緒論 第二節(jié) 化學(xué)工藝共性知識

2023/2/31化學(xué)工藝的共性知識化學(xué)工業(yè)原料資源及其加工利用化工生產(chǎn)過程及流程化工過程的主要效率指標(biāo)反應(yīng)條件對化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響催化劑的性能及使用2023/2/32一化學(xué)工業(yè)原料資源及其加工利用石油及其加工利用天然氣及其加工利用煤及其加工利用生物質(zhì)及其加工利用2023/2/33

世界化學(xué)工業(yè)大致經(jīng)歷了焦油化工、無機化工、電石乙炔化工，直至最近幾十年的石油化工幾個階段。二十世紀(jì)初，主要是以煤為基礎(chǔ)；

五十年代，以煤和石油為原料比例占半；六十年代以后，主要（90%）以石油、天然氣為原料；約10%左右化工產(chǎn)品用煤和農(nóng)副產(chǎn)品為主要原料。2023/2/351石油及其加工產(chǎn)品

從地下開采出來的未經(jīng)加工處理的石油稱為原油，其是一種有氣味的呈褐色的粘稠液體，是多種碳氫化合物的混合物。也稱“黑色金子”。

組成：C83-87%，H11-14%，O、N、S1%

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原油一般不直接利用，須經(jīng)過加工制成各類石油產(chǎn)品方可利用。常用的加工方法有四種：

（1）常減壓蒸餾

（2）催化裂化

（3）催化重整

（4）加氫裂化

2023/2/37⑴

常減壓蒸餾

是石油加工第一道加工方法（龍頭），按沸點不同分出各種餾分油。但所用原油要經(jīng)脫鹽、脫水處理后，方可使用。且處理后的原油，需達到含鹽量＜50mg/L，H2O量＜0.2%的指標(biāo)。根據(jù)需要，有時采用加堿中和硫化氫或緩蝕劑。常減壓蒸餾流程見圖1所示。

2023/2/382023/2/39再經(jīng)常壓塔輕汽油---作催化重整原料、作裂解原料。煤油----作裂解原料輕柴油----作裂解原料 重柴油---作催化裂化原料、作裂解原料再經(jīng)減壓塔減壓柴油---作裂解原料及催化裂化原料減壓餾分油減壓渣油---生產(chǎn)石油焦或石油瀝青。

2023/2/310⑵

催化裂化

采用常減壓蒸餾得到的汽油量少，質(zhì)量又差，通過裂化，即發(fā)生芳構(gòu)化、異構(gòu)化、環(huán)烷化，使重質(zhì)燃料裂化成輕質(zhì)燃料，同時使輕質(zhì)燃料的組分發(fā)生變化，汽油質(zhì)量提高。催化裂化工藝流程見圖2所示。2023/2/3112023/2/312

催化裂化產(chǎn)物經(jīng)分餾塔分離，可得“二次加工”汽油、輕柴油。

副產(chǎn)裂化氣即液化氣，可從裂化氣中分離得到丙烯、正丁烯、異丁烯，用于生產(chǎn)各種基本有機化工產(chǎn)品。二次加工油質(zhì)量好。2023/2/313

汽油質(zhì)量好壞其主要質(zhì)量之一，是具有良好的抗爆性。

抗爆性是衡量汽油質(zhì)量的重要標(biāo)志，常以辛烷值“O.N.”表示。

“O.N.”越高的汽油，其抗爆性越高，質(zhì)量越高，而汽油的抗爆性與化學(xué)組成有關(guān)。正構(gòu)烷烴抗爆性最差，帶有很多支鏈的異構(gòu)烷烴和芳香烴抗爆性最好，所以從常減壓蒸餾出發(fā)的餾分，主要含有直鏈烷烴，抗爆性差，辛烷值低，質(zhì)量就差。2023/2/314

裂化有兩種:

熱裂化，汽油產(chǎn)品質(zhì)量差O.N.55-65，

催化裂化，汽油產(chǎn)品質(zhì)量好O.N.80以上。熱裂化已被催化裂化所代替。

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（3）催化重整

催化重整是使石油餾分油經(jīng)過化學(xué)加工轉(zhuǎn)變?yōu)楦缓紵N的高辛烷值汽油。(催化劑Pt/Al2O3)2023/2/316催化重整原料：

輕汽油、直餾汽油、二次加工汽油。催化重整汽油占總汽油產(chǎn)量的50%以上。催化重整也是生產(chǎn)芳烴的重要方法之一。催化重整工藝流程見圖3所示。2023/2/3172023/2/318

(4)加氫裂化

加氫裂化是在氫存在下進行的催化裂化反應(yīng)，可得到優(yōu)質(zhì)的汽、煤、柴油，如航空噴氣燃料和優(yōu)質(zhì)輕柴油。

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特點：原料用重質(zhì)餾分油等，選擇范圍廣；裂化后，產(chǎn)生低級烷烴作化工原料；

加氫減壓油可作生產(chǎn)乙烯的裂解原料.2023/2/3202023/2/3212天然氣及其加工產(chǎn)品干性天然氣，C10含量＞90%不可液化

濕性天然氣，

C10含量＜90%可壓縮液化

天然氣是埋藏在地下，自然噴出或人工開采出來的可燃性氣體的總稱。天然氣的分類有兩種：

化學(xué)組成不同：2023/2/322

氣井氣（氣田），干性天然氣，簡稱干氣；油田氣（油田伴生氣）濕性天然氣，凝析井氣簡稱濕氣；

礦藏不同：2023/2/323甲烷的化工利用主要有三個途徑：①

經(jīng)蒸汽催化轉(zhuǎn)化制成合成氣[CO+H2]，然后進一步合成甲醇、高級醇、氨、尿素以及碳一化學(xué)品。②

經(jīng)部分氧化制造乙炔，發(fā)展乙炔化學(xué)工業(yè)。③

直接用于生產(chǎn)各種化工產(chǎn)品，如，炭黑、氫氰酸、氯甲烷、硝基甲烷等。(從濕氣中分離得到的C2+烷烴作為裂解原料)

2023/2/3243煤及其加工產(chǎn)物

煤結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，以芳香核結(jié)構(gòu)為主，具有烷基側(cè)鏈和含雜原子（氧、氮、硫）基團的高分子化合物（M＞2000）。以煤作化工原料，可得到石油化工較難得到的產(chǎn)品。

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煤的化學(xué)加工方法：⑴煤的干餾：常用高溫干餾（也稱煉焦）⑵煤的氣化

⑶煤與石灰熔融生產(chǎn)電石

2023/2/326

⑴煤的干餾：

將煤隔絕空氣加熱，隨著溫度的升高，煤中有機物逐漸開始分解，其中揮發(fā)性物質(zhì)呈氣態(tài)逸出，殘留下不揮發(fā)性產(chǎn)物就是焦碳或半焦。

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氣體產(chǎn)物經(jīng)洗滌、冷卻等處理后分別得到煤焦油、氨、粗苯和焦?fàn)t煤氣。我國1983年作了統(tǒng)計，純苯產(chǎn)量的54.6%和全部的萘、蒽、咔唑等多環(huán)芳烴和雜環(huán)化合物都來自煤焦油。粗苯主要由苯、甲苯、二甲苯、三甲苯所組成。焦?fàn)t煤氣經(jīng)分離可得氫氣、甲烷、乙烯等。

2023/2/328⑵煤的氣化煤、焦或半焦在高溫常壓或加壓條件下，與氣化劑反應(yīng)轉(zhuǎn)化為一氧化碳、氫等可燃性氣體的過程。產(chǎn)物可用作合成氣、城市煤氣、工業(yè)用燃料氣。

