化学工艺基础2.1-2.8

1、第二章,第二章 化学工艺基础,2.1 化学工业原料资源及其加工利用,化工原料根据物质来源可分为无机原料和有机原料两大类。 我国化学矿资源丰富，探明储量的有20多种，如磷矿、硫铁矿、自然硫、钾长石、含钾页岩、明矾石、硼矿、天然碱、化工灰岩、重晶石、芒硝、硝钠石、蛇纹石、钾矿、金红石、镁盐、溴、碘、沸石等。 重点介绍：磷矿、硫铁矿、硼矿。,2.1.1无机化学矿及其加工,煤(coal) 由含碳、氢的多种结构的大分子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无机矿物质组成 成煤过程的程度不同分为 泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤 H% O%含量顺序: 泥煤褐煤 烟煤无烟煤,煤及其加工利用,高温干馏（炼焦），低温干馏，

2、煤气化 和煤液化（直接液化 间接液化） 煤的间接液化是将煤预先制成合成气（CO+），然后通过催化作用将合成气转化为烃类燃料、含氧化合物燃料的过程。,加工利用方法,煤的加工利用途径,2.1.1 石油及其加工利用,原油是指从油田中开采出来没有经过加工处理的石油，它是一种有气味的棕黑色或黄褐色黏稠液体。 石油化工自20世纪50年代开始蓬勃发展 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90%来源于石油和天然气,石油及其加工利用,石油的组成,由分子量不同、组成和结构不同、数量众多的化合物构成的混合物，其中化合物的沸点从常温到500以上 石油中的化合物分为 烃类 、非烃类、胶质和沥青三

3、大类。 由碳和氢化合物形成的烃类构成石油的主要组成部分。约占95%-99%；含硫、氧、氮的化合物对石油产品有害，在石油中应尽量除去。,烃类化合物 非烃化合物 胶质和沥青质,链式饱和烃 环烷烃 芳香烃,硫化物 氮化物 含氧化合物,稠环烃类等,石油的分类,不同产地的石油中，各种烃类的结构和所占比例相差很大，但主要属于烷烃、环烷烃、芳香烃三类。通常以烷烃为主的石油称烷基石油（石蜡基石油）；以环烷烃、芳香烃为主的石油称环烷基石油（沥青基石油）；介于二者之间的称为中间基石油。,原油一般不能直接使用，需要进行一次加工和二次加工，加工后可提高其利用率。 （1）一次加工 一次加工方法主要包括常压蒸馏和减压蒸馏

4、。蒸馏是一种利用液体混合物中各组分挥发度的差别（沸点不同）进行分离的方法，是一种没有化学反应的传质、传热物理过程，主要设备是蒸馏塔。 根据目的不同，常减压蒸馏流程分为燃料型、燃料-润滑油型和燃料-化工型-润滑油型三种。,石油的加工方法,（2）二次加工 原料经过常减压蒸馏只能切割成几个馏分，生产的燃料品种数量有限，不能满足需求，而且直接作为化工原料使用的也只是塔顶出来的气体。 常用的二次加工方法主要由催化重整、催化裂化、催化加氢裂化和烃类热裂解四种。,石油的加工方法,石油加工方法： 原油一般不能直接使用，需要进行一次加工和二次加工，加工后可提高其利用率。 （1）一次加工 一次加工方法主要包括常压

5、蒸馏和减压蒸馏。蒸馏是一种利用液体混合物中各组分挥发度的差别（沸点不同）进行分离的方法，是一种没有化学反应的传质、传热物理过程，主要设备是蒸馏塔。,（3）二次加工方法 常用的二次加工方法主要由催化重整、催化裂化、催化加氢裂化和烃类热裂解四种。 催化重整（catalytic reforming）：是在珀催化剂作用下加热汽油馏分（石脑油），使其中的烃类分子重新排列形成新分子的工艺过程。 催化重整的原料是石脑油，在催化重整的过程中，主要发生环烷烃脱氢、烷烃脱氢环化等生成芳烃的反应，还有烷烃的异构化和加氢裂化等反应。,石油的加工方法,石油的分类,不同产地的石油中，各种烃类的结构和所占比例相差很大，但主

6、要属于烷烃、环烷烃、芳香烃三类。通常以烷烃为主的石油称烷基石油（石蜡基石油）；以环烷烃、芳香烃为主的石油称环烷基石油（沥青基石油）；介于二者之间的称为中间基石油。,（3）二次加工方法 常用的二次加工方法主要由催化重整、催化裂化、催化加氢裂化和烃类热裂解四种。 催化裂化(catalytic cracking):催化裂化是在催化剂作用下加热重质馏分油，使大分子烃类化合物裂化而转化成高质量的汽油，并副产柴油、锅炉燃油、液化气和气体等产品。 催化裂化装置常用反应器有固定床、移动床和流化床三类，目前多采用流化床反应器。,石油的加工方法,（3）二次加工方法 常用的二次加工方法主要由催化重整、催化裂化、催化

