化学工艺第二章化学工艺 的共性知识

1、2.2 化工生产过程及流程化工生产过程及流程l2.2.1化工生产过程化工生产过程 化工生产过程一般可概括为三个步骤化工生产过程一般可概括为三个步骤 原料预处理原料预处理 化学反应化学反应 产品的分离和精制产品的分离和精制2.2.2 化工生产工艺流程l2.2.2.1 工艺流程和流程图l工艺流程 化工生产中将原料转变成产品的生产步骤和顺序的有机组合。l工艺流程图 通过绘图来表示的的工艺流程l主要包括方框图、流程示意图（教材所示都属于此类）、管道和仪表流程图（工程图）。流程图的概念l通过管道将反应器与单元操作设备的合理连接，称为为工艺流程。l通过规定的图例、标线来表现工艺流程的图，工艺流程图l最基本

2、的 方框图l简单的 示意图（主线）l全面的 工艺流程图l（管道及仪表流程图） （施工图）2.2.2.2化工生产工艺流程的组织化工生产工艺流程的组织l推论分析法：从目标出发，寻找实现的前提，从目标出发，寻找实现的前提，将具有不同功能的单元进行组合，形成一个具有将具有不同功能的单元进行组合，形成一个具有整体功能的系统整体功能的系统l功能分析法：认真研究每个单元的基本功能和认真研究每个单元的基本功能和属性，然后组成几个可以比较的方案以供选择属性，然后组成几个可以比较的方案以供选择l形态分析法：形态分析法：对每种可供选择对每种可供选择 的方案进行精确的方案进行精确的分析和评价，择优汰劣，选择最优方案的

3、分析和评价，择优汰劣，选择最优方案(1)满足技术要求（2）技术选进（3）经济合理（4）环保。l 举例：丙烯氨氧化剂丙烯晴 ，如何分离丙烯晴（含有HCN、乙晴）l 一、同时将丙烯晴和副产物蒸发出来，冷凝后，精馏，但丙烯晴与乙晴沸点差别小。l 二、采用萃取精馏法，先将丙烯晴和HCN解吸出来，乙晴留在水溶液中。然后再用分离丙烯晴和HCN。l 硫酸的生产中，由于“一转一吸” 原料利用率低，尾气排放量高，主要使用二转二吸。但更多吸收转化不经济。l丙烯液相水合制异丙醇流程，丙稀只有6070%转化，尚有3040%没有转化，采用循环流程更合理。（不是多个反应器串联）l除了工艺满足上述合理要求外，还要考虑，合理

4、利用和回收利用能量，回收热能的过程中，要考虑温位高温位的热能先做功，低温位的用于工艺原料、加热介质。2.3化工过程的主要效率指标化工过程的主要效率指标l2.3.1生产能力和生产强度生产能力和生产强度 生产能力是指一个设备、一个装置或一个生产能力是指一个设备、一个装置或一个工厂在单位时间内生产的产品数量。工厂在单位时间内生产的产品数量。 生产能力的单位：生产能力的单位： kg/h t/d kt/a 万万 t/a 生产强度是指设备单位体积（面积）的生生产强度是指设备单位体积（面积）的生产能力产能力 生产强度的单位生产强度的单位 kg/(h.m3) t/(d.m3)2.3.2转化率、选择性和收率（产

5、率）l转化率是指某一反应物在反应中转化的数量占该反应物起始量的分率l X= 某一反应物的转化量/该反应物的起始量l通常计算关键组分的转化率l不可逆反应最大转化率为100%，可逆反应的最大转化率为平衡转化率l循环流程中可分为单程转化率和总转化率选择性l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。lS=转化为目的产物的某反应物的量/该反应物的转化总量收率（产率）l是从产物角度来描述反应过程的效率l Y=转化为目的产物的某反应物的量/该反应物的起始量l Y=S.Xl质量收率l是指投入单位质量的某原料所能生产的目的产物的质量l Ym=目的产物的质量/某原料的起始量2.4

