第二章-化學(xué)工藝基礎(chǔ)

1、Coal Chemical Technology,煤化工工藝學(xué),第二章 化學(xué)工藝基礎(chǔ),了解主要無(wú)機(jī)化學(xué)礦的種類，掌握磷礦和硫鐵礦的加工利用方法； 掌握石油、煤及天然氣的加工利用方法； 了解化工生產(chǎn)過(guò)程的組成及工藝流程的組織方法； 熟練掌握化工過(guò)程主要效率指標(biāo)的概念及計(jì)算方法。,2020/10/8,第一節(jié) 原料資源及其加工,鹽礦：巖鹽、海鹽和湖鹽等， 用于制造純堿、燒堿、鹽酸和氯乙烯等； 硫礦：硫磺（S）、硫鐵礦（FeS2）等， 用于生產(chǎn)硫酸和硫磺； 磷礦：氟磷灰石Ca5F(PO4)3 氯磷灰石Ca5Cl(PO4)3 用于生產(chǎn)磷肥、磷酸和磷酸鹽等； 鉀鹽礦：鉀石鹽（KCl和NaCl的混合物）、光

2、鹵石 （KCl.MgCl2.6H2O）、鉀鹽鎂礬(KCl.MgSO4.3H2O),一、無(wú)機(jī)化學(xué)礦及其加工利用,1、主要無(wú)機(jī)化學(xué)礦,鋁土礦：水硬鋁石（Al2O3H2O）和三水鋁石 （Al2O3H2O）的混合物； 硼礦：硼砂礦（Na2O2B2O310H2O）、 硼鎂石（2MgOB2O3H2O）等； 錳礦：錳礦（和MnO2）、菱錳礦（MnCO3）； 鈦礦：金紅石（TiO2）、鈦鐵礦（FeTiO3）等； 鋅礦：閃鋅礦（ZnS）、菱鋅礦（ZnCO3）； 鋇礦：重晶石（BaSO4）、毒晶石（BaCO3）等； 天然沸石：斜發(fā)沸石、絲光沸石、毛沸石； 硅藻土、膨潤(rùn)土：可作吸附劑和催化劑載體。,2、磷礦的加工利

3、用,多為氟磷灰石Ca5F(PO4)3，主要用于制造磷肥。 又稱酸法，用硫酸、磷酸、硝酸或鹽酸分解磷礦， 并將磷礦中的鈣以鈣鹽的形式分離掉。 利用高溫分解磷礦，并進(jìn)一步制成可被作物吸收的磷酸鹽。用這種方法生產(chǎn)的磷肥不溶于水，屬枸溶性磷肥。（其中所含磷能溶于檸檬酸或檸檬酸銨溶液，亦能被植物吸收。檸檬酸又稱為枸櫞酸。）,濕法,熱法,Ca5F(PO4)3+5H2SO4+5nH2O=3H3PO4 +5CaSO4nH2O +HF 用氨中和磷酸得磷酸銨或?qū)⒘姿崤c磷礦反應(yīng) 制得水溶性重過(guò)磷酸鈣Ca(H2PO4)2 H2O,濕法生產(chǎn)磷肥,生產(chǎn)重過(guò)磷酸鈣工藝條件： 磷礦粉的細(xì)度：要求 90%95%通過(guò)100目篩。

4、 硫酸濃度：一般為65%70%，溫度為7085。 硫酸用量：一般生產(chǎn)上所用硫酸量為理論用量 的103%105%。,濕法生產(chǎn)磷肥,Ca5(PO4)3F+7H3PO4+5H2O5Ca(H2PO4)2H2O+HF,硫鐵礦主要用于生產(chǎn)硫酸，世界上硫酸總產(chǎn)量的一半以上用于生產(chǎn)磷肥和氮肥。,黃鐵礦,白鐵礦,磁硫鐵礦,立方晶系 FeS2,斜方晶系 FeS2,FenSn+1,3、硫鐵礦加工利用,以硫鐵礦為原料生產(chǎn)硫酸的步驟：,主要反應(yīng)： 焙燒反應(yīng) 4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2 氧化反應(yīng) SO2+0.5O2=SO3 吸收反應(yīng) H2SO4+nSO3=H2SO4nSO3,沸 騰 焙 燒 爐,石油化工

5、自20世紀(jì)50年代開始蓬勃發(fā)展； 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)品中大約有90%來(lái)源于石油和天然氣。 90左右的有機(jī)化工產(chǎn)品的上游原料可歸結(jié)為三烯、三苯、乙炔、萘和甲醇。,二、石油及其加工利用,三烯：乙烯、丙烯、丁二烯石油制取 三苯：苯、甲苯、二甲苯石油、天然氣和煤制取,由分子量不同、組成和結(jié)構(gòu)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以上不等。 石油中的化合物分為 烴類 非烴類 膠質(zhì)和瀝青,1、石油的組成,烴類化合物,鏈?zhǔn)斤柡蜔N 環(huán)烷烴 芳香烴,硫化物 氮化物 含氧化合物,稠環(huán)烴類等,非烴化合物,膠質(zhì)和瀝青質(zhì),（1）分類 根據(jù)沸程不同，將石油分餾為

