化工工艺学 第二章 化工生产过程的基础知识

第一节化工生产过程及工艺流程一、化工生产过程在化工生产中，将原料经过一系列的物理和化学加工处理制成目标产物的过程称为化工生产过程。化工生产过程一般是由原料预处理、化学反应、产物的分离与精制及“三废”治理四个部分组成。1原料预处理在化工生产中，当一个反应确定之后，它就必须对原料有一定的要求，原料预处理的目的是为了使其达到化学反应所需要的条件。例如：对固体原料需要进行粉碎、筛选，除去部分杂质；对液体原料一般需要配制成一定的浓度，再进行加热或气化；对气体原料通常需要一定的温度和压力等。一、化工生产过程2化学反应化学反应是化工生产过程的核心部分，通过化学反应实现原料到产物的转化过程。一、化工生产过程1)化学反应的种类及条件化学反应种类很多，按反应体系中物料相态的不同分为均相反应和非均相反应；按催化剂的使用与否分为催化反应和非催化反应，当催化剂与反应物处于同一相态时称为均相催化反应，处于不同相态时称为非均相催化反应；按化学反应的特性分为氧化、还原、加氢或脱氢、聚合、缩合、重排、烃化、酰化、重氮化、硝化、磺化、歧化、异构化反应等。一、化工生产过程实现化学反应通常需要一定的条件，如反应的温度、压力、催化剂、溶剂以及原料投料配比如何、反应的停留时间多少。所以如何使反应过程进行较为合理，是化工工艺所要讨论的重点内容。一、化工生产过程2)化学反应器实现化学反应过程的设备称为化学反应器，它是化工生产的关键设备。反应器的设计和选型十分重要，这是因为反应器中进行的反应过程通常比较复杂，在反应的同时还有动量、热量和质量的传递。一、化工生产过程由于各单元反应的特点各异，所以对反应器的要求也不相同，工业生产过程不仅与反应本身的特性有关，而且还与反应设备的特性有关。反应器的种类繁多，结构各异，既可以按照反应的特性分类，也可以按照设备的特性进行分类。一、化工生产过程按反应器中物质相态、反应器可分为均相和非均相反应器；按反应器的结构可分为釜式（槽式）、管式、塔式、固定床、流化床反应器等；按操作方式可分为间歇式、半间歇式和连续式反应器；按操作温度分为恒温式（等温式）和非恒温式反应器；按反应器与外界有无热量的传递可以分为绝热式和外部换热式反应器等。一、化工生产过程3产物的分离与精制当一个反应过程确定后，它所生成的产物也就基本上确定了。但是多数反应过程中，由于原料的组成、副反应的发生等的原因，导致这些反应物并不一定都是目标产物，即使是目标产物，通常也不是符合质量要求的目标产物，因此必须进行分离和精制。对反应产物分离精制的目的是为了得到合格的产品，同时回收和利用副产物，以提高原料的利用率。一、化工生产过程分离与精制的方法和技术有多种，基本属于单元操作，工业上常用的有精馏、蒸发、萃取、吸收、干燥、结晶、过滤、冷凝、冷冻、渗透（膜分离）、反渗透等。由于分离与精制的途径不是唯一的，所以其设备也不是唯一的。分离技术应用得是否恰当，对产品技术的先进性和经济有利性有十分重要的意义。一、化工生产过程4“三废”治理在化工生产中，必然产生废水、废气和废渣，这些废弃物通常不能直接排放，需要进行综合治理，以达到排放要求。“三废”处理的主要方法有物理法、化学法、物理化学法、生物化学法等，也可以根据具体情况选择一种或几种方法组合处理，以达到预期的目的。一、化工生产过程1工艺流程在化工生产中，原材料需要经过一系列化学反应和物理变化过程才能转变成产品，将这些功能单元按照一定的物料加工顺序有机地组合起来，并用框图表示，称为工艺流程图。将化工原料转化为化工产品的工艺流程图称为化工生产工艺流程图。二、工艺流程和工艺流程图由于化工生产的多样性，不同产品的工艺流程不同；同种产品采用不同的原材料，其工艺流程也不相同；即使是原材料相同，产品也相同，但采用的工艺路线或加工方法不同，使得流程也有区别。二、工艺流程和工艺流程图此外，工艺流程的组织还与实施工业化的时间、地点、技术条件、资源条件等因素有关。对于一般化工产品的工艺流程而言，组成流程的各个单元具有的基本功级有共同之处，根据化工产品生产过程在现场的划分以及其在流程中所起的作用不同一般有以下几种过程。二、工艺流程和工艺流程图1生产准备过程（原料工序）：包括原辅材料贮存、净化、干燥、配制等，各种催化剂和助剂的准备。2反应过程（反应工序）：以反应为主，不包括反应条件的准备，如反应控制、原料的混合与换热、产物的输送等。3分离过程（分离工序）：主要包括产物的精制和提纯。二、工艺流程和工艺流程图4回收过程（回收工序）：包括副产物、少量未反应的原料、溶剂、催化剂以及尾气的分离、精制和提纯。5后加工过程（后处理工序)：通常是指将产品加工成合格成品的过程，一般包括贮存和包装以及“三废”的处理等。二、工艺流程和工艺流程图二、工艺流程和工艺流程图2工艺流程图表达某一化工产品生产过程的工艺流程多采用图示的方法，这种表达方式称为工艺流程图。