化學(xué)工藝學(xué)電子教案第一章

化學(xué)工藝學(xué)電子教案——第一章化學(xué)工業(yè)原料資源及其加工利用1化學(xué)工業(yè)原料資源及其加工利用1.1無(wú)機(jī)化學(xué)礦及其加工利用〔自學(xué)〕1.2石油及其加工利用1.3天然氣及其加工利用1.4煤及其加工利用1.5生物質(zhì)及其加工利用1.6再生資源的開(kāi)發(fā)利用1.7空氣和水1.1無(wú)機(jī)化學(xué)礦及其加工利用〔自學(xué)〕1.1.1主要無(wú)機(jī)化學(xué)礦1.1.2磷礦和硫鐵礦的加工利用1.2石油及其加工利用石油化工自20世紀(jì)50年代開(kāi)場(chǎng)蓬勃開(kāi)展，至今，基本有機(jī)化工、高分子化工、精細(xì)化工及氮肥工業(yè)等的產(chǎn)品大約有90％來(lái)源于石油和天然氣。90%左右有機(jī)化工產(chǎn)品上游原料可歸結(jié)為三烯〔乙烯、丙烯、丁二烯〕、三苯〔苯、甲苯、二甲苯〕、乙炔和萘，還有甲醇。其中的三烯主要由石油制取，三苯、萘和甲醇可由石油、天然氣和煤制取。1.2石油及其加工利用1.2.1石油的組成石油是一種有氣味的棕黑色或黃褐色粘稠狀液體，密度與組成有關(guān)，相對(duì)密度大約在0.75～1.0。有些油田常伴生油田氣。石油是由分子量不同、組成和構(gòu)造不同、數(shù)量眾多的化合物構(gòu)成的混合物，其中化合物的沸點(diǎn)從常溫到500℃以上均有。石油中合量最大的兩種元素是C和H，其質(zhì)量含量分別為碳83％～87％、氫11％～14％，兩者主要以碳?xì)浠衔锓绞酱嬖?。其他元素的含量因產(chǎn)地不同而有較大的動(dòng)搖，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等金屬元素只含微量，由十億分之幾到百萬(wàn)分之幾。在地下與石油共存的水相中溶有K、Na、Ca、Mg等的氯化物，易于脫除。石油中的化合物可以分為烴類(lèi)、非烴類(lèi)以及膠質(zhì)和瀝青三大類(lèi)。1.2石油及其加工利用〔1〕烴類(lèi)化合物烴類(lèi)即碳?xì)浠衔?，在石油中占絕大部分約幾萬(wàn)種。①鏈?zhǔn)斤柡蜔N。含量最多，有正構(gòu)烷烴和異構(gòu)烷烴，兩者在石油中約占50％-70％〔質(zhì)量〕，僅有極少數(shù)油田的石油中鏈烷烴低于10％-15％。C1-C4烷烴是溶解在石油中的氣態(tài)烴，C5-C16烷烴為液態(tài)，C17及以上烷烴為溶解在液態(tài)烴中的固態(tài)烴。②環(huán)烷烴。含量?jī)H次于鏈烷烴，具飽和環(huán)狀構(gòu)造，多為五員環(huán)和六員環(huán)的單環(huán)構(gòu)造，例如環(huán)戊烷和環(huán)己烷及其帶側(cè)基的衍生物，此外還有少量雙環(huán)和三環(huán)構(gòu)造的環(huán)烷烴。③芳香烴。具不飽和環(huán)狀構(gòu)造，有單環(huán)的苯系芳烴〔苯、甲苯、二甲苯、乙苯及其他苯的衍生物〕、雙環(huán)的萘及其衍生物〔例如甲基萘、其他烷基萘〕和聯(lián)苯系芳烴，以及三個(gè)或三個(gè)以上苯環(huán)疊合在一同的稠環(huán)芳烴。1.2石油及其加工利用〔2〕非烴化合物含有碳、氫及其他雜原子的有機(jī)化合物。①硫化物。多為有機(jī)硫化物，例如硫醇〔RSH〕、硫醚〔RSR〕、二疏化物〔RSSR〕、噻吩〔C4H4S硫雜環(huán)化合物〕及其衍生物等。硫醇拂點(diǎn)較低，原油經(jīng)蒸餾加工后，硫醇多存在于汽油、煤油產(chǎn)品中；硫醚和部分二硫化物那么在中等沸程餾分〔如柴油〕中；二硫化物、噻吩等那么多留在高沸程的重油、渣油和瀝青中。②氮化物。多為吡啶、喹啉等不飽和氮雜環(huán)構(gòu)造的有機(jī)物，它們的沸點(diǎn)較高，石油加工后多留在沸點(diǎn)高于500℃的渣油中。③氧化合物。有環(huán)烷酸、酚類(lèi)和很少量的脂肪酸，總稱(chēng)為石油酸。