6、：,2、油品的概念,石腦油（輕汽油） 50140 汽油 140200 航空煤油 140230 煤油 180310 柴油 260350 潤(rùn)滑油 350520 重、渣油 520,來(lái)源 常減壓蒸餾（一次加工）得到直餾汽油； 催化裂化重整（二次加工）得到催化汽油。 辛烷值 汽油在內(nèi)燃機(jī)中燃燒時(shí)，抗爆震性能的指標(biāo)。 辛烷值越大，抗爆震性能愈高，汽油的質(zhì)量也愈好。 測(cè)定方法：研究法(RON)、馬達(dá)法(MON)。,（2）汽油的來(lái)源和指標(biāo),辛烷值定義,將異辛烷規(guī)定為100，正庚烷為0，兩者以不同比例混合，制成標(biāo)準(zhǔn)汽油。將待測(cè)汽油與標(biāo)準(zhǔn)汽油相比較，若兩者在標(biāo)準(zhǔn)汽油機(jī)中抗爆性能相同，則待測(cè)汽油的辛烷值就是同測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

7、汽油中異辛烷的百分含量。 90 93 97,（3）柴油的指標(biāo)十六烷值,評(píng)定柴油發(fā)火性能（自燃性）的指標(biāo) 定義：在單缸發(fā)動(dòng)機(jī)中，當(dāng)試驗(yàn)油料的自燃性和十六烷與2甲基萘某一混合物的自燃性能相同時(shí)，待測(cè)油料的十六烷值就和混合油料中十六烷值的體積百分?jǐn)?shù)相同。,餾程閃點(diǎn)：評(píng)定柴油蒸發(fā)性能的指標(biāo)，主要是50%和90%的餾出溫度。 凝點(diǎn)：在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件下，試樣開始失去流動(dòng)性的溫度。 冷濾點(diǎn)：通過(guò)過(guò)濾器的流量每分鐘不足20mL時(shí)的最高溫度。,柴油的其他性能指標(biāo),柴油標(biāo)號(hào)的依據(jù)是柴油的凝固點(diǎn) 5: 8以上 0: 8至4 10: 4至5 20: 5至14 35: 14至29 50: 29至44 根據(jù)使用時(shí)的氣溫選

8、用不同標(biāo)號(hào),柴油的標(biāo)號(hào),利用原油中各組分沸點(diǎn)的差別進(jìn)行分離。,3、石油的加工,（1）一次加工 油品的加工,減壓蒸餾,常壓蒸餾,催化重整 （catalytic reforming） 催化裂化 (catalytic cracking) 催化加氫裂化 (catalytic hydrocracking) 烴類熱裂解 （pyrolysis of hybrocarbons）,（2）二次加工 餾分油的化學(xué)加工,調(diào)整烴類的組成,（1）催化重整（catalytic reforming） 在含鉑的催化劑作用下加熱汽油餾分（石腦油），使其中的烴類分子重新排列形成新分子的工藝過(guò)程。 原料：石腦油 生產(chǎn)高辛烷值汽油，用

9、80180餾分； 生產(chǎn)芳烴，用60140餾分。 反應(yīng)：環(huán)烷烴脫氫、烷烴脫氫環(huán)化生成芳烴、烷烴異 構(gòu)化及加氫裂化（應(yīng)抑制）。,催化劑：鉑催化劑，鉑-錸雙金屬催化劑， 多金屬催化劑。 反應(yīng)器：固定床催化反應(yīng)器， 425525，0.73.5MPa。 進(jìn)料：H2：石腦油=36：1 （mol） 催化重整反應(yīng)為氣-固相催化反應(yīng)，強(qiáng)吸熱。,產(chǎn)物：富含芳烴，異構(gòu)烷烴也較多，辛烷值較高， 不需添加四乙基鉛無(wú)鉛汽油。 BTX，乙苯占重整生成油的30%70%；H2； C1C4烷烴。,鉑重整工藝流程示意圖,（2）催化裂化（catalytic cracking）,在催化劑作用下加熱重質(zhì)油，使其發(fā)生裂化反應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸦瘹?/p>

