化学工艺学-1概论课件

*,*,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,第一章 概论,化学工业出版社,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,2,1.1,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：,3,1.1,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：,4,1.1,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。,5,1.1,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。,6,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,7,1.2,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。,8,1.2,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：,9,1.2,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。,10,1.2,化工原料、产品及其工艺,11,1.2,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。,12,1.2,化工原料、产品及其工艺,13,1.2,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,m,3,气体中,C,5,以上重质烃含量低于,13.5 cm,3,（液体）,湿气：,每,m,3,气体中,C,5,以上重质烃含量高于,13.5 cm,3,（液体）,贫气：,含,C,3,以上烃类高于,94 cm,3,（液体）,富气：,含,C,3,以上烃类低于,94 cm,3,（液体）,14,1.2,化工原料、产品及其工艺,产地,组成（体积分数,%,）,CH,4,C,2,H,6,C,3,H,8,C,4,H,10,C,5,H,12,H,2,S,(mg/kg),CO,CO,2,H,2,N,2,四川,93.01,0.8,0.2,0.05,2040,0.02,0.4,0.02,5.5,胜利,92.07,3.1,2.32,0.86,0.1,0.68,0.84,辽河,90.78,3.27,1.46,0.93,0.78,20,0,5,0.28,1.5,几种气田的天然气组成,15,1.2,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。,16,1.2,化工原料、产品及其工艺,天然气的初步加工处理工艺流程,17,1.2,化工原料、产品及其工艺,天然气的化学加工途径,18,1.2,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,6070,56,2535,褐煤,7080,56,1525,烟煤,8090,45,515,无烟煤,9098,13,13,不同煤的主要元素组成,19,1.2,化工原料、产品及其工艺,20,1.2,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%,。,21,1.2,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,500700,下进行的干馏过程，产生半焦、低温焦油和煤气等产物。,22,1.2,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（,9001300,）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（,1020MPa,）、高温（,420480,）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。,23,1.2,化工原料、产品及其工艺,24,1.2,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。,25,1.2,化工原料、产品及其工艺,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,硫矿：,硫磺,(S),、硫铁矿,(FeS,2,),等，用于生产硫酸和硫磺,磷矿：,氟磷灰石,Ca,5,F(PO,4,),3,、氯磷灰石,Ca,5,Cl(PO,4,),3,，用于生产磷肥，磷酸及磷酸盐等,钾盐矿：,钾石盐,(,KCl,和,NaCl,混合物,),、光卤石,(KClMgCl,2,6H,2,O),、钾盐镁矾,(KClMgSO,4,3H,2,O),铝土矿：,水硬铝石,(,-Al,2,O,3,H,2,O),和三水铝石,(Al,2,O,3,3H,2,O),的混合物,硼矿：,硼砂矿,(Na,2,O2B,2,O,3,10H,2,O),、硼镁石,(2MgOB,2,O,3,H,2,O),等,26,1.2,化工原料、产品及其工艺,锰矿：,锰矿,(,和,-MnO,2,),、菱锰矿,(MnCO,3,),等,钛矿：,金红石,(TiO,2,),、钛铁矿,(FeTiO,3,),等,锌矿：,闪锌矿,(,ZnS,),、菱锌矿,(ZnCO,3,),钡矿：,重晶石,(BaSO,4,),、毒晶石,(BaCO,3,),等,天然沸石：,斜发沸石、丝光沸石、毛沸石,(,化学组成均为,NaOAl,2,O,3,n,SiO,2,x,H,2,O),等,硅藻土,(,含,83%,89% SiO,2,n,H,2,O),膨润土,(Mg, Ca)OAl,2,O,3,5SiO,2,n,H,2,O,，可作吸附剂和催化剂载体,27,1.2,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,。