化学工艺学教案2(化工12本)-胡江良

1、化学工艺学 课程教案课次2课时2课 型（请打）理论课 讨论课 实验课 习题课 其他授课题目（教学章、节或主题）：第2章 化学工艺基础 2.1 化学工业原料资源及其加工利用2.2化工生产过程及流程2.3化工过程的主要效率教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：1.了解无机化学矿及其加工方法2.掌握煤、石油、天然气及其加工方法3. 理解化工生产过程及流程4. 掌握化工过程的主要效率指标教学重点及难点：重点：石油一次加工方法、二次加工方法、化工过程主要指标和化工生产流程。难点：催化重整、催化裂化、催化加氢裂化和烃类热裂解。教 学 基 本 内 容方法及手段第2章 化学工艺基础2.1 化学工业原料

2、资源及其加工利用原料是化工产品生产的物质基础，种类繁多，用途广泛。化工原料根据物质来源可分为无机原料和有机原料两大类。2.1.1无机化学矿及其加工我国化学矿产资源丰富，已经形成了一个比较完整的矿石加工利用工业体系，生产的化学肥料和无机化工产品品种齐全。提高矿石资源的综合利用，实施科学的矿床开发技术，其经济效益必将会大大提高。由于我国磷矿、硫铁矿及硼矿的储量居世界前列且产量很大。2.1.1.1磷矿磷矿是生产磷肥、磷酸、单质磷、磷化物和磷酸盐的原料，85%以上的磷矿用于制造磷肥。 磷肥按生产工艺来分可分为酸法与热法两大类。2.1.1.2硫铁矿硫铁矿是一种重要的化学矿物原料，主要用于制造硫酸，部分用

3、于化工原料以生产硫磺及各种含硫化合物等。以硫铁矿制硫酸为例：硫铁矿用于制硫酸，世界上硫酸总产量的一半以上用于生产磷酸和氮肥。硫铁矿生产硫酸的过程主要有以下几个步骤：2.1.2煤、石油、天然气及其加工利用2.1.2.1煤及其加工利用煤是自热界中储备最丰富的化石燃料，它是由含碳与氢的多种结构的大分子有机物和少量硅、铝、钙、镁等无机矿物质组成。根据成煤过程时间的不同，可将煤分为泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤等。煤的化学加工方法：煤的干馏（高温和低温）、煤的气化、煤的液化（直接和间接）。煤气化是今后发展煤化工的主要途径。2.1.2.2石油及其加工利用原油：从油田中开采出来没有经过加工处理的石油叫原油，它是一

4、种有气味的棕黑色或黄褐色黏稠液体。石油中所含的化合物大致可分为烃类、非烃类、胶纸和沥青三大类。由碳和氢化合形成的烃类构成石油的主要组成部分，约占95%-99%；含硫、氧、氮的化合物对石油产品有害，在石油中应尽量除去。 不同产地的石油中，各种烃类的结构和所占比例相差很大，但主要属于烷烃、环烷烃、芳香烃三类。通常以烷烃为主的石油称烷基石油（石蜡基石油）；以环烷烃、芳香烃为主的石油称环烷基石油（沥青基石油）；介于二者之间的称为中间基石油。原油一般不直接利用，须经过加工制成各类石油产品。根据不同的需要对油品的沸程的化分也略有不同，一般可分为：轻汽油（50140）；汽油（140200）；航空煤油（145

5、230）；煤油（180310）；柴油（260350）；润滑油（350520）；重油（渣油）（>520）。石油化工自20世纪50年代开始蓬勃发展。原油的物理性质及组成（1）物理性质：有气味的棕黑色或黄褐色粘稠液体，密度与组成有关，相对密度大约在0.751.0。（2）组成：石油组成非常复杂，由分子量不同、组成和结构不同、数量众多的化合物构成的混合物。其中化合物沸点从常温到500以上均有。石油中含量最大的两种元素是C和H。C：8387%；H：1114%；O、S、N：1%左右。（3）石油中的化合物的分类：石油加工方法：原油一般不能直接使用，需要进行一次加工和二次加工，加工后可提高其利用率。（1）

6、一次加工一次加工方法主要包括常压蒸馏和减压蒸馏。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，主要设备是蒸馏塔。减压蒸馏操作是为了避免在高温下重组分的分解（裂解）。根据目的不同，常减压蒸馏流程分为燃料型、燃料-润滑油型和燃料-化工型-润滑油型三种。（2）二次加工（为了生产更多的燃料和化工原料，需要对各个馏分油进行二次加工）原料经过常减压蒸馏只能切割成几个馏分，生产的燃料品种数量有限，不能满足需求，而且直接作为化工原料使用的也只是塔顶出来的气体。常用的二次加工方法主要由催化重整、催化裂化、催化加氢裂化和烃类热裂解四种。催化重整（c

7、atalytic reforming）：是在珀催化剂作用下加热汽油馏分（石脑油），使其中的烃类分子重新排列形成新分子的工艺过程。催化重整的原料是石脑油，在催化重整的过程中，主要发生环烷烃脱氢、烷烃脱氢环化等生成芳烃的反应，还有烷烃的异构化和加氢裂化等反应。根据生成目的产品不同，催化重整的工艺流程也不一样。催化裂化(catalytic cracking):催化裂化是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而转化成高质量的汽油，并副产柴油、锅炉燃油、液化气和气体等产品。催化裂化装置常用反应器有固定床、移动床和流化床三类，目前多采用流化床反应器。催化加氢裂化(catalytic hydr