10、、汽油和柴油等輕質(zhì)餾分油的過(guò)程。 原料：直餾柴油、重柴油或潤(rùn)滑油餾分。 反應(yīng)條件：450530，0.10.3MPa。 催化劑：高活性分子篩，硅鋁酸鹽催化劑,裂化反應(yīng)：大分子烷烴碳碳鏈斷裂生成小分子的烷烴 和烯烴； 直鏈烷烴脫氫生成烯烴和氫； 正構(gòu)烷烴異構(gòu)化為異烷烴； 支鏈烷烴脫氫環(huán)化生成芳烴； 環(huán)烷烴脫氫生成芳烴； 烯烴脫氫環(huán)化成聚合焦； 芳烴脫氫縮合結(jié)焦等。,產(chǎn)物：汽油（C5C9）產(chǎn)率30%60%； 柴油（C8C18）產(chǎn)率40%； 氣體產(chǎn)率 10%20%； 焦炭產(chǎn)率 5%7%。 催化裂化裝置：流化床形式,等高并列式催化裂化裝置,高低并列式催化裂化裝置,（3）催化加氫裂化（catalytic

11、hydrocraking）,在催化劑及高氫壓作用下，加熱重質(zhì)油使其發(fā)生加氫和裂化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成航空煤油、柴油、汽油和氣體等產(chǎn)品的過(guò)程。 原料：重柴油、減壓柴油、減壓渣油；氫 高壓法：P 10MPa，T 370450 中壓法：P 510MPa，T 370380 催化劑：Ni，Mo，W，Co的氧化物，經(jīng)硫化預(yù)處理； Pt，Pd 氧化物，經(jīng)還原活化。,反應(yīng)：大分子烷烴加氫裂解成較小分子烷烴； 環(huán)烷烴加氫開環(huán)生成鏈烷烴； 芳烴加氫生成環(huán)烷烴； 有機(jī)含硫化合物加氫生成烷烴和硫化氫； 有機(jī)含氮化合物加氫生成烷烴和氨； 有機(jī)含氧化合物加氫生成烴和水； 有機(jī)金屬化合物加氫釋放出金屬及烴類。,加氫裂化后正構(gòu)烷烴和

12、異構(gòu)烷烴比例相當(dāng)高，重芳烴很少，是優(yōu)質(zhì)的航空煤油和柴油。,加氫裂化過(guò)程示意圖：,氣-固-液三相反應(yīng)器：滴流床型反應(yīng)器 膨脹床流化反應(yīng)器,（4）烴類熱裂解（pyrolysis of hydrocarbons）,石油加工的主要途徑和產(chǎn)品,天然氣：主要成分是甲烷。 干氣：甲烷含量高于90%； 濕氣：C2C4烷烴含量15%20%。 油田伴生氣：天然氣與石油伴生。 煤層氣（瓦斯氣）：吸附在煤上的甲烷。 天然氣水合物：凍土帶和海底甲烷與水組成的籠形化合物。 “可燃冰”、“固體瓦斯”,三、天然氣及其加工利用,制氫氣和合成氨 經(jīng)合成氣路線制燃料和化工產(chǎn)品 直接催化轉(zhuǎn)化成化工產(chǎn)品 熱裂解制化工產(chǎn)品 甲烷的氯化、

13、硝化、氨氧化和硫化 濕氣中C2 C4烷烴的利用,天然氣的化工利用,天然氣的化工利用,石油化工關(guān)系示意圖,煤(coal) 由含碳、氫的多種結(jié)構(gòu)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。 按成煤過(guò)程的程度不同分為 泥煤（peat）：含碳60%70% 褐煤（lignite）：含碳70%80% 煙煤（bituminous）：含碳80%90% 無(wú)煙煤（anthracite）：含碳90%93%,四、煤及其加工利用,煤的加工 高溫干餾（煉焦） 低溫干餾 煤氣化 煤液化（直接液化 間接液化）,H% 、O%含量順序 泥煤褐煤 煙煤無(wú)煙煤,（1）煤的干餾（coal carbonization）,在隔

14、絕空氣的條件下加熱煤，使其分解生成 焦炭、煤焦油、粗苯和煤氣的過(guò)程。 低溫干餾：500-600 中溫干餾：700-900 高溫干餾：900-1100 （也稱煉焦或焦化）,煤的高溫干餾（9001100）,煉焦： 煉焦煤在焦?fàn)t中隔絕空氣在9001100進(jìn)行干餾。 主要產(chǎn)物 焦炭：產(chǎn)率 70%72%； 焦?fàn)t煤氣：320 m3/t干煤， H2 54%63%，CH4 20%32%； 粗苯：苯、甲苯、二甲苯、三甲苯、乙苯；,焦?fàn)t煤氣：少量不飽和化合物： 環(huán)戊二烯、苯乙烯、古馬隆及茚等； 含硫化合物：二硫化碳、噻吩等； 氨：氨水或硫酸銨； 煤焦油：產(chǎn)率 3.5%， 酚，萘，蒽，菲，芴， 吡啶，咔唑，瀝 青等

