工業(yè)化學(xué)02PPT課件

1.5化工原料及主要產(chǎn)品,化學(xué)工業(yè)的原料及選擇原則,根據(jù)物質(zhì)來源分，有無機原料和有機原料兩大類。前者主要有空氣、水和化學(xué)礦物；后者主要是煤、石油、天然氣和生物物質(zhì)。,空氣經(jīng)液化和精餾為化工生產(chǎn)提供氧氣和氮氣。氧氣與諸多化工原料反應(yīng)生成含氧產(chǎn)品；氮氣既可作為原料，也可用于洗滌、分離氣體混合物。水主要用做原料、溶劑、冷卻劑、蒸汽(熱源或動力)?；瘜W(xué)礦物有制硫酸的黃鐵礦和硫，制磷酸鹽的磷灰石等。,(1)無機化工原料,a煤煤焦油、焦碳、苯、焦?fàn)t氣（CH4）、硫等。,(2)有機化工原料,d農(nóng)林作物油料、藥用、纖維作物、橡膠、染料等。,c石油油品、煉廠氣、裂解、重整。,b天然氣甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。,在選擇原料路線和技術(shù)路線時，應(yīng)全面權(quán)衡技術(shù)、經(jīng)濟、社會和環(huán)保等方面的利弊。要考慮原料的來源、種類，路線是否可行，技術(shù)上是否合理，分析原料的經(jīng)濟性。,(3)原料選擇原則,1.5.1主要原料,起始原料主要有：1)空氣空氣是工業(yè)用氮氣、氧氣及惰性氣體的來源。2)水水是最便宜和最豐富的溶劑，廣泛應(yīng)用于洗滌、冷卻介質(zhì)及鍋爐給水，也可以作為制取氫氣的原料。3)礦物資源礦物包括煤、石油、天然氣及無機化學(xué)礦。煤是氨、染料、煤化學(xué)產(chǎn)品和有機合成的原料，隨著石油化工的發(fā)展，石油和天然氣已成為化學(xué)工業(yè)的主要原料。無機化學(xué)礦是無機化工生產(chǎn)的主要原料，主要有硫化物、氯化物，氟化物、碳酸鹽、硝酸鹽及磷酸鹽等礦石，如黃鐵礦(硫鐵礦)，石鹽(巖鹽)，螢石(氟石)，石灰石，鉀硝石，磷灰石(主要是含氟磷酸鈣)等。除了上述礦物外，還有各種金屬礦物，如金、銀、銅、汞、鋅、鎂、鋁、鉛、錫、釩、鉻，錳、鎳等礦物，可分別為金屬；金屬氧化物或化合物如鈦鐵礦，滑石，高嶺土，纖維硼鎂礦，菱鎂礦等。,1.5.1主要原料,4)生物原料糧食、農(nóng)產(chǎn)廢料及林業(yè)中木材加工副產(chǎn)物，可用于生產(chǎn)有機產(chǎn)品，如糧食發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、丙酮、丁醇、檸檬酸等。隨著石油化工的發(fā)展，生物原料已逐步由石油為原料代替之。因而，就目前整個化學(xué)工業(yè)而言，除生產(chǎn)少量生物制品外，其所占比例是很小的,1.5.2主要產(chǎn)品,主要化工產(chǎn)品有化學(xué)肥料、農(nóng)藥，合成樹脂、塑料、合成橡膠、化學(xué)纖維、染料、顏料，涂料，藥物等?；ぎa(chǎn)品應(yīng)符合產(chǎn)品要求的各項指標(biāo)，如外觀、顏色、粒度、晶形、粘度、雜質(zhì)含量等，產(chǎn)品質(zhì)量通常以純度或濃度來表示。根據(jù)其質(zhì)量好壞可分為不同等級，各有一定的規(guī)格和措標(biāo)。,1.6化工工藝學(xué)基礎(chǔ)知識,1.6.1化工過程,化學(xué)生產(chǎn)過程是將原料物經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的工藝過程，主要步驟：1)原料處理：為了使原料符合進行化學(xué)反應(yīng)所要求的狀態(tài)和規(guī)格通常根據(jù)具體情況對原料進行預(yù)處理，如凈化，提濃、混合、粉碎(對固體原料)等。2)化學(xué)反應(yīng)：這是生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟。經(jīng)過預(yù)處理的原料，在一定溫度、壓力及催化劑等條件下進行反應(yīng)，以達到所要求的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和收率。通過化學(xué)反應(yīng)，獲得目的產(chǎn)品或其混合物。反應(yīng)類型可以有氧化、還原、復(fù)分解、磺化、硝化、烷基化，異構(gòu)化，聚合、焙燒，并在相應(yīng)的反應(yīng)器中進行。3)產(chǎn)品精制：將由化學(xué)反應(yīng)得到的混合物進行分離，除去副產(chǎn)物或雜質(zhì)，以獲得符合組成規(guī)格的產(chǎn)品。