化学工艺基础--大学课件

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1、2 1 1 1 主要无机化学矿 1 盐矿 岩盐 海盐或湖盐等 用于制造纯碱 烧碱 盐酸 和氯乙烯等 2 硫矿 硫磺 S 硫铁矿 FeS2 等 用于生产硫酸和硫磺 3 磷矿 氟磷灰石 Ca5F PO4 3 氯磷灰石 Ca5Cl PO4 3 等 用于生产磷肥 磷酸及磷酸盐等 4 钾盐矿 钾石盐 KCl和NaCl混合物 光卤石 KCl MgCl2 6H 2O 钾盐镁矾 KCl MgSO4 3H2O 5 铝土矿 水硬铝石 Al2O3 H2O 和三水铝石 Al2O3 3H2O 的混合物 6 硼矿 硼砂矿 Na2O 2B2O3 10H2O 硼镁石 2MgO B2O3 H2O 等 化学工艺基础 2 1 原料

2、资源及其加工 2 1 1 无机化学矿及其加工 1 2 7 锰矿 锰矿 和 MnO2 菱锰矿 MnCO3 等 8 钛矿 金红石 TiO2 钛铁矿 FeTiO3 等 9 锌矿 闪锌矿 ZnS 菱锌矿 ZnCO3 10 钡矿 重晶石 BaSO4 毒晶石 BaCO3 等 11 天然沸石 斜发沸石 丝光沸石 毛沸石 化学组成均为 NaO Al2O3 nSiO2 xH2O 等 12 硅藻土 含83 89 SiO2 nH2O 膨润土 Mg Ca O Al2O3 5 SiO2 nH2O 可作吸附剂和催化剂载体 2 1 1 2 磷矿和硫铁矿的加工 磷矿和硫铁矿是无机化学矿产量最大的两个产品 多数磷矿为 氟磷灰石

3、 Ca5F PO4 3 经过分级 水洗脱泥 浮选等方法选矿 除去杂质 成为商品磷矿 硫铁矿包括黄铁矿 立方晶系FeS2 白铁矿 斜方晶系FeS2 和磁硫铁矿 FenSn 1 其中主要是黄铁 矿 酸法 又称湿法 它是用硫酸或硝酸等无机酸来处理磷矿石 最常 用的是硫酸 硫酸与磷矿反应生成磷酸和硫酸钙结晶 主反应式 为 Ca5F PO4 3 5H2SO4 5nH2O 3H3PO4 5CaSO4 nH2O HF 2 1 通过萃取和分离得到磷酸 再用氨中和磷酸制得磷酸铵 或将磷酸 再与磷矿反应制得水溶性的重过磷酸钙 Ca H2PO4 2 H2O 热法 利用高温分解磷矿石 并进一步制成可被农作物吸收的磷

4、酸盐 热法还可以生产元素磷 五氧化二磷和磷酸 热法生产要 消耗较多的电能和热能 硫铁矿用于制硫酸 世界上硫酸总产量的一半以上用于生产磷肥和 氮肥 硫铁矿生产硫酸的过程主要有以下几个步骤 焙烧反应 FeS2 O2 Fe2O3 SO2 2 2 氧化反应 SO2 0 5O2 SO3 2 3 吸收反应 SO3 H2O H2SO4 2 4 2 1 2 石油及其加工 3 7 石油化工自20世纪50年代开始蓬勃发展 至今 基本有机化 工 高分子化工 精细化工及氮肥工业等产品大约有90 来 源于石油和天然气 90 左右的有机化工产品上游原料可归 结为三烯 乙烯 丙烯 丁二烯 三苯 苯 甲苯 二甲 苯 乙炔和萘

5、 还有甲醇 其中的三烯主要由石油制取 三 苯 萘和甲醇可由石油 天然气和煤制取 2 1 2 1 石油的组成 3 1 烃类化合物 烃类即碳氢化合物 在石油中占绝大部分 约几万 种 2 非烃化合物 含有碳 氢及其他杂原子的有机化合物 硫化物 多为有机硫化物 例如硫醇 RSH 硫醚 RSR 二硫化 物 RSSR 噻吩 C4H4S硫杂环化合物 及其衍生物等 硫醇沸点 较低 原油经蒸馏加工后 硫醇多存在于汽油 煤油产品中 硫醚 和部分二硫化物则在中等沸程馏分 如柴油 中 二硫化物 噻吩等则 多留在高沸程的重油 渣油和沥青中 氮化物 多为吡啶 喹啉 氮杂蒽 吡咯 咔唑等不饱和氮杂环 结构的有机物 它们的沸