15、。,煤的低溫干餾（500600）,褐煤、長(zhǎng)焰煤和高揮發(fā)分的不粘煤等低階煤適宜于低溫干餾加工。 產(chǎn)物： 半焦 焦油 煤氣 產(chǎn)率（%） 50% 70% 625% 80200 M3/T 半焦孔隙率為30%50%，反應(yīng)性和比電阻較高，強(qiáng)度較低。 用途：民用和動(dòng)力燃料，電爐冶煉（36mm，比電阻為 0.3520.m）、化學(xué)反應(yīng)還原劑，生產(chǎn)冶金型焦的中間產(chǎn)品。,低溫煤焦油 黑褐色液體，密度小于1g/cm3；含酚類35%，中性含氧化合物（酮、酯和雜環(huán)化合物）20%25%，中性含氮化合物2%3%，瀝青10%。 用途：生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料、酚類、烷烴和芳烴。,煤氣 密度為0.91.2kg/m3，含較多甲烷及其他烴類。

16、 用途：加熱燃料、民用煤氣及化學(xué)合成原料氣。,（2）煤的氣化（coal gasification） 在高溫（9001300）下使煤、焦炭或半焦等固體燃料與氣化劑反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w的過(guò)程。 氣化劑：水蒸氣、空氣或氧氣。 移動(dòng)床氣化技術(shù)：混合發(fā)生爐煤氣，水煤氣，半水煤 氣，加壓氣化煤氣； 流化床氣化技術(shù)：用于生產(chǎn)低熱值燃料氣或合成氣； 氣流床氣化技術(shù)：主要用于生產(chǎn)合成氣。如Texaco氣 化技術(shù)。,移動(dòng)床煤氣化過(guò)程：,Important chemical reactions Combustion C+O2 CO2 (exothermic) Gasification C+1/2O2 CO (exo

17、thermic) C+H2O(g) CO+H2 (endothermic) C+CO2 2CO (endothermic) Shift CO+H2O(g) CO2+H2(exothermic),Methanation,CO+3H2 CH4+ H2O(g) (exothermic),2CO+2H2 CH4+CO2 (exothermic),煤氣化生成的H2和CO是合成氨、合成甲醇及C1化工的基本原料。也可用來(lái)合成甲烷，生產(chǎn)代用天然氣（SNG），作為城市燃?xì)狻?煤加工利用途徑示意圖,直接液化,將煤在較高溫度和壓力下與氫反應(yīng)使其降解和加氫從而轉(zhuǎn)化為液體油類的工藝加氫液化工藝。,（3）煤的液化（coa

18、l liquefaction）,指煤經(jīng)過(guò)化學(xué)加工轉(zhuǎn)化為液體燃料的過(guò)程。,間接液化,直接液化,煤加氫液化反應(yīng)產(chǎn)物 PA（前瀝青烯）：溶于吡啶，不溶于苯。輕度加氫 產(chǎn)物，為復(fù)雜混合物，平均分子 量1000，常溫下為固體。 A（瀝青烯）：溶于苯，不溶于環(huán)己烷，輕度加氫 產(chǎn)物。與PA同屬中間產(chǎn)品。分子量 500。為混合物。 油類：煤加氫液化目的產(chǎn)品。 按沸點(diǎn)高低分為輕、中、 重油。,輕油（200）：主要是苯族烴、環(huán)烷烴。另有較多酚類（20%）和少量吡啶類。 中油（200325）：主要是23個(gè)環(huán)的芳香烴、氫化芳烴。另含酚15%，重吡啶、喹啉5%。 重油：由3個(gè)環(huán)和3個(gè)環(huán)以上的縮合芳烴構(gòu)成。,氣體產(chǎn)物：

19、脫雜原子產(chǎn)生的氣體； （CO、CO2、H2O、H2S、NH3）； 低分子飽和烴C1C4。,間接液化 將煤預(yù)先氣化制成合成氣，然后通過(guò)催化劑將合成氣轉(zhuǎn)化為液體燃料的過(guò)程。,煤,低溫干餾,焦?fàn)t煤氣,含氫、甲烷、乙烯等,低溫煤焦油,酚類、烷烴、環(huán)烷烴等,半焦,氣化,合成氣,高溫干餾,焦?fàn)t煤氣,粗苯,分離,苯,二甲苯,甲苯,氧（雜）茚,茚,煤焦油,分離,苯酚、甲酚、二甲酚,萘、烷基萘,蒽,其他化工原料,氣化,合成氣,合成,氨、甲醇、低碳混合醇、汽油、柴油等,高壓加氫液化,汽油、煤油、柴油等,1、生物質(zhì)與生物質(zhì)能,生物質(zhì)的廣義概念：生物質(zhì)包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動(dòng)物及其生產(chǎn)的廢棄

