1化学工艺的共性知识

1、化学工艺的共性知识,化学工业原料资源及其加工利用,化工生产过程及流程,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,催化剂的性能及使用,一 化学工业原料资源及其加工利用,石油及其加工利用,天然气及其加工利用,煤及其加工利用,生物质及其加工利用,世界化学工业大致经历了焦油化工、无机化工、电石乙炔化工，直至最近几十年的石油化工几个阶段。 二十世纪初，主要是以煤为基础； 五十年代，以煤和石油为原料比例占半； 六十年代以后，主要（90%）以石油、天然气为原料； 约10%左右化工产品用煤和农副产品为主要原料。,1 石油及其加工产品,从地下开采出来的未经加工处理的石油称为原油，其是一种有气味

2、的呈褐色的粘稠液体，是多种碳氢化合物的混合物。也称“黑色金子”。 组成： C 83-87%，H 11-14%，O、N、S 1%,原油一般不直接利用，须经过加工制成各类石油产品方可利用。,常用的加工方法有四种： （1）常减压蒸馏 （2） 催化裂化 （3）催化重整 （4） 加氢裂化, 常减压蒸馏,是石油加工第一道加工方法（龙头），按沸点不同分出各种馏分油。但所用原油要经脱盐、脱水处理后，方可使用。且处理后的原油，需达到含盐量50mg/L，H2O量0.2%的指标。根据需要，有时采用加碱中和硫化氢或缓蚀剂。,教学目的,教学难点,教学重点,要求学生理解因果分析法步骤，组织设计工艺流程图,画出石油常减压蒸

3、馏工艺流程图,因果分析法分析组织工艺流程,因果分析法分析工艺流程,提出问题,怎样组织设计石油常减压蒸馏工艺流程？ 关键：设备？物料线？,解决方法,因果分析法,因 果 分 析 法,概念 根据原料性质和加工要求，分析工艺流程需要的主要设备，用物料线连接主要设备，合理补充辅助设备，得到工艺流程图的方法，称为工艺流程组织设计因果分析方法。两要素：设备、物料线。 应用 石油常减压蒸馏、催化裂化、催化重整、加氢精制、加氢裂化、延迟焦化,分 析 问 题,相关重点内容回顾,石油常减压蒸馏三个工序 石油预处理 常压蒸馏 减压蒸馏,石油预处理工序分析,分 析 问 题,石油粘度高，含盐、含水，导致设备腐蚀，在设备内

4、壁结垢影响成品油的组成。,脱除盐分、水分。原料输送需要泵，降低粘度需加热器，脱盐脱水需要电场槽。,加工要求,原料性质,脱除低沸点组分需要初馏塔，原料进里泵，加热需要加热器，塔顶需要冷凝器，回流罐等，分离稍高沸点馏分需要常压塔，进料泵，常压炉，塔顶需要冷凝器，回流罐，侧线取料汽提塔，汽提塔冷凝器。,常压蒸馏工序分析,分 析 问 题,加工要求,原料性质,30 400的组分和更高沸点组分。,减压蒸馏工序分析,分 析 问 题,高沸点、高粘度馏分。被加热到400以上后，就会有部分烃裂解，并在加热炉中结焦。,原料性质,加工要求,进料需要进料泵，物料预热需要减压炉，减压降低体系沸点需要真空系统、减压塔、塔顶

5、低沸组分冷凝器、回流罐、侧线取料冷凝器、塔底沥青冷凝器。,解 决 问 题,石油预处理工序设备：进料泵、加热器、电场槽。 常压蒸馏工序设备：初馏塔、进料泵、加热器、初馏塔冷凝器、回流罐、常压塔、进料泵、常压炉、常压塔冷凝器、回流罐、汽提塔、汽提塔冷凝器。 减压蒸馏工序设备：进料泵、减压炉、真空系统、减压塔、减压塔冷凝器、回流罐、冷凝器。,解 决 问 题,物料线说明,主物料线,排污线,蒸汽,真空系统,回流罐,减顶气,蒸汽,重柴油,轻柴油,煤油,汽提塔,回流罐,轻汽油,回流罐,石油,电场槽,含盐污水去处理,初馏塔,常压炉,初顶气,常压塔,常顶气,减压塔,减压炉,减顶油,减一,减二,蒸汽,沥青,常压汽

