化工工艺1概论

第一章概论2主要内容1.1化学工业的分类及特征1.2化工原料、产品及其工艺1.3化工工艺计算31.1化学工业的分类及特征1.1.1化学工业的分类（1）无机化学工业合成氨、无机酸、碱、盐和无机化学肥料（2）基本有机化学工业合成醇、有机酸、醛、酯、酮以及烷烃、烯烃、芳烃系列产品（3）高分子化学工业合成塑料及树脂、合成纤维、合成橡胶（4）精细化学工业试剂、催化剂、助剂、添加剂、活性剂、染料、颜料、香料、涂料、农药、医药等（5）生物化学工业有机酸、生物农药、饲料蛋白、抗生素、维生素、疫苗等按产品分类：41.1化学工业的分类及特征1.1.1化学工业的分类（1）石油化工以石油和天然气为原料的化学工业（2）煤化工通过煤的气化、干馏和生产的电石为原料的化学工业（3）生物化工采用农、林等生物资源以及非生物资源，通过发酵、水解、酶催化而生产的化工产品（4）矿产化工以化学矿为原料的化工产品（5）海洋化工从海水中提炼的化工产品按原料分类：51.1化学工业的分类及特征1.1.2化学工业的特征（1）化学工艺方法和设备更新快，产品日新月异，是一个技术密集型的工业。（2）多数化学工业，特别是工业化学工业，无论原料和动力，都要消耗能量，是一个能源密集型的工业。（3）化工过程往往是易燃、易爆、有毒、有腐蚀的过程，生产条件控制严格，是一个连续性和自动化程度较高的工业。61.1化学工业的分类及特征（4）为提高经济效益，综合利用资源和能源，基本化学工业均向大型化方向发展。（5）化工生产是易产生废气、废水、废渣的过程，为防止污染环境，治理三废是化工生产中的不可忽视的问题，而治理三废的同时，有时又可得到有价值的副产品。（6）化工生产是有利于能量综合利用的过程，以节能为主要内容的技术改造，是降低生产能耗，提高经济效益的重要途径。7主要内容1.1化学工业的分类及特征1.2化工原料、产品及其工艺1.3化工工艺计算81.2化工原料、产品及其工艺化学工业最基本的原料是煤、石油、天然气、化学矿以及农林副产物和海洋资源，其中绝大部分基本有机化学工业和部分的基本无机化学工业的原料主要是煤和天然气。目前，世界化学工业主要以石油和天然气为原料，约占90%以上；而我国的化学工业原料则以煤为主。91.2化工原料、产品及其工艺1.2.1石油及其加工工艺从油田开采出来的石油称为原油，原油是一种褐黄色或黑色的粘稠液体，具有特殊气味，原有的化学组成非常复杂，主要有碳和氢两种元素所组成的各种烃类，并含有少量的氮、氧、硫化合物。烃类化合物分为烷烃、环烷烃和芳香烃。石蜡基原油含较多的石蜡，烷烃含量超过50%，密度小，凝固点高，含硫及胶质较少，大庆原油属于此类。环烷基原油含有较多的环烷烃和芳香烃，密度较大，凝固点低，含硫及胶质较多，沥青亦较多。中间基原油的性质介于前两类之间。原油按组成可分为：101.2化工原料、产品及其工艺以石油为原料加工出来的产品甚多，按其主要性质和用途可分为燃料油（汽油、煤油、柴油）、润滑油、沥青、石油焦以及基本化工产品六大类。基本化工产品为烯烃（乙烯和丙烯）、芳烃（苯、甲苯、二甲苯）、液化石油气和合成气等。以这些物质为原料进一步加工，可以制得各种各样的化工产品和日用产品。石油经热裂解生成重要的有机化工原料包括“三烯”（乙烯、丙烯、丁二烯）、“三苯”（苯、甲苯、二甲苯）等。111.2化工原料、产品及其工艺121.2化工原料、产品及其工艺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、锅炉燃油和液化气的同时，制取各类化工原料。一次加工：原油的常压蒸馏和减压蒸馏过程。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、传热物理过程。二次加工：常减压蒸馏馏份油的进一步化学加工过程。主要包括重整、催化裂化、催化加氢裂化和烃类热裂解。131.2化工原料、产品及其工艺141.2化工原料、产品及其工艺1.2.2天然气及其加工工艺主要成分：气态烃类，还含有少量的二氧化碳、氮气和硫化物等杂质。