2023/2/329（3）煤的液化

煤的高溫加氫，稱為煤的液化。加氫、熱解、脫灰（4）煤與石灰熔融生產(chǎn)電石CaO+C→CaC2→C2H2→化工原料。（如，C2H3Cl等）

2023/2/330中國煤化工的發(fā)展前景，重點發(fā)展煤氣化技術(shù)，加強碳一化學(xué)的發(fā)展。由碳一化學(xué)工藝路線制備含氧化合物（如，醇、酸、醛、酮、醚等及其衍生物），將建設(shè)煤化學(xué)聯(lián)合企業(yè)。表14從煤獲取基本有機化學(xué)工業(yè)原料的途徑2023/2/3312023/2/3324生物質(zhì)的利用

在農(nóng)產(chǎn)品加工過程中，可得到大量農(nóng)副產(chǎn)品和農(nóng)業(yè)廢物，其中含纖維素、半纖維素、淀粉、糖類和油脂的生物質(zhì)均可為基本有機化學(xué)工業(yè)提供原料和產(chǎn)品。（1）農(nóng)林副產(chǎn)品*玉米芯-→糠醛（萃取劑）

2023/2/333多縮己糖水解可得單糖。（淀粉）發(fā)酵可得酒精，副產(chǎn)雜醇油。

(C6H10O5)n

多縮戊糖—→戊糖—→+3H2O（C5H8O4）nC5H10O5

（糠醛）

此法是工業(yè)上生產(chǎn)糠醛的唯一方法。

纖維素含多縮己糖，半纖維素含多縮己糖和多縮戊糖。

2023/2/334

糠醛是有機化工的一種重要原料，可用來生產(chǎn)糠醛苯酚樹脂、糠醇樹脂、順丁烯二酸酐、合成纖維及醫(yī)藥產(chǎn)品。

提取色素（辣椒-→紅色素）

植物花-→香精、松節(jié)油2023/2/335（2）動植物油-→硬化油、硬脂酸、甘油（3）海洋化工-→天然氣、烴類水合物

目前，生物質(zhì)的利用，這項工作做得越來越多，如利用稻桿等生產(chǎn)羧甲基纖維素等。2023/2/336二化工生產(chǎn)過程及流程化工生產(chǎn)過程化工生產(chǎn)工藝流程2023/2/3371化工生產(chǎn)過程化工生產(chǎn)過程由三個步驟組成原料預(yù)處理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)品分離及精制2023/2/3382化工生產(chǎn)工藝流程

原料經(jīng)過包括物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換的一系列加工，轉(zhuǎn)變成所需產(chǎn)品，實施轉(zhuǎn)換需要有相應(yīng)的功能單元來完成，按物料加工順序?qū)⑦@些功能單元有機地組合起來，構(gòu)筑成工藝流程。

將原料轉(zhuǎn)變成化工產(chǎn)品的工藝流程稱為化工生產(chǎn)工藝流程。

用圖示來表達工藝流程的圖稱為工藝流程圖。39化工生產(chǎn)工藝流程組織——推論分析法從“目標(biāo)”出發(fā)對不同功能的單元進行邏輯組合化工工藝過程的“洋蔥”模型反應(yīng)器分離與再循環(huán)換熱網(wǎng)絡(luò)公用工程40化工生產(chǎn)工藝流程組織——功能分析法分析每個單元的基本功能和屬性，列出不同方案不同功能單元的實施方法不同設(shè)備型式不同流程方案具有相同整體功能41化工生產(chǎn)工藝流程組織——形態(tài)分析法對不同流程方案精確分析評價，擇優(yōu)汰劣原則是否滿足所要求的技術(shù)指標(biāo)經(jīng)濟指標(biāo)的先進性環(huán)境、安全和法律技術(shù)資料的完整性和可信度2023/2/342三化工過程的主要效率指標(biāo)1生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強度生產(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。其單位為kg/h，t/d或kt/a，萬t/a等。設(shè)計能力

