化工工艺讲座

大理州经委工业知识讲座化工工艺讲座何丽芳2006.8.15内容简介第一章前言第二章化工单元操作第三章各类化工工艺第四章化工可持续发展战略第五章“十一五”化工发展目标第一章前言化学工业:以石化基础原材料为加工对象的延伸化工、煤化工、盐化工、生物化工及精细化工等领域。(1)为工农业生产提供重要的原料保障，其质量、数量以及价格上的相对稳定，对农业生产稳定与发展至关重要；(2)肩负着为国防生产配套高技术材料的任务，并提供常规战略物资。(3)化学工业在很大程度上满足农业对化肥农药的需要。(4)塑料和合成橡胶渗透到国民经济的所有部门，在材料工业中已占据主导地位。(5)医药合成不仅在数量上而且在品种和质量上都有了较大发展。化学工业的发展速度已显著超过国民经济的平均发展速度，化工产值在国民生产总值中所占的比例不断增加，化学工业已发展成为国民经济的支柱产业。1.1化工的发展概况现代化学工业始于18世纪的法国，随后传人英国。19世纪，以煤为基础原料的有机化学工业在德国迅速发展起来。现代化学工业的发展时期是在美国开始的。19世纪末20世纪初，石油的开采和大规模石油炼厂的兴建为石油化学工业的发展和化学工程技术的产生奠定了基础。20世纪20年代石油化学工业的崛起推动各种单元操作的研究。30年代以后，化学机械从纯机械时代进入以单元操作为基础的化工机械时期。40年代，因战争需要，三项重大开发同时在美国出现：流化床催化裂化制取高级航空燃料油、丁苯橡胶的乳液聚合以及制造首批原子弹的曼哈顿工程。50年代中期提出了传递过程原理60年代初，新型高效催化剂的发明，新型高级装置材料的出现，以及大型离心压缩机的研究成功，开始了化工装置大型化的进程，把化学工业推向一个新的高度。此后，化学工业过程开发周期已能缩短至4～5年，放大倍数达500～20000倍。20世纪70年代后，现代化学工程技术渗入到了各个加工领域，生产技术面貌发生了显著变化。化学工业还同时面临来自能源、原料和环保三大方面的挑战，进入一个新的更为高级的发展阶段。在原料和能源供应日趋紧张的条件下，化学工业正在通过技术进步尽量减少其对原料和能源的消耗；为了满足整个社会日益增长的能源需求，化学工业正在努力提供新的技术手段，用化学的方法为人类提供更新更多的能源；为了自身的发展，化学工业正在开辟新的原料来源，为以后的发展奠定丰富的原料基础；随着电子计算机的发展和应用，化学工业正在进入高度自动化的阶段；一些高新技术，如激光、模拟酶的应用，正在使化学工业生产的效率显著提高，技术面貌发生根本性的变化；由于有了更新的技术手段，化学工业对环境的污染进一步得到控制，并将为改善人类的生存条件做出新的贡献。1.2现代化学工业过程开发1．利用现有的情报资料、技术数据、同类过程的成熟经验、小试或模试的实验结果和化学化工知识，把化学工业过程抽象为理论模型；2．进行工业装置的概念设计，并根据概念设计相似缩小为中试装置；3．比较电子计算机的数学模拟和中试结果，反复比较，不断修正数学模型，使其达到一定精度，用于放大设计。1.3化工行业简单分类1、无机化学工业（1）基本无机化学工业:无机酸（HCl、H2SO4、HNO3）；氨和铵盐（合成氨、液态氨、氨水、铵盐）；氯碱（纯Na2CO3、NaHCO3、烧碱NaOH、钾碱KOH,K2CO3）；无机盐；工业气体（O2、N2、H2、CO2）等。（2）非金属元素及其无机化合物：卤素、H、O等（3）电化学工业：电解、电镀（4）金属元素的无机化学工业（5）电热工业、高温制品工业：高温电炉；电石（CaC）；Ca(CN)2；人造超硬度材料的生产；人造宝石、合成宝石；人造石墨。（6）硅酸盐工业2、有机化学工业:有机化合物；脂肪；碳环化合物、脂环化合物；芳香化合物；杂环化合物；元素化合物；含同位素化合物；天然有机化合物3、高分子化合物:（1）合成树脂与塑料;（2)橡胶;（3)橡胶4、生物化工（1）纤维素质的化学加工：木材、纤维素、植物纤维水解。