,生產(chǎn)中，原料預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)品精制，缺一不可?；瘜W(xué)反應(yīng)這一步是整個化工生產(chǎn)過程的核心，起主導(dǎo)作用，其要求和結(jié)果決定著原料預(yù)處理的程度和產(chǎn)物精制的任務(wù)，直接影響到其它兩部分的設(shè)備投資和操作費用。,化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品種類繁多，生產(chǎn)流程千差萬別，共同之處是都有原料預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)品精制三部分。,化工生產(chǎn)過程可視為物理過程和化學(xué)過程組成。由于被加工物料的相態(tài)不同、過程原理和采用方法的差異，將物理過程可進一步細分為一系列遵循不同物理定律，有某種功用的基本操作過程，稱之為單元操作.,每一種單元操作都概括了化工生產(chǎn)中一類有共性的操作，從本質(zhì)上歸納為動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞三種傳遞過程。,化學(xué)反應(yīng)類似于單元操作，按其反應(yīng)的特點，尋求共性，提煉出諸多單元操作。稱之為單元過程。,三種傳遞過程和反應(yīng)工程，即所謂的“三傳一反”是貫穿于化學(xué)工程學(xué)科的一條主線。,化工生產(chǎn)過程的工業(yè)特征,(5)化工生產(chǎn)涉及經(jīng)濟問題.如原料供應(yīng)、設(shè)備投資、能源消耗、銷售、投入,工時及生產(chǎn)的管理等。經(jīng)濟效益是評價化工生產(chǎn)過程是否能實施的重要指標(biāo)。,(1)化工過程是大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，處理物料量大，與化學(xué)實驗研究相差懸殊。,(2)化工生產(chǎn)多為連續(xù)化生產(chǎn)過程。,(3)化工生產(chǎn)中所處理的物料從原料的純度到產(chǎn)品的收率都與化學(xué)實驗研究不盡相同。,(4)化工生產(chǎn)需要設(shè)置專用供水、供電、動力、貯存、運輸?shù)仍O(shè)施。,1.6.2化工過程選擇,(1)技術(shù)上的可行性：對一個新開發(fā)的工藝路線，技術(shù)可行性尤為重要。因為從實驗室開發(fā)研究到實現(xiàn)工業(yè)化，需要包括一系列的環(huán)節(jié)。(2)經(jīng)濟上的合理性：除了國家急需的特殊產(chǎn)品外，一個過程能實現(xiàn)工業(yè)化的另一個條件是經(jīng)濟上的合理性，也即生產(chǎn)過程在經(jīng)濟上能過關(guān)，有利可圖，否則工廠很難接受這一過程。,1.6.3化工過程的確立,在對過程進行技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)評價、確立過程中，一般需考慮以下一些因素：1)原料的純度，價格、供應(yīng)來源、運輸及貯存。2)產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)、收率，產(chǎn)品銷售的數(shù)量與價格。3)在運行方面，連續(xù)運轉(zhuǎn)的可靠性、安全性，運轉(zhuǎn)周期，失控時的對策，開、停車方法，公共工程運轉(zhuǎn)情況。,1.6.4化工工藝流程圖,1）化工工藝流程化工生產(chǎn)從原料開始到制成目的產(chǎn)物，要經(jīng)過一系列物理的和化學(xué)的加工處理步驟，這一系列加工處理步驟，稱為“化工過程”?；み^程的相同之處(即其共性)是，它們都是由為數(shù)不多的一些化學(xué)處理(稱為單元過程，如氧化、還原、加氫、脫氫、硝化、鹵化等)和物理處理(稱為單元操作，如加熱、冷卻、蒸餾、過濾等)步驟組成的；其不同之處(即其個性)是不同的過程，不但組成該過程的單元過程和單元操作各不相同，而且這些單元組合的次序和方式，以及單元設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型也各不相同。從原料開始，物料流經(jīng)一系列由管道連結(jié)的單元設(shè)備，最后得到頂期的產(chǎn)品，這一系列設(shè)備及其組合的次序和方式，便稱為工藝過程或工藝流程。