石油化工与材料科学作业指导书

石油化工与材料科学作业指导书TOC\o"1-2"\h\u31087第一章石油化工基础知识 2159751.1石油化工概述 2171431.2石油化工原料及产品 2102511.2.1原料 263891.2.2产品 2154781.3石油化工工艺流程 3110471.3.1原料预处理 3244841.3.2原料裂解 3235351.3.3催化反应 319181.3.4产品分离与精制 367641.3.5产品后处理 3317401.3.6废弃物处理与环保 314002第二章石油炼制工艺 474402.1常减压蒸馏 4185342.1.1概述 413472.1.2常压蒸馏 4172832.1.3减压蒸馏 4219972.2催化裂化 4297262.2.1概述 488112.2.2催化裂化工艺流程 585372.3加氢裂化 5229742.3.1概述 5227642.3.2加氢裂化工艺流程 519071第三章石油化工产品加工与应用 5122613.1塑料 5314943.2合成橡胶 6272883.3合成纤维 68246第四章材料科学与工程基础 7196644.1材料科学与工程概述 739244.2材料结构与功能 773594.3材料制备与加工 711208第五章高分子材料 8302765.1高分子材料概述 860775.2聚合物合成 8147125.3高分子材料功能与应用 8263685.3.1力学功能 8303815.3.2热功能 9198495.3.3电功能 928725.3.4耐腐蚀功能 9203705.3.5应用领域 932193第六章复合材料 9264136.1复合材料概述 9240516.2复合材料制备 9296166.3复合材料功能与应用 10191346.3.1物理功能 10106186.3.2力学功能 1070446.3.3化学功能 10114806.3.4应用 1019442第七章功能材料 1164197.1功能材料概述 1118717.2功能材料制备 11319847.3功能材料应用 1122401第八章能源材料 12246128.1能源材料概述 12238458.2能源材料制备 12167888.3能源材料应用 1324931第九章环境友好材料 13154419.1环境友好材料概述 13223769.2环境友好材料制备 13127199.3环境友好材料应用 1421164第十章材料科学前沿技术 14228510.1纳米材料 142468710.2生物材料 142285610.3智能材料 15第一章石油化工基础知识1.1石油化工概述石油化工是指以石油和天然气为原料，通过化学加工方法，生产各种化工产品的一种重要工业部门。石油化工具有原料丰富、产品种类繁多、产业链条完整等特点，对我国经济发展具有重要意义。石油化工行业涵盖了石油开采、石油炼制、石油化工、化工新材料等多个领域，是连接石油工业与化学工业的桥梁。1.2石油化工原料及产品1.2.1原料石油化工的主要原料为石油和天然气。石油是由古代生物遗体在地质作用下，经过复杂的生物化学变化和地质变化而形成的液态燃料。天然气是古代生物遗体在地质作用下，经过复杂的生物化学变化和地质变化而形成的气态燃料。1.2.2产品石油化工产品种类繁多，主要包括以下几类：（1）基础化工原料：如乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等。（2）合成材料：如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯等。（3）合成纤维：如腈纶、锦纶、氨纶等。