化学工艺学2.

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1、 第 2 章 化学工艺的共性知识 2.1 原料资源及其加工 2.2 化工生产过程及流程 2.3 化工过程的主要效率指标 2.4 反应条件对化学平衡和反应速率的影响 2.5 催化剂的性能及使用 2.6 反应过程的物料衡算和热量衡算基础 主要内容 2.1 原料资源及其加工 l 石油 l 天然气 l 煤 l 生物质 l 空气 l 水 2.1.1 石油及其加工利用 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 三烯乙烯、丙烯、丁二烯 石油制取 三苯苯、甲苯、二甲苯 石油、天然气和煤制取 石油的组成 l由分子量不同、组成和

2、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 l石油中的化合物分为 烃类 非烃类 胶质和沥青 n烃类化合物 n非烃化合物 n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 金属有机化合物 稠环烃类等 根据沸程的不同，将油品分类 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 来源 常减压蒸馏得到直馏汽油 催化裂化重整得到催化汽油 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

3、 测定方法：研究法（RON）马达法（MON） 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抗爆性能相 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 ？ 97 辛烷值定义 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- 十六烷值 l馏程闪点：评定柴油蒸发性能的指标，主要 是50和90的馏出温度 l凝点：在规定的实验条件下，试样开始失

4、去 流动性的温度 l冷滤点：通过过滤器的流量每分钟不足20mL 时的最高温度 柴油的其他性能指标 5: 8以上 0: 8至4 10: 4至5 20: 5至14 35: 14至29 50: 29至44 柴油标号的依据是柴油的凝固点 柴油的标号 利用原油中各组分沸点的差别进行分离 常压蒸馏 减压蒸馏 石油的加工 一次加工 油品的加工 n催化重整 （catalytic reforming） n催化裂化 (catalytic cracking) n催化加氢裂化 (catalytic hydrocracking) n 烃类热裂解 （pyrolysis of hybrocarbons） 二次加工 馏分油的

5、化学加工 调整烃类的组成 催化重整 在含铂的催化剂作用下加热汽油馏分， 使其中的烃类分子重新排列形成新分子的工艺过程 。 原料油： 石脑油 产物: 高辛烷值汽油 芳烃 液化气 溶剂油 氢气 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的过程 原料油： 直馏柴油 减压柴油 重柴油 焦化馏分 油 （碳数多在18以上） 产物: 高质量汽油 柴油 锅炉燃油 液化气 甲烷和氢等 催化裂化 催化剂存在及高氢压下，加热重质油使 其发生各类加氢和裂化反应 原料油： 减压柴油 重柴油 减压渣油 产物: 油品安定性好 航空煤油 柴油 汽油 催化加氢裂化 将烃类加热到750900使其发生裂解 原料油： 乙

6、烷 丙烷 石脑油 产物: 乙烯 丙烯 丁烯 丁二烯 三苯等芳烃 其他化工 原料 烃类热裂解 l天然气 主要成分是甲烷 干气 甲烷含量高于90% 湿气 C2C4烷烃含量15%20% l油田伴生气 天然气于石油伴生 l煤层气（瓦斯气） 吸附在煤上的甲烷 l天然气水合物 冻土带和海底甲烷与水组成 的 笼形化合物 2.1.2 天然气及其加工利用 l 制氢气和合成氨 l 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 l 热裂解制化工产品 l 甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化 l 湿气中C2C4烷烃的利用 天然气的化工利用 n煤(coal) 由含碳、氢的多种结构的大分子有 机物和少量硅、铝、铁、

