化学工艺学课件：第2章.ppt

1、 第 2 章 化学工艺的共性知识2.1 原料资源及其加工2.2 化工生产过程及流程2.3 化工过程的主要效率指标2.4 反应条件对化学平衡和反应速率的影响 2.5 催化剂的性能及使用 2.6 反应过程的物料衡算和热量衡算基础主要内容2.1 原料资源及其加工l 石油l 天然气l 煤l 生物质l 空气l 水2.1.1 2.1.1 石油及其加工利用石油及其加工利用石油化工自20世纪50年代开始蓬勃发展 基本有机化工、高分子化工、精细化工及氮肥工业等的产品中大约有90%来源于石油和天然气三烯乙烯、丙烯、丁二烯 石油制取三苯苯、甲苯、二甲苯 石油、天然气和煤制取石油的组成 l由分子量不同、组成和结构不同

2、、数量众多的化合物构成的混合物，其中化合物的沸点从常温到500以上 l石油中的化合物分为 烃类 非烃类 胶质和沥青n烃类化合物n非烃化合物 n胶质和沥青质 链式饱和烃 环烷烃 芳香烃 硫化物 氮化物 含氧化合物金属有机化合物 稠环烃类等根据沸程的不同，将油品分类油品的概念 石脑油（轻汽油） 50140汽油 140200航空煤油 140230煤油 180310柴油 260350润滑油 350520重、渣油 520来源 常减压蒸馏得到直馏汽油 催化裂化重整得到催化汽油辛烷值 汽油在内燃机中燃烧时，抗爆震性能的指标。辛烷值越大，抗爆震性能愈高，汽油的质量也愈好 测定方法：研究法（RON）马达法（MO

3、N） 汽油的来源和指标 将异辛烷规定为100，正庚烷为0，两者以不同比例混合，制成标准汽油。将待测汽油与标准汽油相比较，若两者在标准汽油机中抗爆性能相同，则待测汽油的辛烷值就是同测标准汽油中异辛烷的百分含量 93 ？ 97 辛烷值定义评定柴油发火性能（自燃性）的指标定义： 在单缸发动机中，当试验油料的自燃性和十 六 烷与2甲基萘某一混合物的自燃性能相同时，待测油料的十六烷值就和混合油料中十六烷值的体积百分数相同 柴油的指标- 十六烷值馏程闪点：评定柴油蒸发性能的指标，主要是50和90的馏出温度凝点：在规定的实验条件下，试样开始失去流动性的温度冷滤点：通过过滤器的流量每分钟不足20mL时的最高温

4、度 柴油的其他性能指标 5: 8以上 0: 8至4 10: 4至5 20: 5至14 35: 14至29 50: 29至44 柴油标号的依据是柴油的凝固点 柴油的标号利用原油中各组分沸点的差别进行分离常压蒸馏常压蒸馏减压蒸馏减压蒸馏石油的加工一次加工 油品的加工n催化重整 （catalytic reforming）n催化裂化 (catalytic cracking) n催化加氢裂化 (catalytic hydrocracking) n 烃类热裂解 （pyrolysis of hybrocarbons）二次加工 馏分油的化学加工 调整烃类的组成催化重整 在含铂的催化剂作用下加热汽油馏分，使其中

5、的烃类分子重新排列形成新分子的工艺过程。原料油： 石脑油产物: 高辛烷值汽油 芳烃 液化气 溶剂油 氢气 在催化剂作用下加热重质馏分油，使大分子烃类化合物裂化的过程原料油： 直馏柴油 减压柴油 重柴油 焦化馏分油 （碳数多在18以上）产物: 高质量汽油 柴油 锅炉燃油 液化气 甲烷和氢等催化裂化 催化剂存在及高氢压下，加热重质油使其发生各类加氢和裂化反应原料油： 减压柴油 重柴油 减压渣油产物: 油品安定性好 航空煤油 柴油 汽油 催化加氢裂化 将烃类加热到750900使其发生裂解原料油： 乙烷 丙烷 石脑油产物: 乙烯 丙烯 丁烯 丁二烯 三苯等芳烃 其他化工原料烃类热裂解 天然气 主要成分

6、是甲烷 干气 甲烷含量高于90% 湿气 C2C4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2.1.2 天然气及其加工利用l 制氢气和合成氨 l 经合成气路线制燃料和化工产品 l 直接催化转化成化工产品 l 热裂解制化工产品 l 甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化l 湿气中C2C4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2.1.3 煤及其加工利用