,28,1.2,化工原料、产品及其工艺,主要矿物质的加工利用,29,1.2,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。,30,1.2,化工原料、产品及其工艺,糠醛和糠醇的生产,31,1.2,化工原料、产品及其工艺,乙醇的生产,32,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,33,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,34,1.3,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：,35,1.3,化工工艺计算,1.3.1,物料衡算（物理变化过程）,总物料衡算式,干气体的物料衡算式,水的物料衡算式,36,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,37,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,38,物料衡算的基本步骤, 画出流程示意图, 列出已知数据, 列出由物料平衡所需求解的问题, 决定系统的边界, 写出主、副产品的化学反应方程式,39, 约束条件, 选择计算基准, 进行物料平衡计算, 列出物料和能量平衡表，并进行校核, 结论,40,关于基准, 时间基准,连续（小时，天,）,间歇（釜，批,）, 质量基准,kg,，,mol,，,kmol ,体积基准,m,3,（,STP,）,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%,41,1.3,化工工艺计算,例,1-1,苯、甲苯、二甲苯混合物采用由两个精馏塔组成的单元设备中进行分离，得到三种物流，各为一种物质的富集液，系统流程如图,1-10,所示。已知料液流率为,1000molh,1,，其组成为苯,20%,，甲苯,30%,，其余为二甲苯（均为摩尔分数）。在第一个精馏塔的釜底液中含苯,2.5%,和甲苯,35%,，然后进入第二个精馏塔分离，塔顶得到含苯,8%,和甲,72%,的溜出液，试计算各个精馏塔得到的馏出液、釜底液及其组成。,42,解,在系统流程图上，标明各流股物料量，其中 、 和,1.3,化工工艺计算,分别表示流股,3,中苯、甲苯和二甲苯的组成。,43,1.3,化工工艺计算,该精馏过程可列出三组衡算方程，每组选出三个独立方程，即：,塔,I,：,总物料,苯,甲苯,塔,II,：,总物料,苯,甲苯,44,1.3,化工工艺计算,整个过程：,总物料,苯,甲苯,流股,1,2,3,4,5,组分,molh,-1,组成,molh,-1,组成,molh,-1,组成,molh,-1,组成,molh,-1,组成,苯,200,0.20,180,0.90,20,0.025,20,0.08,甲苯,300,0.30,20,0.10,280,0.35,180,0.72,100.1,0.182,二甲苯,500,0.50,500,0.625,50,0.20,449.9,0.818,合计,1000,1.00,200,1.00,800,1.00,250,1.00,550,1.00,求解结果列表,45,1.3,化工工艺计算,1.3.1,物料衡算（化学变化过程）,对于化学反应过程，同一种元素的摩尔数是不变的，故可以按元素的摩尔数列出物料衡算式。,各种元素的物料衡算式：,碳,氧,总物料衡算式：,46,1.3,化工工艺计算,C + O,2,= CO,2,C + 0.5O,2,= CO,独立反应：,组分数,N,等于元素总数,M,与独立反应数,R,之和：,N = M + R,47,1.3,化工工艺计算,转化率：,反应所消耗的物料量与投入反应的物料量之比值称为该组分的转化率，一般以分率来表示，若用符号,XA,表示,A,组分的转化率，则得：,产率（或收率）：,主产物的实际收得量与按投入原料计算的理论产量之比值。用分率或百分率来表示，若用符号,Y,来表示产率，则得：,48,1.3,化工工艺计算,选择性：,表示各种主、副产物中，主产物所占的分率或百分率。用符号表,S,示，则得：,相对于同一反应而言，转化率、产率与选择性之间存在如下关系：,49,1.3,化工工艺计算,例,1-2,用邻二甲苯气相催化氧化生产邻苯二甲酸酐（苯酐）。邻二甲苯投料量,205kg/h,，空气,4500m3/h,。反应器出口物料组成（摩尔分数）如表所示。计算邻二甲苯转化率、苯酐收率及反应选择性。,组分,苯酐,顺酐,邻二甲苯,氧气,氮气,其他,合计,mol%,0.65,0.04,0.03,16.58,78,4.70,100,50,1.3,化工工艺计算,解,画出物料流程图：,因尾气中含有大量的惰性组分,N,2,，故选择,N,2,作为物料衡算的联系物。计算反应器出口物料的总流量：,51,1.3,化工工艺计算,反应器出口物料中苯酐和邻二甲苯的流量：,苯酐,邻二甲苯,主反应式：,邻二甲苯的转化率,苯酐收率,反应选择性,52,1.3,化工工艺计算,例,1-3,苯甲酰苯甲酸（,BB,酸）脱水缩合制蒽醌，要求控制反应终点时硫酸组成为,93.5%,。每批投料工业,BB,酸,400kg,，含水,10%,，干品含纯,BB,酸,97%,，缩合剂硫酸的浓度为,97.8%,，求算浓硫酸的需用量。缩合反应的转化率为,99%,（以上均为质量分数） 。