化工工艺学教案[1]标准稿

化工工艺学课程教案/讲稿教师姓名：王承学学院（部、中心）：化工学院教研室∕实验室：环境工程2010年2月1长春工业大学课程教案∕讲稿用纸讲授内容教学设计∕备注《化工工艺学》目的和要求：化学工艺学介绍以天然资源为原料生产基本化工原料的过程的基本原理、工艺过程与工艺条件和过程涉及的设备等。具体包括基本无机化工、基本有机化工、生物化工等方面内容。目的是使学生在对化学工业的发展史有初步认识的基础上，了解化工原料生产的资源变迁和发展历程，掌握化学工业的发展趋势并清楚化工清洁生产工艺的基本内容。本课程重点讲述基本有机化工工艺学。具体讲授烃类热裂解、芳烃转化过程、加氢与脱氢过程、烃类选择性氧化、电化学反应过程和氯化过程。要求学生能了解这些有代表性的化工过程的化学原理、过程热力学特征、动力学特征、催化剂应用、工艺设计要求与工程考虑。使学生对基本化学工业典型过程的共性和特性有深入的了解。并具有综合应用大学三年所学知识对工业化实际过程进行分析的能力。主要参考教材：1、廖巧丽、米镇涛主编，《化学工艺学》，化学工业出版社，北京，2004年7月2、吴指南主编，《基本有机化工工艺学》，化学工业出版社，北京，1996年5月3、梁仁杰等编，《化工工艺学》，重庆大学出版社，重庆，19982第一章绪论1、化学工艺学的研究范畴化学工业——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制造工业。化学工艺学——是根据化学、物理和其他科学的成就，来研究综合利用各种原料生产化工产品的方法原理、操作条件、流程和设备，以创立技术上先进、经济上合理、生产上安全的化工生产工艺的学科。化学工艺学的研究范畴：一般包括原料的选择和预处理；生产方法的选择及方法原理；设备（反应器和其他）的作用、结构和操作；催化剂的选择和使用；其他物料的影响；操作条件的影响和选定；流程组织；生产控制；产品规格和副产物的分离与利用；能量的回收和利用；对不同工艺路线和流程的技术经济评比等问题。化学工程学——主要研究化学工业和其他过程工业生产中所进行的化学过程和物理过程的共同规律，它的一个重要任务就是研究有关工程因素对过程和装置的效应，特别是放大中的效应。化学工艺与化学工程相配合，可以解决化工过程开发、装置设计、流程组织、操作原理及方法等方面的问题；此外，解决化工生产实际中的问题也需要这两门学科的理论指导。化学工业的发展促进了这两门学科的不断发展和完善，它们反过来能更加促进化学工业迅速发展和提高。2、现代化学工业的特点和发展方向现代化学工业的特点：⑴原料、生产方法和产品的多样性与复杂性⑵向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高⑶是多学科合作，生产技术密集型的生产部门⑷重视能量合理利用，积极采用节能工艺和方法⑸资金密集，投资回收速度快，利润高⑹化工生产中易燃、易爆、有毒仍然是现代化工企业首要解决的问题。化学工业发展的方向：⑴面向市场竞争激烈的形势，积极开发高新技术、缩短新技术、新工艺工业化的周期，加快产品更新和升级的速度。⑵最充分、最彻底地利用原料。⑶大力发展绿色化工。⑷化工过程要高效、节能和智能化。⑸实施废弃物再生利用工程。化学工业化学工艺学化学工程学（都是化学工业的基础学科）3第二章化学工艺的共性知识2.1化学工业原料资源及其加工利用2.1.1无机化学矿及其加工利用以硫铁矿制硫酸为例：硫铁矿用于制硫酸，世界上硫酸总产量的一半以上用于生产磷酸和氮肥。硫铁矿生产硫酸的过程主要有以下几个步骤：2.1.2石油及其加工利用石油化工自20世纪50年代开始蓬勃发展。2.1.2.1石油的组成1、物理性质：有气味的棕黑色或黄褐色粘稠液体，密度与组成有关，相对密度大约在0.75～1.0。2、组成：石油组成非常复杂，由分子量不同、组成和结构不同、数量众多的化合物构成的混合物。其中化合物沸点从常温到500℃以上均有。石油中含量最大的两种元素是C和H。C：83～87%；H：11～14%；O、S、N：1%左右。