化学工艺学电子教案第一章

化学工艺学电子教案——第一章化学工业原料资源及其加工利用

1化学工业原料资源及其加工利用

1.1无机化学矿及其加工利用（自学）1.2石油及其加工利用1.3天然气及其加工利用1.4煤及其加工利用1.5生物质及其加工利用1.6再生资源的开发利用1.7空气和水1.1无机化学矿及其加工利用（自学）1.1.1主要无机化学矿1.1.2磷矿和硫铁矿的加工利用1.2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，至今，基本有机化工、高分子化工、精细化工及氮肥工业等的产品大约有90％来源于石油和天然气。90%左右有机化工产品上游原料可归结为三烯（乙烯、丙烯、丁二烯）、三苯（苯、甲苯、二甲苯）、乙炔和萘，还有甲醇。其中的三烯主要由石油制取，三苯、萘和甲醇可由石油、天然气和煤制取。1.2石油及其加工利用1.2.1石油的组成

石油是一种有气味的棕黑色或黄褐色粘稠状液体，密度与组成有关，相对密度大约在0.75～1.0。有些油田常伴生油田气。石油是由分子量不同、组成和结构不同、数量众多的化合物构成的混合物，其中化合物的沸点从常温到500℃以上均有。石油中合量最大的两种元素是C和H，其质量含量分别为碳83％～87％、氢11％～14％，两者主要以碳氢化合物形式存在。其他元素的含量因产地不同而有较大的波动，硫含量0.02％-5.5％，氮含量0.02-1.7％，氧含量0.08％-1.82％。而Ni、V、Fe、Cu等金属元素只含微量，由十亿分之几到百万分之几。在地下与石油共存的水相中溶有K、Na、Ca、Mg等的氯化物，易于脱除。石油中的化合物可以分为烃类、非烃类以及胶质和沥青三大类。1.2石油及其加工利用（1）烃类化合物

烃类即碳氢化合物，在石油中占绝大部分约几万种。①链式饱和烃。含量最多，有正构烷烃和异构烷烃，两者在石油中约占50％-70％（质量），仅有极少数油田的石油中链烷烃低于10％-15％。C1-C4烷烃是溶解在石油中的气态烃，C5-C16烷烃为液态，C17及以上烷烃为溶解在液态烃中的固态烃。②环烷烃。含量仅次于链烷烃，具饱和环状结构，多为五员环和六员环的单环结构，例如环戊烷和环己烷及其带侧基的衍生物，此外还有少量双环和三环结构的环烷烃。③芳香烃。具不饱和环状结构，有单环的苯系芳烃（苯、甲苯、二甲苯、乙苯及其他苯的衍生物）、双环的萘及其衍生物（例如甲基萘、其他烷基萘）和联苯系芳烃，以及三个或三个以上苯环叠合在一起的稠环芳烃。1.2石油及其加工利用（2）非烃化合物含有碳、氢及其他杂原子的有机化合物。①硫化物。多为有机硫化物，例如硫醇（RSH）、硫醚（RSR）、二疏化物（RSSR）、噻吩（C4H4S硫杂环化合物）及其衍生物等。硫醇拂点较低，原油经蒸馏加工后，硫醇多存在于汽油、煤油产品中；硫醚和部分二硫化物则在中等沸程馏分（如柴油）中；二硫化物、噻吩等则多留在高沸程的重油、渣油和沥青中。②氮化物。多为吡啶、喹啉等不饱和氮杂环结构的有机物，它们的沸点较高，石油加工后多留在沸点高于500℃的渣油中。③氧化合物。有环烷酸、酚类和很少量的脂肪酸，总称为石油酸。其中环烷酸含量较多，在石油加工分离后，环烷酸多存在于250—400℃沸程的馏分中。④金属有机化合物。含量甚微，主要以金属络合物的形式存在。1.2石油及其加工利用1.2.2石油的常压蒸馏和减压蒸馏

石油开采出来尚未加工时称为原油，一次加工方法为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。常减压蒸馏流程有三类：①燃料型;②燃料-润滑油型;③燃料-化工型。1.2石油及其加工利用

