化学工艺学概论课件.ppt

1、教材及参考书：教材及参考书：1 刘晓勤，化学工艺学，化学工业出版社，刘晓勤，化学工艺学，化学工业出版社，2013年年2 米镇涛，化学工艺学，化学工业出版社，米镇涛，化学工艺学，化学工业出版社，2005年年3 陈五平，无机化工工艺学，化学工业出版社，陈五平，无机化工工艺学，化学工业出版社，2004年年4 田春云，有机化工工艺学，石化出版社，田春云，有机化工工艺学，石化出版社，1998年年课程主要内容课程主要内容第1章 概论第2章 合成气第3章 合成气衍生产品第4章 无机大宗化学品第5章 石油炼制第6章 烃类裂解及裂解气分离第1章 概论 化学工业的分类及特征化学工业的分类及特征13 化工原料、产品

2、及工艺化工原料、产品及工艺2化工工艺计算化工工艺计算1.1 1.1 化学工业的分类及特征化学工业的分类及特征n化学工业（化学加工工业）化学工业（化学加工工业）指生产过程中化学方法占主导地位的制造工业。指生产过程中化学方法占主导地位的制造工业。1.1.1 化学工业的分类化学工业的分类分类方法主要按产品和原料来分类分类方法主要按产品和原料来分类按产品的物质组成可分为有机化工（碳氢化合物及其按产品的物质组成可分为有机化工（碳氢化合物及其衍生物）和无机化工（非碳氢化合物）两大类。衍生物）和无机化工（非碳氢化合物）两大类。一般综合考虑产品的性质、用途和生产量分为如下几一般综合考虑产品的性质、用途和生产量

3、分为如下几类：类：按原料的性质和来源分：按原料的性质和来源分：无机化学工业 包括合成氨、无机酸、碱、盐和无机化学肥料基本有机化学工业 包括合成醇、有机酸、醛、酯、酮以及烷烃、烯烃、芳烃系列产品高分子化学工业 包括合成塑料及树脂、合成纤维、合成橡胶精细化学工业 包括试剂、催化剂、助剂、添加剂、活性剂、染料、颜料、香料、涂料、农药、医药等生物化学工业 包括有机酸、生物农药、饲料蛋白、抗生素、维生素、疫苗等石油化工 以石油和天然气为原料的化学工业煤化工 通过煤的气化、干馏和生产的电石为原料的化学工业生物化工 采用农、林等生物资源以及非生物资源，通过发酵、水解、酶催化而生产的化工产品矿产化工 以化学矿

4、为原料的化工产品海洋化工 从海水中提炼的化工产品1.1.2 化学工业的特征 原料、生产方法和产品的多样性与复杂性原料、生产方法和产品的多样性与复杂性 向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高 是多学科合作、生产技术密集型的生产部门是多学科合作、生产技术密集型的生产部门 重视能量合理利用，采用节能工艺和方法重视能量合理利用，采用节能工艺和方法 资金密集，投资回收速度快，利润高资金密集，投资回收速度快，利润高 化工生产中易燃、易爆、有毒、污染环境化工生产中易燃、易爆、有毒、污染环境 石油石油 天然气天然气 煤煤 化学矿化学矿 农林副产物农林副产物 海洋资

5、源海洋资源1.2 1.2 化工原料、产品及其工艺化工原料、产品及其工艺基本有机化学工业和部分无机化学工业的原料主要是煤和天然气我国的化学工业原料则以煤为主化学工艺：将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，其中包括实现这种转变的全部化学和物理的措施。程，其中包括实现这种转变的全部化学和物理的措施。1.2.1 石油及其加工工艺石油化工自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1、石油的物理特征颜色：棕黑色或黄褐色状态：粘稠液体相对密度：0.75 1.0沸点：常温 500

6、以上元素组成：主要是C和H2、分类按化学组成3、石油的组成石油的组成石油的组成烃类烃类非烃类非烃类胶质和沥青胶质和沥青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物含氧化物金属有机化合物金属有机化合物稠环环烷烃稠环环烷烃稠环芳香烃稠环芳香烃石油是成份极其复杂的有机矿物质。石油是成份极其复杂的有机矿物质。主要元素：主要元素：C、H、S、O、N,其它金属及非金属元素其它金属及非金属元素根据沸程的不同，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 140200航空煤油航空煤油 140230煤油煤油 180310柴油柴油 2603