（4）合成橡胶：如丁苯橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶等。（5）化肥：如尿素、磷酸二铵、复合肥等。（6）农药：如杀虫剂、杀菌剂、除草剂等。（7）精细化工产品：如涂料、胶粘剂、香料、化妆品等。1.3石油化工工艺流程石油化工工艺流程主要包括以下几个阶段：1.3.1原料预处理原料预处理是指对石油和天然气进行初步加工，使其达到适宜的物理和化学状态，以满足后续加工过程的需要。主要包括原油脱盐、脱水、脱硫、天然气净化等环节。1.3.2原料裂解原料裂解是指将预处理后的石油和天然气进行热裂解，低碳烃类化合物。裂解过程通常在高温、低压、短停留时间的条件下进行。1.3.3催化反应催化反应是指利用催化剂在适宜的条件下，将原料裂解的低碳烃类化合物转化为目标产品。催化反应主要包括加氢、氧化、脱水、聚合等过程。1.3.4产品分离与精制产品分离与精制是指将催化反应后的产品进行分离、提纯，得到符合质量要求的产品。主要包括蒸馏、吸附、萃取、结晶等环节。1.3.5产品后处理产品后处理是指对分离与精制后的产品进行进一步加工，以提高其功能、降低成本、满足市场需求。主要包括改性、填充、复合等过程。1.3.6废弃物处理与环保在石油化工生产过程中，会产生一定量的废弃物和污染物。废弃物处理与环保环节主要包括废弃物处理、废气治理、废水处理等，以保证生产过程符合环保要求。第二章石油炼制工艺2.1常减压蒸馏2.1.1概述常减压蒸馏是石油炼制过程中的重要环节，其主要目的是将原油中的不同沸点组分分离出来，以满足后续加工过程的需求。常减压蒸馏工艺分为常压蒸馏和减压蒸馏两部分，其中常压蒸馏用于分离沸点较高的轻质油品，减压蒸馏则用于分离沸点较高的重质油品。2.1.2常压蒸馏常压蒸馏是在常压条件下进行的蒸馏过程，主要包括以下几个步骤：（1）原料预处理：原油经过预热、脱水、脱盐等预处理过程，以满足蒸馏过程的要求。（2）蒸馏塔：蒸馏塔是常压蒸馏的核心设备，其内部结构包括填料层、塔板层等。原料在蒸馏塔内经过多次汽液平衡，实现组分的分离。（3）产品分离：蒸馏塔顶部的油气经过冷凝、分离，得到液化石油气、汽油等轻质油品；塔底部的重油则作为减压蒸馏的原料。2.1.3减压蒸馏减压蒸馏是在低于常压的条件下进行的蒸馏过程，主要包括以下几个步骤：（1）原料预处理：重油经过预热、脱水、脱盐等预处理过程，以满足减压蒸馏的要求。（2）蒸馏塔：减压蒸馏塔的结构与常压蒸馏塔相似，但操作压力较低。原料在蒸馏塔内经过多次汽液平衡，实现组分的分离。（3）产品分离：减压蒸馏塔顶部的油气经过冷凝、分离，得到柴油、润滑油等重质油品；塔底部的减压渣油则作为催化裂化、加氢裂化等后续加工过程的原料。2.2催化裂化2.2.1概述催化裂化是一种将重质油品转化为轻质油品的重要工艺，其原理是利用催化剂在高温、低压条件下，将重质油品中的大分子烃裂解为小分子烃。催化裂化工艺具有投资少、效益高、产品品质好等优点。2.2.2催化裂化工艺流程催化裂化工艺主要包括以下几个步骤：（1）原料预处理：重质油品经过预热、脱水、脱盐等预处理过程，以满足催化裂化过程的要求。（2）反应器：原料在反应器内与催化剂接触，发生裂化反应，轻质油品。（3）再生器：催化剂在再生器内经过高温氧化，恢复活性，循环使用。（4）产品分离：反应器顶部的油气经过冷凝、分离，得到汽油、柴油等轻质油品；塔底部的重油则作为加氢裂化等后续加工过程的原料。2.3加氢裂化2.3.1概述加氢裂化是一种将重质油品转化为轻质油品的重要工艺，其原理是在高压、低温条件下，将重质油品中的大分子烃与氢气反应，实现裂化过程。加氢裂化工艺具有产品品质好、环保等优点。