化工装置工艺操作与控制

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1、化工装置工艺操作与控制化工装置工艺操作与控制2024/8/26化工装置工艺操作与控制注意事项注意事项考试考试作业作业考勤考勤2024/8/26化工装置工艺操作与控制10.10.1绪论绪论0.1.10.1.1化学工业化学工业0.1.20.1.2学科概念学科概念0.1.30.1.3课程研究内容课程研究内容0.1.40.1.4学习要求学习要求2024/8/26化工装置工艺操作与控制2化学工业的发展、地位与作用化学工业的发展、地位与作用近年来发展速度大。近年来发展速度大。石油化工仍是优先发展的支柱产业之一，石油化工仍是优先发展的支柱产业之一，精细化工和农用化学品也是化工发展重点，精细化工和农用化学品也

2、是化工发展重点，石油化工、新型合成材料、精细化工、橡石油化工、新型合成材料、精细化工、橡胶产品加工业、化工环保业将是我国化学胶产品加工业、化工环保业将是我国化学工业的主要增长点。工业的主要增长点。发展潜力是巨大的，重点是发展新技术、发展潜力是巨大的，重点是发展新技术、开发新产品、增加高附加产值产品的品种开发新产品、增加高附加产值产品的品种和产量，赶超世界先进水平。和产量，赶超世界先进水平。2024/8/26化工装置工艺操作与控制3现代化学工业的特点现代化学工业的特点1)1)原料、生产方法和产品的多样性与复杂原料、生产方法和产品的多样性与复杂性性2)2)向向大型化、综合化，精细化大型化、综合化，

3、精细化发展发展3)3)多学科合作、技术密集型生产多学科合作、技术密集型生产4)4)重视能量合理利用，积极采用节能工艺重视能量合理利用，积极采用节能工艺和方法和方法5)5)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6)6)安全与环境保护问题日益突出安全与环境保护问题日益突出2024/8/26化工装置工艺操作与控制4现代化学工业的发展方向现代化学工业的发展方向1 1）面向市场竞争激烈的形势，积极开发高）面向市场竞争激烈的形势，积极开发高新技术，缩短新技术、新工艺工业化的周新技术，缩短新技术、新工艺工业化的周期，加快产品更新和升级的速度。期，加快产品更新和升级的速度。2 2）最

4、充分、最彻底地利用原料。）最充分、最彻底地利用原料。3 3）大力发展）大力发展绿色化工绿色化工。4 4）化工过程要高效、节能和智能化。）化工过程要高效、节能和智能化。5 5）实施废物再生利用工程。）实施废物再生利用工程。2024/8/26化工装置工艺操作与控制5化学工业的主要产品化学工业的主要产品按学科类型分，化学工业包括无机化工、按学科类型分，化学工业包括无机化工、基本有机化工、高分子化工、精细化工和基本有机化工、高分子化工、精细化工和生物化工等分支。生物化工等分支。无机化工产品有硫酸、硝酸、盐酸、纯碱、无机化工产品有硫酸、硝酸、盐酸、纯碱、烧碱、合成氨和氮、磷、钾等化学肥料，烧碱、合成氨和

5、氮、磷、钾等化学肥料，其中化肥产量在化工产品中位居首位，又其中化肥产量在化工产品中位居首位，又以氮肥产量最高。以氮肥产量最高。2024/8/26化工装置工艺操作与控制6基本有机化工，从石油、天然气、煤等天基本有机化工，从石油、天然气、煤等天然资源出发，经过化学加工可得到然资源出发，经过化学加工可得到乙烯、乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、合成合成气等产品，此类产品是有机化工基础原料，气等产品，此类产品是有机化工基础原料，产量很大。产量很大。高分子化工的产品为高分子化合物及以其高分子化工的产品为高分子化合物及以其为基础的复合或共混材料制品。为基础的复合或共混材

6、料制品。精细化工产品大多数为有机化学品精细化工产品大多数为有机化学品2024/8/26化工装置工艺操作与控制70.1.20.1.2学科认识学科认识化学工程与技术化学工程与技术-化工化工 化学工程化学工程：主要研究化学工业和其他过程：主要研究化学工业和其他过程工业生产中所进行的化学过程和物理过程的工业生产中所进行的化学过程和物理过程的共同规律。共同规律。 化学工艺化学工艺：将原料物质主要经过化学反应：将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程。转变为产品的方法和过程。 应用应用化学化学2024/8/26化工装置工艺操作与控制8两者相辅相承，密不可分两者相辅相承，密不可分化学工艺化学工艺个性

7、个性研究具体过程研究具体过程从原料到产品从原料到产品2024/8/26化工装置工艺操作与控制9化学工程化学工程共性共性单元操作单元操作工程因素尤其是工程因素尤其是放大放大化学工艺与化学工程比较？0.1.30.1.3化学工艺学科研究内容化学工艺学科研究内容烃类热裂解烃类热裂解-三烯三烯芳烃转化过程芳烃转化过程-三苯三苯( (简称简称BTXBTX）合成气的生产过程合成气的生产过程-CO-CO和和H H2 2的混合气的混合气加氢与脱氢过程加氢与脱氢过程-合成氨合成氨 苯乙烯和丁二苯乙烯和丁二烯烯烃类选择性氧化烃类选择性氧化-醇、醛、丁烯氧化脱氢醇、醛、丁烯氧化脱氢羰基化过程羰基化过程-RCH=CH-

8、RCH=CH2 2+CO+H+CO+H2 2氯化过程氯化过程-氯代烃氯代烃聚合物生产工艺基础聚合物生产工艺基础-聚乙烯、聚丙烯聚乙烯、聚丙烯生物技术与绿色化学生物技术与绿色化学2024/8/26化工装置工艺操作与控制10化化学学反反应应过过程程分分类类烃类热裂解烃类热裂解烯烃中的烯烃中的“三烯三烯”( (乙烯、丙烯和丁二烯乙烯、丙烯和丁二烯) )是化学工业的基础原料。是化学工业的基础原料。工业上获得工业上获得低级烯烃低级烯烃的主要方法是将的主要方法是将烃类烃类热裂解热裂解。烃类热裂解法是将石油系烃类燃料烃类热裂解法是将石油系烃类燃料( (天然气、天然气、炼厂气、轻油、柴油、重油等炼厂气、轻油、