7、50润滑油润滑油 350520重、渣油重、渣油 5204、油品的概念来源 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，抗爆震性能愈高，汽油的质量也愈好 测定方法：研究法(RON)、马达法(MON)汽油的来源和指标汽油的来源和指标 将异辛烷规定为100，正庚烷为0，两者以不同比例混合，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 93？90 辛烷值定义辛烷值定义n以石油为原料加工出来的产品，按其主要性质和用途可分为燃料油（汽油

8、、煤油、柴油）、润滑油、沥青、石油焦以及基本化工产品六大类。n基本化工产品为烯烃（乙烯和丙烯）、芳烃（苯、甲苯、二甲苯）、液化石油气和合成气等。乙烯与丙烯共聚乙丙橡胶电缆、电线材料氧化乙醛缩合醋酸辛醇、季戊四醇2-羟基丁醛丁醇酯化 丁酯溶剂、增塑剂溶剂药物、酯类、醋酸乙烯纤维（维尼龙）增塑剂齐聚、水合高碳直链醇（C11C18）合成洗涤剂水合乙醇酯化乙酸乙酯、其它酯类溶剂及合成原 加氢脱水丁二烯合成橡胶氢甲酰化丙醛丙酸还原正丙醇溶剂苯加乙烯烷基化乙苯脱氢苯乙烯聚苯乙烯、丁苯橡胶、ABS树脂加丙烯烷基化异丙苯 苯酚酚醛树脂、苯胺、壬基酚等丙酮双酚A聚碳酸酯、环氧树脂加十二烯十二烷基苯合成洗涤剂加氢

9、环己烷己内酰胺聚酰胺纤维氯化氯苯染料中间体、医药氧化顺丁烯二酸酐四氢呋喃、1，4-丁二醇医药、聚氨酯硝化硝基苯苯胺二苯基甲烷二异氰酸酯、橡胶助剂、染料、医药、农药聚氨酯纤维甲苯硝化硝基甲苯染料中间体、炸药歧化苯、二甲苯氧化苯甲酸染料中间体、医药、增塑剂临氢脱烷基苯硝化、还原、光气化甲苯二异氰酸酯聚氨酯类泡沫塑料、聚氨酯橡胶二甲苯对二甲苯氧化对苯二甲酸聚酯树脂、涤纶间二甲苯异构化对二甲苯氨氧化间苯二腈农药、聚酰胺纤维邻二甲苯氧化邻苯二甲酸酐医药、染料、增塑剂萘氧化烷基萘脱烷基萘氧化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 5、石油的加工

10、一次加工一次加工 油品的加工油品的加工n催化重整催化重整 （catalytic reforming）n催化裂化催化裂化 (catalytic cracking)n催化加氢裂化催化加氢裂化 (catalytic hydrocracking)n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%90%湿气湿气 C C2 2-C-C4 4烷烃含量烷烃含量15%-2

11、0%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天然气水合物天然气水合物 冻土带和海底甲烷与水组成的笼形冻土带和海底甲烷与水组成的笼形化合物化合物1.2.2 天然气及其加工工艺 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

12、)(coal)由含碳、氢的多种结构的大分子有由含碳、氢的多种结构的大分子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无机矿物质机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无机矿物质组成组成 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1.2.3 煤及其加工工艺煤的元素组成煤的元素组成组成组成泥泥 炭炭褐褐 煤煤烟烟 煤煤无烟煤无烟煤C%6070708080909098H%56564513 O%2535152551513煤的分子结构煤的分子结构 n煤的基本结构单元煤的基本结构单元缩合芳烃、环烷烃