6、点较高 石油加工后多留在沸点高于500 的渣油中 含氧化合物 有环烷酸 酚类和很少量的脂肪酸 总称为石油 酸 其中环烷酸含量较多 在石油加工分离后 环烷酸多存在于250 400 沸程的馏分中 分离出来的石油酸是很有用的化工原料 金属有机化合物 含量甚微 主要以金属配位化合物的形式存在 如金属卟啉 一种含C H N和金属元素的大分子结构 就是一种 重要结构单元 有机金属配位化合物的沸点也较高 在高温加热 处理中发生分解 生成的金属沉积在设备内或催化剂表面 造成污 非烃化合物的含量虽然很低 但对石油加工过程以及石油产品的 性质有很大影响 有的还使催化剂中毒 有的会腐蚀管道和设备 有的使用时污染环境

7、等 所以在石油加工时均应该预先将其脱除和 回收利用 脱硫 脱氮 脱金属是石油化学加工重要的过程之 一 3 胶质和沥青质 原油经蒸馏加工后 沸点高于500 的馏分是渣 油 在渣油中含有相当数量的胶质和沥青质 它们是由各种结构不 垢 并使产品产率下降 2 1 2 2 石油的常压蒸馏和减压蒸馏 3 为了充分利用宝贵的石油资源 要对石油进行一次加工和二次加 工 在生产出汽油 航空煤油 柴油 锅炉燃油和液化汽的同时 制取各类化工原料 石油开采出来尚未加工时称为原油 一次加工方法为常压蒸馏和 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

8、 理过程 主要设备是蒸馏塔 常 减压蒸馏流程有以下三类 1 燃料型 以生产汽油 煤油 柴油等为主 没有充分利用石油 资源 现已很少采用 2 燃料 润滑油型 除生产轻质和重质燃料油外 还生产各种品种 润滑油和石蜡 3 燃料 化工型 除生产汽油 煤油 柴油等燃料油外 还从石脑 油馏分抽提芳烃 利用石脑油或柴油热裂解制取烯烃和芳烃等重 要有机化工基本原料 炼油副产的气体也是化工原料 有的工厂 还采用燃料 润滑油 化工型流程 主要产品是燃料和化工产品 图2 1 原油常 减压蒸馏工艺流程示意图 1 输油泵 2 换热器 3 脱盐罐 4 加热炉 5 常压蒸馏塔 6 贮液罐 7 气提塔 8 冷凝冷却器 9 减

9、压蒸馏塔 10 蒸汽喷射泵 2 1 2 3 馏分油的化学加工 4 7 1 催化重整 catalytic reforming 催化重整是在含铂的催化剂作 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 催化重整装置能提供高辛烷值汽油 还为化纤 橡胶 塑料和精细化工提供苯 甲苯 二甲苯等芳烃原料以及提 供液化气和溶剂油 并副产氢气 2 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的加工过程 图2 3 等高并列式催化裂化装置 1 主风机 2 增

10、压机 3 立管 4 辅助燃烧室 5 分布管 6 溢流管 7 双动滑阀 8 再生器 9 反应器 10 分布板 11 待再生U形管 12 再生U形管 13 单动滑阀 14 密相提升管 15 稀相提升管 图2 4 高低并列式催化裂化装置和流程示意图 1 油泵 2 加热炉 3 提升管反应器 4 沉降器 5 再生器 6 待再生催化 剂输送管 7 分馏塔 8 汽提塔 9 冷却冷凝器 10 气液分离器 11 再沸器 3 催化加氢裂化 catalytic hydrocracking 催化加氢裂化系指在 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 转变成航空煤油 柴油 汽油 或重整原料 和气体

11、等产品的加 工过程 加氢裂化过程中发生的反应类型主要有 大分子烷烃加氢裂解 成较小分子烷烃 环烷烃加氢开环生成链烷烃 芳烃加氢生成 环烷烃 有机含硫化合物加氢生成烷烃和硫化氢 有机含氮化 合物加氢生成烷烃和氨 有机含氧化合物加氢生成烃和水 有 机金属化合物加氢分解释出金属及烃类 图2 5 加氢裂化过程 4 烃类热裂解 7 pyrolysis of hydrocarbons 烃类热裂解的主要目 的是为了制取乙烯和丙烯 同时副产丁烯 丁二烯 苯 甲苯 二甲苯 乙苯等芳烃及其他化工原料 它是每个石油化工厂必不可 少的首要过程 图2 6 由石油制取燃料和化工原料的主要途径 2 1 3 天然气及其加工