（2）制药：抗菌素、激素、磺胺类等（3）酿造：葡萄酒、啤酒等（4）其他：生物能源、生物材料、有机酸、氨基酸、功能食品添加剂第二章化工单元操作化工生产过程是由许多个化工单元操作串联而成的，根据其所遵循的基本规律，可将单元操作划分为三大类，即：遵循流体动力基本规律的单元操作包括流体输送、沉降、过滤、固体流态化等。遵循传热基本规律的单元操作包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。遵循传质基本规律的单元操作包括蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等。2.1流体输送流体输送操作必须采用可为流体提高能量的输送设备，以便克服输送沿程的机械能损失、提高位能、提高流体的压强。输送液体的设备离心泵（化工生产中最常见）正位移泵(往复式、旋转式)）通风机输送气体的设备鼓风机压缩机。则按其所产生的压强的高低工作原理:依靠高速旋转的叶轮，使流体在离心力的作用下获得能量提高压强，具有较高压强的流体从流体输送设备的排出口进入排出管道，被输送到所需场所。泵与风机计量泵离心风机2.2非均相物系的分离均相：物系各处均匀且无相界面，如混合气体和溶液。非均相：物系内部有个开不同相的界面存在，且界面两侧的物料性质有差别（如：悬浮液、乳浊液及泡沫液以及含尘气体、含雾气体等）。分散相：处于分散状态的物质（分散于流体中德固体颗粒、液滴或气泡）连续相：包围着分散物质而处于连续状态的流体（如：气态非均相物系的气体、液态非均相物系中的连续液体）该过程目的：收集分散物质，净化分散介质，环境保护2.2.1重力沉降在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。其设备有：降尘室含尘气体进入降尘室后，因流道截面积扩大而速度减慢，只要颗粒能够在气体通过沉降室的时间内降至室底，便可从气流中分离出来。沉降槽用来提高悬浮液浓度并同时得到澄清液体的重力沉降设备。需要处理的悬浮料浆在槽内静置足够长的时间后，增浓的沉渣由槽底排出，清夜则由槽上部排出管抽出。2.2.2离心沉降离心沉降依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程（两相密度差较小、颗粒粒度较细的非均相物系）得2.2.3过滤过滤以某种多孔物质为介质，在外力作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。过滤操作采用的多孔物质称为过滤介质，所处理的悬浮液称为滤浆或料浆，通过多孔通道的液体称为滤液，被截留的固体物质称为滤饼或滤渣过滤介质①织物介质：即棉、毛、麻或各种合成材料制成的织物，也称为滤布。②粒状介质：细纱、木炭、碎石等。③多孔固体介质（一般要能够再生的才行）：多孔陶瓷、多孔塑料、多孔玻璃等。过滤原理过滤设备——压滤机悬浮液从框右上角的通道1（位于框内）进入滤框，固体颗粒被截留在框内形成滤饼，滤液穿过滤饼和滤布到达两侧的板，经板面从板的左下角旋塞排出。待框内充满滤饼，即停止过滤。如果滤饼需要洗涤，先关闭洗涤板下方的旋塞，洗液从洗板左上角的通道2（位于框内）进入，依次穿过滤布、滤饼、滤布，到达非洗涤板，从其下角的旋塞排出。如果将非洗涤板编号为1、框为2、洗涤板为3，则板框的组合方式服从1—2—3—2——1—2—3之规律。组装之后的过滤和洗涤原理如图所示。2.3传热传热：指由于温度差引起的能量转移，其方式有3种：传导、对流、辐射。换热器：（按用途）：加热、冷却、蒸发、再沸、冷凝、分凝（按方法）：间壁式（夹套式、蛇管式、喷淋式、套管式）、混合式（气体冷却、蒸汽冷凝）及蓄热式（耐热材料），列管式主要特点：冷热两种流体间的热交换，是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的。废蒸汽热水冷水混合式换热器空调的制冷循环、太阳能供热设备、热管式换热器等均属此类。蓄热式换热器高温流体蓄热体低温流体中间载热体式换热器此类换热过程广泛应用于核能工业、冷冻技术及工厂余热利用2.4蒸发蒸发：使含有不挥发溶质的溶液沸腾气化并移出蒸汽，从而使溶液中溶质浓度提高的单元操作。