6、.反应条件对化学平衡和反应速率反应条件对化学平衡和反应速率的影响的影响l2.4.1温度的影响l（1）对平衡的影响l放热反应 提高温度Kp增大 吸热反应 提高温度Kp下降l(2)对反应速率的影响l不可逆反应 温度增大 反速加快l可逆吸热反应 温度增大 反速加快l可逆放热反应存在最适宜温度的概念2.4.2.浓度的影响l对平衡的影响l 反应物浓度增加，有利于平衡向产物方向移动。l实际操作中，往往使非关键反应物的量过量以求得关键反应物的转化率和收率提高。l再就是寻求一个最适宜的配比，使产物量增加。对速度的影响 l由反速r=k.c可知C提高有于反速加快。一般随反应进行C降低反速会逐渐降低。l 可逆反应，

7、反应物浓度与平衡浓度之差为反应推动力，反应过程中不断取出产物，反应远离平衡可保持高速率和反应向产物方向移动，近年来反应-精馏，反应-膜分离，反应-吸收新技术的应用，就是其于这样的原理。2.4.3.压力的影响l主要是对气相反应的影响l提高压力 对分子数减少的反应有利 可使反应向产物方向移动l提高压力 可加快反应速率l惰性气体存在可降低反应物系的压力2.5.催化剂的性能及使用催化剂的性能及使用l 催化剂的作用:l 提高反速和选择性l 改进操作条件；降温、降压、节能、降低成本l 有助于开发新的反应过程，发展新技术.l 在能源开发和消除污染中可发挥重要作用。2、5、1、催化剂的基本特征l催化剂 加快反

8、应系统的反应速度，而自身数量、组成在反应前后不变化。l机理 形成中间络合物，改变反应途径 降低活化能 l催化剂特征：（1）参与反应 但反应终了时其性质和数量不变（2）改变速度不改变平衡（3）明显的选择性。尤其在有机化学反应领域中起了重要的作用。2、5、2、催化剂的分类l按物相均一性分为：均相 非均相l按反应类别分为：加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化等l按反应机理分为：氧化还原型、酸碱型l按组成分为：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、生物催化剂l金属催化剂、氧化物催化剂、和硫化物催化剂是固体催化剂、它们是使用最多的催化剂。在石油炼制、有机、无机、

9、精细化工，环境保护中应用。l生物催化剂（活细胞、酶）条件温和 专一 反速快。l酶比活细胞更好，效率非生物催化剂的1091012倍。l 络合物催化剂是液态的，以过渡金属如络合物催化剂是液态的，以过渡金属如Ti、V 、Mn、Fe Co、Ni、Mo、W、Ag、Pd、Pt、Ru、Rh等为中心原子，等为中心原子，通过共价健或配位健（特殊的共价健，两个原子形成共价通过共价健或配位健（特殊的共价健，两个原子形成共价健所需的共用电子对由一个原子单独提供）与各种位体构健所需的共用电子对由一个原子单独提供）与各种位体构成混络合物，过渡金属价态的可变性及其与不同性质配位成混络合物，过渡金属价态的可变性及其与不同性质

10、配位体的结合，给出了多种多样的催化功能。以分子态均布在体的结合，给出了多种多样的催化功能。以分子态均布在液体中，催化效率高，选择性好，不足是分离困难。液体中，催化效率高，选择性好，不足是分离困难。l 酸催化剂比碱催化剂用途广泛，有液态酸催化剂比碱催化剂用途广泛，有液态H3PO4 、H2SO4。也有固态，例如催裂化中的分子筛催化剂，乙醇脱水制乙也有固态，例如催裂化中的分子筛催化剂，乙醇脱水制乙烯，氧化铝，合成汽油烯，氧化铝，合成汽油ZSM5沸石催化剂。沸石催化剂。2、5、3、工业催化剂使用中的、工业催化剂使用中的有关问题有关问题l1、使用性能l（1）活性 一定T、P 和流量下，Cat使原料转化的

