第1章基础知识

1、1,化工工艺学,2,化工工艺学概述,第1章 化工工艺基础知识 第2章 合成氨 第3章 硫 酸 第4章 烧 碱 第5章 石油烃裂解 第6章 有机化工的主要产品 第7章 天然气化工,3,绪 论,1、化学工业及其发展概况 无机化学工业的形成： 18世纪中叶 煤化工的形成：19世纪中叶 石油和天然气化工的形成：20世纪50年代 精细化工的形成和发展：20世纪70年代,4,绪 论,现代化学工业的特点： （1）原料、产品和生产方法的多样性； （2）生产规模的大型化、综合化和产品的精细化； （3）生产技术的密集化，广泛采用涉及多学科高新技术； （4）生产的清洁化，首要解决易燃、易爆、有毒、有腐蚀等环境友好问

2、题； （5）节约能量和能量的综合利用； （6）生产资金的高投入、高利润和高回收速度。,5,绪 论,2、化学工业在国民经济中的地位 化学工业与国民的衣食住行、其他行业紧密相关，其产品已渗透到国民生产的各行各业，化学工业的强弱是衡量一个国家科学技术水平的重要标志。,6,绪 论,3、化工行业与化工产品 按原料划分：煤化工、石油化工、生物化工。 按产品划分： （1）基本有机化工：以碳氢化合物及其衍生物为主的通用型化工产品。 （2）无机化工：三酸（硫酸、盐酸、硝酸）、两碱（烧碱、纯碱）与化肥（无机大化工），无机盐、工业气体、元素化合物。 （3）高分子化工：高分子化工产品是通过聚合反应获得的相对分子质量高

3、达104106的高分子化合物。产品包括： 按用途分：塑料、合成橡胶、合成纤维（三大合成材料）、涂料、粘合剂；按功能分：通用高分子化工产品、特种高分子化工产品。,7,绪 论,3、化工行业与化工产品 （4）精细化工：精细化工产品是一类加工深、纯度高、生产批量小、附加值高，其自身具有某种特定功能或增进产品特定功能的化学品，也称作精细化学品或专用化学品。 包括：农药、染料、颜料、涂料（油墨、油漆）、粘合剂、食品和添加剂、催化剂和各种助剂、化学原药及日用化学品、试剂和高纯物、功能高分子材料、信息用化学品（11类） 也包括：香料香精、精细陶瓷、医药制剂、酶制剂、电子信息材料、生物医药、生物农药等。,8,绪

4、 论,3、化工行业与化工产品 （5）生物化工：生物化工产品是指采用生物技术生产的化工产品。 主要有： 乙醇、丁醇、丙酮、柠檬酸、乳酸、葡萄糖酸、L-赖氨酸、L-色氨酸、维生素、抗生素、生物农药、饲料蛋白、酶制剂等。,9,绪 论,4、化学工业的发展方向 今后化学工业的发展，要坚持可持续发展，合理利用、保护自然资源及环境，大力发展精细化工产品。着重是信息技术（计算机技术）的应用、生物工程与化学工程相结合（生物化工技术）的领域、新材料、新能源的开发和利用。,10,绪 论,5、本课程的性质、任务与内容 本课程主要介绍一些典型的生产工艺： 合成氨、硫酸、氯碱工业 （无机化工） 乙烯系列（聚乙烯、氯乙烯、

5、乙醛）、丙烯系列（聚丙烯）、芳烃系列（苯乙烯） （基本有机化工） 天然气的性质和组成、天然气制甲醇、天然气的氯化加工 （天然气化工）,11,第1章 化工工艺基础知识,1.1 化工过程的指标与影响因素 1.1.1 生产能力、生产强度、空间速度 生产能力：指一台设备、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。 生产强度：指单位体积或单位面积的设备在单位时间内生产的产品量或加工的原料量。描述催化反应装置生产强度的参数为时空收率，kg（产品）/hm3(催化剂) 空间速度（空速）：指单位体积催化剂通过的原料气在标准状态下的体积流量，用Sv表示（m3/m3h ，或h-1）。,12,第1章

6、 化工工艺基础知识,1.1.2 转化率、选择性和收率 转化率：某反应物转化掉的量占投入该反应物总量的百分数。 包括： 单程转化率：物料一次性通过反应器的转化率 全程转化率：新鲜物料进入反应系统到离开反应系统所达到的转化率。,13,第1章 化工工艺基础知识,4400,5000,600,4450,50,14,第1章 化工工艺基础知识,1.1.2 转化率、选择性和收率 选择性S ：转化为目的产物的某反应物的量与其转化的总量之比。 收率Y（产率）：生成目的产物所转化的某反应物的量占投入某反应物的量的百分数。,15,第1章 化工工艺基础知识,1.1.2 转化率、选择性和收率 转化率、选择性和收率之间的关

7、系 Y = X S,200 kg/h,1000 kg/h,500 kg/h,例如： Y=500/1000 = 0.500 X=(500+200)/1000 = 0.700 S=500/(500+200) = 0.714,16,第1章 化工工艺基础知识,1.1.3 化学反应的限量物与过量物 限量物：按最小化学计量数投料的反应物，称为限量物。 过量物：超过限量物完全反应的另一反应物，称为过量物。 过量百分数（过剩系数）：过量物超过限量物所需理论量的部分占所需理论量的部分的百分率。 原料配比（反应物料的摩尔比）： 即加入反应器各组分物质的量之比。一般情况下，原料的配比不等于化学计量系数比。,17,第

