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1、第二章 化学工艺基础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 l石油化工自20世纪50年代开始蓬勃发展l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2.1.2 石油及其加工l三烯乙烯、丙烯、丁二 烯 石油制取l三苯苯、甲苯、二甲苯 石油、天然气和煤制取1. 石油的组成 l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
2、 含氧化合物稠环烃类等根据沸程的不同，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
3、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410: 4至520: 5至1435: 14至2950: 29至44 根据使用时的气温选用不同标 号柴油标号的依据是
4、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3、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 馏分油的化学加工调整烃类的组成石油的加工的主要途径和产品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
5、甲烷与水组成 的笼形化合物2.1.3 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C2 C4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、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2.1.4 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
6、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2C2H10O5H2O淀粉C12H22O11(麦芽糖)H2O2C6H12O6(葡萄糖）C6H12O6酵母2CH3CH2OH + 2CO2乙醇的 生产 2.1.5 生物质及其加工利用HC CHC5H10O5CC糠醛 OCHO+ 3 H2O 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、
7、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2.2 化工生产过程及流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2.2 化工生产过程及流程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+1/2
8、O2 CH2= CHCN + H2O 主要副产物： HCN CH3CNQ ?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2.3 化工过程的主要效率指标 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生产能力一个设备、一套装置或一个
9、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/dm3kg/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（反应器）（反应系统）循 环 流 程转化率选 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
10、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 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2.4 反应条件对化学平衡和反应速率的影响 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.
11、4 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2.5 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，
12、 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、络合物催化剂和生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
13、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 中除去毒物后，催化剂可逐渐恢复 活性n永久性中毒则是不可逆的。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，致使活性下降催化剂的失活和再生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