13、及多种缩合芳烃、环烷烃及多种侧链，杂原子及官能团。侧链，杂原子及官能团。n侧链往往是联结各基本单元的桥键。侧链往往是联结各基本单元的桥键。n年轻煤缩合芳烃少，侧链长，脂肪烃和含氧官能年轻煤缩合芳烃少，侧链长，脂肪烃和含氧官能团多。团多。煤大分子之间由交联键形成空间结构。在煤大分子之间由交联键形成空间结构。在大分子空间结构中有许多内表面积大的微孔。大大分子空间结构中有许多内表面积大的微孔。大分子中分散着一些低分子化合物，尤其以年轻煤分子中分散着一些低分子化合物，尤其以年轻煤为多。为多。不同类型煤的基础结构单元示意图不同类型煤的基础结构单元示意图 缩合芳烃、环烷烃及多种侧链，杂原子及官能团缩合芳烃

14、、环烷烃及多种侧链，杂原子及官能团煤的加工煤的加工n煤气化煤气化（Coal Gasification）将其变成将其变成水煤气或发生炉煤气，作燃料或化工原料。水煤气或发生炉煤气，作燃料或化工原料。n煤液化煤液化（Coal Liquefaction）将其变成将其变成芳烃、烷烃、脂肪烃等油品。芳烃、烷烃、脂肪烃等油品。n煤干馏煤干馏（Coal Carbonization）干馏是干馏是炼焦。同时得到焦油、煤气。或称部分液化和部炼焦。同时得到焦油、煤气。或称部分液化和部分气化。分气化。n煤干馏（高温干馏和低温干馏）：在隔绝空气条件下加热煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和焦炉气的过程，也称煤的热解或热分

15、解。高温干馏：煤在炼焦炉中隔绝空气加热到1000左右，经过干馏的一系列阶段，最终得到焦炭，简称炼焦。煤在终温500-700下进行的干馏过程，产生半焦、低温焦油和煤气等产物称为低温干馏。n煤气化：是一个热化学过程，以煤或煤焦（半焦）为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸汽或氢气等作气化剂，在高温（900-1300 ）通过化学反应把煤或煤焦中的可燃部分转化为气体的过程，气化所得到的气体称为煤气，其有效成分包括CO、H2、CH4。是合成气，合成氨、甲醇的基本原料。n煤液化：煤通过化学加工转化为液体燃料的过程，可分为直接液化和间接液化两个过程，汽油、煤油、柴油。煤煤低温干馏低温干馏 焦炉煤气焦炉煤气

16、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 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 1.2.4 化学矿及其加工工艺n一、化学矿的种类一、化学矿的种类 我国共有20多个矿

17、种。硫铁矿、自然硫、硫化氢气藏、磷矿、钾盐、钾长石、明矾石、蛇纹石、化工用石灰岩、硼矿、芒硝、天然碱、石膏、钠硝石、镁盐、沸石盐、重晶石、碘、溴、砷、硅藻土、天青石等。其中：其中：硫铁矿、重晶石、芒硝及磷矿储量居世界前列，稀土矿的储量居世界首位。n二、磷矿、硫矿的情况二、磷矿、硫矿的情况 1、资源比较丰富，但分布不均衡 2、高品位矿储量比较少 3、选矿比较为困难，利用较为复杂芒硝芒硝Na2SO410H2O天青石天青石SrSO4蛇纹石蛇纹石(Mg,Fe,Ni)3Si2O5(OH)4钠硝石钠硝石NaNO3硫铁矿硫铁矿 Pyrite重晶石重晶石 Barite 三、磷矿三、磷矿n资源情况：资源情况：我

18、国磷矿储量居世界第四，但品位低。主要分布在西南和中南地区。n用途：用途：生产磷肥、磷酸、单质磷、磷化物与磷酸盐。具有工业价值的磷矿为磷块岩与磷灰石，85%的磷矿用于制造磷肥。1 1、概况、概况2 2、磷肥的生产方法、磷肥的生产方法四、硫铁矿四、硫铁矿n用途：用途：主要用于制造硫酸，但成本较高，目前硫酸主要用硫磺生产。n资源情况资源情况：主要集中在广东、内蒙、安徽、和四川，占总储量的85%。硫酸的工业生产硫酸的工业生产五、硼矿五、硼矿n资源情况：资源情况：我国硼矿储量居世界第四，但品位低。n用途：用途：生产硼酸、硼砂、单质硼以及硼酸盐（主要是硼镁矿）。硼矿转化工艺硼矿转化工艺落后工艺落后工艺先进