9、柴油、重油等) )经高温作用，经高温作用，使烃类分子发生使烃类分子发生碳链断裂或脱氢反应碳链断裂或脱氢反应，生，生成相对分子质量较小的烯烃、烷烃和其他成相对分子质量较小的烯烃、烷烃和其他相对分子质量不同的轻质和重质烃类。相对分子质量不同的轻质和重质烃类。2024/8/26化工装置工艺操作与控制11芳烃转化过程芳烃转化过程芳烃中的芳烃中的“三苯三苯”( (苯、甲苯和二甲苯，简苯、甲苯和二甲苯，简称称BTX)BTX)和烯烃中的和烯烃中的“三烯三烯”( (乙烯、丙烯和乙烯、丙烯和丁二烯丁二烯) )是化学工业的基础原料，具有重要是化学工业的基础原料，具有重要地位。地位。芳烃最初全部来源于煤焦化工业。芳

10、烃最初全部来源于煤焦化工业。石油芳烃主要来源于石脑油重整生成油及石油芳烃主要来源于石脑油重整生成油及烃裂解生产乙烯副产的裂解汽油。烃裂解生产乙烯副产的裂解汽油。芳烃转化：芳烃的脱烷基化、烷基化、异芳烃转化：芳烃的脱烷基化、烷基化、异构化构化2024/8/26化工装置工艺操作与控制12合成气的生产过程合成气的生产过程合成气系指一氧化碳和氢气的混合气合成气系指一氧化碳和氢气的混合气以天然气和煤炭为基础的合成气转化制备以天然气和煤炭为基础的合成气转化制备化工产品的研究广泛开展。化工产品的研究广泛开展。C1C1化工过程实现工业化。化工过程实现工业化。合成氨、合成甲醇等合成氨、合成甲醇等2024/8/2

11、6化工装置工艺操作与控制13加氢与脱氢过程加氢与脱氢过程催化加氢系指有机化合物中一个或几个不催化加氢系指有机化合物中一个或几个不饱和的官能团在催化剂作用下与氢气加成。饱和的官能团在催化剂作用下与氢气加成。H2H2和和N2N2反应生成合成氨以及反应生成合成氨以及COCO和和H2H2反应合反应合成甲醇及烃类亦为成甲醇及烃类亦为加氢反应加氢反应。而在催化剂作用下，烃类脱氢生成两种或而在催化剂作用下，烃类脱氢生成两种或两种以上的新物质称为两种以上的新物质称为催化脱氢催化脱氢。在有机化工生产中得到广泛应用，如合成在有机化工生产中得到广泛应用，如合成氨、合成甲醇、丁二烯，苯乙烯的制取等氨、合成甲醇、丁二烯

12、，苯乙烯的制取等都是极为重要的化工过程。都是极为重要的化工过程。2024/8/26化工装置工艺操作与控制14烃类选择性氧化烃类选择性氧化是指烃类及其衍生物中少量氢原子是指烃类及其衍生物中少量氢原子( (有时还有时还有少量碳原子有少量碳原子) )与氧化剂与氧化剂( (通常是氧通常是氧) )发生作发生作用，而其他氢和碳原子不与氧化剂反应的用，而其他氢和碳原子不与氧化剂反应的过程。过程。全球生产的主要化学品中全球生产的主要化学品中50%50%以上和选择性以上和选择性氧化过程有关。氧化过程有关。2024/8/26化工装置工艺操作与控制15含氧化合物含氧化合物，如醇、醛、酮、酸、酸醉、，如醇、醛、酮、酸

13、、酸醉、环氧化物、过氧化物等。环氧化物、过氧化物等。不含氧化合物不含氧化合物，如丁烯氧化脱氢制丁二烯，如丁烯氧化脱氢制丁二烯，丙烷丙烷( (丙烯丙烯) )氨氧化制丙烯睛，乙烯氧氯化氨氧化制丙烯睛，乙烯氧氯化制二氯乙烷等。制二氯乙烷等。有些是有机化工的重要原料和中间体，有有些是有机化工的重要原料和中间体，有些是三大合成材料的单体，有些是用途广些是三大合成材料的单体，有些是用途广泛的溶剂，在化学工业中占有重要地位。泛的溶剂，在化学工业中占有重要地位。2024/8/26化工装置工艺操作与控制16羰基化过程羰基化过程RCH=CHRCH=CH2 2+CO+H+CO+H2 2 RCHRCH2 2CHOCH

14、O烯烃与合成气烯烃与合成气(CO/ H(CO/ H2 2) )或一定配比的一氧化或一定配比的一氧化碳及氢气在过渡金属配位化合物的催化作碳及氢气在过渡金属配位化合物的催化作用下发生加成反应，生成比原料烯烃多一用下发生加成反应，生成比原料烯烃多一个碳原子的醛。个碳原子的醛。醛基是最活泼的基团之一，可进行加氢成醛基是最活泼的基团之一，可进行加氢成醇、氧化成酸、氨化成胺以及歧化、缩合、醇、氧化成酸、氨化成胺以及歧化、缩合、缩醛化等一系列反应。缩醛化等一系列反应。2024/8/26化工装置工艺操作与控制17氯化过程氯化过程氯化过程的主要产物是氯代烃，是指烃的氯化过程的主要产物是氯代烃，是指烃的氯取代化合

15、物，即脂肪烃、脂环烃和芳烃氯取代化合物，即脂肪烃、脂环烃和芳烃中的一个或多个，甚至全部氢原子被氯原中的一个或多个，甚至全部氢原子被氯原子取代生成的化合物。子取代生成的化合物。二氛乙烯、一氛甲烷、二氯甲烷、三氯甲二氛乙烯、一氛甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳等。烷、四氯化碳等。2024/8/26化工装置工艺操作与控制18聚合物生产工艺基础聚合物生产工艺基础石油化工的基础原料石油化工的基础原料( (乙烯、丙烯、丁二烯乙烯、丙烯、丁二烯; ;苯、甲苯、二甲苯苯、甲苯、二甲苯; ;甲醇甲醇) )总量的一半用于总量的一半用于生产高分子材料。生产高分子材料。以小分子化合物（乙烯、丙烯）为原料，以小分子化

