化学工艺的共性知识分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,化学工艺的共性知识,化学工业原料资源及其加工利用,化工生产过程及流程,化工过程的主要效率指标,反响条件对化学平衡和反响速率的影响,催化剂的性能及使用,一 化学工业原料资源及其加工利用,石油及其加工利用,天然气及其加工利用,煤及其加工利用,生物质及其加工利用,世界化学工业大致经历了焦油化工、无机化工、电石乙炔化工，直至最近几十年的石油化工几个阶段。,二十世纪初，主要是以煤为根底；,五十年代，以煤和石油为原料比例占半；,六十年代以后，主要90%以石油、天然气为原料；,约10%左右化工产品用煤和农副产品为主要原料。,1,石油及其加工产品,从地下开采出来的未经加工处理的石油称为原油，其是一种有气味的呈褐色的粘稠液体，是多种碳氢化合物的混合物。也称“黑色金子。,组成：,C 83-87%，H 11-14%，O、N、S 1%,原油一般不直接利用，须经过加工制成各类石油产品方可利用。,常用的加工方法有四种：,1常减压蒸馏,2 催化裂化,3催化重整,4 加氢裂化,常减压蒸馏,是石油加工第一道加工方法龙头，按沸点不同分出各种馏分油。但所用原油要经脱盐、脱水处理后，方可使用。且处理后的原油，需到达含盐量50mg/L，H2O量0.2%的指标。根据需要，有时采用加碱中和硫化氢或缓蚀剂。,教学目的,教学难点,教学重点,要求学生理解因果分析法步骤，组织设计工艺流程图,画出石油常减压蒸馏工艺流程图,因果分析法分析组织工艺流程,因果分析法分析工艺流程,提出问题,怎样组织设计石油常减压蒸馏工艺流程？,关键：设备？物料线？,解决方法,因果分析法,因,果,分,析,法,概念,根据原料性质和加工要求，分析工艺流程需要的主要设备，用物料线连接主要设备，合理补充辅助设备，得到工艺流程图的方法，称为工艺流程组织设计因果分析方法。,两要素：设备、物料线。,应用,石油常减压蒸馏、催化裂化、催化重整、加氢精制、加氢裂化、延迟焦化,分,析,问,题,相关重点内容回忆,石油常减压蒸馏三个工序,石油预处理,常压蒸馏,减压蒸馏,石油预处理工序,分析,分,析,问,题,石油粘度高，含盐、含水，导致设备腐蚀，在设备内壁结垢影响成品油的组成。,脱除盐分、水分。原料输送需要,泵,，降低粘度需,加热器,，脱盐脱水需要,电场槽,。,加工要求,原料性质,脱除低沸点组分需要初馏塔，原料进里泵，加热需要加热器，塔顶需要冷凝器，回流罐等，别离稍高沸点馏分需要常压塔，进料泵，常压炉，塔顶需要冷凝器，回流罐，侧线取料汽提塔，汽提塔冷凝器。,常压蒸馏工序分析,分,析,问,题,加工要求,原料性质,30 400,的组分和更高沸点组分。,减压蒸馏工序分析,分,析,问,题,高沸点、高粘度馏分。被加热到400以上后，就会有局部烃裂解，并在加热炉中结焦。,原料性质,加工要求,进料需要,进料泵,，物料预热需要,减压炉,，减压降低体系沸点需要,真空系统、减压塔,、塔顶低沸组分,冷凝器,、,回流罐,、侧线取料,冷凝器、,塔底沥青,冷凝器,。,解,决,问,题,石油预处理工序设备：,进料泵、加热器、电场槽。,常压蒸馏工序设备：,初馏塔、进料泵、加热器、初馏塔冷凝器、回流罐、常压塔、进料泵、常压炉、常压塔冷凝器、回流罐、汽提塔、汽提塔冷凝器。,减压蒸馏工序设备：,进料泵,、,减压炉,、,真空系统、,减压塔,、,减压塔冷凝器,、,回流罐,、,冷凝器,。