6、油,真空,蒸汽,常减压蒸馏所得的馏分油，有些足足有余，有些满足不了需要，有些质量指标达不到要求，因种种原因，还需进一步加工，充分发挥这些馏分的作用，以满足各种需要。, 催化裂化,采用常减压蒸馏得到的汽油量少，质量又差，通过裂化，即发生芳构化、异构化、环烷化，使重质燃料裂化成轻质燃料，同时使轻质燃料的组分发生变化，汽油质量提高。 催化裂化工艺流程见图2所示。,催化裂化产物经分馏塔分离，可得“二次加工”汽油、轻柴油。 副产裂化气即液化气，可从裂化气中分离得到丙烯、正丁烯、异丁烯，用于生产各种基本有机化工产品。 二次加工油质量好。,汽油质量好坏其主要质量之一，是具有良好的抗爆性。 抗暴性是衡量汽油质

7、量的重要标志，常以辛烷值“O.N.”表示。 “O.N.”越高的汽油，其抗暴性越高，质量越高，而汽油的抗暴性与化学组成有关。正构烷烃抗暴性最差，带有很多支链的异构烷烃和芳香烃抗暴性最好，所以从常减压蒸馏出发的馏分，主要含有直链烷烃，抗暴性差，辛烷值低，质量就差。,裂化有两种: 热裂化， 汽油产品质量差 O.N. 55-65， 催化裂化， 汽油产品质量好 O.N. 80以上。 热裂化已被催化裂化所代替。,（3）催化重整 催化重整是使石油馏分油经过化学加工转变为富含芳烃的高辛烷值汽油。(催化剂 Pt/Al2O3),催化重整原料： 轻汽油、直馏汽油、二次加工汽油。 催化重整汽油占总汽油产量的50%以上

8、。 催化重整也是生产芳烃的重要方法之一。 催化重整工艺流程见图3 所示。,(4)加氢裂化 加轻裂化是在氢存在下进行的催化裂化反应，可得到优质的汽、煤、柴油，如航空喷气燃料和优质轻柴油。,特点： 原料用重质馏分油等，选择范围广； 裂化后，产生低级烷烃作化工原料； 加氢减压油可作生产乙烯的裂解原料。（石化厂有此装置）,加氢精制 临氢降凝 延迟焦化,2 天然气及其加工产品,干性天然气，C10含量90% 不可液化 湿性天然气， C10含量90% 可压缩液化,天然气是埋藏在地下，自然喷出或人工开采出来的可燃性气体的总称。 天然气的分类有两种： 化学组成不同：,气井气（气田）， 干性天然气 ， 简称干气；

9、 油田气（油田伴生气） 湿性天然气 ， 凝析井气 简称湿气；,矿藏不同：,甲烷的化工利用主要有三个途径： 经蒸汽催化转化制成合成气CO+H2，然后进一步合成甲醇、高级醇、氨、尿素以及碳一化学品。 经部分氧化制造乙炔，发展乙炔化学工业。 直接用于生产各种化工产品，如，炭黑、氢氰酸、氯甲烷、硝基甲烷等。 (从湿气中分离得到的C2+烷烃作为裂解原料),3 煤及其加工产物,煤结构很复杂，以芳香核结构为主，具有烷基侧链和含杂原子（氧、氮、硫）基团的高分子化合物（M2000）。以煤作化工原料，可得到石油化工较难得到的产品。,煤的化学加工方法： 煤的干馏： 常用高温干馏（也称炼焦） 煤的气化 煤与石灰熔融生

10、产电石, 煤的干馏： 将煤隔绝空气加热，随着温度的升高，煤中有机物逐渐开始分解，其中挥发性物质呈气态逸出，残留下不挥发性产物就是焦碳或半焦。,气体产物经洗涤、冷却等处理后分别得到煤焦油、氨、粗苯和焦炉煤气。 我国纯苯产量的54.6%和全部的萘、蒽、咔唑等多环芳烃和杂环化合物都来自煤焦油。 粗苯主要由苯、甲苯、二甲苯、三甲苯所组成。 焦炉煤气经分离可得氢气、甲烷、乙烯等。, 煤的气化 煤、焦或半焦在高温常压或加压条件下，与气化剂反应转化为一氧化碳、氢等可燃性气体的过程。 产物可用作合成气、城市煤气、工业用燃料气。,（3）煤的液化 煤的高温加氢，称为煤的液化 。加氢、热解、脱灰 （4） 煤与石灰熔