2.3.2加氢裂化工艺流程加氢裂化工艺主要包括以下几个步骤：（1）原料预处理：重质油品经过预热、脱水、脱盐等预处理过程，以满足加氢裂化过程的要求。（2）反应器：原料在反应器内与氢气混合，在催化剂的作用下发生裂化反应，轻质油品。（3）催化剂床层：催化剂床层用于承载催化剂，实现原料与催化剂的有效接触。（4）产品分离：反应器顶部的油气经过冷凝、分离，得到汽油、柴油等轻质油品；塔底部的重油则作为后续加工过程的原料。第三章石油化工产品加工与应用3.1塑料塑料是石油化工产品中的重要组成部分，其主要原料来源于石油和天然气。塑料具有轻质、耐磨、耐腐蚀等优点，广泛应用于各个行业。在塑料加工过程中，首先需要将原料进行聚合反应，得到高分子化合物。然后通过挤出、吹塑、注射等成型工艺，将高分子化合物加工成各种形状的塑料制品。目前我国塑料品种繁多，主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酯等。聚乙烯（PE）是一种常见的塑料材料，具有良好的耐化学性、耐冲击性和耐低温功能。聚乙烯广泛应用于包装、容器、管道、电线电缆等领域。聚丙烯（PP）具有较高的强度、硬度和耐热性，广泛应用于汽车零部件、家电、医疗器械等行业。聚氯乙烯（PVC）具有良好的耐化学性、耐油性和耐老化功能，常用于管道、电线电缆、医疗器具等领域。聚酯（PET）具有较高的强度、模量和耐热性，广泛应用于包装、电子电器、汽车零部件等领域。3.2合成橡胶合成橡胶是石油化工产品中的另一重要组成部分，其主要原料为石油和天然气。合成橡胶具有优异的弹性、耐磨损、耐腐蚀等功能，广泛应用于轮胎、密封件、传动带等领域。合成橡胶的制备过程主要包括聚合、塑炼、混炼、成型和硫化等步骤。目前我国合成橡胶品种繁多，主要包括丁苯橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶等。丁苯橡胶（SBR）具有良好的耐磨性、耐老化性和抗撕裂功能，广泛应用于轮胎、鞋底、传动带等领域。丁腈橡胶（NBR）具有优异的耐油性、耐磨损性和耐老化功能，常用于密封件、油管、胶鞋等领域。丁基橡胶（IIR）具有优良的耐老化性、耐腐蚀性和电绝缘功能，广泛应用于轮胎、密封件、药用包装等领域。3.3合成纤维合成纤维是石油化工产品中的另一重要应用领域，其主要原料为石油和天然气。合成纤维具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，广泛应用于服装、家居、工业等领域。合成纤维的制备过程主要包括聚合、纺丝、拉伸、热定型等步骤。目前我国合成纤维品种繁多，主要包括聚酯纤维、锦纶、腈纶等。聚酯纤维（PET）具有较高的强度、模量和耐热性，广泛应用于服装、家居、包装等领域。锦纶（PA）具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和抗撕裂功能，常用于服装、地毯、帘子布等领域。腈纶（PAN）具有优异的耐腐蚀性、耐磨损性和保暖功能，广泛应用于服装、家居、产业用品等领域。第四章材料科学与工程基础4.1材料科学与工程概述材料科学与工程是一门研究材料的基本属性、制备工艺、组织结构及其与功能之间关系的学科。它涵盖了材料的合成、加工、结构、功能、应用等多个方面，旨在为石油化工等领域提供高功能、低成本、环境友好的材料。材料科学与工程涉及多个学科领域，如物理学、化学、生物学、力学等，是一门多学科交叉的综合性学科。4.2材料结构与功能材料结构与功能是材料科学与工程研究的核心内容。材料的结构主要包括微观结构、亚微观结构和宏观结构。