化学工艺基础PPT课件.ppt
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第二章第二章 化学工艺基础化学工艺基础 原料资源及其加工原料资源及其加工石油石油 天然气天然气 煤煤 生物质生物质 空气空气 水水 石油及其加工利用 石油化工自石油化工自2020世纪世纪5050年代开始蓬勃发展年代开始蓬勃发展基基本本有有机机化化工工、、高高分分子子化化工工、、精精细细化化工工及及氮氮肥肥工工业业等等的的产产品品中中大大约约有有90%90%来来源源于于石石油油和天然气和天然气 石油及其加工石油及其加工 三烯三烯————乙烯、丙烯、丁二烯乙烯、丙烯、丁二烯 石油制取石油制取三苯三苯————苯、甲苯、二甲苯苯、甲苯、二甲苯 石油、天然气和煤制取石油、天然气和煤制取 1. 石油石油的组成的组成 l l由分子量不同、组成和结构不同、数量由分子量不同、组成和结构不同、数量众多的化合物构成的众多的化合物构成的混合物混合物，其中化合，其中化合物的沸点从常温到物的沸点从常温到500℃500℃以上以上l l石油中的化合物分为石油中的化合物分为 烃类烃类 非烃类非烃类 胶质和沥青胶质和沥青 n n烃类化合物烃类化合物n n非烃化合物非烃化合物 n n胶质和沥青质胶质和沥青质 链式饱和烃链式饱和烃 环烷烃环烷烃 芳香烃芳香烃 硫化物硫化物 氮化物氮化物 含氧化合物含氧化合物 稠环烃类等稠环烃类等 根据沸程的不同，将石油分类根据沸程的不同，将石油分类 2. 油油品的概念品的概念 石脑油（轻汽油）石脑油（轻汽油） 50－－140℃汽油汽油 140－－200℃航空煤油航空煤油 140－－230℃煤油煤油 180－－310℃柴油柴油 260－－350℃润滑油润滑油 350－－520℃重、渣油重、渣油 >520℃ 来源来源 常减压蒸馏（一次加工）得到直馏汽油常减压蒸馏（一次加工）得到直馏汽油 催化裂化重整（二次加工）得到催化汽油催化裂化重整（二次加工）得到催化汽油辛烷值辛烷值 汽油在内燃机中燃烧时，抗爆震性能的指标。
汽油在内燃机中燃烧时，抗爆震性能的指标辛烷值越大，抗爆震性能愈高，汽油的质量辛烷值越大，抗爆震性能愈高，汽油的质量也愈好也愈好 测定测定方法：研究法方法：研究法(RON)(RON)、马达法、马达法(MON)(MON) 汽油的来源和指标汽油的来源和指标 将异辛烷规定为将异辛烷规定为100100，正庚烷为，正庚烷为0 0，两，两者以不同比例混合，制成标准汽油者以不同比例混合，制成标准汽油将待测汽油与标准汽油相比较，若两将待测汽油与标准汽油相比较，若两者在标准汽油机中炕爆性能相同，则者在标准汽油机中炕爆性能相同，则待测汽油的辛烷值就是同测标准汽油待测汽油的辛烷值就是同测标准汽油中异辛烷的百分含量中异辛烷的百分含量 9393＃＃ ？？ 9090＃＃ 辛烷值定义辛烷值定义 评定柴油发火性能（自燃性）的指标评定柴油发火性能（自燃性）的指标定定义义：：在在单单缸缸发发动动机机中中，，当当试试验验油油料料的的自自燃燃性性和和十十六六烷烷与与2 2－－甲甲基基萘萘某某一一混混合合物物的的自自燃燃性性能能相相同同时时，，待待测测油油料料的的十十六六烷烷值值就就和和混混合合油油料料中中十十六六烷烷值值的的体体积积百百分分数相同数相同 柴油的指标柴油的指标---- 十六烷十六烷值值 馏馏程程闪闪点点：：评评定定柴柴油油蒸蒸发发性性能能的的指指标标，，主要是主要是5050% %和和9090% %的馏出温度的馏出温度凝凝点点：：在在规规定定的的实实验验条条件件下下，，试试样样开开始失去流动性的温度始失去流动性的温度冷冷滤滤点点：：通通过过过过滤滤器器的的流流量量每每分分钟钟不不足足20m20mL L时的最高温度时的最高温度 柴油的其他性能指标柴油的其他性能指标 5＃＃: 8℃以上以上 0＃＃: 8℃至至4℃ －－10＃＃: 4℃至－至－5℃ －－20＃＃: －－5℃至－至－14℃ －－35＃＃: －－14℃至－至－29℃ －－50＃＃: －－29℃至－至－44℃ 