8、天然气水合物天然气水合物 冻土带和海底甲烷与水组成冻土带和海底甲烷与水组成的笼形化合物的笼形化合物 化学工艺学化学工艺学 制氢气和合成氨制氢气和合成氨 经合成气路线制燃料和化工产品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直接催化转化成化工产品 热裂解制化工产品热裂解制化工产品 甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化 湿气中湿气中C2 C4烷烃的利用烷烃的利用天然气的化工利用天然气的化工利用 化学工艺学化学工艺学 煤煤( (coal) ) 由含碳、氢的多种结构的大分由含碳、氢的多种结构的大分子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无

9、机矿物质组成机矿物质组成 成煤过程的程度不同分为成煤过程的程度不同分为 泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤 H% O%含量顺序含量顺序 泥煤泥煤褐煤褐煤 烟煤烟煤无烟煤无烟煤 化学工艺学化学工艺学 高温干馏（炼焦）高温干馏（炼焦） 低温干馏低温干馏 煤气化煤气化 煤液化（直接液化煤液化（直接液化 间接液化）间接液化）煤的加工煤的加工 化学工艺学化学工艺学 煤煤低温干馏低温干馏 焦炉煤气焦炉煤气含氢、甲烷、乙烯等含氢、甲烷、乙烯等 低温煤焦油低温煤焦油 酚类、烷烃、环烷烃等酚类、烷烃、环烷烃等 半焦半焦 气化气化 合成气合成气 高温干馏高温干馏 焦炉煤气焦炉煤气 粗苯粗苯 分离分离

10、 苯苯二甲苯二甲苯 甲苯甲苯 氧（杂）茚氧（杂）茚 茚茚煤焦油煤焦油 分离分离苯酚、甲酚、二甲酚苯酚、甲酚、二甲酚 萘、烷基萘萘、烷基萘 蒽蒽其他化工原料其他化工原料气化气化合成气合成气合成合成氨、甲醇、低碳混合氨、甲醇、低碳混合醇、汽油、柴油等醇、汽油、柴油等 高压加氢液化高压加氢液化汽油、煤油、柴油等汽油、煤油、柴油等 化学工艺学化学工艺学 糠醛的生产糠醛的生产2C2H10O5 H2O淀粉淀粉C12H22O11( (麦芽糖麦芽糖) )H2O2C6H12O6( (葡萄糖）葡萄糖）C6H12O6酵母酵母2CH3CH2OH + 2CO2乙醇的生产乙醇的生产 HC CHC5H10O5CC糠醛糠醛

11、OCHO + 3 + 3 H2O 化学工艺学化学工艺学 产品分离与精制产品分离与精制 化学反应化学反应 原料预处理原料预处理 化工生产过程化工生产过程达到所需状态和规格达到所需状态和规格反应类型、反应器反应类型、反应器得到符合规格的产品得到符合规格的产品回收利用副产物回收利用副产物 化学工艺学化学工艺学 化工生产工艺流程组织化工生产工艺流程组织 推论分析法推论分析法从从“目标目标”出发对不同功能的单元进行逻辑组出发对不同功能的单元进行逻辑组合合化工工艺过程的化工工艺过程的 “洋葱洋葱”模型模型反应器反应器分离与再循环分离与再循环换热网络换热网络公用工程公用工程 化学工艺学化学工艺学 化工生产工

12、艺流程组织化工生产工艺流程组织 功能分析法功能分析法分析每个单元的基本功能和属性，列出不同方案分析每个单元的基本功能和属性，列出不同方案不同功能单元的实施方法不同功能单元的实施方法不同设备型式不同设备型式不同流程方案不同流程方案 化学工艺学化学工艺学 化工生产工艺流程组织化工生产工艺流程组织 形态分析法形态分析法对不同流程方案精确分析评价，择优汰劣对不同流程方案精确分析评价，择优汰劣原原 则则l是否满足所要求的技术指标是否满足所要求的技术指标l经济指标的先进性经济指标的先进性l环境、安全和法律环境、安全和法律l技术资料的完整性和可信度技术资料的完整性和可信度 化学工艺学化学工艺学 例例丙烯氨氧

13、化制丙烯腈生产过程丙烯氨氧化制丙烯腈生产过程主反应：主反应： C3H6+NH3+1/2O2 CH2= CHCN + H2O主要副产物：主要副产物： HCN CH3CN Q ? 如何从吸收塔底流出的水溶液中分离出丙如何从吸收塔底流出的水溶液中分离出丙烯腈和副产物呢？烯腈和副产物呢？ 化学工艺学化学工艺学 方案一：方案一：将丙烯腈和各副产物同时从水溶液中将丙烯腈和各副产物同时从水溶液中蒸发出来，冷凝后再逐个精馏分离；蒸发出来，冷凝后再逐个精馏分离； Q？ 丙烯腈与乙腈的沸点相近，普通精馏丙烯腈与乙腈的沸点相近，普通精馏方法难于将它们分离方法难于将它们分离方案二：方案二：采用萃取精馏法先将丙烯腈和采