8、1章 化工工艺基础知识,1.1.4 化学反应的工艺因素 温度：对化学平衡及反应速率都有影响 压力：对于气-液相反应、气相反应： 增大压力，对体积减小的反应有利； 增加惰性气体组分，对体积增大的反应有利（恒温恒压）。 反应物浓度：对于液相反应，一般的情况是：增大反应物的浓度，反应速率加快，平衡转化率也增大。 动力学因素：一般反应的动力学方程式；放热的对行反应特性、平行反应特性。如合成氨反应的动力学方程。,18,第1章 化工工艺基础知识,1.2 催化剂 催化反应包括： 均相催化反应（仅在液相反应中） 非均相催化反应 生物催化反应（酶） 催化剂的作用： 加快化学反应速率，提高生产能力； 对于复杂反应

9、，可有选择性地加快主反应的速率，抑制副反应，提高目的产物的收率； 改善操作条件、降低对设备的要求，改进生产条件； 开发新的反应过程，扩大原料的利用途径； 消除污染，保护环境。,19,第1章 化工工艺基础知识,1.2 催化剂 催化剂的构成：主催化剂、助催化剂、载体（刚玉、浮石、硅胶、活性炭、分子筛） 催化剂的特性： （1）降低反应的活化能，改变反应的历程。 （2）具有加快正、逆反应的反应速率，不改变化学平衡。 （3）具有特殊的选择性。,20,第1章 化工工艺基础知识,1.2 催化剂 工业生产对催化剂的要求 （1）活性：反映催化剂活性大小的指标：时空收率（空时产量）、空间速度。 （2）选择性： （

10、3）寿命：成熟期、活性稳定期、衰老期（由于催化剂结构改变、表面积炭、粉化、有效成分蒸发升华等原因造成） （4）稳定性：化学稳定性、热稳定性、耐压、耐磨、耐冲击等稳定性,21,第1章 化工工艺基础知识,1.2 催化剂 催化剂的使用 活化：煅烧。 使用时的要求：原料气要净化处理；严格按工艺要求操作；保持催化剂的活性： 失活与再生： 失活：催化剂因中毒、炭沉积覆盖活性表面、高温过热（催化剂的晶型、结构改变）、活性组分改变和损失等原因而丧失了催化作用。 再生：恢复催化剂活性的加工过程。如通水蒸气除炭、固体催化剂的再生、液体催化剂的再生和分离等。 储藏、运输与装卸：,22,第1章 化工工艺基础知识,1.

11、3 化学反应器 反应器的设计、选用，要综合考虑反应过程中的传热、传质。 反应器的分类：,23,第1章 化工工艺基础知识,1.3 化学反应器 反应器的主要结构形式： 釜式反应器：聚乙烯生产（聚合反应釜） 管式反应器：石油裂解炉（管子炉） 塔式反应器：乙醛生产（鼓泡塔） 固定床反应器：氨合成塔（列管式）；SO2催化氧化（多段催化剂床层）；乙炔与氯化氢合成氯乙烯（列管式） 流化床反应器： 硫铁矿的焙烧（沸腾炉）,24,釜式反应器,搅拌器,罐体,夹套,支座,人孔,轴封,传动装置,压出管,25,26,27,列管式固定床 反应器,28,壳体,流化床反应器,换热管,扩大段,旋风分离器,内部构件,气体分布器,

12、29,合成醋酸乙烯酯的 流化床反应器,30,鼓泡塔反应器,（a）空心式鼓泡塔,（b）塔内具有热交换单元的鼓泡塔,31,第1章 化工工艺基础知识,1.4 分离设备 包括：液液相分离、气液相分离、气固相分离和液固相分离设备。 这里主要介绍液液相分离设备精馏塔、闪蒸塔和汽提塔，其它相的分离设备将在其它章节中介绍。,32,第1章 化工工艺基础知识,1.4 分离设备 精馏塔： 精馏又称分馏，是用分馏柱分离沸点相近组分的方法。当混合液中组分的沸点相距很近时，用蒸馏的办法已无效，这时需采用塔效较高的分馏柱对混合物进行处理。分馏柱的选择取决于分离的难易程度、分馏物的数量以及分馏是的压力范围。工业生产上采用的是

13、精馏塔。 在精馏操作中，回流比的控制至关重要。一般来说，回流比越大，混合物分离越完善。,33,换热器,原料罐,精馏塔,冷凝器,回流罐,冷凝器,低沸物产品罐,加热器,高沸物产品罐,34,35,36,37,丙烯精馏塔,精馏塔塔板,38,第1章 化工工艺基础知识,1.4 分离设备 闪蒸塔（罐）： 物质的沸点是随压力增大而升高，而压力越低，沸点就越低。 这样就可以让高压高温流体经过减压，使其沸点降低，进入闪蒸罐。这时，流体温度高于该压力下的沸点。 流体在闪蒸罐中迅速沸腾汽化，并进行两相分离。 使流体达到气化的设备不是闪蒸罐，而是减压阀。 闪蒸罐的作用是提供流体迅速气化和汽液分离的空间。 闪蒸塔（罐）主要是用于分离几乎不互溶的液相分离，如气水的分离、干燥等。,39,40,41,第1章 化工工艺基础知识,1.4 分离设备 气提塔： 气提作用：气提是一个物理过程，它采用一个气体介质破坏原气液两相平衡而建立一种新的气液平衡状态，使溶液中的某一组分由于分压