16、合物（乙烯、丙烯）为原料，以人工合成高分子化合物的基本原理及生以人工合成高分子化合物的基本原理及生产工艺为重点。产工艺为重点。2024/8/26化工装置工艺操作与控制19生物技术与绿色化学生物技术与绿色化学生物技术是应用生物学、化学和工程学的生物技术是应用生物学、化学和工程学的基本原理，依靠生物催化剂的作用将物料基本原理，依靠生物催化剂的作用将物料进行加工，应用于能源、化工、制药等工进行加工，应用于能源、化工、制药等工业生产过程，生产有用物质的一门多学科业生产过程，生产有用物质的一门多学科综合性的科学技术。综合性的科学技术。-酶催化、改性酶催化、改性2024/8/26化工装置工艺操作与控制20

17、绿色化学，又称环境无害化学、环境友好绿色化学，又称环境无害化学、环境友好化学或者清洁化学，是在进一步认识化学化学或者清洁化学，是在进一步认识化学规律的基础上，应用一系列技术和方法，规律的基础上，应用一系列技术和方法，在化学产品的设计、制造和应用中避免和在化学产品的设计、制造和应用中避免和减少对人类健康和生态环境有毒有害物质减少对人类健康和生态环境有毒有害物质的使用和产生。的使用和产生。2024/8/26化工装置工艺操作与控制21本教材的主要内容本教材的主要内容化学工业和化学工艺有关基本概念的介绍化学工业和化学工艺有关基本概念的介绍; ;化工原料资源及其加工利用途径化工原料资源及其加工利用途径;

18、 ;化工基础原料的典型生产过程化工基础原料的典型生产过程; ;基本有机、无机、高分子、精细等各化工基本有机、无机、高分子、精细等各化工分支中的典型反应过程的原理和工艺分支中的典型反应过程的原理和工艺; ;三废处理和绿色化工概念及其发展途径。三废处理和绿色化工概念及其发展途径。2024/8/26化工装置工艺操作与控制220.1.40.1.4学习要求学习要求对于典型反应过程，要求理解并掌握工艺对于典型反应过程，要求理解并掌握工艺原理、选定工艺条件的依据、流程的组织原理、选定工艺条件的依据、流程的组织和特点、各类反应设备的结构特点和优缺和特点、各类反应设备的结构特点和优缺点等点等; ;对典型产品的各

19、种原料来源、不同工艺路对典型产品的各种原料来源、不同工艺路线、副产物回收利用和废料处理方法等，线、副产物回收利用和废料处理方法等，应进行分析比较，找出它们的优缺点应进行分析比较，找出它们的优缺点; ;思考题和仿真有助于加深对各章内容的理思考题和仿真有助于加深对各章内容的理解和掌握，要做练习。解和掌握，要做练习。2024/8/26化工装置工艺操作与控制230.2 0.2 化学工艺基础化学工艺基础0.2.10.2.1原料资源及其加工原料资源及其加工0.2.20.2.2化工生产过程及流程化工生产过程及流程0.2.30.2.3化工过程的主要效率指标化工过程的主要效率指标0.2.40.2.4反应条件对化

20、学平衡和反应速率的影反应条件对化学平衡和反应速率的影响响0.2.50.2.5催化剂的性能及使用催化剂的性能及使用0.2.60.2.6反应过程的物料衡算和热量衡算反应过程的物料衡算和热量衡算2024/8/26化工装置工艺操作与控制240.2.10.2.1原料资源及其加工原料资源及其加工1 1无机化学矿及其加工无机化学矿及其加工2 2石油石油及其加工及其加工3 3天然气天然气及其加工及其加工4 4煤煤及其加工及其加工5 5生物质及其加工生物质及其加工6 6再生资源的开发利用再生资源的开发利用7 7空气和水空气和水2024/8/26化工装置工艺操作与控制252024/8/26化工装置工艺操作与控制2

21、62024/8/26化工装置工艺操作与控制27丙丙烯烯聚合聚丙烯合成纤维、塑料氨氧化合成纤维、ABS树脂、AS树脂、丁腈橡胶丙烯酰胺絮凝剂、水增稠剂、纸张处理剂丙烯腈与乙烯共聚乙丙橡胶次氯酸化氯丙醇环氧丙烷丙二醇聚酯塑料聚氨酯塑料、表面活性剂过氧化物环氧化环氧丙烷、苯乙烯或异丁烯高温氯化氯丙烯丙烯醇1，4-丁二醇聚酯甘油医药、炸药环氧氯丙烷水解环氧树脂丁二烯与苯乙烯共聚丁苯橡胶与丙烯腈共聚丁腈橡胶聚合顺丁橡胶与苯乙烯、丙烯腈共聚ABS塑料氯化2-氯丁二烯 氯丁橡胶与顺酐反应四氢邻苯二甲酸酐与HCN反应己二腈己二胺尼龙66三聚环化1，5，9-环十二碳三烯十二碳内酰胺（尼龙12的单体）香料、增塑剂

22、、阻燃剂、聚酯原料乙酰氧基化、加氢、水解1，4-丁二醇聚酯树脂异异丁丁烯烯与异戊二烯共聚丁基橡胶氧化甲基丙烯酸甲基丙烯酸酯有机玻璃与甲醛反应异戊二烯异戊橡胶水合叔丁醇香料原料、溶剂、医药中间体、与甲醇反应甲基叔丁基醚（MTBE）（汽油添加剂）聚合聚异丁烯粘合剂、密封胶正正丁丁烯烯聚合聚丁烯合成塑料氧化顺丁烯二酸酐1，4-丁二醇、增强塑料、农药氧化甲乙酮溶剂水合仲丁醇脱氢或氧化脱氢丁二烯正正丁丁烷烷脱氢正丁烯深加工产品见上异构化异丁烷氧化顺酐、醋酸、乙醛、甲乙酮蒸汽裂解乙烯、丙烯、丁二烯等烷基化烷基化汽油脱氢异丁烯深加工产品见上蒸汽裂解乙烯、丙烯、丁二烯等异丁烷苯苯加乙烯烷基化乙苯脱氢苯乙烯聚苯

