二化学工艺基础

1、第二章第二章 第二章化学工艺基础第二章化学工艺基础教学目标教学目标 了解主要化工原料及其加工过程；化学工艺学的基本概念。了解主要化工原料及其加工过程；化学工艺学的基本概念。 掌握石油的一次加工和二次加工的工艺和特点；化工过程掌握石油的一次加工和二次加工的工艺和特点；化工过程的主要效率指标；热量衡算和物料衡算的主要效率指标；热量衡算和物料衡算 掌握化工生产工艺流程的组织的基本方法，学会分析复杂掌握化工生产工艺流程的组织的基本方法，学会分析复杂流程的单程转化率、全程转化率、选择性等效率指标，建流程的单程转化率、全程转化率、选择性等效率指标，建立初步的工程概念。立初步的工程概念。 教学内容教学内容

2、原料资源及其加工原料资源及其加工 化工生产过程及流程化工生产过程及流程 化工过程的主要效率指标化工过程的主要效率指标 反应条件对化学平衡和反应速率的影响反应条件对化学平衡和反应速率的影响 催化剂的性能及使用催化剂的性能及使用 反应过程的物料衡算和热量衡算基础反应过程的物料衡算和热量衡算基础2.1 2.1 原料资源及其加工原料资源及其加工l 石油石油l 天然气天然气l 煤煤l 生物质生物质l 空气空气l 水水2.1.1 石油及其加工利用 l 石油化工自石油化工自2020世纪世纪5050年代开始蓬勃发展年代开始蓬勃发展l 基本有机化工、高分子化工、精细化工及氮肥工业等的基本有机化工、高分子化工、精

3、细化工及氮肥工业等的产品中大约有产品中大约有90%90%来源于石油和天然气来源于石油和天然气石油及其加工石油及其加工l 三烯三烯乙烯、丙烯、丁二烯乙烯、丙烯、丁二烯 l 石油制取石油制取l 三苯三苯苯、甲苯、二甲苯苯、甲苯、二甲苯 l 石油、天然气和煤制取石油、天然气和煤制取 石油的组成石油的组成 l 由分子量不同、组成和结构不同、数量众多的化合物由分子量不同、组成和结构不同、数量众多的化合物构成的构成的混合物混合物，其中化合物的沸点从常温到，其中化合物的沸点从常温到500500以以上上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 烃类化合物烃类化合物

4、非烃化合物非烃化合物 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根据沸程的不同，将石油制品分类根据沸程的不同，将石油制品分类 2. 油油品的概念品的概念 l石脑油（轻汽油）石脑油（轻汽油） 5050140140l汽油汽油 140140200200l航空煤油航空煤油 140140230230l煤油煤油 180180310310l柴油柴油 260260350350l润滑油润滑油 350350520520l重、渣油重、渣油 520520 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

5、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。辛烷值越大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，汽油的质量也愈好抗爆震性能愈高，汽油的质量也愈好 测定方法：研究法测定方法：研究法(RON)(RON)、马达法、马达法(MON)(MON) 汽油的来源和指标汽油的来源和指标 将异辛烷规定为将异辛烷规定为100100，正庚烷为，正庚烷为0 0，两者以不同比例混合，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，若两者在制成标准汽油。将待测汽油与标准汽油相比较，

6、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测标准汽油中异辛烷的百分含量 9393 ？ 9090 辛烷值定义辛烷值定义评定柴油发火性能（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，当试验油料的自燃性和十六烷与定义：在单缸发动机中，当试验油料的自燃性和十六烷与2 2甲基萘某一混合物的自燃性能相同时，待测油料的十六烷甲基萘某一混合物的自燃性能相同时，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数相同值就和混合油料中十六烷值的体积百分数相同 柴油的指标柴油的指标- - 十六烷值十