其中環(huán)烷酸含量較多，在石油加工分別后，環(huán)烷酸多存在于250—400℃沸程的餾分中。④金屬有機(jī)化合物。含量甚微，主要以金屬絡(luò)合物的方式存在。1.2石油及其加工利用1.2.2石油的常壓蒸餾和減壓蒸餾石油開(kāi)采出來(lái)尚未加工時(shí)稱(chēng)為原油，一次加工方法為常壓蒸餾和減壓蒸餾。蒸餾是一種利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的差別〔沸點(diǎn)不同〕進(jìn)展分別的方法，是一種沒(méi)有化學(xué)反響的傳質(zhì)、傳熱物理過(guò)程，主要設(shè)備是蒸餾塔。常減壓蒸餾流程有三類(lèi)：①燃料型;②燃料-光滑油型;③燃料-化工型。1.2石油及其加工利用大型石油化工結(jié)合企業(yè)中的煉油廠蒸餾安裝多采用燃料-化工-光滑油型流程，見(jiàn)圖2-1。

1.2石油及其加工利用1.2.3餾分油的化學(xué)加工常、減壓蒸餾只能將原油切割成幾個(gè)餾分，主產(chǎn)的燃料量有限，不能滿足需求，直接能用作化工原料的也僅是塔頂出來(lái)的氣體。為了消費(fèi)更多的燃料和化工原料，需求對(duì)各個(gè)餾分油進(jìn)展二次加工。加工的方法很多，主要是化學(xué)加工方法，下面簡(jiǎn)介主要的幾種加工過(guò)程。1.2石油及其加工利用⑴催化重整〔catalyticreforming〕催化重整是在含鉑的催化劑作用下加熱汽油餾分〔石腦油〕，使其中的烴類(lèi)分子重新陳列構(gòu)成新分子的工藝過(guò)程。催化重整安裝能提供高辛烷值汽油，還為化纖、橡膠、塑料和精細(xì)化工提供苯、甲苯、二甲苯等芳烴原料以及提供液化氣和溶劑油,并副產(chǎn)氫氣。固定床催化重整工藝流程見(jiàn)圖2-2。1.2石油及其加工利用1.2石油及其加工利用⑵催化裂化〔catalyticcracking〕催化裂化是在催化劑作用下加熱重質(zhì)餾分油，使大分子烴類(lèi)化合物裂化而轉(zhuǎn)化成高質(zhì)量的汽油，并副產(chǎn)柴油、鍋爐燃油、液化氣和氣體等產(chǎn)品的加工過(guò)程。原料可以是直餾柴油、重柴油、減壓柴油或光滑油餾分，甚至可以是渣油焦化制石油焦后的焦化餾分油。它們所含烴類(lèi)分子中的碳數(shù)大多在18個(gè)以上。1.2石油及其加工利用1.2石油及其加工利用1.2石油及其加工利用1.2.4催化加氫裂化〔catalytichydrocracking〕催化加氫裂化系指在催化劑存在及高氫壓下，加熱重質(zhì)油使其發(fā)生各類(lèi)加氫和裂化反響，轉(zhuǎn)變成航空煤油、柴油、汽油〔或重整原料〕和氣體等產(chǎn)品的加工過(guò)程。加氧裂化的原料油可以是重柴油、減壓柴油，甚至減壓渣油，另一原料是氫氣。按操作壓力分有高壓法和中壓法。高壓法的操作壓力高于10MPa，反響溫度370一450℃；中壓法壓力5～10MPa，反響溫度370～380℃。加氫裂化過(guò)程的方框圖見(jiàn)圖2-5。1.2石油及其加工利用1.2石油及其加工利用1.2.5烴類(lèi)熱裂解〔pyrolysisofhydrocarbons〕烴類(lèi)熱裂解的主要目的是為了制取乙烯和丙烯，同時(shí)副產(chǎn)丁烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、乙苯等芳烴及其他化工原料。它是每個(gè)石油化工廠必不可少的首要過(guò)程。烴類(lèi)熱裂解不用催化劑，將烴類(lèi)加熱到750～900℃使其發(fā)生熱裂解，反響相當(dāng)復(fù)雜，主要是高碳烷烴裂解生成低碳烯烴和二烯烴同時(shí)伴有脫氫、芳構(gòu)化和結(jié)焦等許多反響。熱裂解的原料較優(yōu)者是乙烷、丙烷和石腦油，由于碳數(shù)少的烷烴分子裂解后產(chǎn)生的乙烯產(chǎn)率高。1.3天然氣及其加工利用1.3.1天然氣〔naturalgas〕自地下自然噴出或人工開(kāi)采出的可燃性氣體的總稱(chēng)。其主要成分是甲烷，另外還有少量的乙烷、丙烷、丁烷等及微量的硫化氫、水、氮?dú)獾?。