14、用萃取精馏法先将丙烯腈和HCN解吸出来，解吸出来，乙腈留在水溶液中，然后再分离丙烯腈和乙腈留在水溶液中，然后再分离丙烯腈和HCN 乙腈与水完全互溶，而丙烯腈在水中的溶解乙腈与水完全互溶，而丙烯腈在水中的溶解度很小，用水作萃取剂，使两者精馏分离变度很小，用水作萃取剂，使两者精馏分离变得很容易得很容易 化学工艺学化学工艺学 化学工艺学化学工艺学 l生产能力和生产强度生产能力和生产强度l化学反应的效率化学反应的效率合成效率合成效率l转化率选择性转化率选择性 收率收率l平衡转化率和平衡产率平衡转化率和平衡产率 化学工艺学化学工艺学 一个设备、一套装置或一个工厂在单位一个设备、一套装置或一个工厂在单位时

15、间内生产的产品量或处理的原料量时间内生产的产品量或处理的原料量单位单位 千克千克/ /时时（kg/h） 吨吨 / /天天 (t/d) 万吨万吨/年年 (10kt/a)？设计能力设计能力：在最佳条件下可以达到的最大生产能力在最佳条件下可以达到的最大生产能力 化学工艺学化学工艺学 设备的单位体积（或面积）的生产能力设备的单位体积（或面积）的生产能力单位：单位： kg/hm3，t/dm3kg/hm2，t/dm2 生产强度生产强度？时空收率时空收率催化剂的生产强度催化剂的生产强度单位时间、单位体积（质量）催化剂所得产品量单位时间、单位体积（质量）催化剂所得产品量 化学工艺学化学工艺学 合成效率合成效率

16、原子经济性原子经济性AE 环境因子环境因子%100jjjiiiMFMPAE目标产物质量废物质量E 化学工艺学化学工艺学 （反应器）（反应器）（反应系统）（反应系统）循循 环环 流流 程程 化学工艺学化学工艺学 该反应物的转化总量应物的量转化为目的产物的某反S表达主、副反应进行程度的大小表达主、副反应进行程度的大小反映原料的利用是否合理反映原料的利用是否合理 化学工艺学化学工艺学 从产物角度来描述反应过程的效率从产物角度来描述反应过程的效率？单程收率单程收率 总收率总收率 ？平衡转化率平衡产率平衡转化率平衡产率？转化率、选择性和收率的关系转化率、选择性和收率的关系 该反应物的起始量应物的量转化为

17、目的产物的某反Y 化学工艺学化学工艺学 可逆反应，平衡常数与温度的关系可逆反应，平衡常数与温度的关系CRTHK)303. 2/(log0温度的影响温度的影响 化学平衡化学平衡吸热反应吸热反应H0，K值随着温度升高而增值随着温度升高而增大大,有利于平衡产率增加有利于平衡产率增加放热反应放热反应 H0，K值随着温度升高而减值随着温度升高而减小，降低温度使平衡产率增加小，降低温度使平衡产率增加 化学工艺学化学工艺学 温度的影响温度的影响 反应速率反应速率总是随温度的升高而增加总是随温度的升高而增加不可逆反应，产物生成速率随温度的升高而加快不可逆反应，产物生成速率随温度的升高而加快DBADBADBAD

18、BACCCkCCCkr可逆吸热反应，净速率随温度的升高而增高可逆吸热反应，净速率随温度的升高而增高可逆放热反应，在最佳反应温度下净反应速率最大可逆放热反应，在最佳反应温度下净反应速率最大 化学工艺学化学工艺学 浓度的影响浓度的影响反应物浓度越高，越有利于平衡向产物方向移动反应物浓度越高，越有利于平衡向产物方向移动使廉价易得的反应物过量，提高价贵难得反应物的使廉价易得的反应物过量，提高价贵难得反应物的利用率利用率反应物浓度愈高，反应速率愈快反应物浓度愈高，反应速率愈快 化学工艺学化学工艺学 压力的影响压力的影响压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大分子数增加

19、的反应，降低压力可以提高平衡产率分子数增加的反应，降低压力可以提高平衡产率分子数减少的反应，提高压力可以提高平衡产率分子数减少的反应，提高压力可以提高平衡产率分子数不变的反应，压力对平衡产率无影响分子数不变的反应，压力对平衡产率无影响一定的压力范围内加压，对加快反应速率有一定好一定的压力范围内加压，对加快反应速率有一定好处，但压力过高，反而不经济处，但压力过高，反而不经济惰性气体的存在，降低反应物的分压，对反应速率惰性气体的存在，降低反应物的分压，对反应速率不利，但有利于分子数增加的反应的平衡不利，但有利于分子数增加的反应的平衡 化学工艺学化学工艺学 提高反应速率和选择性提高反应速率和选择性