微观结构包括原子、离子或分子的排列方式、晶格类型、晶粒大小等；亚微观结构涉及材料的相界面、缺陷、孔洞等；宏观结构则包括材料的形状、尺寸、表面状态等。材料功能包括力学功能、物理功能、化学功能和生物功能等。力学功能主要包括强度、韧性、硬度、疲劳等；物理功能包括导电性、导热性、磁性、光学功能等；化学功能包括抗氧化性、耐腐蚀性、稳定性等；生物功能涉及材料的生物相容性、生物降解性等。4.3材料制备与加工材料制备与加工是材料科学与工程的重要组成部分，它直接影响材料的结构、功能和应用。材料制备包括合成、制备工艺、制备方法等，涉及高温、高压、溶液、电化学等多种手段。制备过程中，材料的结构、成分、功能等将发生显著变化，从而影响其应用功能。材料加工包括成形、热处理、表面处理等。成形加工是将材料加工成所需形状和尺寸的过程，如锻造、轧制、挤压、拉伸等；热处理是通过改变材料内部组织结构来调整其功能的过程，如退火、正火、淬火等；表面处理则是通过改变材料表面的化学成分、组织结构或形态来提高其功能的过程，如电镀、化学镀、阳极氧化等。在材料制备与加工过程中，需要充分考虑材料的基本特性、制备工艺、加工条件等因素，以实现高功能、低成本、环境友好的目标。同时还需关注材料制备与加工过程中的能源消耗、环境污染等问题，以实现可持续发展。第五章高分子材料5.1高分子材料概述高分子材料，也被称为聚合物材料，是由众多重复单元构成的大分子化合物。其结构特征在于相对分子质量较大，通常在thousands到millions之间。高分子材料按照来源可分为天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子材料如天然橡胶、羊毛、丝绸等，而合成高分子材料则主要包括塑料、合成橡胶、合成纤维等。高分子材料具有许多独特的性质，如轻质、耐磨、耐腐蚀、绝缘等，因此在现代工业和日常生活中具有广泛的应用。5.2聚合物合成聚合物合成是通过小分子单体在一定条件下发生聚合反应，形成高分子链的过程。按照聚合反应的类型，聚合物合成可分为加成聚合和缩合聚合。加成聚合反应是指单体分子之间通过不断添加新的单体单元，形成长链高分子的过程。例如，聚乙烯、聚丙烯等塑料就是通过加成聚合反应制得的。缩合聚合反应是指单体分子在聚合过程中，伴小分子如水、醇等的。例如，聚酯、聚氨酯等材料就是通过缩合聚合反应制备的。聚合物合成过程中，反应条件如温度、压力、催化剂等对聚合反应的速率和产物功能具有重要影响。5.3高分子材料功能与应用高分子材料的功能主要包括力学功能、热功能、电功能、耐腐蚀功能等。以下分别对这些功能及高分子材料的应用进行简要介绍。5.3.1力学功能高分子材料的力学功能主要表现为强度、韧性、硬度、弹性等。不同类型的高分子材料具有不同的力学功能，可根据需要进行选择。例如，聚乙烯具有良好的韧性，可用于制造塑料薄膜；而聚碳酸酯具有高强度和硬度，可用于制造光盘等。5.3.2热功能高分子材料的热功能包括熔点、玻璃化转变温度、热稳定性等。这些功能决定了高分子材料在加工和使用过程中的温度范围。例如，聚乙烯的熔点较低，适于制造一次性塑料袋；而聚酰亚胺具有很高的热稳定性，可用于航空航天等领域。5.3.3电功能高分子材料的电功能主要表现为绝缘功能和导电功能。绝缘功能良好的高分子材料如聚乙烯、聚丙烯等，可用于电线电缆的绝缘层；而导电功能较好的高分子材料如聚苯乙烯等，可用于制造电极等。5.3.4耐腐蚀功能高分子材料具有良好的耐腐蚀功能，能够在酸、碱、盐等环境下保持稳定。因此，高分子材料在化工、海洋工程等领域具有广泛应用。