20、物。有代表性的生物質(zhì)如農(nóng)作物、農(nóng)作物廢棄物、木材、木材廢棄物和動(dòng)物糞便。 生物質(zhì)的狹義概念：生物質(zhì)主要是指農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中除糧食、果實(shí)以外的秸稈、樹木等木質(zhì)纖維素（簡(jiǎn)稱木質(zhì)素）、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)下腳料、農(nóng)林廢棄物及畜牧業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的禽畜糞便和廢棄物等物質(zhì)。,五、生物質(zhì)及其加工利用,生物質(zhì)的特點(diǎn)：可再生性、低污染性、廣泛分布性。 生物質(zhì)能：生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物中的一種能量形式，直接或間接來(lái)源于植物的光合作用。地球上的植物進(jìn)行光合作用所消費(fèi)的能量，占太陽(yáng)照射到地球總輻射量的0.2%，這個(gè)比例雖不大，但絕對(duì)值很驚人。光合作用消費(fèi)的能量是目前人類能源消費(fèi)總量的40倍。,生物質(zhì)能的特點(diǎn) 二

21、氧化碳幾乎零排放 硫、氮和灰分含量少 揮發(fā)分含量高，氧含量多，有利于燃燒 水分含量高，影響著火和燃燒的穩(wěn)定性 單位質(zhì)量生物質(zhì)熱量低 分布分散，能量密度低，收集、運(yùn)輸和預(yù)處理繁瑣 具有可再生性，原料廣泛,2、生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù),3、生物質(zhì)熱解技術(shù),干餾（低溫干餾500-580 0C，中溫干餾660-750 0C，高溫干餾900-1100 0C）：隔絕空氣的環(huán)境加熱，制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚劑、木餾油和木炭等產(chǎn)品。 快速熱解：在缺氧的情況下快速加熱，然后迅速將其冷卻為液態(tài)生物原油的熱解方法。盡可能獲得更多的液體產(chǎn)物。,生物質(zhì)熱解過(guò)程 a. 干燥階段：120-150 0C，水分蒸發(fā)。 b. 預(yù)

22、炭化階段：150-275 0C，木材化學(xué)組成發(fā)生變化，不穩(wěn)定組分分解為CO2、CO和少量醋酸。 c. 炭化階段：275-450 0C，木材急劇熱分解，產(chǎn)生大量產(chǎn)物，發(fā)出大量的反應(yīng)熱。 d. 煅燒階段：450-500 0C，進(jìn)行木炭的煅燒，排除殘留在木炭中的揮發(fā)物質(zhì)，提高木炭中固定碳含量。 產(chǎn)物-固體：木炭 液體：粗木醋酸，包括200種以上有機(jī)物，酸類、醇類、醛類、酯類、酚類、芳香化合物、雜環(huán)化合物及胺類等。 氣體：CO2、CO、CH4、C2H4 和H2,4、生物質(zhì)直接液化技術(shù),生物質(zhì)在高壓下，直接與氫氣發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為液體燃料的熱化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。一般需使用催化劑。,5、生物質(zhì)氣化技術(shù),氣化的基本

23、原理,1）氧化層 C+O2CO2 2C+O2-2CO 2CO+O2-2CO2 2H2+O22H2O 2）還原層 C+H2OCO+H2 C+CO22CO C+2H2CH4,糠醛的生產(chǎn),糠醛：生產(chǎn)糠醛樹脂、糠醇樹脂、順丁烯二酸酐 原料：玉米芯、棉籽殼、花生殼、甘蔗渣等。 在反應(yīng)釜中用6%的稀硫酸做催化劑，通入蒸汽 加熱， 溫度180左右，壓力為0.61.0MPa ，反應(yīng) 58小時(shí)。,6、典型化學(xué)品生產(chǎn),乙醇的生產(chǎn),原料：谷類、薯類及植物果實(shí)。 經(jīng)蒸煮糊化，加水冷卻至60，加入淀粉酶使淀粉依次水解為麥芽糖和葡萄糖，再加入酵母使之發(fā)酵即得乙醇。 2(C6H10O5)nC12H22O112C6H12O6

24、 （淀粉） （麥芽糖） （葡萄糖） C6H12O62CH3CH2OH + 2CO2,產(chǎn)品分離與精制,化學(xué)反應(yīng),原料預(yù)處理,第二節(jié) 化工生產(chǎn)過(guò)程及流程,一、化工生產(chǎn)過(guò)程,二、化工生產(chǎn)工藝流程,1、工藝流程 原料需要經(jīng)過(guò)包括物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的一系列加工，才能轉(zhuǎn)變成所需產(chǎn)品，實(shí)施這些轉(zhuǎn)化需要有相應(yīng)的功能單元來(lái)完成，按物料加工順序?qū)⑦@些功能單元有機(jī)組合起來(lái)，則構(gòu)成工藝流程。 將原料轉(zhuǎn)變成化工產(chǎn)品的工藝流程為化工生產(chǎn)工藝流程。,工藝過(guò)程或工藝流程 化工生產(chǎn)工藝流程反映了由若干個(gè)單元過(guò)程按一定的邏輯順序組合起來(lái)，完成從原料變?yōu)槟康漠a(chǎn)品的全過(guò)程。,最簡(jiǎn)單也最粗略的一種流程圖是方框流程圖：方框之間用帶箭頭的直線