20、改进操作条件改进操作条件 催化剂有助于开发新的反应过程，催化剂有助于开发新的反应过程，发展新的化工技术发展新的化工技术 催化剂在能源开发和消除污染中可催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用发挥重要作用 化学工艺学化学工艺学 催化剂是参与了反应的，但反应终了催化剂是参与了反应的，但反应终了时，时， 催化剂本身未发生化学性质和数催化剂本身未发生化学性质和数量的变化量的变化 催化剂只能缩短达到化学平衡的时间催化剂只能缩短达到化学平衡的时间（即加速作用），但不能改变平衡（即加速作用），但不能改变平衡 催化剂具有明显的选择性，特定的催催化剂具有明显的选择性，特定的催化剂只能催化特定的反应化剂只能催化

21、特定的反应 化学工艺学化学工艺学 按催化反应体系的物相均一性按催化反应体系的物相均一性 均相催化剂均相催化剂 非均相催化剂非均相催化剂按反应类别按反应类别 加氢、脱氢、氧化、裂化、水加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、异构化、合、聚合、烷基化、异构化、芳构化、羰基化、卤化芳构化、羰基化、卤化 化学工艺学化学工艺学 按反应机理按反应机理 氧化还原型催化剂、酸碱催化剂氧化还原型催化剂、酸碱催化剂按使用条件下的物态按使用条件下的物态 金属催化剂、氧化物催化剂、硫金属催化剂、氧化物催化剂、硫化物催化剂、酸催化剂、碱催化化物催化剂、酸催化剂、碱催化剂、络合物催化剂和生物催化剂剂、络合物催化剂和生

22、物催化剂 化学工艺学化学工艺学 活性活性 选择性选择性 寿命寿命 寿命的影响因素寿命的影响因素 化学稳定性化学稳定性 热稳定性热稳定性 力学性能稳定性力学性能稳定性 耐毒性耐毒性 化学工艺学化学工艺学 失活原因失活原因： 超温过热，使催化剂表面发生烧结，晶型超温过热，使催化剂表面发生烧结，晶型转变或物相转变；转变或物相转变； 原料气中混有毒物杂质，使催化剂中毒原料气中混有毒物杂质，使催化剂中毒； 有污垢覆盖催化剂表面有污垢覆盖催化剂表面催化剂的失活和再生催化剂的失活和再生 化学工艺学化学工艺学 再生再生：暂时性中毒是可逆的，当原料中除暂时性中毒是可逆的，当原料中除去毒物后，催化剂可逐渐恢复活性

23、去毒物后，催化剂可逐渐恢复活性永久性中毒则是不可逆的。催化剂永久性中毒则是不可逆的。催化剂积碳可通过烧碳再生积碳可通过烧碳再生无论是暂时性中毒后的再生，还是无论是暂时性中毒后的再生，还是积碳后的再生，均会引起催化剂结积碳后的再生，均会引起催化剂结构的损伤，致使活性下降构的损伤，致使活性下降催化剂的失活和再生催化剂的失活和再生 化学工艺学化学工艺学 输入物料的总质量输入物料的总质量 = = 输出物料的总质量输出物料的总质量 + + 系统内积累的物料质量系统内积累的物料质量 衡算系统的物料衡算通式衡算系统的物料衡算通式 化学工艺学化学工艺学 间歇操作过程的物料衡算间歇操作过程的物料衡算以每批生产时

24、间为基准以每批生产时间为基准输入物料量输入物料量 每批投入的所有物料质量的每批投入的所有物料质量的总和（包括反应物、溶剂、充入的气体、总和（包括反应物、溶剂、充入的气体、催化剂等）催化剂等）输出物料量输出物料量 该批卸出的所有物料质量的该批卸出的所有物料质量的总和（包括目的产物、副产物、剩余反应总和（包括目的产物、副产物、剩余反应物、抽出的气体、溶剂、催化剂等）物、抽出的气体、溶剂、催化剂等）投入料总量与卸出料总量之差为残存在反投入料总量与卸出料总量之差为残存在反应器内的物料量及其它机械损失应器内的物料量及其它机械损失 化学工艺学化学工艺学 稳定流动过程的物料衡算稳定流动过程的物料衡算系统中各点的参数（温度、压力、浓度和系统中各点的参数（温度、压力、浓度和流量等）不随时间而变化，系统中没有积流量等）不随时间而变化，系统中没有积累累输入系统的物料总质量输入系统的物料总质量 = 输出系统的物料输出系统的物料总质量总质量组分衡算组分衡算 （mi）入入 =（mi）出出+ mi 原子衡算原子衡算 输入物料中所有原子的摩尔数之和输入物料中所有原子的摩尔数之和 = 输输出物料中所有原子的摩尔数之和出物料中所有原子的摩尔数之和 化学工艺学化学工艺学 物料衡算的步骤物料衡算的步骤绘出流程的方框图，以便选定衡算系统绘出流程的方框图，以便