,工藝流程圖,為描述化工生產(chǎn)過程，工程上通常用形象的圖形、符號和代號表示設(shè)備，用箭頭表示物料流動方向，將化工過程從原料到最終產(chǎn)品經(jīng)過的所有設(shè)備和相互關(guān)系以及物料流動順序，以圖示的方式表達出來，這種表示整個化工生產(chǎn)過程全貌的圖形稱為工藝流程圖。,工藝流程圖是工廠設(shè)計的基礎(chǔ)，也是操作和檢修的指南。一般可分為生產(chǎn)工藝流程圖、物料流程圖和帶控制點的工藝流程圖。,生產(chǎn)工藝流程圖,生產(chǎn)工藝流程圖有多種，根據(jù)其用途，繁簡程度差別很大，在初學(xué)階段，我們主要使用工藝流程示意圖。其中最簡單、也最粗略的一種流程圖是方框流程圖。流程圖能用較小的篇幅傳遞較多的信息，得到廣泛得到應(yīng)用。,合成氨流程簡圖,合成塔,氨分離器,液氨,水冷器,循環(huán)氣體,壓縮機,循環(huán)壓縮機,氫氮混合氣,合成氨流程簡圖,合成塔,氨分離器,液氨,水冷器,循環(huán)氣體,壓縮機,循環(huán)壓縮機,氫氮混合氣,合成氨流程簡圖,合成塔,氨分離器,液氨,水冷器,循環(huán)氣體,壓縮機,循環(huán)壓縮機,氫氮混合氣,工藝流程圖中的設(shè)備的圖形和符號已標(biāo)準(zhǔn)化(HG20519.31-92)。生產(chǎn)工藝流程圖常將設(shè)備的大致幾何形狀畫出，甚至以方框表示。,無論采用那種工藝流程圖表達工藝流程，均繪制在一平面上，一律從左向右展開，圖中要有必要的文字對流程進行說明，例如設(shè)備名稱(符號代號)、物料流向、進去方向、物料名稱、圖名、圖號、設(shè)計階段等。對有關(guān)化工制圖的詳細內(nèi)容，可通過學(xué)習(xí)其它課程或參閱其它相關(guān)專業(yè)書籍進一步學(xué)習(xí)。,1.6.5化工單元操作,單元操作的概念認為任何化工生產(chǎn)過程不論規(guī)模如何，都可分為一系列基本操作，諸如流體流動、加熱、冷卻、混合、分離等等。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，新的單元操作不斷出現(xiàn)，至今化工常用的單元操作約有26余種，如流體輸送、沉降、過濾、攪拌、固體輸送、加熱、冷卻、蒸發(fā)、蒸餾、吸收、萃取、浸取、吸附、離子交換、膜分離、增濕、減濕、干燥、結(jié)晶、粉碎、顆粒分級、流態(tài)化。,1.6.6化工產(chǎn)品的開發(fā)過程,人類社會經(jīng)濟發(fā)展的歷史表明，生產(chǎn)力的提高是與科學(xué)技術(shù)的進步分不開的。研究與開發(fā)指從最初的創(chuàng)意或設(shè)想起，經(jīng)過實驗室研究、中間試驗、放大沒計，直到在工業(yè)規(guī)模上實現(xiàn)一種新產(chǎn)品或新工藝的全過程。根據(jù)目前國際上比較通用的說法，研究與開發(fā)包括三個階段，或者三種類型。(1)基礎(chǔ)研究(2)應(yīng)用研究(3)技術(shù)開發(fā),化工生產(chǎn)過程的研究與開發(fā),任何一個新的化工生產(chǎn)過程，都是從最初的創(chuàng)意或設(shè)想開始，經(jīng)過實驗室研究、中間試驗、工業(yè)化試驗、放大設(shè)計、技術(shù)經(jīng)濟評價等諸多環(huán)節(jié)，最后建成工業(yè)生產(chǎn)裝置，實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。,在放大設(shè)計過程中,大小裝置之間會產(chǎn)生工藝結(jié)果的差別，歸結(jié)于“放大效應(yīng)”，尋求其產(chǎn)生因由和改善的方法是過程開發(fā)一項中心任務(wù)。,.,1.7化工過程的主要指標(biāo),生產(chǎn)能力指一個設(shè)備、一套裝置或一個工廠在單位時間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品量，或在單位時間內(nèi)處理的原料量。生產(chǎn)強度指設(shè)備的單位幾何量的生產(chǎn)能力，通常設(shè)備的單位體積或單位面積的生產(chǎn)能力。