23、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、农药聚氨酯纤维甲甲苯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

24、塑剂萘氧化烷基萘脱烷基萘氧化乙乙炔炔加HCl氯乙烯聚氯乙烯水合乙醛乙酸季戊四醇醇酸树脂巴豆醛山梨酸加醋酸醋酸乙烯合成纤维、涂料、粘合剂加甲醛1，4-丁炔二醇1，4-丁二醇四氢呋喃、-丁内酯、聚酯树脂二聚 乙烯基乙炔粘合剂加氢丁二烯加HCl2-氯丁二烯氯丁橡胶氯化三氯乙烯、四氯乙烯溶剂加HF氟乙烯聚合聚氟乙烯合成气合成气(CO+H(CO+H2 2) ) 补N2和变换N2-H2合成氨、尿素等改良的F-T合成汽油、煤油、柴油等液体燃料合成甲醇羰基合成醋酸氧化甲醛酚醛树脂、合成原料与异丁烯合成甲基叔丁基醚（MTBE）与CO合成甲酸甲酯甲酸加CO、O2草酸二甲酯 乙二醇草酸同系化乙醇脱水乙烯合成二甲醚转

25、化转化C2-C4烯烃汽油柴油机燃料0.2.20.2.2化工生产过程及流程化工生产过程及流程1 1、化工生产过程、化工生产过程化工生产过程一般可概括为原料预处理、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。化学反应和产品分离及精制三大步骤。2 2、化工生产工艺流程、化工生产工艺流程（1 1）工艺流程和流程图）工艺流程和流程图2024/8/26化工装置工艺操作与控制38化工生产过程化工生产过程2024/8/26化工装置工艺操作与控制39产品分离与精制 化学反应 原料预处理 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 2024/8/26化工装置工艺操

26、作与控制40（2 2）化工生产工艺流程的组织）化工生产工艺流程的组织从从“目标目标”出发对不同功能的单元进行逻出发对不同功能的单元进行逻辑组合辑组合2024/8/26化工装置工艺操作与控制410.2.30.2.3化工过程的主要效率指标化工过程的主要效率指标生产能力和生产强度生产能力和生产强度化学反应的效率化学反应的效率合成效率合成效率转化率选择性转化率选择性 收率收率平衡转化率和平衡产率平衡转化率和平衡产率2024/8/26化工装置工艺操作与控制420.2.30.2.3化工过程的主要效率指标化工过程的主要效率指标0.2. 3. 10.2. 3. 1生产能力和生产强度生产能力和生产强度(1)(1

27、)生产能力系指一个设备、一套装置或一生产能力系指一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量，或在个工厂在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量。其单位为单位时间内处理的原料量。其单位为kg/h, kg/h, t/dt/d或或kt/a,kt/a,万吨万吨/ /年等。年等。2024/8/26化工装置工艺操作与控制432)2)生产强度为设备单位特征几何量的生产生产强度为设备单位特征几何量的生产能力。即设备的单位体积的生产能力，或能力。即设备的单位体积的生产能力，或单位面积的生产能力。其单位为单位面积的生产能力。其单位为kg/hm3), t/dm3)kg/hm3), t/ 异烷烃

28、异烷烃 环烷烃（六碳环环烷烃（六碳环 五碳环）五碳环） 芳芳烃烃2024/8/26化工装置工艺操作与控制80P-P-链烷烃链烷烃(Paraffin(Paraffin，简称烷烃，简称烷烃) )，较易裂，较易裂解生成乙烯、丙烯。其中正构烷烃解生成乙烯、丙烯。其中正构烷烃(n-P)(n-P)的的乙烯收率比异构烷烃乙烯收率比异构烷烃(i-P)(i-P)高，而正构烷烃高，而正构烷烃的甲烷、丙烯、丁烯、芳烃收率比异构烷的甲烷、丙烯、丁烯、芳烃收率比异构烷烃低。烃低。O-O-烯烃烯烃(Olefin)(Olefin)，裂解困难，易造成结焦。，裂解困难，易造成结焦。N-N-环烷烃环烷烃(Naphthene)(N

29、aphthene)，环己烷裂解生成乙，环己烷裂解生成乙烯、丁二烯、芳烃，环戊烷裂解生成乙烯、烯、丁二烯、芳烃，环戊烷裂解生成乙烯、丙烯。但环烷烃裂解的乙烯、丙烯及碳丙烯。但环烷烃裂解的乙烯、丙烯及碳4 4的的收率不如烷烃高，而且容易生成芳烃。收率不如烷烃高，而且容易生成芳烃。A-A-芳烃芳烃(Aromatics)(Aromatics)，裂解困难，易生成重，裂解困难，易生成重质芳烃，并造成结焦。质芳烃，并造成结焦。2024/8/26化工装置工艺操作与控制81理想的裂解原料理想的裂解原料高含量的烷烃、高含量的烷烃、低含量的芳烃和烯烃低含量的芳烃和烯烃2024/8/26化工装置工艺操作与控制821.