根据使用时的气温选用不同标根据使用时的气温选用不同标号号柴油标号的依据是柴油的凝固点柴油标号的依据是柴油的凝固点 柴油的标号柴油的标号 利用原油中各组分沸点的差别进行分离利用原油中各组分沸点的差别进行分离常压蒸馏常压蒸馏减压蒸馏减压蒸馏 3、石油的加工、石油的加工一次加工一次加工—— —— 油品的加工油品的加工 n n催化重整催化重整 （（catalytic reforming））n n催化裂化催化裂化 (catalytic cracking) n n催化加氢裂化催化加氢裂化 (catalytic hydrocracking) n n烃类热裂解烃类热裂解 （（pyrolysis of hybrocarbons））二次加工二次加工—— —— 馏分油的化学加工馏分油的化学加工 调整烃类的组成调整烃类的组成 石油的加工的主要途径和产品石油的加工的主要途径和产品 天然气天然气 主要成分是甲烷主要成分是甲烷 干气干气 甲烷含量高于甲烷含量高于90%90% 湿气湿气 C C2 2~C~C4 4烷烃含量烷烃含量≥≥15%~20%15%~20%油田伴生气油田伴生气 天然气于石油伴生天然气于石油伴生煤层气（瓦斯气）煤层气（瓦斯气） 吸附在煤上的甲烷吸附在煤上的甲烷天然气水合物天然气水合物 冻土带和海底甲烷与水组成的冻土带和海底甲烷与水组成的笼形化合物笼形化合物2.1.3 天然气及其加工利用天然气及其加工利用 制氢气和合成氨制氢气和合成氨 经合成气路线制燃料和化工产品经合成气路线制燃料和化工产品 直接催化转化成化工产品直接催化转化成化工产品 热裂解制化工产品热裂解制化工产品 甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化 湿气中湿气中C C2 2~C~C4 4烷烃的利用烷烃的利用天然气的化工利用天然气的化工利用 煤煤( (coalcoal) ) 由含碳、氢的多种结构的大分由含碳、氢的多种结构的大分子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无机矿物质组成机矿物质组成 成煤过程的程度不同分为成煤过程的程度不同分为 泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤H%O%H%O%含量顺序含量顺序泥煤泥煤> >褐煤褐煤 >>烟煤烟煤> >无烟煤无烟煤2.1.4 煤及其加工利用煤及其加工利用 高温干馏（炼焦）高温干馏（炼焦） 低温干馏低温干馏 煤气化煤气化 煤液化（直接液化煤液化（直接液化 间接液化）间接液化）煤的加工煤的加工 煤煤低温干馏低温干馏 焦炉煤气焦炉煤气含氢、甲烷、乙烯等含氢、甲烷、乙烯等 低温煤焦油低温煤焦油 酚类、烷烃、环烷烃等酚类、烷烃、环烷烃等 半焦半焦 气化气化 合成气合成气 高温干馏高温干馏 焦炉煤气焦炉煤气 粗苯粗苯 分离分离 苯苯二甲苯二甲苯 甲苯甲苯 氧（杂）茚氧（杂）茚 茚茚煤焦油煤焦油 分离分离苯酚、甲酚、二甲酚苯酚、甲酚、二甲酚 萘、烷基萘萘、烷基萘 蒽蒽其他化工原料其他化工原料气化气化合成气合成气合成合成氨、甲醇、低碳混合氨、甲醇、低碳混合醇、汽油、柴油等醇、汽油、柴油等 高压加氢液化高压加氢液化汽油、煤油、柴油等汽油、煤油、柴油等 糠醛的生产糠醛的生产2C2H10O5 H2O淀粉淀粉C12H22O11( (麦芽糖麦芽糖) )H2O2C6H12O6( (葡萄糖）葡萄糖）C6H12O6酵母酵母2CH3CH2OH + 2CO2乙醇的生产乙醇的生产 2.1.5 生物质及其加工利用生物质及其加工利用HC CHC5H10O5CC糠醛糠醛 OCHO + 3 + 3 H2O 产品分离与精制产品分离与精制 化学反应化学反应 原料预处理原料预处理 2.2 化工生产过程及流程化工生产过程及流程化工生产过程化工生产过程达到所需状态和规格达到所需状态和规格反应类型、反应器反应类型、反应器得到符合规格的产品得到符合规格的产品回收利用副产物回收利用副产物 化工生产过程及流程化工生产过程及流程化工生产工艺流程组织化工生产工艺流程组织—— 