5.3.5应用领域高分子材料在现代工业和日常生活中的应用极为广泛，主要包括以下领域：（1）塑料工业：制造各种塑料制品，如塑料薄膜、塑料管材、塑料容器等；（2）合成橡胶：用于轮胎、密封件、弹性体等；（3）合成纤维：用于纺织品、服装、绳索等；（4）涂料和胶粘剂：用于涂装、粘接等；（5）功能材料：如导电聚合物、生物降解材料等。第六章复合材料6.1复合材料概述复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学方法复合在一起，形成具有新功能的材料。复合材料具有优异的力学功能、良好的化学稳定性和耐腐蚀性、较低的密度以及优异的加工功能等特点。在石油化工与材料科学领域，复合材料的研究与应用日益广泛。6.2复合材料制备复合材料的制备方法主要包括以下几种：（1）溶液复合法：将两种或两种以上的原料溶解于溶剂中，搅拌均匀后，去除溶剂，使原料固化形成复合材料。（2）熔融复合法：将两种或两种以上的原料加热熔融，搅拌均匀后，冷却固化形成复合材料。（3）粉末冶金法：将两种或两种以上的粉末原料混合均匀，经过压制、烧结等工艺，制成复合材料。（4）纤维复合法：将纤维状原料与基体材料复合，通过一定的工艺方法，使纤维均匀分布，形成复合材料。6.3复合材料功能与应用6.3.1物理功能复合材料的物理功能主要包括密度、热膨胀系数、导热系数等。由于复合材料的组成和结构特点，其物理功能通常介于两种原料之间。例如，某些复合材料具有较低的密度，可用于减轻结构重量，提高燃油效率。6.3.2力学功能复合材料的力学功能取决于原料的性质和复合比例。一般来说，复合材料的力学功能优于单一原料。如碳纤维复合材料，具有高强度、高模量、低密度等特点，广泛应用于航空航天、汽车、体育等领域。6.3.3化学功能复合材料的化学功能主要表现在耐腐蚀性、耐热性等方面。由于复合材料的原料和结构特点，其化学功能通常优于单一原料。例如，某些复合材料具有良好的耐腐蚀性，可用于海洋工程、化工设备等领域。6.3.4应用复合材料在石油化工与材料科学领域的应用主要包括以下几个方面：（1）航空航天：复合材料可用于制造飞机、导弹、火箭等飞行器的结构部件，减轻结构重量，提高燃油效率。（2）汽车：复合材料可用于制造汽车车身、零部件等，降低汽车自重，提高燃油经济性。（3）建筑：复合材料可用于建筑领域，如桥梁、高楼等的结构部件，提高建筑物的抗震功能。（4）化工设备：复合材料具有良好的耐腐蚀性，可用于制造化工设备，如管道、容器等。（5）体育用品：复合材料可用于制造运动器材，如自行车、网球拍等，提高运动功能。复合材料在石油化工与材料科学领域具有广泛的应用前景。科学技术的不断发展，复合材料的研究与应用将更加深入。第七章功能材料7.1功能材料概述功能材料是指具有特定物理、化学或生物功能的材料，其特性不仅取决于材料的组成和结构，还与材料的微观结构和宏观功能密切相关。功能材料在石油化工与材料科学领域具有重要的应用价值，其主要特点包括：（1）具有独特的物理、化学或生物功能；（2）可满足特殊环境下的使用要求；（3）具有优异的加工功能和可塑性；（4）具有较低的制备成本。7.2功能材料制备功能材料的制备方法多种多样，以下列举几种常见的制备方法：（1）化学气相沉积（CVD）：通过化学反应在基底表面沉积材料，形成具有特定功能的薄膜。（2）物理气相沉积（PVD）：利用物理方法，如蒸发、溅射等，将材料沉积在基底表面。（3）溶液过程：通过溶液中的化学反应制备功能材料，如水热合成、溶剂热合成等。（4）熔融盐法：在高温下，将材料与熔融盐混合，通过化学反应制备功能材料。（5）模板合成法：利用模板剂引导材料生长，制备具有特定形貌和尺寸的功能材料。7.3功能材料应用功能材料在石油化工与材料科学领域的应用广泛，以下列举几个典型应用：（1）催化剂：功能材料具有良好的催化功能，可用于石油化工过程中的催化反应，提高反应效率和产物选择性。