30、 21. 2裂解过程的工艺参数和操作指裂解过程的工艺参数和操作指标标1.2.11.2.1原料烃组成（原料性质及评价）原料烃组成（原料性质及评价） 1.2.21.2.2裂解温度裂解温度1.2.31.2.3停留时间停留时间1.2.41.2.4烃分压与稀释剂烃分压与稀释剂1.2.51.2.5裂解深度裂解深度2024/8/26化工装置工艺操作与控制83裂解过程的工艺参数和操作指标裂解过程的工艺参数和操作指标由于烃类裂解反应使用的原料是组成性质由于烃类裂解反应使用的原料是组成性质有很大差异的混合物，因此原料的特性无有很大差异的混合物，因此原料的特性无疑对裂解效果起着重要的决定作用，它是疑对裂解效果起着重

31、要的决定作用，它是决定反应效果的决定反应效果的内因内因，而工艺条件的调整、，而工艺条件的调整、优化仅是其优化仅是其外部条件外部条件。2024/8/26化工装置工艺操作与控制842024/8/26化工装置工艺操作与控制85产物分布产物分布2024/8/26化工装置工艺操作与控制861.2.11.2.1裂解原料性质及评价裂解原料性质及评价族组成族组成-PONA-PONA值值氢含量氢含量特性因数特性因数芳烃指数芳烃指数2024/8/26化工装置工艺操作与控制87族组成族组成PONAPONA值值适用于表征石脑油、轻柴油等轻质馏分油适用于表征石脑油、轻柴油等轻质馏分油2024/8/26化工装置工艺操作与

32、控制88烷烃烷烃P (paraffin)烯烃烯烃O (olefin)环烷烃环烷烃N (naphtene)芳烃芳烃A (aromatics)PONAPONA值值应用应用烷烃含量越大，芳烃越少，则乙烯产率越烷烃含量越大，芳烃越少，则乙烯产率越高。高。对于科威特石脑油，其烷烃、环烷烃及芳对于科威特石脑油，其烷烃、环烷烃及芳烃典型含量烃典型含量( () )分别为分别为72.372.3、16.716.7、1111，大庆石脑油则为大庆石脑油则为5353、4343、4 4。 国外烃类裂解原料以轻烃国外烃类裂解原料以轻烃(C4(C4以下以下) )和石脑和石脑油为主，几乎占油为主，几乎占90%90%左右。而国内

33、重质油、左右。而国内重质油、柴油的比例还高达柴油的比例还高达20%20%以上，有待于进一步以上，有待于进一步优化。优化。2024/8/26化工装置工艺操作与控制892024/8/26化工装置工艺操作与控制902024/8/26化工装置工艺操作与控制912024/8/26化工装置工艺操作与控制922024/8/26化工装置工艺操作与控制93原料烃组成与裂解结果原料烃组成与裂解结果原原料料由由轻轻到到重重，相相同同原原料料量量所所得得乙乙烯烯收收率率下下降。降。原原料料由由轻轻到到重重，裂裂解解产产物物中中液液体体燃燃料料又又增增加加，产气量减少。产气量减少。原原料料由由轻轻到到重重，联联产产物物

34、量量增增大大，而而回回收收联联产产物物以以降降低低乙乙烯烯生生产产成成本本的的措措施施，又又造造成成装装置和投资的增加。置和投资的增加。2024/8/26化工装置工艺操作与控制94PONAPONA值结论值结论根据根据PONAPONA值可以定性评价液体燃料的裂解值可以定性评价液体燃料的裂解性能，性能，也可以根据族组成通过简化的反应动力学也可以根据族组成通过简化的反应动力学模型对裂解反应进行定量描述，模型对裂解反应进行定量描述，因此因此PONAPONA值是一个表征各种液体原料裂解值是一个表征各种液体原料裂解性能的有实用价值的参数。性能的有实用价值的参数。2024/8/26化工装置工艺操作与控制95

35、氢含量计算氢含量计算可判断原料可能达到的裂解深度，及可判断原料可能达到的裂解深度，及C4C4及及C4C4以下轻烃的收率以下轻烃的收率2024/8/26化工装置工艺操作与控制96氢含量应用氢含量应用用元素分析法测得，是用于各种原料，用用元素分析法测得，是用于各种原料，用以关联烃原料的乙烯潜在产率。以关联烃原料的乙烯潜在产率。氢含量高则乙氢含量高则乙 烯产率越高。烯产率越高。烷烃氢含量最高烷烃氢含量最高, ,芳烃则较低。芳烃则较低。乙烷的氢含量乙烷的氢含量2020, ,丙烷丙烷18.218.2，石脑油为，石脑油为14.514.515.515.5，轻柴油为，轻柴油为13.513.514.514.5。

36、2024/8/26化工装置工艺操作与控制97石脑油又称粗汽油：一般含烷烃石脑油又称粗汽油：一般含烷烃55%55%、单环、单环烷烃烷烃30%30%、烷基苯、烷基苯11%11%，主要为烷烃的，主要为烷烃的C4C4C12C12成份。成份。轻柴油：主要是由烷烃轻柴油：主要是由烷烃68%68%、单环烷烃、单环烷烃9%9%、芳香烃芳香烃10%10%、多环芳烃，碳原子数约、多环芳烃，碳原子数约C10C10C22C22。2024/8/26化工装置工艺操作与控制98原原料料氢氢含含量量与与乙乙烯烯收收率率的的关关系系2024/8/26化工装置工艺操作与控制99氢含量分析氢含量分析通过裂解反应，使一定氢含量的裂解

37、原料通过裂解反应，使一定氢含量的裂解原料生成氢含量较高的生成氢含量较高的C4C4和和C4C4以下轻组分和氢以下轻组分和氢含量较低的含量较低的C5C5和和C5C5以上的液体。以上的液体。从氢平衡可以断定，裂解原料氢含量愈高，从氢平衡可以断定，裂解原料氢含量愈高，获得的获得的C4C4和和C4C4以下轻烃的收率愈高，相应以下轻烃的收率愈高，相应乙烯和丙烯收率一般也较高。乙烯和丙烯收率一般也较高。2024/8/26化工装置工艺操作与控制100氢含量总结氢含量总结显然，根据裂解原料的氢含量既可判断该显然，根据裂解原料的氢含量既可判断该原料可能达到的裂解深度，也可评价该原原料可能达到的裂解深度，也可评价该