25、連結(jié)，代表車間或設(shè)備之間的管線連結(jié)，箭頭的方向表示物料流動(dòng)的方向。 簡(jiǎn)易流程示意圖：以形象的圖像、符號(hào)和代號(hào)來(lái)表示化工設(shè)備、管道和主要附件等。 帶控制點(diǎn)的工藝流程圖：一般包括生產(chǎn)裝置各層地平線及標(biāo)高、設(shè)備示意圖、設(shè)備流程號(hào)、物料及動(dòng)力管線、主要閥件和管道附件、必要的計(jì)量控制儀表、圖例及標(biāo)題欄等。,2、工藝流程圖（flow sheet or process flowsheet） 用圖示方法表達(dá)工藝流程的圖樣。,方框流程圖 醋酸乙烯酯合成工序工藝,醋酸乙烯酯合成工序工藝流程示意圖,（1） 推論分析法,化工工藝過(guò)程的 “洋蔥”模型,3、化工生產(chǎn)工藝流程組織,從“目標(biāo)出發(fā)，尋找實(shí)現(xiàn)此“目標(biāo)的“前提”，

26、將具有不同功能的單元進(jìn)行邏輯組合，形成一個(gè)具有整體功能的系統(tǒng)。,例：合成氨工藝流程的組織 目標(biāo)：生產(chǎn)NH3 前提：確定加熱、加壓的措施，選擇或設(shè)計(jì)相應(yīng)設(shè)備和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)；尋求生產(chǎn)純凈的H2、N2的方法。 下一步：尋求生產(chǎn)粗原料氣的工藝， 凈化工藝。 把具有制氣功能、凈化功能和合成功能的單元以及相應(yīng)的輸送、換熱、壓縮、儲(chǔ)存等裝置組合起來(lái)。 合成氨工藝流程,氨合成流程原則上應(yīng)由原料氣的預(yù)處理、氨合成反應(yīng)和氨的分離三大系統(tǒng)組成，根據(jù)工藝過(guò)程的特點(diǎn)，應(yīng)配置未反應(yīng)氣體的循環(huán)系統(tǒng)。,氨合成過(guò)程原則流程示意圖,（2）功能分析法,分析每個(gè)單元的基本功能和屬性，列出不同方案,（3）形態(tài)分析法,對(duì)不同流程方案精確

27、分析評(píng)價(jià)，擇優(yōu)汰劣，選擇其中最優(yōu)方案。,例：丙烯氨氧化制丙烯腈生產(chǎn)過(guò)程 主反應(yīng)： C3H6+NH3+1/2O2 CH2= CHCN + H2O 主要副產(chǎn)物： HCN CH3CN 如何從吸收塔底流出的水溶液中分離出丙烯 腈和副產(chǎn)物呢？,方案一：將丙烯腈和各副產(chǎn)物同時(shí)從水溶液中蒸發(fā)出來(lái)，冷凝后再逐個(gè)精餾分離；,丙烯腈與乙腈的沸點(diǎn)相近，普通精餾方法難于將它們分離。,乙腈與水完全互溶，而丙烯腈在水中的溶解度很小，用水作萃取劑，使兩者精餾分離變得很容易。,方案二：采用萃取精餾法先將丙烯腈和HCN解吸出來(lái)，乙腈留在水溶液中，然后再分離丙烯腈和HCN。,形態(tài)分析法的一個(gè)重要判據(jù)經(jīng)濟(jì)性 例：硫酸生產(chǎn)流程的確定

28、 硫鐵礦（FeS2）SO2SO3H2SO4 如果在濃硫酸吸收SO3后，剩余的SO2再氧化，由于產(chǎn)物SO3已被移出，反應(yīng)平衡向產(chǎn)物方向移動(dòng)，最終有99.5%99.8%的SO2轉(zhuǎn)化為SO3，再進(jìn)行第二次吸收，該工藝流程“二次轉(zhuǎn)化二次吸收”流程。 循環(huán)流程,生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度 轉(zhuǎn)化率選擇性 收率 平衡轉(zhuǎn)化率和平衡產(chǎn)率,第三節(jié) 化工過(guò)程的主要效率指標(biāo),一、生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度,一個(gè)設(shè)備、一套裝置或一個(gè)工廠在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品量或處理的原料量。 單位：千克/時(shí)（kg/h） 噸 /天 (t/d) 萬(wàn)噸/年 (10kt/a) 設(shè)計(jì)能力：設(shè)備或裝置在最佳條件下可以達(dá)到的最 大生產(chǎn)能力。,1、生產(chǎn)能力,設(shè)備的單

