石油化工工艺学

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1、石油化工工艺学,前言,以石油和天然气为原料的石油化学工业，随着石油炼制装置的大型化发展迅速，新建和扩建的石化项目几乎都是“炼化化工一体化” 装置。 按照石油原料碳数从小到大顺序的描述，使内容与现代石油化学工业装置的操作保持一致，以期达到“抵近人才市场”培养模式的目的。 强调了低碳节能、清洁安全操作等内容，增强节能减排的绿色化工工艺意识。,全书目录,绪论 第一章 化学工艺基础 第二章 石油天然气形成与加工 第三章 碳一及其化工生产工艺 第四章 烃类热裂解 第五章 碳二及其化工产品生产 第六章 碳三及其化工产品生产 第七章 碳四、碳五馏分及其化工产品生产 第八章 芳烃及其化工产品生产 第九章 车间

2、生产管理与绿色化学工艺,绪论,石油化工的范围 石油化工在国民经济发展中的作用 石油化工发展趋势 学习本门课程的一些建议,石油化工范围,石油化工又称石油化学工业，指化学工业中以石油为原料生产化学品的领域，广义上也包括天然气化工。,（1）工艺与工程的区别：前者强调个性，从原料到产品的具体过程。后者强调共性，强调单元操作和工程因素。 （2）石油化工工艺与有机化工工艺的区别：主要是原料不同。石油(petroleum)不仅包括狭义石油，也包括天然气。有机泛指一切有机物，石油只是其中一种。,石油化工在国民经济发展中的作用,石油化工的发展与石油炼制工业、以煤为基本原料生产化工产品和三大合成材料的发展有关。

3、石油化工是近代发达国家的重要基干工业。由石油和天然气出发，生产出一系列中间体、塑料、合成纤维、合成橡胶、合成洗涤剂、溶剂、涂料、农药、染料、医药等与国计民生密切相关的重要产品。,石油化工发展趋势,在国民经济持续快速发展的良好宏观环境和国际石油化工景气周期的推动下，近10年来，我国石油化学工业呈现持续快速增长。主要化工产品市场活跃，产销两旺，装置高负荷运行，技术创新成果不断涌现，发展模式日渐国际化。逐步形成了自己的发展特点。,学习本门课程的一些建议,与化工原理、热力学和反应工程课程结合学习，处理好共性知识与个性知识的关系。 培养拓展学习方法，在学会某一种产品的生产工艺的同时，与其他产品联系，提高

4、对化工工艺的适应性。 有节能、低碳和绿色生产意识。,推荐几本参考书： 米镇涛主编.化学工艺学,化学工业出版社,2006,第2版, 北京 梁凤凯,舒均杰主编.有机化工生产技术.北京:化学工业出版社,2002 王焕梅主编.石油化工工艺基础.北京:中国石化出版社, 2007 李贵贤编.化工工艺概论，化学工业出版社,2002,第1版, 北京,第1章化学工艺基础,目录,化工生产工艺流程 化工过程的效率和指标 反应条件对化学平衡和反应速率的影响 石油化工催化剂 石油化工工艺计算,第一节 化工生产工艺流程,化工生产工艺流程：由若干个单元过程（反应过程和分离过程、动量和热量的传递过程等）按定顺序组合起来，完成

5、从原料变成为目的产品的全过程。化工工艺流程的组织是确定各单元过程的具体内容、顺序和组合方式，并以流程图解的形式表示出整个生产过程。,1.1 工艺流程的组织,每个化工产品都有自己特有的工艺流程。对同一个产品，由于选定的工艺路线不同，则工艺流程中各个单元过程的具体内容和相关联的方式也不同。此外，工艺流程的组成也与它实施工业化的时间、地点、资源条件、技术条件等有密切关系。按一般化工产品生产过程的划分和它们在流程中所担负的作用可概括为以下几个过程：,（1）生产准备过程原料工序 包括反应所需的主要原料、氧化剂、溶剂、水等各种辅助原料的贮存、净化、干燥以及配制等等。为了使原料符合进行化学反应所要求的状态和

