第二章 化学工艺学--化学工艺基础

第二章化工工艺基础●原料资源及其加工●化工生产过程及流程●化工过程的主要效率指标　　●反应条件对化学平衡和反应速率的影响●催化剂的性能及使用　●反应过程中的物料衡算和热量衡算讲授内容第一节原料资源及其加工●无机化学矿及其加工（自学）●石油及其加工●天然气及其加工●煤及其加工●生物质及其加工●无机化学矿及其加工盐矿、硫矿、磷矿、钾盐、铝土矿、硼矿、锰矿、钛矿、锌矿、钡矿、天然沸石、硅藻土、铁矿等★掌握石油的组成；原油一次加工和二次加工过程定义；★掌握催化重整、催化裂化、加氢裂化、等石油加工工艺的定义、原料、产品性质及工艺原理●石油及其加工利用原油中各组分沸点的差别进行分离常压蒸馏和减压蒸馏★石油一次加工◆石油加工石油一次加工得到主要产品气体（C1-C4烷烃），石脑油，煤油，柴油，蜡油，常压渣油，减压渣油催化重整（catalyticreforming）催化裂化(catalyticcracking)催化加氢裂化(catalytichydrocracking)烃类热裂解（pyrolysisofhybrocarbons）★二次加工——馏分油的化学加工调整烃类的组成★催化重整☆催化重整工艺：是在催化剂作用下，将汽油馏分中的C6-C11烃分子重新排列成新的分子结构的过程。☆催化重整原料:直馏汽油,加氢焦化汽油☆催化重整主要产品：高辛烷值汽油组分或苯、甲苯、二甲苯等重要化工原料，并副产氢气★催化裂化☆催化裂化工艺：是原料在催化剂的作用下,在470-530℃和0.1-0.3MPa下,发生裂解等一系列反应,将重质原料油转化为气体、汽油、柴油等轻质产品和焦炭的工艺过程。☆催化裂化原料减压蜡油,焦化蜡油,常压渣油,焦化蜡油,脱沥青油☆催化裂化产品干气C1-C2<5液化气C3-C410-16汽油RON=88-9030-60柴油CN<4020-40焦炭只利用烧焦热5-10☆加氢裂化（HydroCracking）工艺：加氢裂化是在高温、高压以及氢气和催化剂存在的条件下，使重质油发生裂化反应，转化为气体、汽油、喷气燃料、柴油等，同时将原料油中的硫、氮、氧和金属等杂原子加氢脱除的过程。★加氢裂化☆加氢裂化主要产品石脑油----乙烯裂解原料,重整原料煤油----航空燃料柴油----优质柴油尾油----乙烯裂解原料,催化裂化原料☆加氢裂化主要原料直馏压蜡油、焦化蜡油、加氢处理蜡油、常压渣油等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%油田伴生气天然气与石油共生煤层气（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●天然气及其加工制氢气和合成氨经合成气路线制燃料和化工产品直接催化转化成化工产品热裂解制化工产品甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化湿气中C2-C4烷烃的利用◆天然气的化工利用煤(coal)由含碳、氢的多种结构的大分子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无机矿物质组成成煤过程的程度不同分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤H%O%含量顺序泥煤>褐煤>烟煤>无烟煤碳含量:60-70%,70-80%,80-90,90-93%●煤及其加工利用高温干馏（炼焦）：900-1100℃焦碳、焦炉气、粗苯、氨、煤焦油低温干馏：500-600℃半焦、低温焦油、煤气煤气化：900-1300℃氢气、一氧化碳煤液化（直接液化间接液化）烃类燃料、含氧化合物燃料◆煤的加工方法◆糠醛的生产●生物质及其加工利用HCCHC5H10O5CCOCHO+3H2O含多缩戊糖生物质在硫酸催化剂,180℃,1.0MPa水解为戊糖，戊糖进一步环化脱水制得糠醛H2OH2O2(C2H10O5)n（淀粉）C12H22O11(麦芽糖)2C6H12O6(葡萄糖）C6H12O6酵母2CH3CH2OH+2CO2◆乙醇的生产◆丙二醇的生产葡萄糖经微生物发酵◆生物柴油第二节化工生产过程及流程●化工生产过程原料预处理化学反应产品的分离和精制●化工生产工艺流程工艺流程和流程图化工生产工艺流程的组织产品分离与精制化学反应原料预处理●化工生产过程达到所需状态和规格原料到产物的转变,核心得到符合规格的产品回收利用副产物◆工艺流程和流程图   原料需要经过包括物质和能量转换的一系列加工，方能转变成所需产品,按物料加工顺序将各功能单元有机地组合起来，则构筑成工艺流程。