,解,决,问,题,物料线说明,主物料线,排污线,蒸汽,真空系统,回流罐,减顶气,蒸汽,重柴油,轻柴油,煤油,汽提塔,回流罐,轻汽油,回流罐,石油,电场槽,含盐污水去处理,初馏塔,常压炉,初顶气,常压塔,常顶气,减压塔,减压炉,减顶油,减一,减二,蒸汽,沥青,常压汽油,真空,蒸汽,先经初馏塔 拔顶气,轻汽油,-,作重整原料、裂解原料。,再经常压塔 轻汽油,-,作催化重整原料、作裂解原料。,煤油,-,作裂解原料,轻柴油,-,作裂解原料,重柴油,-,作催化裂化原料、作裂解原料,再经减压塔 减压柴油,-,作裂解原料及催化裂化原料,减压馏分油,减压渣油,-,生产石油焦或石油沥青。,常减压蒸馏所得的馏分油，有些足足有余，有些满足不了需要，有些质量指标达不到要求，因种种原因，还需进一步加工，充分发挥这些馏分的作用，以满足各种需要。,催化裂化,采用常减压蒸馏得到的汽油量少，质量又差，,通过裂化，即发生芳构化、异构化、环烷化，使重质燃料裂化成轻质燃料,，同时使轻质燃料的组分发生变化，汽油质量提高。,催化裂化工艺流程见图,2,所示。,催化裂化产物经分馏塔别离，可得“二次加工汽油、轻柴油。,副产裂化气即液化气，可从裂化气中别离得到丙烯、正丁烯、异丁烯，用于生产各种根本有机化工产品。,二次加工油质量好。,汽油质量好坏其主要质量之一，是具有良好的抗爆性。,抗暴性是衡量汽油质量的重要标志，常以辛烷值“O.N.表示。,“O.N.越高的汽油，其抗暴性越高，质量越高，而汽油的抗暴性与化学组成有关。正构烷烃抗暴性最差，带有很多支链的异构烷烃和芳香烃抗暴性最好，所以从常减压蒸馏出发的馏分，主要含有直链烷烃，抗暴性差，辛烷值低，质量就差。,裂化,有两种,:,热裂化,，,汽油产品质量差,O.N. 55-65,，,催化裂化,，,汽油产品质量好,O.N. 80,以上。,热裂化已被催化裂化所代替。,3催化重整,催化重整是使石油馏分油经过化学加工转变为富含芳烃的高辛烷值汽油。(催化剂 Pt/Al2O3),催化重整原料,：,轻汽油、直馏汽油、二次加工汽油。,催化重整汽油,占总汽油产量的,50%,以上。,催化重整也是生产芳烃的重要方法之一。,催化重整工艺流程见图,3,所示。,(4)加氢裂化,加轻裂化是在氢存在下进展的催化裂化反响，可得到优质的汽、煤、柴油，如航空喷气燃料和优质轻柴油。,特点：,原料用重质馏分油等，选择范围广；,裂化后，产生低级烷烃作化工原料；,加氢减压油可作生产乙烯的裂解原料。石化厂有此装置,加氢精制,临氢降凝,延迟焦化,2,天然气及其加工产品,干性天然气，,C,1,0,含量,90%,不可液化,湿性天然气，,C,1,0,含量,90%,可压缩液化,天然气是埋藏在地下，自然喷出或人工开采出来的可燃性气体的总称,。,天然气的分类有两种：,化学组成不同：,气井气气田，,干性天然气 ， 简称干气；,油田气油田伴生气 湿性天然气 ，,凝析井气 简称湿气；,矿藏不同,：,甲烷的化工利用主要有三个途径：, 经蒸汽催化转化制成合成气CO+H2，然后进一步合成甲醇、高级醇、氨、尿素以及碳一化学品。, 经局部氧化制造乙炔，开展乙炔化学工业。,直接用于生产各种化工产品，如，炭黑、氢氰酸、氯甲烷、硝基甲烷等。,(从湿气中别离得到的C2+烷烃作为裂解原料),3,煤及其加工产物,煤构造很复杂，以芳香核构造为主，具有烷基侧链和含杂原子氧、氮、硫基团的高分子化合物M2000。