11、融生产电石 CaO + C CaC2 C2H2 化工原料。（如，C2H3Cl等）,中国煤化工的发展前景，重点发展煤气化技术，加强碳一化学的发展。 由碳一化学工艺路线制备含氧化合物（如，醇、酸、醛、酮、醚等及其衍生物），将建设煤化学联合企业。,4 生物质的利用,在农产品加工过程中，可得到大量农副产品和农业废物，其中含纤维素、半纤维素、淀粉、糖类和油脂的生物质均可为基本有机化学工业提供原料和产品。 （1）农林副产品 *玉米芯-糠醛（萃取剂）,多缩己糖 水解可得单糖。 （淀粉） 发酵可得酒精，副产杂醇油。 (C6H10O5) n 多缩戊糖 戊糖 + 3H2O （C5H8O4）n C5H10O5 （

12、糠醛） 此法是工业上生产糠醛的方法。,纤维素含多缩己糖，半纤维素含多缩己糖和多缩戊糖。,糠醛是有机化工的一种重要原料，可用来生产糠醛苯酚树脂、糠醇树脂、顺丁烯二酸酐、合成纤维及医药产品。 目前，生物质的利用，这项工作做得越来越多，如稻杆等利用生产羧甲基纤维素等。,提取色素（辣椒-红色素）植物花-香精、松节油,（2）动植物油-硬化油、硬脂酸、甘油 （3）海洋化工-天然气、烃类水和物 目前，生物质的利用，这项工作做得越来越多，如稻杆等利用生产羧甲基纤维素等。,二 化工生产过程及流程,化工生产过程,化工生产工艺流程,1 化工生产过程,化工生产过程由三个步骤组成,原料预处理 化学反应 产品分离及精制,

13、2 化工生产工艺流程,原料经过包括物质和能量转换的一系列加工，转变成所需产品，实施转换需要有相应的功能单元来完成，按物料加工顺序将这些功能单元有机地组合起来，构筑成工艺流程。,将原料转变成化工产品的工艺流程称为化工生产工艺流程。,用图示来表达工艺流程的图称为工艺流程图。,化工生产工艺流程的组织,四种方法：,推论分析法:是从“目标”出发，寻找实现此“目标”的前提，将具有不同功能的单元进行逻辑组合，形成一个具有整体功能的系统。合成氨所需的原料氮和氢,功能分析法：是缜密地研究每个单元的基本功能和基本属性，然后组成几个可以比较的方案以供选择。 每个功能单元的实施方法和设备型式通常有许多种可供选择，因而

14、可组织处具有相同整体功能的多种流程方案。煤制气方法,形态分析法：是对每种可供选择的方案进行精确的分析和评价，择优汰劣，选择其中最优方案。,评价判据：,是否满足所要求的技术指标；,技术资料的完整性和可信度；,经济指标的先进性；,环境、安全和法律等。,经济性是形态分析的一个重要判据。,因果分析法,三 化工过程的主要效率指标,1 生产能力和生产强度,生产能力,指一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量。其单位为kg/h，t/d或kt/a，万t/a等。,设计能力,设备或装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力，称为设计能力。,生产强度为设备的单位特征几何量的生产能

15、力。,即设备的单位体积的生产能力，或单位面积的生产能力。其单位为kg/(hm3)，t/(dm3)，或kg/(hm2)，或t/(dm2)等。,生产强度指标主要用于比较相同反应过程或物理加工过程的设备或装置的优劣。,设备中进行的过程速率高，其生产强度就高。,2 转化率、选择性和收率,（1）转化率,转化率表征原料的转化程度，反映了反应进程。 转化率越大，参加反应的原料愈多。,使用时，注意单位要统一，可用摩尔（mol）；质量（kg）；体积（L）。,（2）单程转化率（用于循环过程）,X单 X总,(3)选择性S（selectivity）,也可用目的产物需消耗的某反应物量与实际转化掉的该反应物量之比。,（4