◆生产工艺流程图工艺流程多采用图示方法来表达，称为工艺流程图(flowsheet或processflowsheet)。●化工生产工艺流程◆常见的生产工艺流程图★单元过程流程图（P26图2-9）★关键（主要）设备流程图（P106，P86图3-19）★原则工艺流程图（一般是将单元过程和重要设备以框图形式画出来。P101，图3-32）★PID图（Piping&InstrumentDiagram，又称带控制点的工艺流程图。包括所有的管路，反应器，储罐，泵，换热器等化工设备,以及各种阀门等）●化工生产工艺流程◆化工生产工艺流程组织★工艺流程的组织是化工过程的开发和 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的重要环节。★是对化工过程进行：技术经济评价、安全评价、环境评价、能耗评价等的依据★推论法功能法形态分析法从“目标”出发寻找实现“目标”的“前提”，将不同功能的单元进行逻辑组合，形成具有整体功能的系统化工工艺过程的“洋葱”模型反应器分离与再循环换热网络公用工程★推论分析法★功能分析法分析每个单元的基本功能和属性，列出不同 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 不同功能单元的实施方法不同设备型式不同流程方案★形态分析法对不同流程方案精确分析评价，择优汰劣原则是否满足所要求的技术指标经济指标的先进性环境、安全和法律技术资料的完整性和可信度[例]   丙烯液相水合制异丙醇,在20MPa和200～300℃及硅钨酸催化剂水溶液中进行，该工艺异丙醇选择性为98％～99％，但尚有30％～40％的丙烯未反应，丙烯是价贵的原料，若直接排放既浪费又污染环境。因此，提高原料利用率是关键的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。将未反应的反应物从产物中分离出来，再返回反应器是一个有效的方法，这样就需采用循环流程。丙烯液相水合制异丙醇流程方框图压缩压缩水和反应分离精制丙烯水异丙醇循环丙烯催化剂水溶液[例]丙烯氨氧化制丙烯腈生产过程主反应：C3H6+NH3+1/2O2CH2=CHCN+H2O主要副产物：HCNCH3CNQ?如何从吸收塔底流出的水溶液中分离出丙烯腈和副产物呢？方案一：将丙烯腈和各副产物同时从水溶液中蒸发出来，冷凝后再逐个精馏分离；Q？丙烯腈(77.3℃)与乙腈(81.6℃)的沸点相近，普通精馏方法难于将它们分离方案二：采用萃取精馏法先将丙烯腈和HCN解吸出来，乙腈留在水溶液中，然后再分离丙烯腈和HCN乙腈与水完全互溶，而丙烯腈在水中的溶解度很小，用水作萃取剂，使两者精馏分离变得很容易第三节化工过程的主要效率指标●生产能力和生产强度●化学反应的效率——合成效率●转化率　选择性收率●平衡转化率和平衡产率●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千克/时（kg/h）吨/天(t/d)万吨/年(10kt/a)设计能力：在最佳条件下可以达到的最大生产能力※设备的单位体积（或面积）的生产能力单位：kg/h·m3，t/d·m3，kg/h·m2，t/d·m2　●生产强度※时空收率(催化剂的生产强度)单位时间、单位体积（质量）催化剂所得产品量或处理原料的量※有效生产周期开工因子=全年开工生产天数/365●化学反应效率----合成效率原子经济性AE(atomecnomy)----B.M.Trost环境因子-----荷兰SheldonP28例题计算●转化率 ★关键反应物的转化率所谓关键反应物指的是反应物中价值最高的组分，为使其尽可能转化，常使其它反应组分过量。※对于不可逆反应，关键组分的转化率最大为100%；※对于可逆反应，关键组分的转化率最大为其平衡转化率。