19、工艺先进工艺1.2.5 生物质的加工工艺n农、林、牧、副、渔业的产品及其废物农、林、牧、副、渔业的产品及其废物(壳、芯、秆、壳、芯、秆、糠、渣糠、渣)等生物质通过化学或生物化学方法可以转变为等生物质通过化学或生物化学方法可以转变为基础化学品或中间产品，加工过程涉及一系列化学工基础化学品或中间产品，加工过程涉及一系列化学工艺，如化学水解、酶水解、微生物水解、皂化、催化艺，如化学水解、酶水解、微生物水解、皂化、催化加氢、气化、裂解、萃取。加氢、气化、裂解、萃取。（1）糠醛的生产n主要用于生产糠醇树脂、黏结剂、医药产品、合成纤维、杀虫剂等。HC CHC5H10O5CC糠醛糠醛 OCHO+3 +3 H

20、2O （2）乙醇的生产n乙醇的生产虽然工业生产乙醇是用乙烯水合法，但用农产品生产乙醇仍是重要方法之一。将含淀粉的谷类、薯类、植物果实经蒸煮糊化，加水冷却至60，加入淀粉酶使淀粉依次水解为麦芽糖和葡萄糖，再加人酵母使之发酵则转变成乙醇(食用酒精)。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+2CO21.3 化学工艺计算n衡算的意义与用途进行方案比较，参数值确定的基本方法进行方案比较，参数值确定的基本方法化工设计的基础化工设计的基础通过衡算，找出生产的薄弱环节，工艺参数值通过衡算，找出生产的薄弱

21、环节，工艺参数值是否合理，提出生产的方向，提供设计数据。是否合理，提出生产的方向，提供设计数据。1.3.1 物料衡算 物料衡算的依据物料衡算的依据质量守恒定律质量守恒定律进入系统的质量从系统出来的质量积累的进入系统的质量从系统出来的质量积累的质量质量对连续稳定过程，系统中无积累的质量对连续稳定过程，系统中无积累的质量 ,进入系统的质量从系统出来的质量进入系统的质量从系统出来的质量对于化学反应过程，可采用不同衡算基准，常采用的方式如下。(1)组分衡算 对其中某组分i的衡算式为：由于惰性物质不参加反应，它在进出物料中的数量不变，常用来作联系物料进行衡算，使计算简化。(2)原子衡算 在一般化学反应中

22、，原子本身不发生变化，故可用元素的原子的物质的量来做衡算。可以不涉及化学反应式中的化学计量关系，故对于复杂反应体系的计算是很方便的。对于稳定流动过程有 输人物料中所有原子的=输出物料中所有原子的 物质的量(mol)之和 物质的量(mol)之和1.3.1.1 物理变化过程 当体系只发生物理变化时，除了建立总物料衡算式之外，还可以按每一种组分分别建立该组分生物物料衡算式。湿气体在冷却塔内冷却冷凝时，该物料可看作由干气和水蒸气两种组分所组成，故可建立三个物料衡算式：l 例1：苯、甲苯、二甲苯混合物采用由两个精馏塔组成的单元操作设备进行分离，得到三种物流，各为一种物质的富集液，系统流程如图所示。已知料

23、液流率1000mol/h，其组成为苯20%，甲苯30%，其余为二甲苯（均为摩尔分数）。在第一个精馏塔的釜底液中含苯2.5%和甲苯35%，然后进入第二个精馏塔分离，塔顶得到含苯8%和甲苯72%的馏出液，试计算各个精馏塔得到的馏出液、釜底液及其组成。1.3.1.2 化学变化过程对于化学反应过程，同一种元素的物质的量(mol)是不变的，故可以按元素的物质的量列出物料衡算式。进行化学过程的物料衡算时，常用转化率、产率、选择性的概念。(1)转化率 对某一组分来说，反应所消耗的物料量与投入反应的物料量之比值称为该组分的转化率，一般以分率来表示。(2)产率 指主产物的实际收得量与按投入原料计算的理论产量之比