以煤作化工原料，可得到石油化工较难得到的产品。,煤的化学加工方法：, 煤的干馏：,常用高温干馏也称炼焦, 煤的气化, 煤与石灰熔融生产电石, 煤的干馏：,将煤隔绝空气加热，随着温度的升高，煤中有机物逐渐开场分解，其中挥发性物质呈气态逸出，残留下不挥发性产物就是焦碳或半焦。,气体产物经洗涤、冷却等处理后分别得到煤焦油、氨、粗苯和焦炉煤气。,我国纯苯产量的54.6%和全部的萘、蒽、咔唑等多环芳烃和杂环化合物都来自煤焦油。,粗苯主要由苯、甲苯、二甲苯、三甲苯所组成。,焦炉煤气经别离可得氢气、甲烷、乙烯等。, 煤的气化,煤、焦或半焦在高温常压或加压条件下，与气化剂反响转化为一氧化碳、氢等可燃性气体的过程。,产物可用作合成气、城市煤气、工业用燃料气。,3煤的液化,煤的高温加氢，称为煤的液化 。加氢、热解、脱灰,4 煤与石灰熔融生产电石,CaO + C CaC2 C2H2 化工原料。如，C2H3Cl等,中国煤化工的开展前景，重点开展煤气化技术，加强碳一化学的开展。,由碳一化学工艺路线制备含氧化合物如，醇、酸、醛、酮、醚等及其衍生物，将建立煤化学联合企业。,4,生物质的利用,在农产品加工过程中，可得到大量农副产品和农业废物，其中含纤维素、半纤维素、淀粉、糖类和油脂的生物质均可为根本有机化学工业提供原料和产品。,1农林副产品,*玉米芯-糠醛萃取剂,多缩己糖 水解可得单糖。,淀粉 发酵可得酒精，副产杂醇油。,(C6H10O5) n,多缩戊糖 戊糖 + 3H2O,C5H8O4n C5H10O5 糠醛,此法是工业上生产糠醛的方法。,纤维素含多缩己糖,，,半纤维素含多缩己糖和多缩戊糖。,糠醛,是有机化工的一种重要原料，可用来生产糠醛苯酚树脂、糠醇树脂、顺丁烯二酸酐、合成纤维及医药产品。,目前，生物质的利用，这项工作做得越来越多，如稻杆等利用生产羧甲基纤维素等。,提取色素辣椒-红色素植物花-香精、松节油,2动植物油-硬化油、硬脂酸、甘油,3海洋化工-天然气、烃类水和物,目前，生物质的利用，这项工作做得越来越多，如稻杆等利用生产羧甲基纤维素等。,二 化工生产过程及流程,化工生产过程,化工生产工艺流程,1,化工生产过程,化工生产过程由,三个步骤,组成,原料预处理,化学反响,产品别离及精制,2,化工生产工艺流程,原料经过包括物质和能量转换的一系列加工，转变成所需产品，实施转换需要有相应的功能单元来完成，按物料加工顺序将这些功能单元有机地组合起来，构筑成,工艺流程,。,将原料转变成化工产品的工艺流程称为,化工生产工艺流程,。,用图示来表达工艺流程的图称为,工艺流程图,。,化工生产工艺流程的组织,四种方法：,推论分析法:是从“目标出发，寻找实现此“目标的前提，将具有不同功能的单元进展逻辑组合，形成一个具有整体功能的系统。合成氨所需的原料氮和氢,功能分析法：是缜密地研究每个单元的根本功能和根本属性，然后组成几个可以比较的方案以供选择。,每个功能单元的实施方法和设备型式通常有许多种可供选择，因而可组织处具有一样整体功能的多种流程方案。煤制气方法,形态分析法：是对每种可供选择的方案进展准确的分析和评价，择优汰劣，选择其中最优方案。,评价判据：,是否满足所要求的技术指标；,技术资料的完整性和可信度；,经济指标的先进性；,环境、平安和法律等。,经济性是形态分析的一个重要判据。