来源：伴生气和非伴生气。伴生气是伴随石油共生，通称为油田气；非伴生气为单独的气田资源，纯气田的天然气主要成分是甲烷。干气：每m3气体中C5以上重质烃含量低于13.5cm3（液体）湿气：每m3气体中C5以上重质烃含量高于13.5cm3（液体）贫气：含C3以上烃类高于94cm3（液体）富气：含C3以上烃类低于94cm3（液体）151.2化工原料、产品及其工艺产地组成（体积分数%）CH4C2H6C3H8C4H10C5H12H2S(mg/kg)COCO2H2N2四川93.010.80.20.05—20~400.020.40.025.5胜利92.073.12.320.860.1——0.68—0.84辽河90.783.271.460.930.7820—0．50.281.5几种气田的天然气组成161.2化工原料、产品及其工艺天然气作为化工原料时，主要是制取合成气，而进一步加工成各种化工厂品；用天然气为原料加工的基本化工产品，其成本一般较低。天然气是化学工业的重要原料，也是一种高热值、低污染的清洁能源。由天然气井、油田、煤层中产生的天然气，不宜直接用作化工原料，还需脱除有害组分，并将各组分分离，然后才能将所得各种组分合理利用。171.2化工原料、产品及其工艺天然气的初步加工处理工艺流程181.2化工原料、产品及其工艺天然气的化学加工途径191.2化工原料、产品及其工艺1.2.3煤及其加工工艺主要成分：碳、氢和氧，并含有少量的氮、硫、磷等杂原子。煤的种类C，wt%H，wt%O，wt%泥煤60~705~625~35褐煤70~805~615~25烟煤80~904~55~15无烟煤90~981~31~3不同煤的主要元素组成201.2化工原料、产品及其工艺211.2化工原料、产品及其工艺由于煤中含有大量的芳核结构，以它为原料来制取芳烃、稠环和杂环等类化合物(如苯类、酚类、喹啉、吡啶、咔唑等)，要比石油方便。目前世界上由煤得到的苯约占苯总产量的25%，萘约占萘总产量的85%，蒽、苊、芘占其总产量的90%以上，咔唑、喹啉均占100%，炭黑占其总产量的25%。221.2化工原料、产品及其工艺在煤化工范畴内的煤加工过程主要有煤的干馏、气化、液化等。煤的干馏是在隔绝空气的条件下加热煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和焦炉气的过程，也称为煤的热解或热分解。高温干馏：煤在炼焦炉中隔绝空气加热到1000℃左右，经过干馏的一系列阶段，最终得到焦炭，该过程也称为高温炼焦或简称炼焦。低温干馏：煤在终温500~700℃下进行的干馏过程，产生半焦、低温焦油和煤气等产物。231.2化工原料、产品及其工艺煤的气化：以煤或煤焦（半焦）为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等作为气化剂（或称气化介质），在高温（900~1300℃）通过化学反应把煤或煤焦中的可燃部分转化为气体的过程。气化时所得到的气体称为煤气，其有效部分包括一氧化碳、氢气和甲烷等。煤的液化：通过化学加工将煤转化为液体燃料的过程。直接加氢液化：在高压（10~20MPa）、高温（420~480℃）和催化剂作用下转化成液态烃的过程。间接液化：将煤预先制成合成气，然后在催化剂的作用下是合成气转化成烃类燃料、含氧化合物燃料的过程。241.2化工原料、产品及其工艺251.2化工原料、产品及其工艺1.2.4化学矿及其加工工艺固体化学矿的种类甚多，大多数化学矿是以化合物的形态存在，且含有多种元素。通常按某种元素在矿石中含量的高低分为高品位矿和低品位矿，低品位矿必须通过选矿富集才能作为原料。化学矿主要用于制取金属和无机盐类产品。化学矿种类繁多，主要矿物举例如下。