38、原料裂解所得料裂解所得C4C4和和C4C4以下轻烃的收率。以下轻烃的收率。氢含量高则乙氢含量高则乙 烯、丙烯产率越高。烯、丙烯产率越高。2024/8/26化工装置工艺操作与控制101 特性因数特性因数 反映裂解原料芳香性的强弱反映裂解原料芳香性的强弱表表征征石石脑脑油油和和轻轻柴柴油油等等轻轻质质油油化化学学组组成成特特性性的一种因数，用的一种因数，用K K表示。表示。主要用于液体燃料，主要用于液体燃料，K K值可以通过下式算出值可以通过下式算出2024/8/26化工装置工艺操作与控制102特性因数应用特性因数应用它反映了烃的氢饱和程度。它反映了烃的氢饱和程度。 K K值以烷烃最值以烷烃最高，

39、环烷烃次之，芳烃最低。高，环烷烃次之，芳烃最低。原料烃的原料烃的K K值越大则乙烯产率越高。值越大则乙烯产率越高。乙烯和丙烯总体收率大体上随裂解原料乙烯和丙烯总体收率大体上随裂解原料K K值值的增大而增加。的增大而增加。2024/8/26化工装置工艺操作与控制103芳烃指数（关联指数）芳烃指数（关联指数）p即美国矿务局关联指数（即美国矿务局关联指数（Bureau of Mines Bureau of Mines Correlation IndexCorrelation Index）, ,简称简称BMCIBMCI。用以表。用以表征柴油等重质馏分油中烃组分的结构特性。征柴油等重质馏分油中烃组分的结

40、构特性。馏分油的关联指数馏分油的关联指数(BMCI(BMCI值值) )是表示油品芳是表示油品芳烃的含量。烃的含量。关联指数愈大，则油品的芳烃关联指数愈大，则油品的芳烃含量愈高。含量愈高。2024/8/26化工装置工艺操作与控制1042024/8/26化工装置工艺操作与控制105关联指数应用关联指数应用n正正构构烷烷烃烃的的 BMCIBMCI值值最最小小（正正己己烷烷为为0.20.2），芳芳烃烃则则相相反反（苯苯为为99.899.8），因因此此烃烃原原料料的的BMCIBMCI值越小则乙烯潜在产率越高。值越小则乙烯潜在产率越高。n中中东东轻轻柴柴油油的的BMCIBMCI典典型型值值为为2525左左

41、右右，中中国国大大庆轻柴油约为庆轻柴油约为2020。2024/8/26化工装置工艺操作与控制106关联指数应用关联指数应用烃类化合物的芳香性按下列顺序递增烃类化合物的芳香性按下列顺序递增: :正构正构链烷烃链烷烃 带支链烷烃带支链烷烃 烷基单环烷烃烷基单环烷烃 无烷基无烷基单环烷烃单环烷烃 双环烷烃双环烷烃 烷基单环芳烃烷基单环芳烃 无烷基无烷基单环芳烃单环芳烃( (苯苯)双环芳烃双环芳烃 三环芳烃三环芳烃 10K105 5反应较完全（即不可逆反应），反应较完全（即不可逆反应），K10K10-5-5反应很难进行（即不反应）。反应很难进行（即不反应）。在气相反应中，所有的标准平衡常数都只在气相反

42、应中，所有的标准平衡常数都只是温度的函数。是温度的函数。2024/8/26化工装置工艺操作与控制112乙烷裂解过程主要由以下四个反应组成乙烷裂解过程主要由以下四个反应组成2024/8/26化工装置工艺操作与控制113由化学平衡得到的两个特征由化学平衡得到的两个特征 从化学平衡的观点看，如使裂解反应进从化学平衡的观点看，如使裂解反应进行到平衡，所得烯烃很少，最后生成大量行到平衡，所得烯烃很少，最后生成大量的氢和碳。为获得尽可能多的烯烃，必须的氢和碳。为获得尽可能多的烯烃，必须采用采用尽可能短的停留时间尽可能短的停留时间进行裂解反应。进行裂解反应。乙烷裂解生成乙烯的反应平衡常数远大乙烷裂解生成乙烯

43、的反应平衡常数远大于乙烯消失反应的平衡常数，随着温度的于乙烯消失反应的平衡常数，随着温度的升高，各平衡常数均增加，差距更大。乙升高，各平衡常数均增加，差距更大。乙炔结碳反应的平衡常数随温度的升高而减炔结碳反应的平衡常数随温度的升高而减小。因此，小。因此，提高裂解温度提高裂解温度对生成烯烃是有对生成烯烃是有利的。利的。2024/8/26化工装置工艺操作与控制114动力学反应速率常数动力学反应速率常数即即化学反应进行的快慢化学反应进行的快慢。用单位时间内反应物浓度的减少或生成物用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加量来表示。浓度的增加量来表示。2024/8/26化工装置工艺操作与控制115

44、2024/8/26化工装置工艺操作与控制116根据裂解反应动力学，为使裂解反应控制根据裂解反应动力学，为使裂解反应控制在一定裂解深度范围内，就是使转化率控在一定裂解深度范围内，就是使转化率控制在一定范围内。由于不同裂解原料的反制在一定范围内。由于不同裂解原料的反应速率常数大不相同，因此，在相同停留应速率常数大不相同，因此，在相同停留时间的条件下，时间的条件下，不同裂解原料所需裂解温不同裂解原料所需裂解温度也不相同。度也不相同。裂解原料相对分子质量越小，其活化能和裂解原料相对分子质量越小，其活化能和频率因子越高，反应活性越低，所需裂解频率因子越高，反应活性越低，所需裂解温度越高。温度越高。202

45、4/8/26化工装置工艺操作与控制117在控制一定裂解深度条件下，可以有各种在控制一定裂解深度条件下，可以有各种不同的裂解温度一停留时间组合。因此，不同的裂解温度一停留时间组合。因此，对于生产烯烃的裂解反应而言，裂解温度对于生产烯烃的裂解反应而言，裂解温度与停留时间是一组相互关联不可分割的参与停留时间是一组相互关联不可分割的参数。而数。而高温高温- -短停留时间短停留时间则是改善裂解反应则是改善裂解反应产品收率的关键。产品收率的关键。2024/8/26化工装置工艺操作与控制1181.2.21.2.2裂解温度的影响裂解温度的影响裂解温度范围裂解温度范围750900750900原料分子量越小，所需