通常将各功能单元用框图或以设备示意图表示，各单元之间用带箭头的直线连接，箭头表示物料的流向和操作顺序。二、工艺流程和工艺流程图通过工艺流程图，可以简明地表示出由原料到产品的过程中各物料的流向和经过的加工步骤以及主要的工艺参数，从中可以了解各个操作单元或设备的功能以及相互间的关系、能量的传递和利用情况、物料衡算、主副产品和“三废”处理以及排放等重要的工艺过程。工艺流程图一般可以分为工艺流程框图、工艺流程示意图以及带控制点的工艺流程图。二、工艺流程和工艺流程图1)工艺流程框图工艺流程框图是最简单的工艺流程图示法。以方框表示单元操作过程或设备，按顺序排列，方框之间用箭头表示物料的流向，并注明原辅料的来源，产物、副产物、残渣、残液和尾气的去向。二、工艺流程和工艺流程图2)工艺流程示意图工艺流程示意图是对某个生产方法工艺流程的一般说明。该图以设备现状或图示符号示意各个主要设备，不仅按流程顺序排列，还有高低位置的区别；用箭头表示物料以及载能介质的流向，并标出名称；按流程顺序标注各设备的位号，并在图下方注明各位号的设备名称。二、工艺流程和工艺流程图3）带有控制点的工艺流程图带有控制点的工艺流程图也称为施工流程图，常常是生产厂家的经典流程图，是组织、实施和指挥生产的技术性文件。带有控制点的工艺流程的主要内容有设备图形、管线、控制点和必要的数据、图例、标题等。二、工艺流程和工艺流程图3绘制工艺流程图的一般规定作为组织、实施和指挥生产的技术性文件，同时为了设计单位与生产部门的执行统一，在工艺流程图的绘制中，对于线条、设备、管件以及艺控制参数的表示方法必须有严格的规定。二、工艺流程和工艺流程图第二节化工生产的主要效率指标一、生产能力和生产强度1生产能力生产能力是一个设备、一套装置或一个生产车间、工厂在单位时间内所生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量。其表示单位一般为：千克每小时（kg/h）、吨每天（t/d）或吨每年（t/a）。第二节化工生产的主要效率指标由于化工生产过程是一个包括化学反应以及热量、质量和动量传递的过程，因此在生产过程中受到的影响因素比较多，需要对各影响因素进行综合考虑并进行优化组合，找出最佳操作条件，使总的生产过程速度加快，有效地提高设备的使用效率。通常将设备或装置在最佳条件下所达到的最大生产能力，称为设计能力。第二节化工生产的主要效率指标2.生产强度生产强度是设备的单位特征几何量的生产能力，即设备单位体积的生产能力，或单位面积的生产能力。其表示单位一般为：kg/(h·m3)、t/（d·m3），或kg/（h·m2）、t/（d·m2）。第二节化工生产的主要效率指标2.生产强度生产强度指标主要用于比较那些相同反应过程或物理加工过程的设备或装置的优劣。设备中进行的过程速率高，其生产强度就高。第二节化工生产的主要效率指标二、转化率转化率（conversion）是指某一反应物参与反应而转化的数量占该反应物起始量的比率。转化率表征的是原料的转化程度，反映的是反应进度。对于同一反应，不同反应组分其转化率可能不同。第三节化工生产过程的影响因素在化工生产中，化学反应进行的速度有快有慢，有的化学反应在瞬间即可完成，如强酸与强碱的中和反应、炸药的爆炸等；但是有的反应在自然状况下需要很长的时间才可以完成，如铁的生锈、塑料的老化等。对于同一反应在不同的反应条件下，其反应速度的快慢也不相同。第三节化工生产过程的影响因素控制化学反应第一，在一定条件下反应能否发生，即反应的方向和限度问题——化学平衡问题；第二，反应进行的快慢，即反应速率问题——反应动力学问题。影响化学反应平衡和反应速率的主要因素有反应温度、压力、空速、反应时间与操作周期、原料纯度与配比等。第三节化工生产过程的影响因素一、化学反应速率为了定量地比较化学反应的快慢程度，人们引入了化学反应速率的概念，简称反应速率，常用v表示，其单位为mol·L-1·S-1。反应速率表示为单位时间内反应物或生成物的量的变化，即反应速率。第三节化工生产过程的影响因素二、化学平衡(有三个特点)1）化学平衡是动态平衡，正逆反应都在进行；2）在平衡状态下，反应物和生成物不随时间而变化；3）平衡是暂时的、相对的，一旦外界条件发生变化，平衡将被破坏，直到在新的条件下再次达到平衡。第三节化工生产过程的影响因素三、影响因素影响化学生产过程的主要因素有：浓度、温度、压力、原料（纯度、杂质的种类和含量、原料的稳定性、配比）、反应时间、接触时间、空间速度等。空间速度：简称空速，是指在标准状态下单位时间通过单位体积催化剂的反应混合气的体积；或者是通过单位体积催化剂的反应混合气在标准状态下的体积流量。第三节化工生产过程的影响因素化工生产过程一般是由哪几部分组成，各部分的作用和目的是什么?作业