其中，加热蒸汽称为生蒸汽，蒸出的蒸汽称为二次蒸汽。2.5蒸馏（应用于均相物系）原理：将液体混合物部分气化，利用混合物中各组分的挥发度不同使各组分得以分离。轻组分：沸点低的组分为易挥发组分重组分：沸点高的组分为难挥发组分馏出液：蒸出冷凝液釜残液：蒸出后剩余的混合液传质过程（分离操作）：物质在相间的转移过程。其中，蒸馏是分离液体混合物的典型单元操作。按操作流程：间歇、连续蒸馏(主要)按蒸馏方式：简单蒸馏、平衡蒸馏（闪蒸）、精馏（最广泛）和特殊精馏。按操作压强：常压、加压或减压1、分类：板式塔：泡罩塔、浮阀塔、筛板塔。填料塔：塔内充填一定高度的填料。2、塔板的作用：气液两相传质，传热的场所。3、筛板塔中n层板上的操作情况（二）精馏塔鞍环填料阶梯环填料鲍尔环填料2.5.1精馏流程C简化流程由于温度较高的蒸汽与温度低的X3确接触，使液体部分气化，蒸汽自身被冷凝，省去了中间加热器与冷凝器。将每一中间产品返回到下一级中，不仅可以提高产品的收率；而且是过程必不可少的条件。回流是保证精馏过程能连续稳定操作的必不可少的条件。再沸器是保证精馏过程连续稳定操作的必不可少的条件。xFx2x1y1x3y2y3y3(或xD)y1冷凝器分离器加热器简单蒸馏流程蒸汽原料液冷却水冷凝器蒸馏釜收集器萃取精馏1-萃取精馏塔2-萃取剂回收段3-苯回收塔4-冷凝器1342苯+环己烷脱溶剂基顶产品循环糠醛补充糠醛脱溶剂基底部产品恒沸精馏原料和苯酒精和水1-恒沸精馏塔2-苯回收塔3-乙醇回收塔4-全凝器5-分层器123445无水乙醇水吸收：使混合气体与适当的液体接触，气体中的一个或几个组分便溶解于该液体内而形成溶液，不能溶解的组分则保留在气相中,即利用各组分溶解度不同而实现分离气体混合物的操作。溶质：能够溶解的组分溶剂：即吸收剂，用来溶解气体的液体溶液：即吸收液，吸收操作所得到的液体吸收尾气：排出的气体吸收操作的意义：（1）原料气的净化。（2）有用组分回收。（3）制备有用溶液。（4）废气治理。2.6吸收吸收塔混合气体溶液尾气吸收剂吸收塔平面图2.7萃取萃取操作的原理萃取：分离液体（或固体）混合物的一种单元操作，即选择一种溶剂使混合物中易分离的组分溶解于其中，其余组分则不溶或少溶而获得分离。亦称溶剂萃取，简称萃取或抽提。萃取剂:选用的溶剂，以S表示；溶质:原料液中易溶于S的组分，以A表示；原溶剂（或稀释剂）:难溶于S的组分,以B表示。将一定量萃取剂加入原料液中，然后加以搅拌使原料液与萃取剂充分混合，溶质通过相界面由原料液向萃取剂中扩散，所以萃取操作与精馏、吸收等过程一样，也属于两相间的传质过程。搅拌停止后，两液相因密度不同而分层：一层以溶剂S为主，并溶有较多的溶质，称为萃取相，以E表示；另一层以原溶剂（稀释剂）B为主，且含有未被萃取完的溶质，称为萃余相，以R表示。若溶剂S和B为部分互溶，则萃取相中还含有少量的B，萃余相中亦含有少量的S。一般地，在下列情况下采用萃取方法更为有利。（1）原料液中各组分间的沸点非常接近，也即组分间的相对挥发度接近于1，若采用蒸馏方法很不经济；（2）料液在蒸馏时形成恒沸物，用普通蒸馏方法不能达到所需的纯度；萃取剂S原料液A+B12萃取相E萃余相R图11－1萃取过程示意图1－混合器；2－分层器（3）原料液中需分离的组分含量很低且为难挥发组分，若采用蒸馏方法须将大量稀释剂汽化，能耗较大；（4）原料液中需分离的组分是热敏性物质，蒸馏时易于分解、聚合或发生其它变化。萃取设备萃取设备的工业应用实例萃取设备的类型很多。按萃取设备的构造特点大体上可以分为三类：一是单件组合式；二是塔式；三式离心式。萃取设备生产能力/m3/(m2·h)理论级数或级效率或理论级当量高度典型应用混合－澄清器喷淋塔填料塔筛板塔转盘塔离心萃取器变动范围大15～756～453～63～604～9575％～95％he=3~6mhe=1.5~6m对HT＝100～300mm时微30％3.4～12.5级润滑油工艺，核燃料加工用氨水从NaOH中萃取NaC1回收苯酚糠醛