（反应器）（反应系统）循环流程表达主、副反应进行程度的大小反映原料的利用是否合理●选择性S=实际所得目的产物量按某反应物的转化总量计算得到的目的产物理论量从产物角度来描述反应过程的效率？单程收率总收率？平衡转化率　平衡产率？转化率、选择性和收率的关系(Y=SX)●收率(产率)●质量收率指投入单位质量的某原料所能生产的目的产物的质量   目的产物的质量Ym﹦某原料的起始质量●温度的影响温度对化学平衡的影响；温度对反应速率的影响●浓度的影响反应物浓度对化学平衡和反应速率的影响提高反应物浓度的方法●压力的影响第四节化学反应条件对化学平衡和反应速率的影响★不可逆反应-----不考虑★可逆反应，平衡常数与温度的关系●温度的影响吸热反应　标准反应焓差ΔHө>0，K值随着温度升高而增大,有利于平衡产率增加放热反应　标准反应焓差ΔHө<0，K值随着温度升高而减小，降低温度使平衡产率增加◆温度对化学平衡的影响◆温度对反应速率的影响ｋ总是随温度的升高而增加不可逆反应，产物生成速率随温度的升高而加快可逆吸热反应，净速率随温度的升高而增高可逆放热反应，在最佳反应温度下净反应速率最大K=Aexp(-E/RT)—阿类尼乌斯方程aA+bBdD☆可逆放热反应,净速率随温度变化的三种可能温度较低时,净反应速率随温度的升高而增高超过某值后,净反应速率随温度的升高而降低净反应速率极大值—最佳反应温度●浓度的影响◆反应物浓度对反应平衡的影响：反应物浓度越高，越有利于平衡向产物方向移动　使廉价易得的反应物过量，提高价贵难得反应物的利用率◆反应物浓度对反应速度的影响：反应物浓度愈高，反应速率愈快。反应初期，反应物浓度高，反应速率大；末期反应物浓度降低，反应速率减小◆提高反应物浓度的方法★液相反应--溶剂提高溶解度,蒸发或冷冻产物★气相反应--压缩或降低惰性物含量★可逆反应—反应物浓度和平衡浓度之差（反应推动力）,反应远离平衡---反应精馏等★对固相和液相反应的影响：影响较小★对气相反应平衡的影响分子数增加的反应，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，压力对平衡产率无影响●压力的影响◆压力对反应平衡的影响◆压力对气相反应速率的影响一定范围内加压，对加快反应速率有一定好处，但压力过高，反而不经济◆惰性气体对反应速率和平衡产率的影响惰性气体的存在，降低反应物的分压，对反应速率不利，但有利于分子数增加反应的平衡产率●催化剂的作用●催化剂的基本特征●催化剂的分类●工业催化剂的使用第五节催化剂的性能及使用◆催化剂的定义能够改变某一化学反应速率，但在反应前后的数量和化学性质不变的物质。◆自催化作用化学反应所产生的产物加快了反应速度的现象◆负催化剂或阻化剂降低化学反应速率的物质●催化剂概念●催化剂的作用提高反应速率和选择性改进操作条件催化剂有助于开发新的反应过程，发展新的化工技术催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用●催化剂的基本特征催化剂是参与了反应的，但反应终了时，催化剂本身未发生化学性质和数量的变化催化剂只能缩短达到化学平衡的时间（即加速作用），但不能改变平衡催化剂具有明显的选择性，特定的催化剂只能催化特定的反应●催化剂的分类按催化反应体系的物相均一性均相催化剂非均相催化剂按反应类别加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、异构化、芳构化、羰基化、卤化按反应机理氧化还原型催化剂、酸碱催化剂按使用条件下的物态金属催化剂、氧化物催化剂、硫化物催化剂、酸催化剂、碱催化剂、络合物催化剂和生物催化剂●工业催化剂的使用性能活性选择性寿命化学稳定性热稳定性力学性能稳定性耐毒性◆影响寿命的因素◆许多固体催化剂在出售时的状态一般是较稳定的，这种稳定状态不具有催化性能，使用前对其进行活化，使其转化成具有活性的状态。  ◆不同类型的催化剂要用不同的活化方法，有还原，氧化，硫化，酸化、热处理等等●催化剂的活化◆失活原因超温过热，使催化剂表面发生烧结，晶型转变或物相转变；原料气中混有毒物杂质，使催化剂中毒；有污垢覆盖催化剂表面●催化剂的失活和再生暂时性中毒是可逆的，当原料中除去毒物后，催化剂可逐渐恢复活性永久性中毒则是不可逆的。