,400kg,工业,BB,酸中含纯,BB,酸,含水,含杂质,反应生成蒽醌,反应生成水,未反应的,BB,酸,0.01,解,53,1.3,化工工艺计算,反应后废酸总量,反应后废酸浓度,解得,废酸质量,设,97.8%,的,H,2,SO,4,用量为,X,kg,54,1.3,化工工艺计算,输入,输出,名称,质量,/kg,组成,/%,纯重,/kg,名称,质量,/kg,组成,/%,纯重,/kg,工业,BB,酸,400,BB,酸,87.2,H,2,O 10.0,杂质,2.8,349,40,11,粗蒽醌,332.5,蒽醌,95.6,BB,酸,1.1,杂质,3.3,318,3.5,11.0,浓硫酸,1470,H,2,SO,4,97.8,H,2,O 2.2,1437.6,32.4,废酸,1537.5,H,2,SO,4,93.5,H,2,O 6.5,1437.5,100,合计,1870,1870,1870,1870,每批物料平衡表,55,1.3,化工工艺计算,弛放过程：,在带有循环物流的过程中，由于有些惰性组分或某些杂质没有分离掉，再循环中逐渐积累，会影响正常生产和正常操作。为了使循环系统中惰性组分保持在一定浓度范围内，需要将一部分循环气排放出去，这种排放称为弛放过程。,在连续弛放过程中，稳态的条件为：,弛放物流中任一组分的浓度与进行驰放那一点的循环物流浓度相同。因此，驰放物流的流率由下式决定：,弛放时惰性气体排出量,=,系统惰性气体进入量,料液流率,料液中惰性气体浓度,=,弛放物流流率,制定循环流中惰性气体浓度,56,1.3,化工工艺计算,例,1-4,由氢气和氮气生产合成氨时，原料气中总含有一定数量的惰性气体，如氩和甲烷。为了防止循环氢、氮气中惰性气体的积累，因此应设置驰放装置，如图所示。假定原料气的组成（摩尔分数）,N,2,为,24.75,，,H,2,为,72.25,，惰性气体为,1.00,。,N,2,的单程转化率为,25%,，循环物料中惰性气体为,12.5%,，,NH,3,为,3.75%,（摩尔分数），试计算各股物流的流率和组成。,57,1.3,化工工艺计算,解,基准：原料气,100mol/h,循环物流组成,（,以,代表惰性组分,）：,因循环气和驰放气从同一节点分流，故循环物流组成与驰放气组成相同。组成如下：,驰放气流率,F,4,由惰性气体平衡求出：,循环物流流率,R,由,N,2,组分衡算求取：,58,1.3,化工工艺计算,进反应器混合气的流率,F,2,：,产品液氨的流率,F,3,（由质量衡算得）：,为简化计算，将惰性气体全部看作是,Ar,，取惰性气体的相对分子质量为,40,，则有：,原料气质量流率：,弛放气质量流率：,液氨质量流率：,液氨摩尔流率,F,3,：,59,1.3,化工工艺计算,项目,原料气,F,1,循环气,R,混合气,F,2,驰放气,F,4,液氨,F,3,摩尔流率，,mol/h,100,322.58,422.58,8,45.85,物流组成,（摩尔分数）,N,2,0.2475,0.2094,0.2184,0.2094,0,H,2,0.7425,0.6281,0.6552,0.6281,0,0.01,0.125,0.0978,0.125,0,NH,3,0,0.0375,0.0286,0.0375,1.00,合计,1.00,1.00,1.00,1.00,1.00,物料衡算结果,60,对于稳定的连续流动过程，无热量的积累，且不计入热量的损失时，输入的总热量,1.3,化工工艺计算,1.3.2,热量衡算,热量衡算以热力学第一定律为基础。,输入的总热量,=,输出的总热量,+,积累的热量,+,损失的热量,就等于输出的总热量,因为热量是相对值，故在进行热量衡算时，应选定基准的温度和相态。基准温度可以任意选择，但一般选取,0,或,25,，因为在这两个温度下的热力学数据较多，易于查用。,61,1.3,化工工艺计算,（,1,）以反应热为基础计算,（,2,）以生成热为基础计算,A,：任意一种反应物或产物,n,AR,：过程中生成或消耗,A,的物质的量,m,A,：的化学计量系数,热量衡算的两种方法：,62,1.3,化工工艺计算,例,1-5,甲烷在连续式反应器中空气氧化生产甲醛，副反应是甲烷完全氧化生成,CO,2,和,H,2,O,。,以,100mol,进反应器的甲烷为基准，物料流程如图,1-15,所示。假定反应在足够低的压力下进行，气体便可看作理想气体。甲烷于,25,进反应器，空气于,100,进反应器，如要保持出口产物为,150,，需从反应器取走多少热量？,63,1.3,化工工艺计算,解 物料衡算基准：,100mol,进料中的,CH,4,。衡算结果如图所示。,各组分单位进料（,25,）的焓值,（,1,）,25,下进料甲烷的焓,查手册得生成热,则,能量衡算：,取,25,时生成各个反应物和产物的各种原子（即,C,、,O,、,H,）为基准，非反应物质,N,2,也取,25,为基准（因,25,是气体平均摩尔热容的参考温度）。各焓值计算如下。,64,1.3,化工工艺计算,（,2,）,查,手册得,（,3,）,查手册得,各组分单位出料的焓值,（,1,）,查手册得,65,1.3,化工工艺计算,（,2,）,查手册得,（,3,）,查手册得,（,4,）,查手册得,66,1.3,化工工艺计算,（,5,）,查手册得,（,6,）,查手册得,67,1.3,化工工艺计算,物料,n,进,(mol),H,进,(kJ/mol),n,出,(mol),H,出,(kJ/mol),物料,n,出,(mol),H,出,(kJ/mol),CH,4,O,2,N,2,100,100,376,-74.85,2.235,2.187,60,50,376,-69.95,3.758,3.655,HCHO,CO,2,H,2,O,30,10,50,-114.76,-388.56,-237.56,进出口焓值,将以上结果填入进出口焓表中。,68,1.3,化工工艺计算,当能量衡算不计动能变化时，,69,Thank You!,