,因果分析法,三 化工过程的主要效率指标,1,生产能力和生产强度,生产能力,指一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量。其单位为,kg/h,，,t/d,或,kt/a,，万,t/a,等。,设计能力,设备或装置在最正确条件下可以到达的最大生产能力，称为设计能力。,生产强度,为设备的单位特征几何量的生产能力。,即设备的单位体积的生产能力，或单位面积的生产能力。其单位为,kg/(hm,3,),，,t/(dm,3,),，或,kg/(hm,2,),，或,t/(dm,2,),等。,生产强度指标主要用于比较一样反响过程或物理加工过程的设备或装置的优劣。,设备中进展的过程速率高，其生产强度就高。,2,转化率、选择性和收率,1转化率,转化率表征原料的转化程度，反映了反响进程。,转化率越大，参加反响的原料愈多。,使用时，注意单位要统一，可用摩尔mol；质量kg；体积L。,2单程转化率用于循环过程,X,单,X,总,(3)选择性Sselectivity,也可用目的产物需消耗的某反响物量与实际转化掉的该反响物量之比。,4收率和质量收率,反响物的量单位：摩尔单位或质量单位。,有循环时：,反响物的量单位：摩尔单位或质量单位。,3,平衡转化率和平衡产率的计算,可逆反响到达平衡时的转化率称为平衡转化率。,达平衡时所得产物的产率为,平衡产率,。,平衡转化率和平衡产率是可逆反响所能到达的极限值最大值。,平衡转化率和平衡产率与化学平衡常数有关。,如：,CO+H,2,O,H,2,+CO,2,反响压力不上下于3MPa，反响温度较高，200以上的条件，可按理想气体处理。,水蒸气过量，计算,CO,的平衡转化率。,设CO的平衡转化率为x，反响前CO有amol，H2O有bmol，无H2和CO2。,H,2,的产率,=,Note:,非理想气体，其压力要校正。,内容回忆,生产强度,生产能力,设计能力,转化率、选择性、收率,单程转化率、平衡转化率、平衡产率、质量收率,四 反响条件对化学平衡和反响速率的影响,1,温度的影响,反响条件：反响温度、压力、浓度、反响时间、原料纯度和配比、进料量等。,1温度对化学平衡的影响,可逆反响适用,吸热反响H0，TK产物的平衡产率,放热反响H0，TK产物的平衡产率,TK产物的平衡产率,2温度对反响速率的影响,反响速率指单位时间、单位体积某反响物组分的消耗量或某产物的生成量。,aA + bB dD,反响速率：,任何反响有：Tk,不可逆反响，Tkr;,可逆反响,可逆吸热反响，Tr。,可逆放热反响，随T增加，r有三种变化情况：,T,较低时，,T,T=T,OP,，,TT,OP,，,r到达极大值时即 ，所对应的温度称为,最正确反响温度，亦称最适宜温度。,最正确反响温度的计算公式：,对于不同的组成或转化率,X,，,T,OP,值是不同的，随转化率的升高，,T,OP,下降。,活化能不同，TOP值也不同。即不同的可逆放热反响，有不同的TOP值。,实际操作温度须随反响的进展，逐渐降低。,2,浓度的影响,反响物浓度愈高，反响速率愈快。,反响初期，反响物浓度高，反响速率大，随着反响的进展，反响物不断消耗，反响速率逐渐下降。,对于可逆反响，为了使平衡向产物方向移动，可采用增加反响物浓度或不断移走产物的方法，最终可增加产物的产率。,有两种以上反响物参加，一般价高难得的反响物不过量，其他反响物过量。