无机化工工艺学

化学工业简介化学工业产品有很多:化学原料、化学肥料、三大合成材料、染料、香料、涂料、感光材料、橡胶材料、新型材料、医药、农药、炸药、各种试剂、助剂、日用化学品等等.通常化学工业可分为无机化学工业和有机化学工业即无机化工和有机化工.一、无机化工基本无机化工三酸、两碱、合成氨、化学肥料精细无机化工各种试剂、药剂、日化品、稀有元素等电化学工业氯碱工业、湿法电冶金、电石生产等硅酸盐工业玻璃、陶瓷、水泥、耐火材料等矿物涂料和颜料的生产二、有机化工基本有机化工三烯三苯一炔一萘;甲醇、甲醛、乙烯系、丙烯系和芳香烃产品等精细有机化工各种试剂、药剂、香料和杀虫剂、染料工业和各种中间体(医药、农药、颜料)等高分子化学工业三大合成、成膜材料等的生产燃料化学工业石油、天然气、煤的化学加工等食品工业糖、油脂、饮料、生化产品等其它造纸、制革、橡胶等的加工三、美国化学工业分类按美国标准工业分类法(SIC)★28化学品及有关产品281工业无机化学品282塑料和树脂,合成橡胶,合成纤维和人造纤维283药品284肥皂,洗涤剂,清净剂,香料,化妆品及卫生剂285涂料,清漆,喷漆,瓷漆及有关制品286工业有机化学品287农用化学品289其它化学品★29石油炼制及有关产品291石油炼制295铺路和屋面材料299其它石油和煤产品★30橡胶制品★32玻璃与陶瓷四、化学工业的特点在国民经济中占有重要地位品种多原料广工艺路线多装置大型化具有规模经济性综合利用率高有联产品和副产品先进科学技术化程度高,生产效率高(催化剂,高温高压,反应速度快,材料,三废)无机化工工艺学课程--内容简介化学工业:以天然资源为原料生产基本化工原料的过程课程包括反应的基本原理、工艺过程与工艺条件和过程涉及的设备等。（化学工业又称化学加工工业，泛指生产过程中化学方法占主要地位的过程工业。）无机化学工业：是以天然资源和工业副产物为原料生产硫酸、硝酸、盐酸、磷酸等无机酸，纯碱、烧碱、合成氨、化肥以及无机盐等化工产品的工业，包括硫酸工业、纯碱工业、氯碱工业、合成氨工业、化肥工业和无机盐工业。广义上也包括无机非金属材料和精细无机化学品，如陶瓷、无机颜料等的生产。授课内容:合成氨生产工艺，尿素生产工艺，硫酸生产工艺，纯碱生产工艺，无机精细化工生产工艺。无机化工—特点在化学工业中是发展较早的部门，为单元操作的形成和发展奠定了基础，主要产品多为用途广泛的基本化工原料。与其他化工产品比较，无机化工产品的产量较大。化工生产基本原料简介石油、煤、天然气、农林副产品，各种矿物质。世界能源消耗量：石油40%、煤27%、天然气23%、核能7%、水3%。2004年世界石油产量前五位：俄罗斯、沙特、美国、伊朗、中国。中国石油产量1.75亿吨，探明储量25亿吨，探明天然气储量1.51亿吨。2004年中国煤炭产量19.8亿吨,居世界第一位。化工工艺学--学习要求学习要求：了解上述有代表性的大化工过程的生产原理、热力学与动力学特征、催化剂特性、主要设备的结构和特点，掌握其工业生产方法、工业原理、工艺流程。使学生对基本化学工业典型过程有深入的了解。笔记；作业；学习流程示意图（看看）化工工艺学学习示意图11第一篇合成氨目录第一章:绪论第二章:固体燃料气化第三章:一氧化碳变换第四章:原料气净化脱硫第五章:二氧化碳脱除第六章:原料气的最终净化第七章:氨的合成第八章:合成氨生产综述第一章绪论13（一）、物理性质标准状态下是无色气体，具有特殊的刺激性臭味。20℃下将氨气加压0.8MPa时，液化为无色的液体。液氨或干燥的氨对大部分物质不腐蚀，在有水存在时，对铜、银、锌等金属有腐蚀。氨与空气或氧的混合物在一定浓度范围能发生爆炸，有饱和水蒸气存在时，氨－空气混合物的爆炸界限较窄。（二）、化学性质（略）一、氨的性质1480％左右的氨用来制化学肥料，其余作为生产其他化工产品的原料。氨在工业上主要用来制造炸药和各种化学纤维及塑料。