設(shè)備或裝置在最佳條件下可以達到的最大生產(chǎn)能力，稱為設(shè)計能力。2023/2/343生產(chǎn)強度為設(shè)備的單位特征幾何量的生產(chǎn)能力。即設(shè)備的單位體積的生產(chǎn)能力，或單位面積的生產(chǎn)能力。其單位為kg/(h·m3)，t/(d·m3)，或kg/(h·m2)，或t/(d·m2)等。生產(chǎn)強度指標(biāo)主要用于比較相同反應(yīng)過程或物理加工過程的設(shè)備或裝置的優(yōu)劣。設(shè)備中進行的過程速率高，其生產(chǎn)強度就高。2023/2/3442轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率（1）轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率表征原料的轉(zhuǎn)化程度，反映了反應(yīng)進程。轉(zhuǎn)化率越大，參加反應(yīng)的原料愈多。使用時，注意單位要統(tǒng)一，可用摩爾（mol）；質(zhì)量（kg）；體積（L）。2023/2/345（2）單程轉(zhuǎn)化率（用于循環(huán)過程）X單＜X總2023/2/346(3)選擇性S（selectivity）

也可用目的產(chǎn)物需消耗的某反應(yīng)物量與實際轉(zhuǎn)化掉的該反應(yīng)物量之比。2023/2/347（4）收率和質(zhì)量收率

反應(yīng)物的量單位：摩爾單位或質(zhì)量單位。2023/2/348有循環(huán)時：

反應(yīng)物的量單位：摩爾單位或質(zhì)量單位。2023/2/3493平衡轉(zhuǎn)化率和平衡產(chǎn)率的計算可逆反應(yīng)達到平衡時的轉(zhuǎn)化率稱為平衡轉(zhuǎn)化率。達平衡時所得產(chǎn)物的產(chǎn)率為平衡產(chǎn)率。平衡轉(zhuǎn)化率和平衡產(chǎn)率是可逆反應(yīng)所能達到的極限值（最大值）。平衡轉(zhuǎn)化率和平衡產(chǎn)率與化學(xué)平衡常數(shù)有關(guān)。2023/2/350如：CO+H2O?H2+CO2反應(yīng)壓力不高低于3MPa，反應(yīng)溫度較高，200℃以上的條件，可按理想氣體處理。水蒸汽過量，計算CO的平衡轉(zhuǎn)化率。設(shè)CO的平衡轉(zhuǎn)化率為x，反應(yīng)前CO有amol，H2O有bmol，無H2和CO2。H2的產(chǎn)率=Note:非理想氣體，其壓力要校正。2023/2/351四反應(yīng)條件對化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響1溫度的影響反應(yīng)條件：反應(yīng)溫度、壓力、濃度、反應(yīng)時間、原料純度和配比、進料量等。（1）溫度對化學(xué)平衡的影響可逆反應(yīng)適用吸熱反應(yīng)△Hθ＞0，T↑→K↑→產(chǎn)物的平衡產(chǎn)率↑放熱反應(yīng)△Hθ＜0，T↑→K↓→產(chǎn)物的平衡產(chǎn)率↓

T↓→K↑→產(chǎn)物的平衡產(chǎn)率↑2023/2/352（2）溫度對反應(yīng)速率的影響反應(yīng)速率指單位時間、單位體積某反應(yīng)物組分的消耗量或某產(chǎn)物的生成量。aA+bB?dD反應(yīng)速率：任何反應(yīng)有：T↑→k↑不可逆反應(yīng)，T↑→k↑→r↑;可逆反應(yīng)2023/2/353