推论分析法推论分析法从从““目标目标””出发对不同功能的单元进行逻辑组出发对不同功能的单元进行逻辑组合合化化工工工工艺艺过过程程的的 ““洋洋葱葱””模模型型反应器反应器分离与再循环分离与再循环换热网络换热网络公用工程公用工程 化工生产过程及流程化工生产过程及流程化工生产工艺流程组织化工生产工艺流程组织—— 功能分析法功能分析法分析每个单元的基本功能和属性，列出不同方案分析每个单元的基本功能和属性，列出不同方案不同功能单元的实施方法不同功能单元的实施方法不同设备型式不同设备型式不不同同流流程程方方案案 化工生产过程及流程化工生产过程及流程化工生产工艺流程组织化工生产工艺流程组织—— 形态分析法形态分析法对不同流程方案精确分析评价，择优汰劣对不同流程方案精确分析评价，择优汰劣原原 则则l是否满足所要求的技术指标是否满足所要求的技术指标l经济指标的先进性经济指标的先进性l环境、安全和法律环境、安全和法律l技术资料的完整性和可信度技术资料的完整性和可信度 [ [例例] ]丙烯氨氧化制丙烯腈生产过程丙烯氨氧化制丙烯腈生产过程主反应：主反应：CC3 3H H6 6+NH+NH3 3+1/2O+1/2O22CHCH2 2=CHCN=CHCN+H+H2 2O O主要副产物：主要副产物：HCNCHHCNCH3 3CNCNQ?Q? 如如何何从从吸吸收收塔塔底底流流出出的的水水溶溶液液中中分分离离出出丙烯腈和副产物呢？丙烯腈和副产物呢？ 方方案案一一：：将将丙丙烯烯腈腈和和各各副副产产物物同同时时从从水水溶溶液液中中蒸蒸发出来，冷凝后再逐个精馏分离；发出来，冷凝后再逐个精馏分离； Q？？ 丙丙烯烯腈腈与与乙乙腈腈的的沸沸点点相相近近，，普普通通精精馏馏方法难于将它们分离方法难于将它们分离方方案案二二：：采采用用萃萃取取精精馏馏法法先先将将丙丙烯烯腈腈和和HCN解解吸吸出出来来，，乙腈留在水溶液中，然后再分离丙烯腈和乙腈留在水溶液中，然后再分离丙烯腈和HCN 乙乙腈腈与与水水完完全全互互溶溶，，而而丙丙烯烯腈腈在在水水中中的的溶溶解解度度很很小小，，用用水水作作萃萃取取剂剂，，使使两两者者精精馏馏分分离离变变得很容易得很容易 化工过程的主要效率指标 l l生产能力和生产强度生产能力和生产强度l l化学反应的效率化学反应的效率————合成效率合成效率l l转化率 选择性转化率 选择性收率收率l l平衡转化率和平衡产率平衡转化率和平衡产率 生产能力一个设备、一套装置或一个工厂在单位一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量或处理的原料量时间内生产的产品量或处理的原料量单位单位 千克千克/ /时时（（kg/h）） 吨吨 / /天天 (t/d) 万吨万吨/年年 (10kt/a)？？设计能力设计能力：：在最佳条件下可以达到的最大生产能力在最佳条件下可以达到的最大生产能力 设备的单位体积（或面积）的生产能力设备的单位体积（或面积）的生产能力单位：单位： kg/h·m3，，t/d·m3 kg/h·m2，，t/d·m2 生产强度生产强度？？时空收率时空收率催化剂的生产强度催化剂的生产强度单位时间、单位体积（质量）催化剂所得产品量单位时间、单位体积（质量）催化剂所得产品量 合成效率合成效率原子经济性原子经济性AE 环境因子环境因子 （反应器）（反应器）（反应系统）（反应系统）循循 环环 流流 程程转化率转化率 选选择择性性表达主、副反应进行程度的大小表达主、副反应进行程度的大小反映原料的利用是否合理反映原料的利用是否合理 从产物角度来描述反应过程的效率从产物角度来描述反应过程的效率？？单程收率单程收率 总收率总收率 ？？平衡转化率 平衡产率平衡转化率 平衡产率？？