6、规格，不同的原料需要经过净化、提浓、混合、乳化或粉碎（对固体原料）等多种不同的预处理。 （2）催化剂准备过程催化剂工序 包括反应使用的催化剂和各种助剂的制备、溶解、贮存、配制等。,（3）反应过程反应工序 全流程的核心。原料在一定的温度、压力等条件下进行反应，以达到所要求的反应转化率和收率。反应类型主要有氧化、还原、复分解、磺化、异构化、聚合、焙烧等。通过化学反应得目的产物或其混合物。反应过程还要附设必要的加热、冷却、反应产物输送以及反应控制等。 （4）分离过程分离工序 将反应生成物进行精制、提纯、得到目的产品。并将未反应的原料、溶剂以及随反应物带出的催化剂等分离出来实现原料、溶剂等物料的循环使

7、用。常用的分离精制的方法有冷凝、吸收、吸附、冷冻、蒸馏、精馏、萃取、膜分离、结晶、过滤和干燥等，对于不同生产过程可采用不同的分离精制方法。,（5）回收过程回收工序 对反应过程生成的副产物，或一些少量的未反应原料、溶剂，以及催化剂等物料均应有必要的精制处理以回收使用，因此要设置一系列分离、提纯操作，如精馏、吸收等。 （6）后加工过程后处理工序 将分离过程获得的目的产物按成品质量要求的规格、形状进行必要的加工制作，以及贮存和包装出厂。 （7）辅助过程 除了上述六个主要生产过程外，在流程中还有为回收能量而设的过程（如废热利用），为稳定生产而设的过程（如缓冲、稳压、中间贮存），为治理三废而设的过程（如

8、废气焚烧）以及产品贮运过程等。这些虽属于辅助过程，但也不可忽视。,1.2 工艺流程的组织原则与评价方法,根据工艺流程的组织原则来衡量被考察的工艺流程是否达到最佳效果。对新设计的工艺流程，可以通过评价，不断改进，不断完善，使之成为一个优化组合的流程；对于既有的化工产品生产工艺流程，通过评价可以清楚该工艺流程有哪些特点，还存在哪些不合理或可以改进的地方，与国内外相似工艺过程相比，又有哪些技术值得借鉴等等，由此找到改进工艺流程的措施和方案，使其得到不断优化。,（1）物料及能量的充分利用原则 尽量提高原料的转化率和主反应的选择性。先进技术和设备下选用最适宜的工艺条件和高效催化剂。 充分利用原料。对未转

9、化的原料应循环使用。副反应物加工成副产品，对溶剂、助剂等建立回收系统。对废气、废液（包括废水）、废渣应综合利用。 最大限度地回收热量。尽可能采用交叉换热、逆流换热，注意安排好换热顺序，提高传热效率等。 注意设备位置的相对高低，充分利用位能输送物料。高压设备的物料可自动进入低压设备，减压设备可以靠负压自动抽进物料等。,评价和组织工艺流程时应遵循以下原则,（2）工艺流程的连续化自动化原则 对大批量生产的产品，工艺流程宜采用连续操作，设备大型化和仪表自动化控制，以提高产品产量、降低生产成本和计算机控制；对精细化工产品以及小批量多品种产品的生产，工艺流程应有一定的灵活性、多功能性，以便于改变产量和更换

10、产品品种。,（3）对易燃易爆因素采取安全措施原则 对一些因原料组成或反应特性等因素而潜在的易燃、易爆炸等危险性，在组织流程时要采取必要的安全措施。如在设备结构上或适当的管路上考虑安装防爆装置，增设阻火器、保安氮气等。另外，工艺条件也要作相应的严格规定，可能条件下还可安装自动报警及联锁装置以确保安全生产。,（4）适宜的单元操作及设备形式 要正确选择合适的单元操作。确定每个单元操作中的流程方案及所需设备的形式、合理安排各单元操作与设备的先后顺序。要考虑全流程的操作弹性和各个设备的利用率，并通过调查研究和生产实践来确定弹性的适应幅度，尽可能使各台设备的生产能力相匹配，以免造成浪费。,2.2 化工过程

11、的主要效率指标,化工过程是由反应过程、分离过程、动量和热量的传递过程等组合起来，来完成从原料变成为目的产品的过程。就涉及到生产能力、转化率和收率等指标。随着人们环境意识的提高，原子经济性也纳入化工过程的评价体系。,2.1 生产能力和生产强度,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。单位为千克/时，吨/天 ，万吨/年 (10kt/a)。 生产强度：设备的单位体积（或面积）的生产能力。 有效生产周期 ：通常用开工因子衡量。开工因子全年开工生产天数/365。开工因子一般在0.9左右。,2.2 转化率、选择性和收率,（1）转化率（conversion）指某一反应物