7、六烷值l 馏程闪点：评定柴油蒸发性能的指标，主要是馏程闪点：评定柴油蒸发性能的指标，主要是50%50%和和90%90%的馏出温度的馏出温度l 凝点：在规定的实验条件下，试样开始失去流动性凝点：在规定的实验条件下，试样开始失去流动性的温度的温度l 冷滤点：通过过滤器的流量每分钟不足冷滤点：通过过滤器的流量每分钟不足20mL20mL时的最时的最高温度高温度 柴油的其他性能指标柴油的其他性能指标l 5 5: 8: 8以上以上l 0 0: 8: 8至至44l 1010: 4: 4至至55l 2020: : 55至至1414l 3535: : 1414至至2929l 5050: : 2929至至44 4

8、4 根据使用时的气温选用不同标号根据使用时的气温选用不同标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 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 催化重整催化重整 （catalytic reformingcatalytic reforming） 催化裂化催化裂化 (catalytic cracking) (catalytic cracking) 催化加氢裂化催化加氢裂化 (catalytic hydrocracking) (catalytic

9、 hydrocracking) 烃类热裂解烃类热裂解 （pyrolysis of hybrocarbonspyrolysis 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l天然气天然气 主要成分是甲烷主要成分是甲烷 l 干气干气 甲烷含量高于甲烷含量高于90% 90% l 湿气湿气 C C2 2CC4 4烷烃含量烷烃含量15%20%15%20%l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l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l天然气水

10、合物天然气水合物 冻土带和海底甲烷与水组成的笼形化合物冻土带和海底甲烷与水组成的笼形化合物天然气及其加工利用天然气及其加工利用l 制氢气和合成氨制氢气和合成氨 l 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 l 直接催化转化成化工产品直接催化转化成化工产品 l 热裂解制化工产品热裂解制化工产品 l 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l 湿气中湿气中C C2 2 C C4 4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煤煤(coal) (coal) 由含碳、氢的多种结构的大分子有机物和少量由含碳、氢的多种结构的大分子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的

11、无机矿物质组成硅、铝、铁、钙、镁的无机矿物质组成 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%H% O%含量顺序含量顺序 泥煤泥煤 褐煤褐煤 烟煤烟煤 无烟煤无烟煤煤及其加工利用煤及其加工利用 l 高温干馏（炼焦）高温干馏（炼焦）l 低温干馏低温干馏l 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

12、焦炉煤气 粗苯粗苯 分离分离 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 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 生物质及其加工利用生物质及其加工

13、利用HC CHC5H10O5CC糠醛糠醛 OCHO + 3 + 3 H2O 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 2.2 2.2 化工生产过程及流程化工生产过程及流程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合出发对不同功能的单元进行逻辑组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

14、公用工程公用工程化工生产工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 例例 丙烯氨氧化制丙烯腈生产过程

15、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烯腈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？和副产物呢？ 方案一：方案一：将丙烯腈和各副产物同时从水溶液中蒸发出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；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用萃取精馏法先将丙烯腈和HCNHCN解吸

16、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HCNHCN 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2.3 化工过程的主要效率指标 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生产能力一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量或处理的原料量量或处理的原

17、料量单位单位 千克千克/ /时（时（kg/hkg/h） 吨吨 / /天天 (t/d) (t/d) 万吨万吨/ /年年 (10kt/a)(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/hmkg/hm3 3，t/dmt/dm3 3kg/hmkg/hm2 2，t/dmt/dm2 2 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）催化剂所得产品量合成效率合成效率原子经济

18、性原子经济性AEAE 环境因子环境因子%100jjjiiiMFMPAE目标产物质量废物质量E（反应器）（反应器）（反应系统）（反应系统）循循 环环 流流 程程转化率转化率选选择择性性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目的产物的某反Y收率收率 产率产率2.4 2.