氨的其他工业用途也十分广泛，例如：在制冰、空调、冷藏等系统的致冷剂，还有在冶金业、在医药和生物化学等方面也有应用。二、氨的用途153322210002222000233oNHCaCOOHCaCNCCaCNNCaCCOCaCCCaOCCo（一）氰化法（二）直接法此法是在高压、高温和有催化剂时，氮气和氢气直接合成为氨的一种生产方法。目前工业上合成氨基本上都用此法。三、生产方法16四、合成氨生产技术发展1913年，在德国Oppau建成第一个工业化的合成氨装置，日产30t氨.一次大战后，各国都在德国被迫公开的合成氨技术的基础上，开发了一些其他方法。但氨产量增长缓慢。二战结束后，由于技术的进步，高速发展。1、在原料构成方面：由以固体燃料（焦炭，煤等）为主转化到了以气体或液体（天然气、石脑油、重油）原料为主来合成氨。（1）以固体燃料为原料生产合成氨最早建立的合成氨厂用焦炭为原料，20世纪20年代以后开始出现焦炉气深度冷冻分离制取氢气的方法。后来有队煤的连续气化进行了研究，并开发成功流化床煤气化工艺。一直到二次大战结束，煤和焦炭始终是合成氨的主要原料。（2）以气体燃料或固体燃料为原料生产合成氨20世纪50年代开始采用天然气制氨，由于天然气便于管道输送、投资省、能耗低等优点，到20世纪60年代末，国外主要产氨国都已先后停止用焦炭、煤为原料，而以天然气、重油等为原料，天然气所占比重不断上升。下表为各种原料的日产104.3t合成氨厂相对投资和能耗比较。由表可见虽然各国资源不同，但选用原料的基本方向相同，主要资源条件许可，作为合成氨的原料首先考虑采用天然气和油田气，其次采用石脑油和重油。注：看一篇文献2、在生产规模上：实现了单系列合成氨装置的大型化，上世纪50年代以前，氨合成塔的最大生产能力为日产200t氨到60年代为400t，如图所示。如欲扩大氨厂规模，就需要设置多个平行的系统。随着技术水平的提高，蒸汽透平驱动的高压离心式压缩机研制成功，美国凯洛格（Kellogg）公司利用工艺过程的余热副产高压蒸汽作为动力，建成了日产544.31t和907.19t的氨厂，实现了单系列合成氨装置的大型化。大型化的优点有：投资费用低，能量利用率高，占地少，劳动生产率高等。现在世界上规模最大的合成氨装置为日产1800t氨。大型化的缺点：大型化的装置要求能长周期运行，对机器和设备的质量要求高，并且，超过一定的规模后，优越性就不明显了。下面两图分别是工程投资、操作费用与生产规模的关系。3、低能耗新工艺现在合成氨能耗约占世界能耗的3%，中国合成氨能耗约占全国能耗的4%。能耗是衡量合成氨技术水平和经济效益的重要标志。（1）理论能耗工业上一般用热值计算合成氨生成过程的理论能耗。热值：是指单位质量或单位体积的可燃物质完全燃烧时所发出的热量。2、节约能源的进展在能耗上，新工艺不断的开发出来，能耗也不断的降低以天然气为原料的大型氨厂的能耗如图1-1-7所示：四、计算机的应用实现了自动化操作控制上。传统的控制系统是用独立的仪表，现有些小厂还有用这种方法的，就是压力、温度、液位等都是单独的仪表，而现在计算机应用了以后，操作控制上产生了飞跃，出现了集散控制系统，简称DCS。2350年代，在恢复与扩建老厂的同时，从苏联引进了三套年产50kt的装置；60年代，又从英国引进了一套年产100kt的装置，且又在全国建设了一大批小型氨厂；70年代，我国又从西方国家引进多套大型装置（年产300kt以上）。80年代后，我国设计的装置开始用于生产。中国合成氨简介24我国合成氨生产工艺技术现状我国合成氨装置是大、中、小规模并存的格局，2004年的总生产能力为4260万t/a。大型合成氨装置有30套，设计能力为900万t/a，实际生产能力为1000万t/a；中型合成氨装置有55套，生产能力为460万t/a；小型合成氨装置有700多套，生产能力为2800万t/a。2004年我国产量为4222万吨,居世界第一。