可逆吸熱反應(yīng)，T↑→r↑?？赡娣艧岱磻?yīng)，隨T增加，r有三種變化情況：T較低時，T↑→T=TOP，

T〉TOP，r達到極大值時即，所對應(yīng)的溫度稱為最佳反應(yīng)溫度，亦稱最適宜溫度。2023/2/354最佳反應(yīng)溫度的計算公式：對于不同的組成或轉(zhuǎn)化率X，TOP值是不同的，隨轉(zhuǎn)化率的升高，TOP下降。活化能不同，TOP值也不同。即不同的可逆放熱反應(yīng)，有不同的TOP值。實際操作溫度須隨反應(yīng)的進行，逐漸降低。2023/2/3552濃度的影響反應(yīng)物濃度愈高，反應(yīng)速率愈快。反應(yīng)初期，反應(yīng)物濃度高，反應(yīng)速率大，隨著反應(yīng)的進行，反應(yīng)物不斷消耗，反應(yīng)速率逐漸下降。對于可逆反應(yīng)，為了使平衡向產(chǎn)物方向移動，可采用增加反應(yīng)物濃度或不斷移走產(chǎn)物的辦法，最終可增加產(chǎn)物的產(chǎn)率。有兩種以上反應(yīng)物參加，一般價高難得的反應(yīng)物不過量，其他反應(yīng)物過量。若某一反應(yīng)物過量對反應(yīng)或設(shè)備有影響，則不選擇過量。2023/2/3563壓力的影響壓力對液相和固相反應(yīng)的平衡影響小。壓力對氣相和氣固相反應(yīng)的平衡影響大。2023/2/357Ⅰ對分子數(shù)增加的反應(yīng)（△υ＞0）Ⅱ?qū)Ψ肿訑?shù)減少的反應(yīng)（△υ＜0）

降低壓力可以提高平衡產(chǎn)率。壓力升高，產(chǎn)物的平衡產(chǎn)率增大。Ⅲ對分子數(shù)沒有變化的反應(yīng)（△υ=0）

壓力對平衡產(chǎn)率無影響。2023/2/358壓力增加可減少反應(yīng)氣體體積，增加濃度，提高反應(yīng)速率，從而提高設(shè)備的生產(chǎn)能力，但壓力過高，能耗增大，對設(shè)備密封及耐壓要求高，成本增加，反而不經(jīng)濟。對于增分子反應(yīng)，降低壓力（減壓、真空）操作不安全，往往采用添加惰性組分的辦法以降低反應(yīng)物的分壓，但添加量是有限的，太多也不利。2023/2/359五催化劑的性能及使用催化劑：在一個反應(yīng)系統(tǒng)中因加入了某種物質(zhì)而使化學(xué)反應(yīng)速率明顯加快，但該物質(zhì)在反應(yīng)前后的數(shù)量和化學(xué)性質(zhì)不變，稱這種物質(zhì)為催化劑。催化劑作用：（1）提高反應(yīng)速率和選擇性。（2）改進操作條件。采用或改進催化劑可以降低反應(yīng)溫度和操作壓力、可以提高化學(xué)加工過程的效率。（3）催化劑有助于開發(fā)新的反應(yīng)過程，發(fā)展新的化工技術(shù)。（4）催化劑在能源開發(fā)和消除污染中可發(fā)揮重要作用。2023/2/3601催化劑的基本特征①催化劑是參與了反應(yīng)的，但反應(yīng)終了時，催化劑本身未發(fā)生化學(xué)性質(zhì)和數(shù)量的變化。②催化劑只能縮短達到化學(xué)平衡的時間（即加速作用），但不能改變平衡。③催化劑具有明顯的選擇性，特定的催化劑只能催化特定的反應(yīng)。Ⅰ催化劑不能使熱力學(xué)上不可能進行的反應(yīng)發(fā)生。Ⅱ催化劑是以同樣的倍率提高正、逆反應(yīng)速率的，能加速正反應(yīng)速率的催化劑，也必然能加速逆反應(yīng)。O2023/2/3612催化劑的分類按催化反應(yīng)體系的物相均一性分：均相和非均相催化劑。按反應(yīng)類別分：加氫、脫氫、氧化、裂化、聚合、烷基化、羰基化、鹵化等催化劑。（功能催化劑）按反應(yīng)機理分：氧化還原型催化劑、酸堿催化劑等。按適用條件下所用催化劑的物態(tài)分：金屬催化劑、氧化物催化劑、硫化物催化劑、絡(luò)合物催化劑、酸催化劑、堿催化劑等。2023/2/3623工業(yè)催化劑使用中的有關(guān)問題（1）工業(yè)催化劑的使用性能①活性。催化劑應(yīng)具有足夠高的活性。②選擇性。催化劑應(yīng)具有較高的選