261.2化工原料、产品及其工艺⑴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⑵硫矿：硫磺(S)、硫铁矿(FeS2)等，用于生产硫酸和硫磺⑶磷矿：氟磷灰石[Ca5F(PO4)3]、氯磷灰石[Ca5Cl(PO4)3]，用于生产磷肥，磷酸及磷酸盐等⑷钾盐矿：钾石盐(KCl和NaCl混合物)、光卤石(KCl·MgCl2·6H2O)、钾盐镁矾(KCl·MgSO4·3H2O)⑸铝土矿：水硬铝石(α-Al2O3·H2O)和三水铝石(Al2O3·3H2O)的混合物⑹硼矿：硼砂矿(Na2O·2B2O3·10H2O)、硼镁石(2MgO·B2O3·H2O)等271.2化工原料、产品及其工艺⑺锰矿：锰矿(β和γ-MnO2)、菱锰矿(MnCO3)等⑻钛矿：金红石(TiO2)、钛铁矿(FeTiO3)等⑼锌矿：闪锌矿(ZnS)、菱锌矿(ZnCO3)⑽钡矿：重晶石(BaSO4)、毒晶石(BaCO3)等⑾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⑿硅藻土(含83%～89%SiO2·nH2O)膨润土[(Mg,Ca)O·Al2O3·5SiO2·nH2O]，可作吸附剂和催化剂载体281.2化工原料、产品及其工艺化学矿的加工方法主要有热化学加工（煅烧、焙烧等）、浸取分离、萃取分离、提取分离和电化学等。除热化学加工外，其他各种加工方法是用水或溶剂把所需的金属化合物提取出来，这些方法通称为湿法冶金。291.2化工原料、产品及其工艺主要矿物质的加工利用301.2化工原料、产品及其工艺1.2.5生物质及其加工工艺来源：农、林、牧、副、渔业的产品及其废弃物（壳、芯、秆、糠、渣）等农副产品。利用方法：一是直接提取其中固有的化学成分；二是利用化学或生物化学的方法将其分解为基础化工产品或中间品。加工过程：涉及萃取、微生物水解、酶水解、化学水解、裂解、催化加氢、皂化、气化等一系列生产工艺和操作。311.2化工原料、产品及其工艺糠醛和糠醇的生产(C5H8O4)n水解nC5H10O5脱水+3nH2OOCHOn加氢OCH2OHnH+多缩戊糖戊糖糠醛糠醇321.2化工原料、产品及其工艺乙醇的生产(C6H10O5)nnC12H22O112nH2O淀粉酶nH2O淀粉酶2nC6H12O6淀粉麦芽糖葡萄糖C6H12O6酵母2CH3CH3OH2CO2+33主要内容1.1化学工业的分类及特征1.2化工原料、产品及其工艺1.3化工工艺计算34对于稳定的连续流动系统过程，无物料的积累，再若过程中无物料的损失，则输入的总物料量等于输出的总物料量，即1.3化工工艺计算1.3.1物料衡算物料衡算的依据是质量守恒定律：进入系统的物料量=离开系统的物料量+系统内物料积累量FGEGFEG=G351.3化工工艺计算（1）必须选择某一物料的数量作为计算的依据，称为物料衡算的基准。（2）所选组分往往是不发生变化的惰性物料。对于发生复杂化学反应的过程，最好选用元素的物质的量（如kmol）。（3）在一个系统中进行各设备的物料衡算时，应采用同一个基准，以避免发生计算错误。在进行物料衡算时应注意的问题：361.3化工工艺计算冷却塔湿气体（VF）水（W）干气体（VE）1.3.1物料衡算（物理变化过程）FEV=V+WgFgEV=VWFWEV=V+W总物料衡算式干气体的物料衡算式水的物料衡算式37连续过程的物料衡算一般表示式为：系统中积累=输入–输出+生成–消耗稳态过程时输入=输出–生成+消耗无化学反应的稳态过程输入=输出38物料平衡形式总平衡式*总质量平衡式总摩尔平衡式组分平衡式组分质量平衡式组分摩尔平衡式元素原子平衡式*元素原子质量平衡式*元素原子摩尔平衡式39物料衡算的基本步骤⑴画出流程示意图⑵列出已知数据⑶列出由物料平衡所需求解的问题⑷决定系统的边界⑸写出主、副产品的化学反应方程式40⑹约束条件⑺选择计算基准⑻进行物料平衡计算⑼列出物料和能量平衡表，并进行校核⑽结论41关于基准⑴时间基准连续（小时，天……）间歇（釜，批……）⑵质量基准kg，mol，kmol……⑶体积基准m3（STP）⑷干湿基准干基（不含水），湿基（含水）例：100kg湿物料，其中含水10kg，按湿基：含水率为10%；若按干基：含水率为10/（100-10）×100%=11.11%421.3化工工艺计算例1