化学工艺学-第1章 概论

第1章概论2020/2/10化学工艺学概论卢莲英2020/2/10化学工艺学概论卢莲英学时安排54学时周三3-4节（9509）周四1-2节(9705)（双周）教材：刘晓勤，化学工艺学，化学工业出版社，2010.2020/2/10化学工艺学概论卢莲英教学组织课程根据化学工业的结构特点，以典型化工产品为主线组织教学，共介绍6类：合成气及衍生品、硫酸；石油炼制、烃类热裂解及分离；烯烃为原料的化学品；芳烃为原料的化学品。每一个均介绍典型产品的生产原理（包括主副反应、反应机理、催化剂组成等），工艺条件（包括从热力学和动力学上分析影响因素和寻找最佳工艺条件）和工艺流程与设备（包括反应器选型、组织原则、生产方法比较及最新进展）。主要内容1.1化学工艺学研究范畴1.2化学工业的分类及特征1.3化工原料、产品及其工艺1.4化工过程1.5化工过程的主要效率指标1.6反应条件对化学平衡和反应速率的影响1.7化工工艺计算*2020/2/10化学工艺学概论卢莲英2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.1化学工艺学研究范畴化学工业：又称化学加工工业，泛指生产过程中化学方法占主要地位的制造工业。化学工艺原料化学产品化学工艺(chemicaltechnology)：即化工生产技术，指将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，包括实现这种转变的全部化学的和物理的措施。感性认识理性认识化学工艺学：根据化学、物理和其他科学的成就，来研究综合利用各种原料生产化工产品的方法原理、操作条件、流程和设备，以创立技术上先进、经济上合理、生产上安全的化工生产工艺的学科。2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.1化学工艺学研究范畴化学工程研究化学工业和其他过程工业中所进行的化学过程和物理过程共同规律的一门工程学科。提供过程的技术基础。化学工艺即化学生产技术，系指将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，包括实现这种转变的全部化学的和物理的措施。2020/2/10化学工艺学概论卢莲英化工工艺个性研究具体过程从原料到产品化学工程共性单元操作工程因素尤其是放大两者相辅相承，密不可分两者的关系2020/2/10化学工艺学概论卢莲英化学工艺学的范畴：（11个方面）☆一般包括原料的选择和预处理；☆生产方法的选择及方法原理；☆设备(反应器和其他)的作用、结构和操作；☆催化剂的选择和使用；☆其他物料的影响；☆操作条件的影响和选定；☆流程组织；☆生产控制；☆产品规格和副产物的分离与利用；☆能量的回收和利用；☆对不同工艺路线和流程的技术经济评比等问题。2020/2/10化学工艺学概论卢莲英化学工程学的研究内容•单元操作：流体输送、换热（加热和冷却）、蒸馏、吸收、蒸发、萃取、结晶、干燥等。•化学反应工程：化学反应是化工生产的核心部分，它决定着产品的收率，对生产成本有着重要影响。•传递过程：动量传递、热量传递和质量传递。传递过程着重研究上述三种传递的速率及相互关系，连贯起一些本质类同但表现形式各异的现象。•化工热力学：研究传递过程的方向和极限，提供过程分析和设计所需的有关基础数据。•化工系统工程：化工过程中，各个过程单元相互影响，相互制约，因此很有必要将化工过程看作一个综合系统，并建立起整体优化的概念。1.2化学工业的分类及特征1.2.1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：2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.2化学工业的分类及特征1.2.1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：2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.2化学工业的分类及特征1.2.2化学工业的特征1.原料、生产方法和产品的多样性与复杂性；2.向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高；3.多学科合作、生产技术密集型的生产部门；4.重视能量合理利用，积极采用节能工艺和方法；5.资金密集，投资回收进度快，利润高；6.化工生产中易燃、易爆、有毒仍然是现代化工企业首要解决的问题。2020/2/10化学工艺学概论卢莲英2020/2/10化学工艺学概论卢莲英高新技术，缩短开发周期最充分、最彻底地利用原料大力发展绿色化工化工过程要高效、节能和智能化实施废弃物再生利用工程1.2化学工业的分类及特征发展方向2020/2/10化学工艺学概论卢莲英化学工业的发展、地位和作用制陶、酿造、冶炼制碱、制酸、煤化学、合成氨石油化工高分子化工：合成材料新兴的化学工业2020/2/10化学工艺学概论卢莲英非自然资源生物资源矿物原料金属矿、非金属矿化石燃料矿动、植物体“废料”“垃圾”1.3化工原料、产品及其工艺1.3.1化学工业的原料资源2020/2/10化学工艺学概论卢莲英12345石油天然气煤核能水力40%22％25％6％7％全世界能源使用情况石油是“工业的血液”硫酸是工业之母1.3化工原料、产品及其工艺1.3.2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：2020/2/10化学工艺学概论卢莲英2020/2/10化学工艺学概论卢莲英杂质成分：水，氯化钙，氯化镁等盐类油田原油危害：水---浪费燃料盐----腐蚀设备、结垢，堵塞管路处理：脱水脱盐盐含量＜３ｍｇ/Ｌ，水含量＜０．２％。原油的预处理--从油田里开采出来的没有经过加工处理的石油叫原油1.3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。2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.3化工原料、产品及其工艺2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.3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。2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.3化工原料、产品及其工艺2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.3化工原料、产品及其工艺1.3.3天然气及其加工工艺主要成分：气态烃类（烷烃CH4,C2H6），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）C3,C4的烃类-液化气2020/2/10化学工艺学概论卢莲英2020/2/10化学工艺学概论卢莲英天然气主要成分是甲烷干气甲烷含量高于90%湿气C2~C4烷烃含量≥15%~20%油田伴生气天然气于石油伴生煤层气（瓦斯气）吸附在煤上的甲烷天然气水合物冻土带和海底甲烷与水组成的笼形化合物1.3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2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.3化工原料、产品及其工艺天然气的初步加工处理工艺流程2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.3化工原料、产品及其工艺天然气的化学加工途径2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.3化工原料、产品及其工艺1.3.4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。煤的基本结构单元为缩合芳烃及环烷烃及多种侧链，杂原子及官能团。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2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.3化工原料、产品及其工艺2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.3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。2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.3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。2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.3化工原料、产品及其工艺2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.3化工原料、产品及其工艺1.3.5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。2020/2/10化学工艺学概论卢莲英1.3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