,.,1.7化工過程的主要指標(biāo),轉(zhuǎn)化率定義式：,BB+CCRR+SS,關(guān)鍵反應(yīng)物：3H2+N22NH3,.,化工過程的主要指標(biāo),轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率的計算間歇過程連續(xù)過程循環(huán)流程,單程轉(zhuǎn)化率XB=,全程轉(zhuǎn)化率XB，tot=,.,化工過程的主要指標(biāo),選擇性（Selectivity）,.,化工過程的主要指標(biāo),收率,根據(jù)轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率的定義：,Y=SX,.,化工過程的主要指標(biāo),質(zhì)量收率Ym=,.,化工過程的熱力學(xué)分析,平衡轉(zhuǎn)化率和平衡產(chǎn)率AA+BBRR+SS概念標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)平衡常數(shù)Kp（KC）若為氣相反應(yīng)體系為理想氣體，或壓力0，T有利于產(chǎn)物產(chǎn)率對于放熱反應(yīng)，H0，T有利于產(chǎn)物產(chǎn)率,.,反應(yīng)條件對化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,溫度的影響溫度對反應(yīng)速率的影響aA+bBdD反應(yīng)速率方程為其中k與反應(yīng)活化能和溫度有關(guān)k=Aexp（-E/RT）（阿累尼烏斯方程）由此可見，T，k,.,反應(yīng)條件對化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,溫度的影響溫度對反應(yīng)速率的影響對于不可逆反應(yīng)，T，產(chǎn)物生成的速率對于可逆反應(yīng)，T，正逆反應(yīng)的速率都對于吸熱反應(yīng)，T，生成產(chǎn)物的凈速率對于放熱反應(yīng)，（見圖2-10）有一最佳反應(yīng)溫度,.,反應(yīng)條件對化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,濃度的影響濃度對反應(yīng)平衡的影響根據(jù)反應(yīng)平衡移動原理，反應(yīng)物濃度，平衡向生成產(chǎn)物的方向移動濃度對反應(yīng)速率的影響,.,反應(yīng)條件對化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,壓力的影響壓力對反應(yīng)平衡的影響對分子數(shù)增加的反應(yīng)，降低壓力可以提高平衡產(chǎn)率；對分子數(shù)減少的反應(yīng)，壓力升高，產(chǎn)物的平衡產(chǎn)率增大；對分子數(shù)沒有變化的反應(yīng)，壓力對平衡產(chǎn)率無影響。壓力對反應(yīng)速率的影響,.,催化劑的性能及使用,一催化劑的作用提高反應(yīng)速率和選擇性乙烯的氧化反應(yīng),.,催化劑的性能及使用,改進操作條件合成氨工藝N2+3H22NH2（放熱反應(yīng)）乙烯聚合反應(yīng),.,催化劑的性能及使用,催化劑有助于開發(fā)新的反應(yīng)過程工業(yè)上乙酸的生產(chǎn)方法主要有乙醛氧化法丁烷和石腦油氧化法甲醇羰基化法19世紀初，三氟化硼、磷酸等催化劑，50-70MP，溫度250-350；1941年，Reppe等人用鐵、鈷、鎳等第八族金屬羰基化合物和鹵素為催化劑，20-45MP，溫度250-270；1960年聯(lián)邦德國的BASF公司建廠投產(chǎn)，催化劑為羰基鈷,碘化物為助催化劑，仍高溫高壓；1968年美國孟山都公司開發(fā)成功了用銠做催化劑，3MP低壓，溫度175的條件下合成乙酸,.,催化劑的性能及使用,4.催化劑在能源開發(fā)和消除污染中發(fā)揮重要作用汽車尾氣處理,.,催化劑的性能及使用,二催化劑的特征催化劑的作用機理,.,催化劑的性能及使用,催化劑的特征催化劑在反應(yīng)中自身未發(fā)生化學(xué)性質(zhì)和數(shù)量的變化催化劑能加快反應(yīng)速率，但不能使熱力學(xué)上不能進行的反應(yīng)發(fā)生催化劑不能改變化學(xué)平衡催化劑具有明顯的選擇性,.,催化劑的性能及使用,三催化劑的分類按催化劑反應(yīng)體系的物相均一性分為均相催化劑（液）非均相催化劑（固）按催化劑反應(yīng)機理分氧化還原型催化劑酸堿催化劑,.,催化劑的性能及使用,按使用條件下的物態(tài)分金屬催化劑氧化物催化劑硫化物催化劑酸催化劑堿催化劑絡(luò)合物催化劑生物催化劑