29、位體積（或面積）的生產(chǎn)能力。 單位：kg/hm3，t/dm3，kg/hm2，t/dm2,2、生產(chǎn)強(qiáng)度,時(shí)空收率,用于比較那些相同反應(yīng)過(guò)程或物理加工過(guò)程的設(shè)備或裝置的優(yōu)劣。設(shè)備中進(jìn)行的過(guò)程速率高，其生產(chǎn)強(qiáng)度就高。,單位：kg/hm3，kg/hkg,即催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度，單位時(shí)間、單位體積（質(zhì)量）催化劑所得產(chǎn)品量。,有效生產(chǎn)周期,1、轉(zhuǎn)化率,二、轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率（產(chǎn)率）,表征原料的轉(zhuǎn)化程度，反映了反應(yīng)進(jìn)度。 對(duì)于同一反應(yīng)，若反應(yīng)物不僅只有一個(gè)，那么，不同反應(yīng)組分的轉(zhuǎn)化率在數(shù)值上可能不同。,反應(yīng),計(jì)算轉(zhuǎn)化率時(shí)，反應(yīng)物起始量的確定很重要。對(duì)于間歇過(guò)程，以反應(yīng)開始時(shí)裝入反應(yīng)器的某反應(yīng)物料量為起始量；對(duì)

30、于連續(xù)過(guò)程，一般以反應(yīng)器進(jìn)口物料中某反應(yīng)物的量為起始量。但對(duì)于采用循環(huán)流程的過(guò)程來(lái)說(shuō)，則有單程轉(zhuǎn)化率和全程轉(zhuǎn)化率之分。,單程轉(zhuǎn)化率系指原料每次通過(guò)反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率,全程轉(zhuǎn)化率又稱總轉(zhuǎn)化率，系指新鮮原料進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)到離開該系統(tǒng)所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。,2、選擇性,指體系中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的某反應(yīng)物量與參加所有反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的該反應(yīng)物總量之比，用符號(hào)S表示 。,表達(dá)主、副反應(yīng)進(jìn)行程度的大小，反映原料的利用是否合理。,3、收率（產(chǎn)率）,從產(chǎn)物角度來(lái)描述反應(yīng)過(guò)程的效率,有循環(huán)物料時(shí)，也有單程收率和總收率之分,總收率,單程收率,轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率的關(guān)系,4、質(zhì)量收率 投入單位質(zhì)量的某原料所能生產(chǎn)的目的產(chǎn)物的質(zhì)量,無(wú)副

31、反應(yīng)體系 S=1，故Y在數(shù)值上等于X，X越高則收率越高； 有副反應(yīng)體系 S1，希望在S高的前提下X盡可能高。,Y=SX,例:乙烷脫氫生產(chǎn)乙烯時(shí)，原料乙烷處理量為8000kg/h，產(chǎn)物中乙烷為4000kg/h，獲得產(chǎn)物乙烯為3200kg/h，求乙烷轉(zhuǎn)化率、乙烯的選擇性及收率。 解：乙烷轉(zhuǎn)化率=（8000-4000）/8000*100%=50% 乙烯的選擇性=（3200*30/28/4000*100%=85.7% 乙烯的收率=50%*85.7%*100%=42.9% 例：丙烷脫氫生產(chǎn)丙烯時(shí)，原料丙烷處理量為3000kg/h，丙烷單程轉(zhuǎn)化率為70%，丙烯選擇性為96%，求丙烯產(chǎn)量。 解：丙烯產(chǎn)量=3

32、000*70%*96%*42/44=1924.4(kg/h),5、平衡轉(zhuǎn)化率和平衡產(chǎn)率,可逆反應(yīng)能達(dá)到的極限值。 可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的轉(zhuǎn)化率稱為平衡轉(zhuǎn)化率，此時(shí)所得產(chǎn)物的產(chǎn)率為平衡產(chǎn)率。,隨著反應(yīng)的進(jìn)行，正反應(yīng)速率降低，逆反應(yīng)速率升高，所以凈反應(yīng)速率不斷下降直到零。 在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)保持高的凈反應(yīng)速率，不能等待反應(yīng)達(dá)平衡，故實(shí)際轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率比平衡值低。若平衡產(chǎn)率高，則可獲得較高的實(shí)際產(chǎn)率。,一、溫度的影響 溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響 對(duì)于不可逆反應(yīng)不需考慮化學(xué)平衡，而對(duì)于可逆反應(yīng)，其平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系為: 吸熱反應(yīng) H00，K值隨著溫度升高而增大，有利 于反應(yīng)，產(chǎn)物的平衡產(chǎn)率增加； 放熱反應(yīng) H00

33、，K值隨著溫度生高而減小，平衡 產(chǎn)率降低。降低溫度才能使平衡產(chǎn)率增高。,第四節(jié) 反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響 反應(yīng)速率是指單位時(shí)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。,其反應(yīng)速率方程為,k總是隨溫度的升高而增加 不可逆反應(yīng)，產(chǎn)物生成速率隨溫度的升高而加快 可逆吸熱反應(yīng)，凈速率隨溫度的升高而增高 可逆放熱反應(yīng)，在最佳反應(yīng)溫度下凈反應(yīng)速率最大,二、濃度的影響 反應(yīng)物濃度越高，越有利于平衡向產(chǎn)物方向移動(dòng)。 使價(jià)廉易得的反應(yīng)物過(guò)量，可以使價(jià)貴或難得的反應(yīng)物更多地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，提高其利用率。 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