催化剂积碳可通过烧碳再生无论是暂时性中毒后的再生，还是积碳后的再生，均会引起催化剂结构的损伤，致使活性下降◆催化剂再生●反应过程的物料衡算物料衡算的基本方程间歇操作的物料衡算稳定流动过程的物料衡算●反应过程的热量衡算原理与步骤反应过程中涉及焓变第六节反应过程的物料衡算和热量衡算◆通过物、热衡算，计算生产过程的原料消耗指标、热负荷和产品产率等，为设计和选择反应器和其它设备的尺寸、类型及台数提供定量依据；  ◆核查生产过程中各物料量及有关数据是否正常，有否泄漏，热量回收、利用水平和热损失的大小，从而查出生产上的薄弱环节和限制部位，为改善操作和进行系统的最优化提供依据。●物料衡算和热量衡算的意义◆衡算系统的物料衡算通式输入物料的总质量=输出物料的总质量+系统内积累的物料质量◆理论依据:质量守恒定律●反应过程的物料衡算◆间歇操作过程的物料衡算以每批生产时间为基准输入物料量：每批投入的所有物料质量的总和（包括反应物、溶剂、充入的气体、催化剂等）输出物料量：该批卸出的所有物料质量的总和（包括目的产物、副产物、剩余反应物、抽出的气体、溶剂、催化剂等）投入料总量与卸出料总量之差为残存在反应器内的物料量及其它机械损失◆稳定流动过程的物料衡算系统中各点的参数（温度、压力、浓度和流量等）不随时间而变化，系统中没有积累输入系统的物料总质量=输出系统的物料总质量组分衡算（∑mi）入=（∑mi）出+Δmi原子衡算输入物料中所有原子的摩尔数之和=输出物料中所有原子的摩尔数之和◆物料衡算的步骤绘出流程的方框图，以便选定衡算系统写出化学反应方程式并配平选定衡算基准(一般单位质量原料或产品，单位时间),以计算方便为原则收集或计算必要的各种数据设未知数，列方程式组，联立求解计算和核对 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 计算结果◆衡算原理：输入能量=输出能量+累计能量稳态连续，累计能量=0●反应过程的热量衡算◆热量衡算的步骤首先要确定衡算对象，即明确系统及其周围环境的范围选定物料衡算基准，物、热衡算方程式要联立求解，均应有同一物料衡算基准确定温度基准，多以298K（或273K）为基准温度注意物质的相态，计算相应的焓变◆反应过程中涉及焓变涉及:相变过程的焓变反应的焓变(在相同的始末温度和压力条件下，由反应物转变为产物并且不做非体积功的过程焓变）反应热显焓变（无相焓变和化学焓变，只有温度和压力变化）焓是状态函数,与变化途径无关非标准状态下反应过程的总焓变△H=∑Hout-∑Hin=△H1+△H2+∑△HRθ+△H3+△H46（反应CO+H2O=H2+CO2平衡常数）（1）绘出流程的方框图，以便选定衡算系统（2）写出化学反应方程式并配平CH4+H2O=CO+H2,CO+H2O=H2+CO2物料衡算（3）选定衡算基准选定100Kmol的原料天然气为物料衡算基准（4）收集或计算必要的各种数据设未知数，列方程式组，联立求解★反应管出口质量衡算设反应管出口的干气量为Vkmol,其中H2、CO、CO2物质的量分别为akmol、bkmol、ckmol,而CH4有0.11Vkmol,N2与Ar共1.4kmola+b+c+0.11V+1.4=V(1)★反应管进出口物料的氢原子衡算：设参加反应的水蒸气量为dkmol,则反应后剩余水蒸汽量为（330-d)kmol（97.2×4）+（1.2×6）+（330×2）=2a+(0.11V×4)+2(330-d)a+0.22V-d=198(3)★反应管进、出口物料的碳原子衡算97.2+（1.2×2）+0.2=b+c+0.11Vb+c+0.11V=99.8(2)★反应CO+H2O=H2+CO2平衡常数：ac/b（330-d)=1.175(5)★反应管进、出口物料的氧原子衡算（0.2×2)+330=b+2c+(330-d)b+2c-d=0.4(4)(5)计算和核对(6）报告计算结果热量衡算●已知数据（1）物料衡算结果（2）基准温度取298K（3）反应器入口温度：370℃（643K),出口温度780℃（1053K）（4）各组分在对应温度下的平均摩尔热容值以及各组分在298K的生成热可以从化工手册查找。