转化率、选择性和收率的关系转化率、选择性和收率的关系 收率收率 产率产率 反应条件对化学平衡和反应速率的影响反应条件对化学平衡和反应速率的影响 可逆反应，平衡常数与温度的关系可逆反应，平衡常数与温度的关系温度的影响温度的影响—— 化学平衡化学平衡吸吸热热反反应应 ΔHө>0，，K值值随随着着温温度度升升高高而而增增大大,有利于平衡产率增加有利于平衡产率增加放放热热反反应应 ΔHө<0，，K值值随随着着温温度度升升高高而而减减小，降低温度使平衡产率增加小，降低温度使平衡产率增加 反应条件对化学平衡和反应速率的影响反应条件对化学平衡和反应速率的影响 温度的影响温度的影响—— 反应速率反应速率ｋｋ总是随温度的升高而增加总是随温度的升高而增加不可逆反应，产物生成速率随温度的升高而加快不可逆反应，产物生成速率随温度的升高而加快可逆吸热反应，净速率随温度的升高而增高可逆吸热反应，净速率随温度的升高而增高可逆放热反应，在最佳反应温度下净反应速率最大可逆放热反应，在最佳反应温度下净反应速率最大 2.4 反应条件对化学平衡和反应速率的影响反应条件对化学平衡和反应速率的影响 浓度的影响浓度的影响反反应应物物浓浓度度越越高高，，越越有有利利于于平平衡衡向向产产物物方方向向移移动动 使使廉廉价价易易得得的的反反应应物物过过量量，，提提高高价价贵贵难难得得反反应应物物的的利用率利用率反应物浓度愈高，反应速率愈快反应物浓度愈高，反应速率愈快 反应条件对化学平衡和反应速率的影响反应条件对化学平衡和反应速率的影响 压力的影响压力的影响压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大 压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大 分子数增加的反应，降低压力可以提高平衡产率 分子数增加的反应，降低压力可以提高平衡产率 分子数减少的反应，提高压力可以提高平衡产率 分子数减少的反应，提高压力可以提高平衡产率 分子数不变的反应，压力对平衡产率无影响分子数不变的反应，压力对平衡产率无影响一定的压力范围内加压，对加快反应速率有一定好一定的压力范围内加压，对加快反应速率有一定好处，但压力过高，反而不经济处，但压力过高，反而不经济惰性气体的存在，降低反应物的分压，对反应速率惰性气体的存在，降低反应物的分压，对反应速率不利，但有利于分子数增加的反应的平衡不利，但有利于分子数增加的反应的平衡 催化剂的性能及使用催化剂的性能及使用 提高反应速率和选择性提高反应速率和选择性 改进操作条件改进操作条件 催催化化剂剂有有助助于于开开发发新新的的反反应应过过程程，，发展新的化工技术发展新的化工技术 催催化化剂剂在在能能源源开开发发和和消消除除污污染染中中可可发挥重要作用发挥重要作用 催化剂的基本特征催化剂的基本特征催催化化剂剂是是参参与与了了反反应应的的，，但但反反应应终终了了时时，， 催催化化剂剂本本身身未未发发生生化化学学性性质质和和数数量的变化量的变化 催催化化剂剂只只能能缩缩短短达达到到化化学学平平衡衡的的时时间间（即加速作用），但不能改变平衡（即加速作用），但不能改变平衡 催催化化剂剂具具有有明明显显的的选选择择性性，，特特定定的的催催化剂只能催化特定的反应化剂只能催化特定的反应 催化剂的分类催化剂的分类 按催化反应体系的物相均一性按催化反应体系的物相均一性 均相催化剂均相催化剂 非均相催化剂非均相催化剂按反应类别按反应类别 加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、异构化、芳构化、聚合、烷基化、异构化、芳构化、羰基化、卤化羰基化、卤化 按反应机理按反应机理 氧化还原型催化剂、酸碱催化剂氧化还原型催化剂、酸碱催化剂按使用条件下的物态按使用条件下的物态金属催化剂、氧化物催化剂、硫金属催化剂、氧化物催化剂、硫化物催化剂、酸催化剂、碱催化化物催化剂、酸催化剂、碱催化剂、络合物催化剂和生物催化剂剂、络合物催化剂和生物催化剂 工业催化剂的使用性能工业催化剂的使用性能活性活性 选择性选择性 寿命寿命寿命的影响因素寿命的影响因素 化学稳定性化学稳定性 热稳定性热稳定性 力学性能稳定性力学性能稳定性 耐毒性耐毒性 失活原因失活原因：： 超温过热，使催化剂表面发生烧结，晶型超温过热，使催化剂表面发生烧结，晶型转变或物相转变；转变或物相转变； 原料气中混有毒物杂质，使催化剂中毒原料气中混有毒物杂质，使催化剂中毒；；有污垢覆盖催化剂表面有污垢覆盖催化剂表面催化剂的失活和再生催化剂的失活和再生 再生再生：：暂暂时时性性中中毒毒是是可可逆逆的的，，当当原原料料中中除除去毒物后，催化剂可逐渐恢复活性去毒物后，催化剂可逐渐恢复活性永永久久性性中中毒毒则则是是不不可可逆逆的的。