46、裂解温度越高。乙原料分子量越小，所需裂解温度越高。乙烷裂解温度最高。烷裂解温度最高。2024/8/26化工装置工艺操作与控制119裂解温度影响一次反应的产物分布裂解温度影响一次反应的产物分布按自由基链式反应机理按自由基链式反应机理分析，温度队一次分析，温度队一次产物分布的影响，是通过影响各种链式反产物分布的影响，是通过影响各种链式反应相对量实现的。应相对量实现的。2024/8/26化工装置工艺操作与控制120在一定温度内，提高裂解温度有利于提高在一定温度内，提高裂解温度有利于提高一次反应所得乙烯和丙烯的收率。一次反应所得乙烯和丙烯的收率。并相对减少乙烯消失的反应，因而有利于并相对减少乙烯消失的

47、反应，因而有利于提高裂解的选择性。提高裂解的选择性。2024/8/26化工装置工艺操作与控制121裂解温度影响一次反应对二次反应的竞争裂解温度影响一次反应对二次反应的竞争从从裂裂解解反反应应的的化化学学平平衡衡也也可可以以看看出出，提提高高裂裂解解温温度度有有利利于于生生成成乙乙烯烯的的反反应应，并并相相对对减减少少乙乙烯烯消消失失的的反反应应，因因而而有有利利于于提提高高裂裂解的选择性。解的选择性。根根据据裂裂解解反反应应的的动动力力学学，提提高高温温度度有有利利于于提提高高一一次次反反应应对对二二次次反反应应的的相相对对速速度度，提提高乙烯收率。高乙烯收率。 2024/8/26化工装置工艺

48、操作与控制122裂解温度的影响裂解温度的影响在一定温度内，提高裂解温度有利在一定温度内，提高裂解温度有利于提高一次反应所得乙烯和丙烯的于提高一次反应所得乙烯和丙烯的收率。收率。2024/8/26化工装置工艺操作与控制1231.2.31.2.3停留时间停留时间管式裂解炉中物料的停留时间是管式裂解炉中物料的停留时间是裂解原料裂解原料经过辐射盘管的时间经过辐射盘管的时间。由于裂解管中裂解反应是在由于裂解管中裂解反应是在非等温变容非等温变容的的条件下进行，很难计算其真实停留时间。条件下进行，很难计算其真实停留时间。工程中常用如下几种方式计算裂解反应的工程中常用如下几种方式计算裂解反应的停留时间。停留时

49、间。2024/8/26化工装置工艺操作与控制124(1)(1)表观停留时间表观停留时间表观停留时间表观停留时间t tB B 定义如下定义如下式中式中V VR R . S. L . S. L分别为裂解反应器容积，分别为裂解反应器容积，裂解管截面积及管长裂解管截面积及管长; ;VV单位时间通过裂解炉的气体体积。单位时间通过裂解炉的气体体积。表观停留时间表述了裂解管内所有物料表观停留时间表述了裂解管内所有物料( (包包括稀释蒸汽括稀释蒸汽) )在管中的停留时间。在管中的停留时间。2024/8/26化工装置工艺操作与控制125(2)(2)平均停留时间平均停留时间t tA A 定定义如下义如下式中式中a

50、 av v体积增大率，是转化率、温度、压体积增大率，是转化率、温度、压力的函数力的函数; ;VV原料气的体积流量。原料气的体积流量。式中式中VV原料气在平均反应温度和平均反原料气在平均反应温度和平均反应压力下的体积流量应压力下的体积流量; ;a av v最终体积增大率。最终体积增大率。2024/8/26化工装置工艺操作与控制126注意注意从裂解反应动力学可以看出，对给定原料从裂解反应动力学可以看出，对给定原料而言，裂解深度而言，裂解深度( (转化率转化率) )取决于裂解温度取决于裂解温度和停留时间。和停留时间。然而，在相同转化率下可以有各种不同的然而，在相同转化率下可以有各种不同的温度温度-停

51、留时间组合。因此，相同裂解原停留时间组合。因此，相同裂解原料在相同转化率下，由于温度料在相同转化率下，由于温度-停留时间停留时间不同，所得产品收率并不相同。不同，所得产品收率并不相同。2024/8/26化工装置工艺操作与控制127高温高温- -短停留时间短停留时间 最佳组合最佳组合石脑油裂解时乙烯收率与温度和停留时间的关系石脑油裂解时乙烯收率与温度和停留时间的关系温度温度-停留时间效应对石脑油产物分布关系停留时间效应对石脑油产物分布关系温度温度- -停留时间对产品收率的影响可以概括停留时间对产品收率的影响可以概括如下。表如下。表1-31-3高温裂解条件有利于裂解反应中一次反高温裂解条件有利于裂

52、解反应中一次反应的进行，而短停留时间又可抑制二次反应的进行，而短停留时间又可抑制二次反应的进行。应的进行。高温高温- -短停留时间可以抑制芳烃生成的反短停留时间可以抑制芳烃生成的反应，所得裂解汽油的收率相对较低。应，所得裂解汽油的收率相对较低。高温高温- -短停留时间将使裂解产品中烯烃收短停留时间将使裂解产品中烯烃收率明显增加，并使乙烯率明显增加，并使乙烯/ /丙烯比及丙烯比及C4C4中的双中的双烯烃烯烃/ /单烯烃的比增大。单烯烃的比增大。2024/8/26化工装置工艺操作与控制1301.2.41.2.4烃分压与稀释剂烃分压与稀释剂 烃裂解的一次反应是分子数增多的过程，烃裂解的一次反应是分子

53、数增多的过程，对于脱氢可逆反应，降低压力对提高乙烯对于脱氢可逆反应，降低压力对提高乙烯平衡组成有利平衡组成有利( (断链反应因是不可逆反应，断链反应因是不可逆反应，压力无影响压力无影响) )。烃聚合缩合的二次反应是分子数减少的过烃聚合缩合的二次反应是分子数减少的过程，降低压力对提高二次反应产物的平衡程，降低压力对提高二次反应产物的平衡组成不利，可抑制结焦过程。组成不利，可抑制结焦过程。2024/8/26化工装置工艺操作与控制131压力对裂解反应的影响压力对裂解反应的影响 化学平衡化学平衡n0n0n0时时: : 增大反应压力，增大反应压力， K Kx x下降，平衡向原料方向移动下降，平衡向原料方