,假设某一反响物过量对反响或设备有影响，那么不选择过量。,3,压力的影响,压力对液相和固相反响的平衡影响小。,压力对气相和气固相反响的平衡影响大。, 对分子数增加的反响0, 对分子数减少的反响 0,降低压力可以提高平衡产率。,压力升高，产物的平衡产率增大。, 对分子数没有变化的反响 =0,压力对平衡产率无影响。,压力增加可减少反响气体体积，增加浓度，提高反响速率，从而提高设备的生产能力，但压力过高，能耗增大，对设备密封及耐压要求高，本钱增加，反而不经济。,对于增分子反响，降低压力减压、真空操作不平安，往往采用添加惰性组分的方法以降低反响物的分压，但添加量是有限的，太多也不利。,五 催化剂的性能及使用,催化剂：,在一个反响系统中因参加了某种物质而使化学反响速率明显加快，但该物质在反响前后的数量和化学性质不变，称这种物质为催化剂。,催化剂作用：,1提高反响速率和选择性。,2改进操作条件。采用或改进催化剂可以降低反响温度和操作压力、可以提高化学加工过程的效率。,3催化剂有助于开发新的反响过程，开展新的化工技术。,4催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用。,1 催化剂的根本特征,催化剂是参与了反响的，但反响终了时，催化剂本身未发生化学性质和数量的变化。,催化剂只能缩短到达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响。,催化剂不能使热力学上不可能进展的反响发生。,催化剂是以同样的倍率提高正、逆反响速率的，能加速正反响速率的催化剂，也必然能加速逆反响。,O,2,催化剂的分类,按催化反响体系的物相均一性分：均相和非均相催化剂。,按反响类别分：加氢、脱氢、氧化、裂化、聚合、烷基化、羰基化、卤化等催化剂。功能催化剂,按反响机理分：氧化复原型催化剂、酸碱催化剂等。,按适用条件下所用,催化剂的物态,分,：金属催化剂、氧化物催化剂、硫化物催化剂、络合物催化剂、酸催化剂、碱催化剂等。,3,工业催化剂使用中的有关问题,1工业催化剂的使用性能,活性。,催化剂应具有足够高的活性。,选择性。,催化剂应具有较高的选择性。,活性越高那么原料的转化率愈高。,催化剂活性愈高那么需要的反响温度愈低。,当催化剂的活性与选择性难以两全其美时，假设反响原料昂贵或产物别离很困难，宜选用选择性高的催化剂；,假设原料价廉易得产物易别离，那么可选用活性高的催化剂。,寿命。,使用寿命越长越好。,催化剂的寿命受以下几方面性能影响。,化学稳定性。,热稳定性。,机械稳定性。,耐毒性。,指催化剂的化学组成和化学状态在使用条件下发生变化的难易。,指催化剂在反响条件下对热破坏的耐受力。,指催化剂在反响条件下的强度是否足够。,指催化剂对有毒物质的抵抗力或耐受力。,为了使催化剂保持良好性能及较长寿命，生产中必须正确操作和控制反响参数，防止损害催化剂。,2催化剂的活化,3催化剂的失活和再生,4催化剂的运输、贮存和装卸,思考练习题,1 甲烷的化工利用主要途径有哪些？,2 原油加工有哪些方法，可得到哪些产品及其这些产品的用途？,3 煤的化学加工方法有哪些？,4 何谓化工生产工艺流程？,5 何谓转化率、平衡转化率？何谓选择性、收率？,6 何谓催化剂？催化剂的作用；催化剂有哪些根本特征；催化剂的性能包含哪些方面？,7 反响条件包含哪几方面？温度、压力和浓度对各类反响的影响规律。,