12、5 8 9 天然气 natural gas 的主要成分是甲烷 甲烷含量高于90 的 天然气称为干气 C2 C4烷烃含量在15 20 或以上的天然气 称为湿气 有的天然气与石油共生 油田伴生气 1 天然气制氢气和合成氨 2 天然气经合成气路线的催化转化制燃料和化工产品 3 天然气直接催化转化成化工产品 4 天然气热裂解制化工产品 5 甲烷的氯化 硝化 氨氧化和硫化制化工产品 6 湿性天然气中C2 C4烷烃的利用 2 1 4 煤及其加工 5 10 11 煤 coal 是由含碳 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 由于成煤过程的 时间不同 有泥煤 褐煤 烟煤和无烟煤

13、之分 按质量分数 计 泥煤含碳60 70 褐煤含碳70 80 烟煤含碳 80 90 无烟煤含碳高达90 93 煤中氢和氧元素的含 量顺序 是 泥煤 褐煤 烟煤 无烟煤 1 煤干馏coal carbonization 煤的高温干馏 炼焦 在炼焦炉中隔绝空气于900 1100 进 行的干馏过程 产生焦炭 焦炉气 粗苯 氨和煤焦油 煤的低温干馏 在较低终温 500 600 下进行的干馏过程 产生半焦 低温焦油和煤气等产物 2 煤气化 coal gasification 是指在高温 900 1300 下使 煤 焦炭或半焦等固体燃料与气化剂反应 转化成主要含有 氢 一氧化碳等气体的过程 3 煤液化 co

14、al liquefaction 是指煤经化学加工转化为液体 燃料的过程 煤液化可分为直接液化和间接液化两类过程 煤的直接液化 是采用加氢方法使煤转化为液态烃 所以又 称为煤的加氢液化 液化产物亦称为人造石油 可进一步加 工成各种液体燃料 煤的间接液化 是预先制成合成气 然后通过催化剂作用将 合成气转化为烃类燃料 含氧化合物燃料 例如低碳混合 醇 二甲醚 表2 2 煤的加工利用 2 1 5 生物质及其加工 5 12 16 1 糠醛的生产 农副产品废渣的水解是工业生产糠醛的唯 一路线 糠醛主要用于生产糠醇树脂 糠醛树脂 顺丁烯 二酸酐 医药 合成纤维 防腐剂 杀虫剂 脱色剂等 其生产过程是 将含多

15、缩戊糖的玉米芯 棉籽壳 花生壳 甘蔗渣等投入反应釜内 用含量为6 的稀硫酸作催化剂并通 入蒸汽加热 控制温度在180 左右 压力0 6 1 0MPa 反应5 8h 多缩戊糖水解成戊糖 然后进一步脱水环化而转变成糠 醛 12 戊糖脱水反应为 C5H10O5 2 5 2 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 再加入酵母使之发酵则转变 成乙醇 食用酒精 2 C6H10O5 n 淀粉 C12H22O11 麦芽糖 2C6H12 O6 葡萄糖 2 6 C6H1

16、2O6 2CH3CH2OH 2CO2 2 7 3 丙二醇的生产 1 3 丙二醇 PDO 是生产聚对苯二甲酸丙 二酯 PPT 的原料 PPT具有许多类似尼龙的特性 如果其原料 PDO的成本较低 则可与PET聚酯竞争 2 1 6 再生资源的开发利用 17 18 工农业和生活废料在原则上都可以回收处理 加工成有用 的产品 这些再生资源的利用不仅可以节约自然资源 而且是 治理污染 保护环境的有效措施之一 2 1 7 空气和水 19 20 空气的体积组成为78 16 N2 20 90 O2和0 93 Ar 其余0 01 为He Ne Kr Xe等稀有气体 空气中的O2和N2是重要 化工原料 含碳物质在纯氧中燃烧 不会产生氮氧化物和碳 粒烟尘 对环境有好处 氢氧燃料电池产生清洁能源 从空气 中提取的高纯度氩 氦 氖 氪等气体 广泛应用于高科技 领域 2 2 化工生产过程及流程 2 2 1 化工生产过程 21 22 化工生产过程一般可概括为原料预处理 化学反应和产品 分离及精制三大步骤 1 原料预处理 主要目的是使初始原料达到反应所需要的状态和 规格 例如固体需破碎 过筛 液体需加热或汽化 有些反应