24、值。该反应物的起始量应物的量转化为目的产物的某反Y(3)选择性 是表示各种主、副产物中，主产物所占的分率或百分率，反映原料的利用是否合理。相对于同一反应而言，转化率、产率与选择性之间存在如下关系：Y=XS该反应物的转化总量应物的量转化为目的产物的某反Sl 例2：用邻二甲苯气相催化氧化生产邻苯二甲酸（苯酐）。邻二甲苯投料量205Kg/h，空气（标准状态）4500m3/h。反应器出口物料组成摩尔分数如图所示，试计算邻二甲苯转化率、苯酐收率及反应选择性。特殊反应过程的物料和热量衡算特殊反应过程的物料和热量衡算n具有旁路调节的反应，具有旁路调节的反应，利用节点进行衡算利用节点进行衡算n具有循环物流的反

25、应过程的物料衡算，具有循环物流的反应过程的物料衡算，为了为了控制连串副反应，采用低转化率操作。控制连串副反应，采用低转化率操作。受热受热力学控制转化率低力学控制转化率低 有循环物流的反应过程有循环物流的反应过程FF循环气循环气RC反应RP分离P产品SPMFB W(排出物流)排空作燃料气处理杂质再循环 A对反应器，三种方法（直接，原子平衡，联系物）对反应器，三种方法（直接，原子平衡，联系物）MF=RP 对分离对分离 RP=SP+P 对整个系统对整个系统 FF=P+W对对A节点节点 MF=FF+RC 对对B节点节点 SP=RC+Wn例3：在银催化剂作用下，乙烯被空气氧化成环氧乙烷(C2H4O)，副

26、反应是乙烯完全氧化生成CO2和H2O。已知离开氧化反应器的气体干基组成为:C2H4 3.22%,N2 79.64%,O2 10.81%，C2H4O 0.83%,CO2 5.5%(均为体积分数)。该气体进人水吸收塔，其中的环氧乙烷和水蒸气全部溶解于水中，而其他气体不溶于水，由吸收塔顶逸出后排放少量至系统外，其余循环回氧化反应器。计算(1)乙烯的单程转化率;(2)生成环氧乙烷的选择性;(3)循环比;(4)新鲜原料中乙烯和空气量之比。化工生产工艺流程有循环过程和非循环过程（序列过程）。弛放过程：为了使循环系统中惰性组分保持在一定浓度范围内，需要将一部分循环气排放出去，这种排放过程称弛放过程。在连续弛

27、放过程中，稳态的条件为：弛放时惰性气体排出量=系统惰性气体进入量 弛放物流中任一组分的浓度与进行弛放那一点的循环物流浓度相同。弛放物流的流率 料液流率料液中惰性气体浓度=弛放物流流率指定循环流中惰性气体浓度1.3.2 热量衡算热量衡算的依据热力学第一定律输入的总热量=输出的总热量+积累的热量+损失的热量稳定的连续流动过程，无热量的积累，且不计入热量的损失时，输入的总热量=输出的总热量 热量衡算注意：热量衡算注意：确定衡算对象选定物料衡算基准。热量衡算之前，一般先物料衡算求出各物料的量，有时物、热衡算式要联立求解，均应有同一物料衡算基准。确定温度基准。各种焓值均与状态有关，多数反应过程在恒压下进

28、行，一般多以 298 K（或 273 K）为基准温度。注意物质的相态。同一物质在相变前后是有焓变的。1.3.2.1 以反应热为基础的计算方法 如果已知标准反应热(Hr)，则可选298K，101.3kPa为反应物及产物的计算基准。对非反应物质也可选适当的温度为基准。nARHrH=A +（ni Hi）输出 -（ni Hi）输入下角标A为任意一种反应物或产物；nAR为过程中生成或消耗A物质的量，mol；A为A的化学计量系数。1.3.2.2 以生成热为基础的计算方法 以组成反应物及产物的元素，在25，101.3kPa时的焓为零，非反应分子以任意适当的温度为基准。H=（niHi）输出-（niHi）输入 第二种基准中的物质，是组成反应物和产物的、以自然形态存在的原子。我们的共同目标!追求人生的美好!