12、参加反应而转化的数量占该反应物起始量的分率或百分率，用符号X表示。其定义式为：转化率数值的大小说明该种原料在反应过程中转化的程度。计算转化率时，反应物的起始量确定很重要。对于采用循环流程，则有单程转化率和全程转化率之分。,（2）选择性（selectivity）对于复杂反应体系，还需要结合选择性这一指标来评价反应过程的效率。选择性是指体系中转化成目的产物的某反应物量与参加所有反应而转化的该反应物的总量之比。用符号S表示。在复杂反应体系中，它表达了主、副反应进行程度的相对大小，能确切反映原料的利用是否合理。,（3） 收率（产率，yield）产物角度来描述反应过程的效率。符号为Y。转化率、选择性和收

13、率三者有以下关系：对于无副反应的体系，S =1，故收率在数值上等于转化率，转化率越高则收率越高；有副反应的体系，S1，希望在选择性高的前提下转化率尽可能高。但是，通常使转化率提高的反应条件往往会使选择性降低，所以不能单纯追求高转化率或高选择性，要兼顾两者，使目的产物的收率最高。,（4）质量收率（mass yield）指投入单位质量的某原料所能生产的目的产物的质量，即：,2.3平衡转化率和平衡产率,可逆反应达到平衡时的转化率称为平衡转化率，此时所得产物的产率为平衡产率。在实际生产中应保持较高的净反应速率，不能等待反应达到平衡，所以实际转化率和产率比平衡值低。若平衡产率高则可获得较高的实际产率。工

14、艺学的任务之一是通过热力学分析，寻找提高平衡产率的有利条件，并计算出平衡产率。,2.4 原子经济性（atom economy）,为了科学衡量在一个化学反应中，生成一定量目的产物所伴生的废物量，美国斯坦福大学Trost于1991年提出了“原子经济性”的概念。原子经济性是指反应物中的原子有多少进入了产物。用数学式表示为：式中，P 目的产物分子中原子的数目； F 原料分子中原子的数目； M 各原子的相对原子质量。,原子利用率的概念与原子经济性概念相同，用于衡量化学反应的原子利用程度，其定义式为：反应的原子经济性高，则反应可能的废物量少；如果一个反应具有100%的原子经济性，就意味着原料中的原子100

15、%转化为产物。原子经济性反应不一定是高选择性反应，需与选择性配合才能表达一个化学反应的合成效率即主、副产物的比例，因为对于原子经济性为100%的反应，原料是否完全转化为产物与反应的选择性有关。,第三节 条件对反应平衡和速率影响,反应温度、压力、浓度、反应时间、原料纯度和配比等众多条件是影响反应速率和平衡的重要因素，关系到生产过程效率。,3.1 温度的影响,（1）温度对化学平衡的影响对于不可逆反应不需考虑化学平衡，而对于可逆反应，其平衡常数K与温度的关系为：对于吸热反应，标准反应焓差 0，K值随着温度升高而增大，有利于反应，产物的平衡产率增加。对于放热反应， 0，K值随着温度升高而减小，平衡产率

16、降低。故只有降低温度才能使平衡产率增高。,（2）温度对反应速率的影响 反应速率是指单位时间、单位体积某反应物组分的消耗量，或某产物的生成量。反应速率常数与温度的关系见阿伦尼乌斯方程，即,3.2 浓度的影响,根据反应平衡移动原理，反应物浓度越高，越有利于平衡向产物方向移动。当有多种反应物参加反应时，往往是廉价易得的反应物过量，使价贵或难得反应物更多地转化为产物，从而的提高其利用率。 提高溶液浓度的方法有：对于液相反应，应采用能提高反应物溶解度的溶剂，或者在反应中蒸发或冷冻部分溶剂等；对于气相反应，可适当压缩或降低惰性物的含量等。 对于可逆反应，反应物浓度与其平衡浓度之差是反应推动力。在反应过程中不断从反应区域中取出生成物，使反应远离平衡，既保持了高速率，又使平衡不断向产物方向移动。,3.3 压力的影响,压力对气体的体积受压力影响较大，其规律为：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，压在一定的压力范围内，加压可减小气体反应体积，且对加快反应速率有一定好处，但压力过高，能耗增大。对设备投资高，反而不经济。 惰性气体的存在，可降低反应物的分压，对反应速率不利，但有利于提高分子数增加的反应的平衡产率。,