34、反應(yīng)的進(jìn)行，末期反應(yīng)物濃度降低，反應(yīng)速率下降。 可逆反應(yīng)，反應(yīng)物濃度與其平衡濃度之差是反應(yīng)的推動(dòng)力，推動(dòng)力愈大則反應(yīng)速率愈高。反應(yīng)過(guò)程中不斷從反應(yīng)區(qū)域取出生成物，使反應(yīng)遠(yuǎn)離平衡，既保持了高速率，又使平衡不斷向產(chǎn)物方向移動(dòng)，是提高產(chǎn)率的有效方法之一。,三、壓力的影響 壓力對(duì)反應(yīng)平衡的影響 對(duì)固相和液相反應(yīng)的影響：影響較小 對(duì)氣相反應(yīng)平衡的影響 分子數(shù)增加的反應(yīng)，降低壓力可以提高平衡產(chǎn)率； 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； 分子數(shù)沒(méi)有變化的反應(yīng)，壓力對(duì)平衡產(chǎn)率無(wú)影響。,壓力對(duì)氣相反應(yīng)速率的影響 一定的壓力范圍內(nèi)加壓，對(duì)加快反應(yīng)速率有一定好處，但壓力過(guò)高，反而不經(jīng)濟(jì) 惰性氣體對(duì)反應(yīng)速

35、率和平衡產(chǎn)率的影響 惰性氣體的存在，降低反應(yīng)物的分壓，對(duì)反應(yīng)速率不利，但有利于分子數(shù)增加的反應(yīng)的平衡,四、停留時(shí)間的影響 停留時(shí)間是指物料從進(jìn)入設(shè)備到離開設(shè)備所需要的時(shí)間，若有催化劑存在指物料與催化劑的接觸時(shí)間，單位用秒（S）表示。 一般停留時(shí)間越長(zhǎng)，原料轉(zhuǎn)化率越高，產(chǎn)物的選擇性越低，設(shè)備的生產(chǎn)能力越小，空速越??；反之亦然。,第五節(jié) 反應(yīng)過(guò)程的物料衡算和熱量衡算,一、反應(yīng)過(guò)程的物料衡算,1、物料衡算基本方程式,2、間歇操作過(guò)程的物料衡算 以每批生產(chǎn)時(shí)間為基準(zhǔn) 輸入物料量 每批投入的所有物料質(zhì)量的總和（包括反應(yīng)物、溶劑、充入的氣體、催化劑等） 輸出物料量 該批卸出的所有物料質(zhì)量的總和（包括目的產(chǎn)

36、物、副產(chǎn)物、剩余反應(yīng)物、抽出的氣體、溶劑、催化劑等） 投入料總量與卸出料總量之差為殘存在反應(yīng)器內(nèi)的物料量及其他機(jī)械損失。,3、穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程的物料衡算 系統(tǒng)中各點(diǎn)的參數(shù)（溫度、壓力、濃度和流量等）不隨時(shí)間而變化，系統(tǒng)中沒(méi)有積累 穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程的物料衡算式為:,組分衡算,原子衡算,4、物料衡算步驟 繪出流程的方框圖，以便選定衡算系統(tǒng)。 寫出化學(xué)反應(yīng)方程式并配平之。 選定衡算基準(zhǔn)。 收集或計(jì)算必要的各種數(shù)據(jù) 。 設(shè)未知數(shù)，列方程式組，聯(lián)立求解。 計(jì)算和核對(duì)。 報(bào)告計(jì)算結(jié)果。,衡算原理：輸入能量=輸出能量+累計(jì)能量 穩(wěn)態(tài)連續(xù)，累計(jì)能量=0,二、反應(yīng)過(guò)程的熱量衡算,熱量衡算的步驟 首先要確定衡算對(duì)象，即明確系統(tǒng)及其周圍環(huán)境的范圍 選定物料衡算基準(zhǔn)，物、熱衡算方程式要聯(lián)立求解，均應(yīng)有同一物料衡算基準(zhǔn) 確定溫度基準(zhǔn)，多以298K（或273K）為基準(zhǔn)溫度 注意物質(zhì)的相態(tài)，計(jì)算相應(yīng)的焓變,化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中涉及的焓變,焓是狀態(tài)函數(shù)，與變化途徑無(wú)關(guān) 非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下反應(yīng)過(guò)程的總焓變,涉及: 相變過(guò)程的焓變 反應(yīng)的焓變 （在相同的始末溫度和壓力條件下，由反應(yīng)物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物并且不做非體積功的過(guò)程焓變） 顯焓變 （無(wú)相焓變和化學(xué)焓變，只有溫度和壓力變化）,催化劑概念 催化劑的定義 能夠改變某一化