16、）收率和质量收率,反应物的量单位：摩尔单位或质量单位。,有循环时：,反应物的量单位：摩尔单位或质量单位。,3 平衡转化率和平衡产率的计算,可逆反应达到平衡时的转化率称为平衡转化率。,达平衡时所得产物的产率为平衡产率。,平衡转化率和平衡产率是可逆反应所能达到的极限值（最大值）。,平衡转化率和平衡产率与化学平衡常数有关。,如：,CO+H2O H2+CO2,反应压力不高低于3MPa，反应温度较高，200以上的条件，可按理想气体处理。,水蒸气过量，计算CO的平衡转化率。,设CO的平衡转化率为x，反应前CO有amol，H2O有bmol，无H2和CO2。,H2的产率=,Note:非理想气体，其压力要校正。

17、,内容回顾 生产强度 生产能力 设计能力 转化率、选择性、收率 单程转化率、平衡转化率、平衡产率、质量收率,四 反应条件对化学平衡和反应速率的影响,1 温度的影响,反应条件：反应温度、压力、浓度、反应时间、原料纯度和配比、进料量等。,（1）温度对化学平衡的影响,可逆反应适用,吸热反应H0，TK产物的平衡产率,放热反应H0，TK产物的平衡产率 TK产物的平衡产率,（2）温度对反应速率的影响,反应速率指单位时间、单位体积某反应物组分的消耗量或某产物的生成量。,aA + bB dD,反应速率：,任何反应有：Tk,不可逆反应，Tkr;,可逆反应,可逆吸热反应，Tr。,可逆放热反应，随T增加，r有三种变

18、化情况：,T较低时，T,T=TOP，,TTOP，,r达到极大值时即 ，所对应的温度称为 最佳反应温度，亦称最适宜温度。,最佳反应温度的计算公式：,对于不同的组成或转化率X，TOP值是不同的，随转化率的升高，TOP下降。,活化能不同，TOP值也不同。即不同的可逆放热反应，有不同的TOP值。,实际操作温度须随反应的进行，逐渐降低。,2 浓度的影响,反应物浓度愈高，反应速率愈快。,反应初期，反应物浓度高，反应速率大，随着反应的进行，反应物不断消耗，反应速率逐渐下降。,对于可逆反应，为了使平衡向产物方向移动，可采用增加反应物浓度或不断移走产物的办法，最终可增加产物的产率。,有两种以上反应物参加，一般价

19、高难得的反应物不过量，其他反应物过量。,若某一反应物过量对反应或设备有影响，则不选择过量。,3 压力的影响,压力对液相和固相反应的平衡影响小。,压力对气相和气固相反应的平衡影响大。, 对分子数增加的反应（0）, 对分子数减少的反应（ 0）,降低压力可以提高平衡产率。,压力升高，产物的平衡产率增大。, 对分子数没有变化的反应（ =0）,压力对平衡产率无影响。,压力增加可减少反应气体体积，增加浓度，提高反应速率，从而提高设备的生产能力，但压力过高，能耗增大，对设备密封及耐压要求高，成本增加，反而不经济。,对于增分子反应，降低压力（减压、真空）操作不安全，往往采用添加惰性组分的办法以降低反应物的分压

20、，但添加量是有限的，太多也不利。,五 催化剂的性能及使用,催化剂：,在一个反应系统中因加入了某种物质而使化学反应速率明显加快，但该物质在反应前后的数量和化学性质不变，称这种物质为催化剂。,催化剂作用：,（1）提高反应速率和选择性。,（2）改进操作条件。采用或改进催化剂可以降低反应温度和操作压力、可以提高化学加工过程的效率。,（3）催化剂有助于开发新的反应过程，发展新的化工技术。,（4）催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用。,1 催化剂的基本特征,催化剂是参与了反应的，但反应终了时，催化剂本身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），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定的反应。,催化剂不能使热力学上不可能进行的反应发生。 催化剂是以同样的倍率提高正、逆反应速率的，能加速正反应速率的催化剂，也必然能加速逆反应。,O,2 催化剂的分类,按催化反应体系的物相均一性分：均相和非均相催化剂。,按反应类别分：加氢、脱氢、氧化、裂化、聚