54、向移动生成烯烃的一次反应生成烯烃的一次反应 n0n0烃聚合缩合的二次反应烃聚合缩合的二次反应 n0n0化学平衡分析化学平衡分析 降低压力降低压力 有利于提高乙烯平衡有利于提高乙烯平衡组成组成 有利于抑制有利于抑制结焦过程结焦过程压力对裂解反应的影响压力对裂解反应的影响动力学分析动力学分析 烃类聚合和缩合的二次反应多是高于一级的反应烃类聚合和缩合的二次反应多是高于一级的反应一次反应多是一级反应一次反应多是一级反应 压力对裂解反应的影响压力对裂解反应的影响压力不能改变反应速度常数，但压力不能改变反应速度常数，但降低降低压力能降低反应物浓度压力能降低反应物浓度降低压力降低压力可增大一次反应对于二次反

55、可增大一次反应对于二次反应的相对速度，应的相对速度，提高一次反应选择性提高一次反应选择性 反应速率分析反应速率分析 压力对裂解过程中一次反应和二次反应的影响 压力不能改变反应速率常数压力不能改变反应速率常数k k，但降低压力，但降低压力能降低反应物浓度，所以对一次反应、二能降低反应物浓度，所以对一次反应、二次反应都不利。次反应都不利。但反应的级数不同影响有所不同，压力对但反应的级数不同影响有所不同，压力对高于一级的反应的影响比对一级反应的影高于一级的反应的影响比对一级反应的影响要大得多，响要大得多，也就是说降低压力可增大一次反应对于二也就是说降低压力可增大一次反应对于二次反应的相对速率，提高一

56、次反应选择性。次反应的相对速率，提高一次反应选择性。2024/8/26化工装置工艺操作与控制137所以降低压力可以促进生成乙烯的一次反所以降低压力可以促进生成乙烯的一次反应，抑制发生聚合的二次反应，从而减轻应，抑制发生聚合的二次反应，从而减轻结焦的程度。结焦的程度。2024/8/26化工装置工艺操作与控制138目的目的：降低烃分压：降低烃分压 稀释剂种类稀释剂种类：水蒸气、氢气、惰性气体：水蒸气、氢气、惰性气体 优点优点：设备在常压或正压操作，安全性：设备在常压或正压操作，安全性高，不会对以后压缩操作增加能耗高，不会对以后压缩操作增加能耗稀释剂稀释剂稀释剂理论上可采用水蒸气、氢或任一种稀释剂理

57、论上可采用水蒸气、氢或任一种惰性气体，但目前较为成熟的裂解方法，惰性气体，但目前较为成熟的裂解方法，均采用水蒸气作稀释剂，其原因如下。均采用水蒸气作稀释剂，其原因如下。2024/8/26化工装置工艺操作与控制140裂解反应后通过急冷即可实现稀释剂与裂解反应后通过急冷即可实现稀释剂与裂解气的分离，不会增加裂解气的分离负裂解气的分离，不会增加裂解气的分离负荷和困难。荷和困难。水蒸气热容量大，可以起到稳定温度的水蒸气热容量大，可以起到稳定温度的作用，保护炉管防止过热。作用，保护炉管防止过热。抑制裂解原料所含硫对镍铬合金炉管的抑制裂解原料所含硫对镍铬合金炉管的腐蚀。腐蚀。脱除积碳，炉管的铁和镍能催化烃

58、类气脱除积碳，炉管的铁和镍能催化烃类气体的生碳反应。体的生碳反应。2024/8/26化工装置工艺操作与控制141l 易分离易分离l 热容量大，使系统有较大的热惯性热容量大，使系统有较大的热惯性l 抑制硫对镍铬合金炉管的腐蚀抑制硫对镍铬合金炉管的腐蚀l 脱除结碳，抑制铁镍的催化生碳作用脱除结碳，抑制铁镍的催化生碳作用稀释比稀释比？水蒸汽作稀释剂的优势水蒸汽作稀释剂的优势 1.2.51.2.5裂解深度裂解深度裂解深度是指裂解反应的进行程度。由于裂解深度是指裂解反应的进行程度。由于裂解反应的复杂性，很难以一个参数准确裂解反应的复杂性，很难以一个参数准确地对其进行定量的描述。根据不同情况，地对其进行定

59、量的描述。根据不同情况，常常采用如下一些参数衡量裂解深度。常常采用如下一些参数衡量裂解深度。2024/8/26化工装置工艺操作与控制1432024/8/26化工装置工艺操作与控制1441. 31. 3管式裂解炉及裂解工艺过程管式裂解炉及裂解工艺过程1. 3. 11. 3. 1管式裂解炉管式裂解炉2020世纪世纪3030年代就开始研究。年代就开始研究。2020世纪世纪4040年代美国首先建立工业装置。年代美国首先建立工业装置。2020世纪世纪5050年代后，高温短停留时间的技术年代后，高温短停留时间的技术2020世纪世纪6060年代初期，年代初期，SRT- ISRT- I型炉。型炉。2020世纪

60、世纪6060年代中期，年代中期，SRT- IISRT- II型炉。型炉。2020世纪世纪7070年代中期，年代中期， 炉管材料炉管材料HP-40HP-402024/8/26化工装置工艺操作与控制1452024/8/26化工装置工艺操作与控制1462024/8/26化工装置工艺操作与控制1471. 41. 4裂解气的预分馏及净化裂解气的预分馏及净化2024/8/26化工装置工艺操作与控制1482024/8/26化工装置工艺操作与控制1492024/8/26化工装置工艺操作与控制1502024/8/26化工装置工艺操作与控制1512024/8/26化工装置工艺操作与控制1522024/8/26化工装置工艺操作与控制153