7、钙、镁的无机矿物质 组成 n成煤过程的程度不同分为 泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤 n H、O含量顺序 泥煤褐煤 烟煤无烟煤 2.1.3 煤及其加工利用 l高温干馏（炼焦） l低温干馏 l煤气化 l煤液化（直接液化 间接液化） 煤的加工 煤 低温干馏 焦炉煤气 含氢、甲烷、乙烯等 低温煤焦油 酚类、烷烃、环烷烃等 半焦 气化 合成气 高温干馏 焦炉煤气 粗苯 分离 苯 二甲苯 甲苯 氧（杂）茚 茚 煤焦油 分离 苯酚、甲酚、二甲酚 萘、烷基萘 蒽 其他化工原料 气化合成气合成 氨、甲醇、低碳混合 醇、汽油、柴油等 高压加氢液化 汽油、煤油、柴油等 糠醛 的生产 HCCH C5H10O5 CC 糠醛

8、O CHO + 3 H 2O 2C2H10O5 H2O 淀粉 C12H22O11 (麦芽糖) H2O 2C6H12O6 (葡萄糖） C6H12O6 酵母 2CH3CH2OH + 2CO2 乙醇 的生产 2.1.4 生物质及其加工利用 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 达到所需状态和规格 反应类型、反应器 得到符合规格的产品 回收利用副产物 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

9、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 l是否满足所要求的技术指标 l经济指标的先进性 l环境、安全和法律 l技术资料的完整性和可信度 例丙烯氨氧化制丙烯腈生产过程 主反应： C3H6+NH3+1/2O2 CH2= CHCN + H2O 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 烯腈和副产物呢？ 方案一：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； Q？ 丙烯腈与乙腈的沸点相近，普通精馏方法难于将它们

10、分离 方案二：采用萃取精馏法先将丙烯腈和HCN解吸出来 ，乙腈留在水溶液中，然后再分离丙烯腈和HCN 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，使两者精馏分离变得很容易 n如何提高原料的利用率？ 循环流程 n如何合理地利用和回收能量？ 放热反应 吸热反应 n如何提高能量回收利用的效率？ 不同温位热能 l生产能力和生产强度 l化学反应的效率合成效率 l转化率 选择性 收率 l平衡转化率和平衡产率 2.3 化工过程的主要效率指标 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

11、/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 时空收率 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 合成效率 原子经济性AE 环境因子 转化率 （反应器） （反应系统） 循 环 流 程 新鲜原料F 混合 反应分离 循环物料R 混合 原料M 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 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 对于可逆

12、反应，平衡常数与温度的关系 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 温度的影响 化学平衡 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 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 反应物浓度愈高，反应速率愈快 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

13、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 2.5 催化剂的性能及使用 n 提高反应速率和选择性 n 改进操作条件 n 催化剂有助于开发新的反应过程，发展新的化 工技术 n 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 n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 n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 n 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 催化剂的分类 n按

14、催化反应体系的物相均一性 均相催化剂 非均相催化剂 n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 n按反应机理 氧化还原型催化剂、酸碱催化剂 n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 工业催化剂的使用性能 n活性 n选择性 n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： n 超温过热，使催化剂表面发生烧结，晶型转变 或 物相转变； n 原料气中混有毒物杂质，使催化剂中毒； n 有污垢覆盖催化剂表面 催化剂的失活和再生 再生： n暂时性中毒是可逆的，当原料中除去毒

15、物后， 催化剂可逐渐恢复活性 n永久性中毒则是不可逆的 n催化剂积碳可通过烧碳再生 n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 2.6 反应过程的物料衡算和热量衡算基础 输入物料的总质量 = 输出物料的总质量 + 系统内积累的物料质 量 衡算系统的物料衡算通式 间歇操作过程的物料衡算 n以每批生产时间为基准 n输入物料量 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） n输出物料量 该批卸出的所有物料质量的总和（包括目的产物、副产物 、剩余反应物、抽出的气体、溶剂、催化剂等） n投入料总量与卸出料总量之差为残存在反应器 内的物料量及其它机械损失 稳定流动过程的物料衡算 n系统中各点的参数（温度、压力、浓度和流量 等）不随时间而变化，系统中没有积累 n输入系统的物料总质量 = 输出系统的物料总质 量 n组分衡算 mi）入 =（mi）出+ mi n原子衡算 输入物料中所有原子的摩尔数