8、ocracking):催化加氢裂化是在催化剂及高氢压下加热重质油，使其发生一系列加氢和裂化反应，转变成航空煤油、柴油、汽油（或重整原料）和气体等产品的加工过程，它是催化裂化技术的改进。作用：催化加氢裂化不仅可以防止如催化裂化过程中大量积炭的生成，还可以将原油中的氮、氧、硫等原子的有机化合物杂质通过加氢从原料中除去，并且可以使反应过程中生成的不饱和烃转化为饱和烃。烃类热裂解(heat breakdown of hydrocarbon):烃类热裂解的主要目的是生产乙烯，同时可得丙烯、丁二烯以及苯、甲苯、二甲苯、二甲苯、乙苯等芳烃及其他化工原料，是石油化工必不可少的加工过程。2.1.2.3天然气及其

9、加工利用天然气是埋藏在地下的古生物经过亿万年高温和高压等作用形成的可燃性的气体，是一种无色无毒、热值高、燃烧稳定、洁净环保的优质能源。天然气的主要成分是甲烷，另有少量乙烷、丙烷、丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮以及微量惰性气体。天然气的分类和组成埋藏在地下的可燃性气体。可单独存在，或与石油和煤伴生。与石油伴生的称为油田伴生气（油田气）；与煤田伴生的称为煤田伴生气（煤层气）1.天然气的划分：、干气：主要成分是CH4，其次是C2H6，C3H8和C4H10，含有少量C5以上重组分，还有CO2、N2、H2S和NH3等。加压没有液体产生，天然气井和煤田伴生气属于干气。、湿气：主要成分为甲烷和乙烷

10、等低碳烷烃，还含有轻汽油。稍加压缩就有液体汽油析出。油田伴生气属于湿气。2.天然气用途：、干气：用于合成氨和甲醇生产。其热值高也是较好燃料。、湿气：用作热裂化制低级烯烃原料或民用燃料。目前天然气化工用途主要用于生产合成氨的原料气、合成甲醇原料气 、制备羰基合成的合成气和裂解生产有机化工原料。具体用途如下图1。图1 天然气的化工用途2.1.3生物质及其加工利用生物质：泛指农、林、牧、副、渔业的产品及其废弃物（壳、芯、杆、糠、渣）等，不同于化石燃料，生物质是可再生资源。生物质不但可以直接燃烧利用，还可以通过化学或生物化学的方法转变为基础化学品或中间产物。如：糠醛的生产，乙醇的生产，丙二醇的生产。2

11、.1.4其他资源开发利用再生资源的开发利用，废塑料制成液体燃料，其他再生资源开发利用，空气和水。2.2化工生产过程及流程2.2.1化工生产过程定义：化工生产从原料开始制成目的产物要经过一系列物理的或化学的加工处理步骤，这一系列加工处理步骤总称化工生产过程。化工生产过程包括的步骤：（1）原料预处理达到所需状态和规格，（2）化学反应反应类型、反应器，（3）产品的分离与精制得到符合规格的产品回收利用副产物。2.2.2化工生产工艺流程化工工艺流程图多采用图示方法表达，称为化工工艺流程图，按用途分为方框流程图，工艺流程示意图、物料流程图和带控制点的工艺流程图四种。(1)工艺流程示意图：以形象的图样（设备

12、外形）、符号和代号表示化工设备、管道和主要附件等，改图实际上是方框流程图的一种变形和深入，只带有示意的性质，供化工计算时使用，也不列入设计文件。(2)带控制点的工艺流程图：一般需要画出所有工艺设备（按一定比例）、工艺物料管线、辅助管线、阀门、管件以及工艺参数测量点，并表示出自动控制方案，该图列入施工设计阶段的设计文件。(3)流程图的组织遵循以下原则：（1）工艺技术路线先进，生产运行安全可靠，经济指标先进合理。（2）原料和能量利用充分合理。第一点：尽量提高原料的转化率和主反应的选择性，这就要求采用先进的工艺技术、合理的功能单元、有效的生产设备、最适宜的工艺条件和高效的催化剂。第二点：充分利用原料

13、、对未参加反应的原料应采用分离、回收等措施循环利用以提高总转化率，反应的副产物也要加工成副产品，对生产过程中使用的溶剂、助剂等有条件的也应建立回收系统，减少废物的产生与排放。第三点：尽量组建物质和能量的闭路循环系统，力争实现清洁生产。（3）单元操作适宜，设备选型合理。（4）工艺流程连续化、自动化。生产能力的不断提高使得生产装置的大型化、生产过程连续化、控制过程高度自动化成为化工生产的趋势。（5）安全措施得当，三废治理有效。2.3化工过程的主要效率指标2.3.1生产能力和生产强度（1）生产能力是指一个设备、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：kg/h、

14、t/d或kt/a、万t/a等。（2）生产强度是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/(h. m3)、t/(dm2)或kg/(h m2)、t/(dm3)等。（3）生产强度指标主要用于比较那些相同反应过程或物理加工过程的设备或装置的优劣。设备中进行的过程速率高，其生产强度就高。2.3.2转化率、选择性和收率（产率）化工过程的核心是化学反应，提高反应的转化率、选择性和产率是提高化工过程效率的关键。（1）转化率是指某一反应物参加反应而转化的数量占该反应物起始量的分率或百分率，用符号X表示。其定义式为：（2）选择性是指体系中转化成目的产物的某反应物量与参加所有反应而转化的该反应物总量之比。用符号S表示。其定义式如下：选择性也可按下式计算：选择性是评价反应过程的效率的指标。（3）收率收率亦称产率，是从产物角度来描述反应过程的效率。符号Y，其定义式为：根据转化率、选择性和收率的定义可知，相对于同一反应物而言，三者有以下关系：YSX （18）（4）质量收率指投入单位质量的某物料