7、加氢裂化和烃类热裂解四种。 催化裂化(catalytic cracking):催化裂化是在催化剂作用下加热重质馏分油，使大分子烃类化合物裂化而转化成高质量的汽油，并副产柴油、锅炉燃油、液化气和气体等产品。 催化裂化装置常用反应器有固定床、移动床和流化床三类，目前多采用流化床反应器。,石油的加工方法,（3）二次加工方法 常用的二次加工方法主要由催化重整、催化裂化、催化加氢裂化和烃类热裂解四种。 催化加氢裂化(catalytic hydrocracking):催化加氢裂化是在催化剂及高氢压下加热重质油，使其发生一系列加氢和裂化反应，转变成航空煤油、柴油、汽油（或重整原料）和气体等产品的加工过程，它

8、是催化裂化技术的改进。,石油的加工方法,（3）二次加工方法 常用的二次加工方法主要由催化重整、催化裂化、催化加氢裂化和烃类热裂解四种。 催化加氢裂化(catalytic hydrocracking): 优点：催化加氢裂化不仅可以防止如催化裂化过程中大量积炭的生成，还可以将原油中的氮、氧、硫等原子的有机化合物杂质通过加氢从原料中除去，并且可以使反应过程中生成的不饱和烃转化为饱和烃。,石油的加工方法,（3）二次加工方法 常用的二次加工方法主要由催化重整、催化裂化、催化加氢裂化和烃类热裂解四种。 烃类热裂解(heat breakdown of hydrocarbon):不用催化剂，将烃类加热到750

9、900使其发生裂解。 烃类热裂解的主要目的是生产乙烯，同时可得丙烯、丁二烯以及苯、甲苯、二甲苯、二甲苯、乙苯等芳烃及其他化工原料，是石油化工必不可少的加工过程。 对裂解后产物进行冷凝，得到裂解气和裂解汽油两大类混合物。,石油的加工方法,根据沸程的不同，将石油分类,2. 油品的概念,石脑油（轻汽油） 50140 汽油 140200 航空煤油 140230 煤油 180310 柴油 260350 润滑油 350520 重、渣油 520,1、天然气定义： 埋藏在地下的古生物经过亿万年高温和高压等作用形成的可燃性的气体，是一种无色无毒、热值高、燃烧稳定、洁净环保的优质能源 。 2、组成： 混合天然气的

10、主要成分是甲烷，另有少量乙烷、丙烷、丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮以及微量惰性气体。,天然气及其加工方法,3、天然气的分类 ： 与石油伴生的称为油田伴生气（油田气）；与煤田伴生的称为煤田伴生气（煤层气）。 、干气：主要成分是CH4，其次是C2H6，C3H8和C4H10，含有少量C5以上重组分，还有CO2、N2、H2S和NH3等。加压没有液体产生，天然气井和煤田伴生气属于干气。 、湿气：主要成分为甲烷和乙烷等低碳烷烃，还含有轻汽油。稍加压缩就有液体汽油析出。油田伴生气属于湿气。,天然气及其加工方法,4、天然气的用途 ： 目前天然气化工用途主要用于生产合成氨的原料气、合成甲醇原料气 、制

11、备羰基合成的合成气和裂解生产有机化工原料。,天然气及其加工方法,糠醛的生产,2C2H10O5,H2O,淀粉,C12H22O11,(麦芽糖),H2O,2C6H12O6,(葡萄糖）,C6H12O6,酵母,2CH3CH2OH + 2CO2,乙醇的生产,生物质及其加工利用,HC,CH,C5H10O5,C,C,糠醛,O,CHO,+ 3,H2O,废塑料制成液体燃料。 其他再生资源开发利用,再生资源的开发利用,空气和水,产品分离与精制,化学反应,原料预处理,2.2 化工生产过程及流程,化工生产过程,组织工艺流程原则,技术先进、安全可靠、经济指标合理。 原料和能量利用充分合理 单元操作适宜，设备选型合理 工艺

12、流程连续化、自动化。 安全促使得当，“三废”治理有效。,2.2 化工生产过程及流程,2.2 化工生产过程及流程,化工生产工艺流程组织 推论分析法,从“目标”出发对不同功能的单元进行逻辑组合,化工工艺过程的 “洋葱”模型,反应器,分离与再循环,换热网络,公用工程,化工生产工艺流程组织 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,不同功能单元的实施方法,不同设备型式,不同流程方案,化工生产工艺流程组织 形态分析法,对不同流程方案精确分析评价，择优汰劣,原 则,是否满足所要求的技术指标 经济指标的先进性 环境、安全和法律 技术资料的完整性和可信度,2.3 化工过程的主要效率指标,生产能力