催催化化剂剂积碳可通过烧碳再生积碳可通过烧碳再生无无论论是是暂暂时时性性中中毒毒后后的的再再生生，，还还是是积积碳碳后后的的再再生生，，均均会会引引起起催催化化剂剂结结构的损伤，致使活性下降构的损伤，致使活性下降催化剂的失活和再生催化剂的失活和再生 反应过程的物料衡算和热量衡算基础反应过程的物料衡算和热量衡算基础 输入物料的总质量输入物料的总质量 = = 输出物料的总质量输出物料的总质量 + + 系统内积累的物料质量系统内积累的物料质量衡算系统的物料衡算通式衡算系统的物料衡算通式 间歇操作过程的物料衡算间歇操作过程的物料衡算以每批生产时间为基准以每批生产时间为基准输输入入物物料料量量 每每批批投投入入的的所所有有物物料料质质量量的的总总和和（（包包括括反反应应物物、、溶溶剂剂、、充充入入的的气气体体、、催化剂等）催化剂等）输输出出物物料料量量 该该批批卸卸出出的的所所有有物物料料质质量量的的总总和和（（包包括括目目的的产产物物、、副副产产物物、、剩剩余余反反应应物、抽出的气体、溶剂、催化剂等）物、抽出的气体、溶剂、催化剂等）投投入入料料总总量量与与卸卸出出料料总总量量之之差差为为残残存存在在反反应器内的物料量及其它机械损失应器内的物料量及其它机械损失 稳定流动过程的物料衡算稳定流动过程的物料衡算系统中各点的参数（温度、压力、浓度和流系统中各点的参数（温度、压力、浓度和流量等）不随时间而变化，系统中没有积累量等）不随时间而变化，系统中没有积累输入系统的物料总质量输入系统的物料总质量 ==输出系统的物料输出系统的物料总质量总质量组分衡算组分衡算（（∑∑m mi i））入入 = =（（∑∑m mi i））出出+Δm+Δmi i 原子衡算原子衡算输入物料中所有原子的摩尔数之和输入物料中所有原子的摩尔数之和 ==输出物料中所有原子的摩尔数之和输出物料中所有原子的摩尔数之和 物料衡算的步骤物料衡算的步骤绘出流程的方框图，以便选定衡算系统绘出流程的方框图，以便选定衡算系统写出化学反应方程式并配平写出化学反应方程式并配平选定衡算基准，以计算方便为原则选定衡算基准，以计算方便为原则收集或计算必要的各种数据收集或计算必要的各种数据设未知数，列方程式设未知数，列方程式 组，联立求解组，联立求解计算和核对计算和核对报告计算结果报告计算结果 物料衡算的步骤物料衡算的步骤绘出流程的方框图，以便选定衡算系统绘出流程的方框图，以便选定衡算系统写出化学反应方程式并配平写出化学反应方程式并配平选定衡算基准，以计算方便为原则选定衡算基准，以计算方便为原则收集或计算必要的各种数据收集或计算必要的各种数据设未知数，列方程式设未知数，列方程式 组，联立求解组，联立求解计算和核对计算和核对报告计算结果报告计算结果 稳态流动反应过程的热量衡算稳态流动反应过程的热量衡算 稳态流动反应过程是一类最常见的恒压过稳态流动反应过程是一类最常见的恒压过程，在该系统内无能量积累。
程，在该系统内无能量积累 输入该系统的能量输入该系统的能量= = 输入物料的内能输入物料的内能U in + + 环境传入的热量环境传入的热量QP 输出该系统的能量输出该系统的能量= = 输出物料的内能输出物料的内能U out + + 系统对外作的功系统对外作的功 WU in+ QP = U out + W 热量衡算的关键热量衡算的关键首先要确定衡算对象，即明确系统及其首先要确定衡算对象，即明确系统及其周围环境的范围周围环境的范围选定物料衡算基准，物、热衡算方程式选定物料衡算基准，物、热衡算方程式要联立求解，均应有同一物料衡算基准要联立求解，均应有同一物料衡算基准确定温度基准，多以确定温度基准，多以298K298K（或（或273K273K））为基准温度为基准温度注意物质的相态，计算相应的注意物质的相态，计算相应的焓变焓变 本章结束本章结束 。