（2）传感器：功能材料具有优异的传感功能，可用于检测石油化工过程中的温度、压力、湿度等参数，实现实时监控。（3）储能材料：功能材料在电化学储能领域具有广泛应用，如锂离子电池、超级电容器等。（4）光学材料：功能材料在光学领域具有特殊的应用，如光催化剂、光电器件等。（5）生物医学材料：功能材料在生物医学领域具有重要作用，如生物传感器、生物兼容性材料等。（6）环保材料：功能材料在环保领域具有广泛应用，如废水处理、废气净化等。通过不断研究和开发功能材料，石油化工与材料科学领域将实现更高的技术水平，为我国经济发展和环境保护作出更大贡献。第八章能源材料8.1能源材料概述能源材料是指一类具有能量转换、储存和释放功能的材料，其在能源的开发、利用和储存过程中发挥着的作用。根据能源类型的不同，能源材料可分为可再生能源材料和不可再生能源材料。可再生能源材料主要包括太阳能电池材料、风能发电材料、水能发电材料等；不可再生能源材料主要包括石油、天然气、煤炭等化石燃料以及核能材料。8.2能源材料制备能源材料的制备方法多种多样，主要包括以下几种：（1）化学合成法：通过化学反应合成具有特定功能的能源材料，如有机太阳能电池材料、锂离子电池正极材料等。（2）物理制备法：利用物理手段制备能源材料，如真空镀膜、热蒸发、溅射等制备太阳能电池薄膜材料。（3）生物法制备：利用生物技术制备能源材料，如生物法制备生物柴油、生物乙醇等。（4）纳米技术制备：利用纳米技术制备具有特殊功能的能源材料，如纳米晶太阳能电池、纳米锂离子电池等。8.3能源材料应用能源材料在各个领域具有广泛的应用，以下列举几个典型应用实例：（1）太阳能电池：太阳能电池是利用太阳能转换成电能的装置，其核心材料为太阳能电池材料。目前常见的太阳能电池材料有硅、砷化镓、铜铟镓硒等。（2）锂离子电池：锂离子电池是一种充电电池，具有高能量密度、长寿命等优点，广泛应用于手机、电动汽车等领域。锂离子电池的正极材料主要包括钴酸锂、磷酸铁锂等。（3）燃料电池：燃料电池是一种将燃料和氧化剂进行化学反应，直接转换为电能的装置。燃料电池材料主要包括质子交换膜、电极催化剂等。（4）生物能源：生物能源是指利用生物质资源转换为能源的过程，如生物柴油、生物乙醇等。生物能源材料主要包括植物油、淀粉、纤维素等。（5）核能材料：核能材料主要包括核燃料、核反应堆材料等。核燃料主要用于核反应堆中，通过可控链式裂变反应释放能量。核反应堆材料主要包括核容器材料、控制棒材料等。第九章环境友好材料9.1环境友好材料概述环境友好材料，又称绿色材料，是指在原料采集、加工、使用及废弃物处理等各个环节中，对环境和人体健康影响较小的材料。这类材料具有可再生、低污染、易降解等特性，是当前材料科学研究的重要方向。环境友好材料的研究与发展，对于促进我国石油化工与材料科学领域的可持续发展具有重要意义。9.2环境友好材料制备环境友好材料的制备主要包括以下几个环节：（1）原料选择：优先选用可再生资源，如植物纤维、生物基聚合物等，以减少对化石资源的依赖。（2）制备工艺：采用清洁生产技术，如绿色化学合成、生物发酵等方法，降低生产过程中的能耗和污染。（3）功能优化：通过物理、化学和生物技术手段，提高环境友好材料的功能，满足实际应用需求。（4）废弃物处理：对废弃物进行资源化利用，如焚烧发电、生物降解等，降低对环境的负担。9.3环境友好材料应用环境友好材料在石油化工与材料科学领域的应用广泛，以下列举几个典型应用领域：（1）包装材料：采用生物降解塑料、植物纤维复合材料等，替代传统塑料包装，降低环境污染。（2）建筑材料：利用废弃物制备