19、4 反应条件对化学平衡和反应速率的影响反应条件对化学平衡和反应速率的影响 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0log(/2.303)KHRTC 温度的影响温度的影响 化学平衡化学平衡l吸热反应吸热反应HH00，K K值随着温度升高而增大值随着温度升高而增大, ,有利于平衡有利于平衡产率增加产率增加l放热反应放热反应 HH00，K K值随着温度升高而减小，降低温度值随着温度升高而减小，降低温度使平衡产率增加使平衡产率增加温度的影响温度的影响 反应速率反应速率l总是随温度的升高而增加总是随温度的升高而增加l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

20、随温度的升高而加快DBADBADBADBACCCkCCCkrl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l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浓度的影响浓度的影响l反应物浓度越高，越有利于平衡向产物方向移动使廉价反应物浓度越高，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利用率易得的反应物过量，提高价贵难得反应物的利用率l反应物浓度愈高，反应速率愈快反应物浓度愈高，反应速率愈快压力的影响压力的影响l压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大分子数压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大分子

21、数增加的反应，降低压力可以提高平衡产率分子数减少的增加的反应，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不变的反应，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压力对平衡产率无影响l一定的压力范围内加压，对加快反应速率有一定好处，但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，反而不经济压力过高，反而不经济l惰性气体的存在，降低反应物的分压，对反应速率不利，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但有利于分子数增加的反应的平衡2.5 2.5 催化剂的性能及使用催化剂的性能及使用 提高反应

22、速率和选择性 改进操作条件 催化剂有助于开发新的反应过程，发展新的化工技术 催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用催化剂的基本特征催化剂的基本特征催化剂是参与了反应的，但反应终了时，催化剂是参与了反应的，但反应终了时， 催化剂本身催化剂本身未发生化学性质和数量的变化未发生化学性质和数量的变化 催化剂只能缩短达到化学平衡的时间（即加速作用），催化剂只能缩短达到化学平衡的时间（即加速作用），但不能改变平衡但不能改变平衡 催化剂具有明显的选择性，特定的催化剂只能催化特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定的反应 催化剂的分类催化剂的分类 按催化反应体系的物相均一性按催化反应体系

23、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、水合、加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、异构化、芳构化、羰聚合、烷基化、异构化、芳构化、羰基化、卤化基化、卤化 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、硫化物金属催化剂、氧化物催化剂、硫化物催化剂、酸催化剂、碱催化剂、络合催化剂、酸催化剂、碱催化剂、络合物催化剂和生物催化剂物催化剂和生物催化剂催化剂的分类催化剂的分类工业催化剂的使用性能工业催化剂的使用性能 活性活性 选择性选

24、择性 寿命寿命 寿命的影响因素寿命的影响因素l 化学稳定性化学稳定性l 热稳定性热稳定性l 力学性能稳定性力学性能稳定性 耐毒性耐毒性失活原因：失活原因： 超温过热，使催化剂表面发生烧结，晶型转变或物相转超温过热，使催化剂表面发生烧结，晶型转变或物相转变；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再生：再生： 暂时性中毒是可逆的，当原料中除去毒物后，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催化剂可逐渐恢复活性 永久性中毒则是不可逆的。催化剂积碳可通过永久性中毒则

25、是不可逆的。催化剂积碳可通过烧碳再生烧碳再生无论是暂时性中毒后的再生，还是积碳后的再无论是暂时性中毒后的再生，还是积碳后的再生，均会引起催化剂结构的损伤，致使活性下生，均会引起催化剂结构的损伤，致使活性下降降2.6 2.6 反应过程的物料衡算和热量衡算基础反应过程的物料衡算和热量衡算基础 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，以便选定衡算系统写出化学反应方程式并配平写出化学反应方程式并配平选定衡算基准，以计算方便为原则选定衡算基准，以计算方便为原则收集或计算必要的各种数据收集或计算必要的各种数据设未知数，列方程式设未知数，列方程式 组，联立求解组，联立求解计算和核对计算和核对报告计算结果报告计算结果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总和（包括反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、催化剂等）应物、溶剂、充入的气体、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总和（包括目该批卸出的所有物料质量的总和（包括