大型石油化工联合企业中的炼油厂蒸馏装置多采用燃料-化工-润滑油型流程，见图2-1。

1.2石油及其加工利用1.2.3馏分油的化学加工常、减压蒸馏只能将原油切割成几个馏分，主产的燃料量有限，不能满足需求，直接能用作化工原料的也仅是塔顶出来的气体。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。加工的方法很多，主要是化学加工方法，下面简介主要的几种加工过程。1.2石油及其加加工利用⑴催化重整（（catalyticreforming））催化重整是是在含铂的的催化剂作作用下加热热汽油馏分（石脑油油），使其其中的烃类类分子重新新排列形成成新分子的工艺艺过程。催催化重整装装置能提供供高辛烷值值汽油，还为化化纤、橡胶胶、塑料和和精细化工工提供苯、、甲苯、二甲苯苯等芳烃原原料以及提提供液化气气和溶剂油油,并副产氢气。。固定床催催化重整工工艺流程见见图2-2。1.2石油及其加加工利用1.2石油及其加加工利用⑵催化裂裂化（catalyticcracking）催化裂化是是在催化剂剂作用下加加热重质馏馏分油，使使大分子烃类化化合物裂化化而转化成成高质量的的汽油，并并副产柴油、锅炉燃燃油、液化化气和气体体等产品的的加工过程程。原料可以是直馏馏柴油、重重柴油、减减压柴油或或润滑油馏馏分，甚至可以是渣渣油焦化制制石油焦后后的焦化馏馏分油。它它们所含烃类分子中中的碳数大大多在18个以上。。1.2石油及其加加工利用1.2石油及其加加工利用1.2石油及其加加工利用1.2.4催化加加氢裂化（（catalytichydrocracking））催化加氢裂裂化系指在在催化剂存存在及高氢氢压下，加加热重质油使其发生生各类加氢氢和裂化反反应，转变变成航空煤煤油、柴油油、汽油（或重重整原料））和气体等等产品的加加工过程。。加氧裂化化的原料油可以以是重柴油油、减压柴柴油，甚至至减压渣油油，另一原原料是氢气。按按操作压力力分有高压压法和中压压法。高压压法的操作作压力高于10MPa，反应温温度370一450℃；中压压法压力5～10MPa，反反应温度370～～380℃℃。加氢裂裂化过程的的方框图见见图2-5。1.2石油及其加加工利用1.2石油及其加加工利用1.2.5烃类热热裂解（pyrolysisofhydrocarbons）烃类热裂解解的主要目目的是为了了制取乙烯烯和丙烯，，同时副产丁烯、丁丁二烯、苯苯、甲苯、、二甲苯、、乙苯等芳芳烃及其他他化工原料。它它是每个石石油化工厂厂必不可少少的首要过过程。烃类热裂解解不用催化化剂，将烃烃类加热到到750～～900℃℃使其发生热裂解解，反应相相当复杂，，主要是高高碳烷烃裂裂解生成低低碳烯烃和二烯烯烃同时伴伴有脱氢、、芳构化和和结焦等许许多反应。。热裂解的原料料较优者是是乙烷、丙丙烷和石脑脑油，因为为碳数少的的烷烃分子裂解解后产生的的乙烯产率率高。1.3天然气及其其加工利用用1.3.1天然气气（naturalgas）自地下自然然喷出或人人工开采出出的可燃性性气体的总称。其其主要成分分是甲烷，，另外还有有少量的乙乙烷、丙烷、、丁烷等及及微量的硫硫化氢、水水、氮气等。天然气按组组成可分为为干气（甲甲烷体积含含量在90%以上上）和湿气气（甲烷体体积含量在在90%以以下）。1.3天然气及其其加工利用用1.3.2天然气气按储存方方式可分为为：气井气：由由气井采出出的天然气气；气井只只出气而不出油的的井，来自自纯气藏（（一般属于于干气）；；油田气：伴伴随采油采采出的天然然气，来自自油气藏（属于湿湿气）；凝析气气井井气：来自自凝析气藏藏（一般属属于湿气）。1.3天然气及其其加工利用用1.3.3天然气气加工利用用主要有以以下几方面面（1）天然然气制氢气气和合成氨氨；（2）天然气经合合成气路线线的催化转转化制燃料料和化工产品；；（3）天然气直接接催化转化化成化工产产品；（4）天然气热裂裂解制化工工产品；（5）甲烷的氯化化、硝化、、氨氧化和和硫化制化化工产品；（6）湿性天然气气中C2一一C4烷烃烃的利用1.4煤煤及其加加工利用1.4.1煤（coal））煤（coal）是由含碳、、氢的多种种结构的大大分子有机物物和少量硅硅、铝、铁铁、钙、镁镁的无机矿物质组成成。从煤中中可以得到到多种芳香香族化合物，它们是是精细有机机合成的主主要原料。。1.4煤煤及其加加工利用1.4.2煤化工工范畴内的的几种煤加加工路线（1）煤的的干馏煤煤干馏（（coalcarbonization）是在隔绝空空气条件下下加热煤，，使其分解解生成焦炭炭、煤焦油、粗粗苯和焦炉炉气的过程程。煤干榴榴过程又分分以下两类。①煤的高温温干馏（炼炼焦）。②煤的低温温干馏。1.4煤煤及其加加工利用（2）煤的的气化煤气化（coalgasification）是指指在高温900～1300℃℃）下使煤煤、焦炭或或半焦等固固体燃料与气化剂反反应，转化化成主要含含有氢、一一氧化碳等等气体的过程程。生成的的气体组成成随固体燃燃料性质、、气化剂种类类、气化方方法、气化化条件的不不同而有差差别。气化剂剂主要是水水蒸气、空空气或氧气气。1.4煤煤及其加加工利用（3）煤的的液化煤液化（coalliquefaction）是指煤经化化学加工转转化为液体体燃料的过过程。煤液液化可分为直接接液化和间间接液化两两大类过程程。（4）生产产电石将煤与CaO在2000～2200℃℃及电弧炉作作用下反应应生成CaC2（电石）的的过程。电石水解可可生成乙炔炔（此法占占乙炔来源源的一半以以上），由乙乙炔出发可可生成一系系列化工产产品。1.5生生物质及其其加工利用用农、林、牧牧、副、渔渔业产品及及其废弃物物（壳、芯、秆、糠糠、渣）等等生物质通通过化学或或生物化学学方法可以转变变为基础化化学品或中中间产品，，例如葡萄萄糖、乳酸、、柠檬酸、、乙醇、丙丙酮、高级级脂肪酸等等。加工过程涉涉及一系列列化学工艺艺，如化学学水解、酶酶水解、微生物物水解、皂皂化、催化化加氢、气气化、裂解解、萃取等等，，有些还用用到DNA技术。1.5生生物质及及其加工利利用利用生物质质生产化学学品举例例：（1）糠醛醛的生产农副产品废废渣的水解解是工业生产糠醛的的唯一路线线。其生产产过程是：：将含多缩缩戌糖的玉米芯芯、棉子壳壳、花生壳壳、甘蔗渣渣等投人反反应釜内，用含含量为6％％的稀硫酸酸作催化剂剂并通入蒸蒸汽加热，控制制温度在180℃℃左右、压压力0.6～1.0MPa，反反应5～8h。（2）乙醇醇的生产将含淀粉的的谷类、