7、高温干馏（炼焦）低温干馏煤气化 煤液化（直接液化 间接液化）煤的加工煤煤低温干馏低温干馏 焦炉煤气焦炉煤气含氢、甲烷、乙烯等含氢、甲烷、乙烯等 低温煤焦油低温煤焦油 酚类、烷烃、环烷烃等酚类、烷烃、环烷烃等 半焦半焦 气化气化 合成气合成气 高温干馏高温干馏 焦炉煤气焦炉煤气 粗苯粗苯 分离分离 苯苯二甲苯二甲苯 甲苯甲苯 氧（杂）茚氧（杂）茚 茚茚煤焦油煤焦油 分离分离苯酚、甲酚、二甲酚苯酚、甲酚、二甲酚 萘、烷基萘萘、烷基萘 蒽蒽其他化工原料其他化工原料气化气化合成气合成气合成合成氨、甲醇、低碳混合氨、甲醇、低碳混合醇、汽油、柴油等醇、汽油、柴油等 高压加氢液化高压加氢液化汽油、煤油、柴油

8、等汽油、煤油、柴油等 糠醛的生产HCHCCHCHC C5 5H H1010O O5 5C CC C糠醛糠醛 O OCHOCHO+ 3 + 3 H H2 2O O 2C2H10O5 H2O淀粉淀粉C12H22O11(麦芽糖麦芽糖)H2O2C6H12O6(葡萄糖）葡萄糖）C6H12O6酵母酵母2CH3CH2OH + 2CO2乙醇的生产 2.1.4 生物质及其加工利用产品分离与精制 化学反应 原料预处理 2.2 化工生产过程及流程化工生产过程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 2.2 化工生产过程及流程化工生产工艺流程组织 推论分析法从“目标”出发对不同功能的单元进行

9、逻辑组合化工工艺过程的 “洋葱”模型反应器反应器分离与再循环换热网络公用工程公用工程化工生产工艺流程组织 功能分析法分析每个单元的基本功能和属性，列出不同方案不同功能单元的实施方法不同设备型式不同流程方案化工生产工艺流程组织 形态分析法对不同流程方案精确分析评价，择优汰劣 原 则l 是否满足所要求的技术指标l 经济指标的先进性l 环境、安全和法律l 技术资料的完整性和可信度例例丙烯氨氧化制丙烯腈生产过程主反应： C3H6+NH3+1/2O2 CH2= CHCN + H2O 主要副产物： HCN CH3CN Q ? 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

10、同时从水溶液中蒸发出来，冷凝后再逐个精馏分离； Q？ 丙烯腈与乙腈的沸点相近，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n如何提高原料的利用率？ 循环流程n如何合理地利用和回收能量？ 放热反应 吸热反应n如何提高能量回收利用的效率？ 不同温位热能 l生产能力和生产强度l化学反应的效率合成效率l转化率选择性 收率l平衡转化率和平衡产率2.3 化工过程的主要效率指标生产能力 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

11、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/hm3，t/dm3 kg/hm2，t/dm2 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）催化剂所得产品量合成效率原子经济性AE 环境因子%100jjjiiiMFMPAE目标产物质量废物质量E转化率（反应器）（反应系统）循 环 流 程新鲜原料新鲜原料F混合混合反应反应分离分离循环物料循环物料R混合混合原料原料M选择性该反应物的转化总量应物的量转化为目的产物的某反S 表达主、副反应进行程度的大小反映原料的利用是

12、否合理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 该反应物的起始量应物的量转化为目的产物的某反Y收率 产率 2.4 反应条件对化学平衡和反应速率的影响 对于可逆反应，平衡常数与温度的关系CRTHK)303. 2/(log0吸热反应H0，K值随着温度升高而增大,有利于平衡 产率增加放热反应 H0，K值随着温度升高而减小，降低温度 使平衡产率增加温度的影响 化学平衡温度的影响 反应速率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DBADBADBADBACCCkCCCkr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

13、应温度下净反应速率最大浓度的影响反应物浓度越高，越有利于平衡向产物方向移动反应物浓度愈高，反应速率愈快压力的影响压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大 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一定的压力范围内加压，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的反应的平衡2.5 催化剂的性能及使用 n 提高反应速率和选择性 n 改进操作条件 n 催化剂有助于开发新的反应过程，发展新的化工技术n 催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用催化

14、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、络合物催化剂工业催化剂的使用性能活性 选择性寿命 寿命的影响因素 化学稳定性 热稳定性 力学性能稳定性 耐毒性失活原因

15、： 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2.6 反应过程的物料衡算和热量衡算基础 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 衡算系统的物料衡算通式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

16、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+ mi 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，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计算结果 例例2-5 p39 稳态流动反应过程的热量衡算 稳态流动反应过程是一类最常见的恒压过程，在该系统内无能量积累。输入该系统的能量= 输入物料的内能U in + 环境传入的热量QP输出该系统的能量= 输出物料的内能U out + 系统对外作的功 W U in+ QP = U out + W热量衡算的关键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298 K（或273K）为基准温度注意物质的相态，计算相应的例例2-6 p44