天然氣按組成可分為干氣〔甲烷體積含量在90%以上〕和濕氣〔甲烷體積含量在90%以下〕。1.3天然氣及其加工利用1.3.2天然氣按儲(chǔ)存方式可分為：氣井氣：由氣井采出的天然氣；氣井只出氣而不出油的井，來(lái)自純氣藏〔普通屬于干氣〕；油田氣：伴隨采油采出的天然氣，來(lái)自油氣藏〔屬于濕氣〕；凝析氣氣井氣：來(lái)自凝析氣藏〔普通屬于濕氣〕。1.3天然氣及其加工利用1.3.3天然氣加工利用主要有以下幾方面〔1〕天然氣制氫氣和合成氨；〔2〕天然氣經(jīng)合成氣道路的催化轉(zhuǎn)化制燃料和化工產(chǎn)品；〔3〕天然氣直接催化轉(zhuǎn)化成化工產(chǎn)品；〔4〕天然氣熱裂解制化工產(chǎn)品；〔5〕甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化制化工產(chǎn)品；〔6〕濕性天然氣中C2一C4烷烴的利用1.4煤及其加工利用1.4.1煤〔coal〕煤〔coal〕是由含碳、氫的多種構(gòu)造的大分子有機(jī)物和少量硅、鋁、鐵、鈣、鎂的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)組成。從煤中可以得到多種芳香族化合物，它們是精細(xì)有機(jī)合成的主要原料。1.4煤及其加工利用1.4.2煤化工范疇內(nèi)的幾種煤加工道路〔1〕煤的干餾煤干餾〔coalcarbonization〕是在隔絕空氣條件下加熱煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和焦?fàn)t氣的過(guò)程。煤干榴過(guò)程又分以下兩類(lèi)。①煤的高溫干餾〔煉焦〕。②煤的低溫干餾。1.4煤及其加工利用〔2〕煤的氣化煤氣化〔coalgasification〕是指在高溫900～1300℃〕下使煤、焦炭或半焦等固體燃料與氣化劑反響，轉(zhuǎn)化成主要含有氫、一氧化碳等氣體的過(guò)程。生成的氣體組成隨固體燃料性質(zhì)、氣化劑種類(lèi)、氣化方法、氣化條件的不同而有差別。氣化劑主要是水蒸氣、空氣或氧氣。1.4煤及其加工利用〔3〕煤的液化煤液化〔coalliquefaction〕是指煤經(jīng)化學(xué)加工轉(zhuǎn)化為液體燃料的過(guò)程。煤液化可分為直接液化和間接液化兩大類(lèi)過(guò)程?！?〕消費(fèi)電石將煤與CaO在2000～2200℃及電弧爐作用下反響生成CaC2〔電石〕的過(guò)程。電石水解可生成乙炔〔此法占乙炔來(lái)源的一半以上〕，由乙炔出發(fā)可生成一系列化工產(chǎn)品。1.5生物質(zhì)及其加工利用農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)產(chǎn)品及其廢棄物〔殼、芯、稈、糠、渣〕等生物質(zhì)經(jīng)過(guò)化學(xué)或生物化學(xué)方法可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦谆瘜W(xué)品或中間產(chǎn)品，例如葡萄糖、乳酸、檸檬酸、乙醇、丙酮、高級(jí)脂肪酸等。加工過(guò)程涉及一系列化學(xué)工藝，如化學(xué)水解、酶水解、微生物水解、皂化、催化加氫、氣化、裂解、萃取等等，有些還用到DNA技術(shù)。1.5生物質(zhì)及其加工利用利用生物質(zhì)消費(fèi)化學(xué)品舉例：〔1〕糠醛的消費(fèi)農(nóng)副產(chǎn)品廢渣的水解是工業(yè)消費(fèi)糠醛的獨(dú)一道路。其消費(fèi)過(guò)程是：將含多縮戌糖的玉米芯、棉子殼、花生殼、甘蔗渣等投人反響釜內(nèi)，用含量為6％的稀硫酸作催化劑并通入蒸汽加熱，控制溫度在180℃左右、壓力0.6～1.0MPa，反響5～8h?！?〕乙醇的消費(fèi)將含淀粉的谷類(lèi)、薯類(lèi)、植物果實(shí)經(jīng)蒸煮糊化，加水冷卻至60℃。參與淀粉酶1.5生物質(zhì)及其加工利用使淀粉依次水解為麥芽糖和葡萄糖，再參與酵母