11、能力。工业催化剂应有足够高的活性。l(2) 选择性 反应消耗的原料中有多少转化为目的产物。l（3）寿命 是指使用时间的长短。其影响因素有：化学稳定性（不变化）、热稳定性、机械强度和耐毒性。l2、催化剂的活化l大多数催化剂出厂时都没有活性，在使用前一定要活化处理，使其转化为有活性的状态。活化的方式有：还原、氧化、硫化、酸化、热处理等3、失活和再生引起催化剂失活的原因很多引起催化剂失活的原因很多,但主要是超温和中但主要是超温和中毒：毒：络合催化剂主要是超温当络合催化剂主要是超温当T250络合物分解络合物分解而失活；而失活；生物催化剂失活的原因是过热、化学物质和杂菌生物催化剂失活的原因是过热、化学物

12、质和杂菌的污染、的污染、PH值失调；值失调；固体催化剂是由于超温烧结、毒物杂质和污垢覆固体催化剂是由于超温烧结、毒物杂质和污垢覆盖。盖。 中毒情况可分：可逆和不可逆中毒情况可分：可逆和不可逆2.6.反应过程的物料衡算和热量衡算反应过程的物料衡算和热量衡算 基础基础l衡算是化工设计的基础，通过衡算求出原料消耗，热负荷，产品产率，为设计和选择反应器及单元操作设备提供依据，也可用于核查生产是否正常，找出薄弱环节，改善操作提供条件。2、6、1、物料衡算基础(1) 物料衡算通式：理论依据是质量守衡定律 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(2) 间歇操作的物料衡算：投料与出料之差为残

13、存物料及其它机械损失。 (3) 稳定流动过程的物料衡算：大多数化工生产为连续式操作（一年甚至更长）属于稳流物系。为方便，也可以以元素的量进行衡算。l输入物料的所有元素的量（mol）之和=输出物料的所有元素的量（mol）之和。 (4)衡算步骤：l A、绘出流程方框图选定衡算系统；l B、写出化学反应方程式并配平；l C、选定计算基准 一定量的产品或原料，也可单位时间的产品或物料；l D、收集基础数据；l E、找未知数列方程；l F、计算和核对；l G、结果列表。2、6、2、反应过程的热量衡算基础（1）封闭系统反应过程的热量衡算： 系统与环境交换的热量等于内能的变化 Qv=U（2）稳态流动反应过程

14、的热量衡算： 稳流物系 不作轴动、无动能、位能变化（忽略） Qp=Hl系统与环境交换的热量=焓值变化lQp=0绝热反应lQp0 (等温、变温)反应l焓变包括：相变过程的焓变、化学反应的焓变、显焓变（变温过程的焓变 ）热容的求取方法：l经验式求取l平均等压摩尔热容l混合热容l液体热容（不变）石油化工石油化工关系示意图关系示意图 齐鲁石化齐鲁石化-简介简介l 中国石化齐鲁石油化工公司中国石化齐鲁石油化工公司是中国石化集团公司直属的特大型石油化工联合企业，位于山东省淄博市，净占地22平方公里。东距青岛市公里，西距济南市公里，北距胜利油田公里。l 目前目前，齐鲁石化公司正在实施炼油、乙烯、化肥、氯碱、

15、炼油、乙烯、化肥、氯碱、化纤化纤五大改造工程。通过技术改造消除生产瓶颈 ，“九五”末期，该公司原油加工能l 力将达到万吨/年，l 乙烯生产能力达到万l 吨/年，炼油、化工装置实l 现经济规模，经济效益进l 一步提高。 齐鲁石化齐鲁石化-简介（续简介（续）q 齐鲁石油化工公司兴建于年。目前已成为一个包括石油炼制、石油化工和化纤生产、科研设计、工程建设、设备修造、产品销运、文教卫生、生活服务完善配套的现代化大型石油化工基地大型石油化工基地。有大型石油化工生产装置套，其中，从美国、英国、日本、德国等国家引进的装置套。可生产各类石油化工产品种，年商品量余万吨。q 其中原油年加工能力万吨，乙烯年生产能力万吨，其中原油年加工能力万吨，乙烯年生产能力万吨，尿素万吨尿素万吨 ，合成橡胶万吨，合成树脂万吨，合成橡胶万吨，合成树脂万吨，合成纤维万吨，烧碱万吨