25合成氨生产工艺概述目前的主要生产过程：(1)制气用煤或原油、天然气作原料，制备含氮、氢气的原料气。(2)净化将原料气中的杂质：CO、CO2、S等脱除到ppm级。(3)压缩和合成合成氨需要高温、高压，净化后的合成气原料气必须经过压缩到15~30MPa、450°Ｃ左右，在催化剂的作用下才能顺利地在合成塔内反应生成氨。其主要过程如图1.1和图1.2。26合成氨生产工艺概述图1.1合成氨的基本过程造气除尘脱硫CO变换脱CO2压缩脱除少量CO和CO2（净化）合成空气、煤(或天然气)、蒸汽氨27第二章、固体燃料气化一、原料气制取的途径二、煤气化原理三、制取半水煤气的工业方法四、氧—蒸汽连续气化法*28一、原料气制取的途径1、概述：现在工业上采用天然气、炼厂气，石脑油、焦炉气、重油、焦炭和煤生产合成氨。而最近十多年我国合成氨原料构成是以煤、焦炭为主，如表所示；我国煤炭产量居世界第一，加之煤资源储量丰富，所以在短时间内我国仍以煤和焦炭为主来合成氨。煤的形成：2、煤种与气化炉的关系：固定床UGL气化炉和鲁奇（Lurgi）炉，需采用灰熔点较高、机械强度高，热稳定性好、含碳量高的优质块状无烟煤。流化床温克勒（Winkler）炉，可采用高活性的粉状褐煤。K-T(Koppers-Totzek)炉和德士古（Texaco）炉，可气化各种不同性能的粉煤，对煤质要求不苛刻。3、煤气的分类：（1）空气煤气以空气作为气化剂所制得的煤气，可作为合成氨原料气中氮的来源。（2）水煤气以水蒸气作气化剂所制得的煤气。其中氢气和一氧化碳的含量在85%以上。主要作为合成氨原料气中氢气的来源。（3）混合煤气以空气和适量水蒸气的混合物作气化剂所制得的煤气。主要用作工业气体燃料。（4）半水煤气分别以空气和水蒸气作气化剂，然后将分别制得的空气煤气和水煤气按混合后气体中（H2+CO）与N2的摩尔比为3.1-3.2的比例进行掺配。也可以直接控制气化剂——空气-水蒸气二者的流量来制取半水煤气，用作半水煤气的专用原料气。下表列出了以无烟煤和不同气化剂来制得几种工业煤气的组成。其中甲烷和硫化氢含量不同，不过，在工业实际上，即使采用相同的煤，由于汽化炉及气化条件的不同，所制得的煤气的组成也有较大差异。二、煤气化原理煤在汽化炉中进行的气化过程包括：干燥、热解以及由热解生成的碳与气化剂反应阶段。（一）、煤的干燥：煤中水分包括三类：1、吸附在煤表面的外表水，叫游离水；2、吸附于煤结构体毛细孔中的吸附水分；3、煤中含氧基团-OH和-COOH相连的水，叫化学键态水。其中1和2中的水在温度高于100℃，即可缓慢的释出（此过程为蒸发）。3中的键态水在150-300℃时，开始分解，放出CO2和CO。（二）煤加热分解1、煤热解的宏观形式如下：也可用如下的简式来表示：2、煤热解的具体步骤：①煤受热初期先分解成低分子化合物，接着进行聚合、异构化和烷基化。②当温度升至250℃时，开始释放出易挥发的烃类。③温度至375-425℃时，煤开始呈塑性，出现浸润、膨胀和漂浮现象；形成熔融态的沥青，并进一步热解逸出烃类（烷烃、芳香烃）和氢气。④温度至600℃时，煤开始半焦化，形成结炭结构，主要产物为烷烃、环烷烃和酚（原焦油）⑤温度至800℃时，烃类裂解成C和H2。⑥至850℃，焦油和CH4也分解为C和H2。⑦温度高达1000℃时，煤热解过程基本结束。要注意：不同煤种热解产物的组成及含量不同。3、煤热解的影响因素：①温度及加热速率的影响a、当加热速度慢时，煤在低温区受热时间长，其热解反应的选择性强，初期形成的低分子物质容易热聚，形成稳定性较好的结构，在高温阶段时分解少。但会导致固体残渣含量高。b、当快速加热时，低分子挥发物收率大，焦油产率减少，气态产物增多。②压力对煤热解的影响压力增大，半焦产率增多和其强度增大，由于挥发物逸出困难，还会导致液相产物间热缩反应增强。341、以空气或富氧空气为气化剂时，碳与氧之间的反应为：C+O2=CO2