3、石油中的化合物的分类：1、无机化学矿及其加工利用2、石油及其加工利用7、空气和水5、生物质及其加工利用3、天然气及其加工利用6、再生资源及其加工利用4、煤及其加工利用硫铁矿浓硫酸溶液空气水98.3%H2SO4粉碎沸腾炉焙烧SO2催化氧化SO3吸收焙烧反应FeS2+O2Fe2O3+SO2(1－1)氧化反应SO2+0.5O2SO3(1－2)吸收反应SO3+H2O(1－3)H2SO4基本有机化工高分子化工精细化工氮肥工业产品90%来源于石油和天然气90%左右的有机化工产品上游原料归结为：三烯（乙烯、丙烯、丁二烯）石油三苯（苯、甲苯、二甲苯）乙炔和萘甲醇石油、天然气、煤42.1.2.2石油加工方法石油开采出来尚未加工时称为原油。原油一般不直接利用，须经过加工制成各类石油产品。根据不同的需要对油品的沸程的化分也略有不同，一般可分为：轻汽油（50～140℃）；汽油（140～200℃）；航空煤油（145～230℃）；煤油（180～310℃）；柴油（260～350℃）；润滑油（350～520℃）；重油（渣油）（520℃）。一、石油的常压蒸馏和减压蒸馏原油在蒸馏前，一般先经脱盐、脱水处理。蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度的差别（沸点不同）进行分离的方法，是一种没有化学反应的传质、传热物理过程，主要设备是蒸馏塔。原油加工二次加工一次加工催化重整催化裂化减压蒸馏常压蒸馏二次加工还有：烷基化、异构化、焦化等催化加氢裂化烃类热裂解原油12234415768988868810气体石脑油（汽油、化工原料）煤油轻柴油重柴油常压重油减压渣油减压二线馏分油减压一线馏分油凝缩油及水气体高压蒸汽图2-1原油常、减压蒸馏工艺流程示意图1－输油泵；2－换热器；3－脱盐罐；4－加热炉；5－常压蒸馏塔；6－贮液罐；7－气提塔；8－冷凝冷却器；9－减压蒸馏塔；10－蒸汽喷射泵(1)烃类化合物链式饱和烃环烷烃芳香烃(2)非烃类化合物硫化物氮化物含氧化合物金属有机化合物(3)胶质和沥青质5原油由输油泵1打入换热器2，与蒸馏产品换热得到预热，然后进入脱盐罐3脱除盐和水分，再经另一换热器与蒸馏产品换热。在加热炉4升温至370℃后送入常压蒸馏塔5，塔顶馏出C1～C4烷烃和低沸程的汽油馏分（亦称石脑油），塔侧由上至下分别引出不同沸程的馏分。常压塔出来的石脑油含有C5～C10烷烃和环烷烃及少量轻芳烃，轻石脑油的沸程为30～150℃，重石脑油的沸程为150～220℃，石脑油是汽油和催化重整的原料。煤油沸程175～275℃，含C9～C16烃类，煤油作喷气式飞机和拖拉机的燃料。轻柴油沸程200～300℃，含C15～Ｃ18烃类。沸程更高一些的馏分是重柴油，国外称之为瓦斯油。塔底流出的常压重油也称为拔顶原油，沸点高于350℃，其中大部分是瓦斯油和润滑油成分，但如果继续在常压下分离，则需将其加热至400℃以上，这会导致重油馏分中大分子化合物发生分解和缩合反应，产生许多气体和焦炭，降低油品产率和质量，结焦堵塞而缩短设备的生产周期。因此需要减压以降低沸点，才能继续进行蒸馏。常压重油经另一加热炉加热，温度限制在400℃以下，然后进入减压蒸馏塔9。通过减压蒸馏可以从常压重油中蒸出正常沸点低于550℃的馏分，由减压塔不同高度塔板处可分别取出不同沸程馏分油，其中减压柴油（亦称减压瓦斯油）的量很多。这些馏分油可制取润滑油，也可作裂化原料。塔底减压渣油的正常沸点高于550℃，原油中大部分胶质、沥青都留在其中，有机硫化物、有机氮化物和有机金属化合物含量高。减压渣油可作化工原料、锅炉燃料、焦化原料或经加工后生产高粘度润滑油和沥青。二、催化重整1、定义：催化重整是在含铂的催化剂作用下加热汽油馏分（石脑油），使其中的烃类分子重新排列形成新分子的工艺过程。2、目的：催化重整装置能提供高辛烷值汽油，还为化纤、橡胶、塑料和精细化工提供苯、甲苯、二甲苯等芳烃原料以及提供液化汽和溶剂油，并副产氢气。