13、和生产强度 化学反应的效率合成效率 转化率选择性 收率 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量或处理的原料量 单位 千克/时（kg/h） 吨 /天 (t/d) 万吨/年 (10kt/a) 设计能力：,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 单位： kg/hm3，t/dm3 kg/hm2，t/dm2,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,转化率,选择性表达主、副反应进行程度的大小，反映原料的利用是否合理,选择性,从产物角度来描述反应过程的效率 单程收率 总收率 平衡转化率平衡产率 转

14、化率、选择性和收率的关系,收率 产率,2.4 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,温度的影响 化学平衡,吸热反应H0，K值随着温度升高而增大,有利于平衡产率增加,放热反应 H0，K值随着温度升高而减小，降低温度使平衡产率增加,2.4工艺技术经济指标,工艺技术管理工作的目标除了保证完成目的产物的产量和质量外还要努力降低消耗。 消耗定额：指的是生产单位产品所消耗的各种原料及辅助材料水、燃料、电力和蒸汽量等。 原料消耗定额根据计算依据不同分为理论消耗定额和实际消耗定额两种。 理论消耗定额：是以化学方程式的化学计量为基础计算的消耗定额为理论消耗定额。,2.4工艺技术经济

15、指标,原料消耗定额：生产单位产品所消耗的原料量。即生产1吨100%的产品所消耗的原料量。 实际过程的原料消耗定额绝不可能低于理论消耗定额。 公用工程是指化工厂必不可少的供水、供热、冷冻、供电和供气等条件。 公用工程消耗定额：是指对在生产过程中所消耗的水、燃料、电力等制定的消耗指标。,2.4工艺技术经济指标,化工生产中减低消耗的措施有：选择性能好的催化剂。工艺参数控制在适宜范围，减少副反应，提高选择性和生产强度；提高生产技术水平，加强设备维修，减少泄漏；加强生产人员责任心，减少物料浪费现象和防止出现生产事故。,2.5化工生产中常用的产品质量标准,质量是产品的灵魂，没有质量，再低的成本也是徒劳的。

16、成本控制是在质量控制下的成本控制，没有质量标准，成本控制就会失去方向，也谈不上成本控制。 国家标准、行业标准、地方标准、企业标准,2.5化工生产中常用的产品质量标准,（1）国家标准：在全国范围内适用，其他各级标准不得与国家标准相抵触。国家标准分为强制性国标和推荐性国标。 （2） 强制性国标：是保障人体健康、人身和财产安全，以法律及行政法规规定强制执行的国家标准。,2.5化工生产中常用的产品质量标准,化工产品质量标准中的常见指标项目 （1）外观：一般包括化工产品在常温时的状态、颜色及臭味等。 （2）主要成分或有效成分含量 化工原料主要成分含量表示方法有多种，常用的是以其中主要成分所占的重量百分数

17、表示。,2.5化工生产中常用的产品质量标准,化工产品质量标准中的常见指标项目 （3）比重和密度 液体化工产品的标准中常有密度或比重的指标。逐渐改为使用“相对密度”。 （4）熔点和凝固点 固体物质在常压下由固体转变为液态时的温度即为该物质的熔点。物质越纯，物质发生相变的温度变化范围越窄。 产品标准中熔点也是衡量物质纯度的一个重要物理指标。,2.6 反应条件对化学平衡和反应速率的影响,温度的影响 反应速率,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,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,2.6 反应条件对化学平衡和反应速率的影

18、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使廉价易得的反应物过量，提高价贵难得反应物的利用率,反应物浓度愈高，反应速率愈快,2.6 反应条件对化学平衡和反应速率的影响,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，对反应速率不利，但有利于分子数增加的反应的平衡,2.7催化剂的性能及使用,提高反应速率和选择性 改进操作条件 催化剂有助于开发新的反应过

19、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,催化剂的3个基本特征,催化剂的分类,按催化反应体系的物相均一性 均相催化剂 非均相催化剂 按反应类别 加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、异构化、芳构化、羰基化、卤化,按反应机理 氧化还原型催化剂、酸碱催化剂 按使用条件下的物态 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、络合物催化剂和生物催化剂,工业催化剂的使用性能,活性 选择性 寿命,寿命的影响因素 化学稳定性 热稳定性 力学性能稳定性 耐毒性,失活原因： 超温过热，使催化剂表面发生烧结，晶型转变或物相转变； 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,催化剂的失活和再生,再生： 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 永久性中毒则是不可逆的。催化剂积碳可通过烧碳再生 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，致使活性下降,催化剂的失活和再生,2.6 反应过程的物料衡算和热量