3、原料：催化重整的原料是石脑油以生产高辛烷值汽油为目的时，采用80～180℃的馏分以生产芳烃为主要目的时，采用60～140℃的馏分4、主要反应：5、反应条件：重整反应在固定床或移动床催化反应器中进行，反应温度425～525℃，压力0.7～3.5MPa，进料的氢与石脑油的摩尔比为3～6:1。三、催化裂化1、定义：催化裂化是在催化剂作用下加热重质馏分油，使大分子烃类化合物裂化而转化成高质量的汽油，并副产柴油、锅炉燃油、液化气和气体等产品的加工过程。2、原料：催化重整过程环烷烃脱氢烷烃脱氢环化烷烃的异构化加氢裂化－降低芳烃收率，应尽量加以抑制。生成芳烃63、反应条件：裂化反应在450～530℃和0.1～0.3MPa下进行。4、主要反应：裂化反应非常复杂，主要有：①大分子烷烃的碳－碳键断裂生成较小分子的烷烃和烯烃。②直链烷烃脱氢生成烯烃和氢。③正烷烃异构化为异烷烃。④支链烷烃脱氢环化生成芳烃。⑤环烷烃脱氢生成芳烃。⑥烯烃脱氢环化或聚合结焦。⑦芳烃脱氢缩合结焦等。5、裂化产物⑴汽油（C5～C9烃）产率30％～60％，催化裂化汽油的辛烷值比常压直馏汽油高，安定性也好。⑵柴油（C9～C18）产率≤40％，该馏分中含有较多的烷基苯和烷基萘，可以提取出来作为化工原料。⑶气体产率约10％～20％，烃类中C3、C4烯烃可达一半左右，是宝贵的化工原料。C3、C4烷烃为民用液化气，甲烷和氢是合成氨、甲醇等一碳化工产品的原料。四、催化加氢裂化1、定义：催化加氢裂化系指在催化剂及高压下，加热重油使其发生各类加氢和裂化反应，转变成航空煤油、柴油、汽油（或重整原料）和气体等产品的加工过程。2、原料：加氢裂化的原料油可以是重柴油、减压柴油、甚至是减压渣油，另一原料是氢气。3、反应类型：①大分子烷烃加氢裂解成较小分子的烷烃。②环烷烃加氢开环生成链烷烃。③芳烃加氢生成环烷烃。④有机含硫化合物加氢生成烷烃和硫化氢。⑤有机含氮化合物加氢生成烷烃和氨。⑥有机含氧化合物加氢生成烃和水。⑦有机金属化合物加氢分解释出金属及烃类。4、反应条件：⑴高压法：操作压力高于10MPa，反应温度370～450℃。⑵中压法：操作压力高于5～10MPa，反应温度370～380℃。催化裂化原料直馏柴油重柴油减压柴油或润滑油馏分甚至可以是渣油焦化制石油焦后的焦化馏分油（它们所含烃类分子中的碳数大多在18个以上）催化裂化脱硫硫化物催化裂化汽油分离C1～C3烷烃乙烯、丙烯正、异丁烷丁烯催化裂化柴油催化裂化产物7由以上反应可以看出，加氢裂化可以使产品中不饱和烃及重芳烃含量显著减少，提高了油品的安定性。还使硫、氮和重金属等从烃类化合物中分解脱除，提高了油品质量。大量氢气可以抑制脱氢缩合反应，产品油中不含焦油，催化剂上也不结焦。五、烃类热裂解1、目的：烃类热裂解的主要目的是为了制取乙烯和丙烯，同时副产丁烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、乙苯等芳烃及其他化工原料。它是每个石油化工必不可少的首要过程。2、反应条件：烃类热裂解不用催化剂，将烃类加热到750～900℃使发生热裂解，反应相当复杂，主要是高碳烷烃裂解生成低碳烯烃和二烯烃，同时伴有脱氢、芳构化和结焦等许多反应。3、原料：热裂解的原料较优者是乙烷、丙烷和石脑油，因为碳数少的烷烃分子裂解后产生的乙烯产率高。为了拓宽原料来源，目前已经发展到用煤油、柴油和常、减压瓦斯油作为裂解原料的工艺。4、裂解产物：裂解后对产物进行冷却冷凝，得到裂解气和裂解汽油两大类混合物。裂解气中有大量乙烯、丙烯和丁二烯等烯烃，另外还有氢气、C1～C4烷烃。对裂解气进行分离可得到烯烃、烷烃等各种重要的有机化工原料，C3、C4烷烃可作液化气；裂解汽油中约含有40％～60％的C6～C9芳烃，此外还有烯烃和C10＋芳烃，用溶剂可从裂解汽油中提出各种芳烃。从石油经一次和二次加工获取燃料和化工原料的主要途径可归纳于图2－2。2.2化工过程的主要效率指标2.2.1生产能力和生产强度1、生产能力——指一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量。其单位：kg/h、t/d或kt/a、万t/a等。2、生产强度——为设备的单位特征几何量的生产能力。即设备