化学工艺学-教案讲义

第一章绪论内容项化学工业的范围和分类化学工业的现状和发展方向化学工艺学与化学工业的关系一、化学工业的范围和分类化学工业：借助于化学反应将原料制成化工产品的工业化工原料的类型：自然矿藏、人工合成产品包括化工产品等等化工产品的类型：到目前为止，已发现和人工合成的化工产品有2000多万种；商品销售的有8万多种；而与工农业、国防及人类生活密切相关的4000种左右。目前我国县以上化工企业7000多家，从业人员400多万，能生产4.5万种化工产品，化肥、合成氨染料产量居世界第一；硫酸、纯碱、农药的产量居世界第二。每年为国家创造2000多亿元的税收，是我国的经济支柱产业。化学工业的分类（按学科分类）①.无机化工：如无机酸、碱、盐及无机化肥②.有机化工：如烯烃、有机酸、醇、酯，芳烃等③.高分子化工：利用聚合和缩聚反应，合成橡胶、塑料、化纤。④.精细化工：医药、农药、染料、表面活性剂、催化剂、化妆品等特定功能产品。⑤.生物化工：依靠微生物发酵、酶催化制取的产品如抗生素、有机溶剂、调味剂、食品添加剂等。二、化学工业的现状、特点和发展方向1.化学工业现状：是我国支柱型的产业；但生产规模小、生产成本高、大型装置设备自给率低，产品品种少、功能化和差别率低，环境污染严重，能量消耗高。2.现代化学工业特点：原料、生产方法和生产产品的多样性与复杂性现代化学工业生产的大型化、综合化及精细化化工生产中多学科合作，生产技术密集重视生产中能量的合理利用，积极采用先进的科学技术和节能工艺化学工业属于资金密集，投资回收率快利润高产业化工生产中易燃、易爆、有毒及污染3.现代化学工业发展的方向：⑴.化工生产中加快研究、开发、利用高新科学技术产品。⑵.化工生产原料应充分利用在化工生产中提倡设计和开发“原子经济性反应”，该概念是美国化学家B.M.Trost于1991年提出的，“在化学反应中应使原料中的每一个原子都结合到目标分子即产物中，不需要利用保护基团或离子基团，因而不会有副产物或废物生成”。即最大限度地利用原料和最大限度地减少废物排放。⑶.化工生产中大力发展绿色化工，生产过程中应做到“零排放”采用无毒、无害的原料、溶剂和催化剂利用反应选择性高的催化剂和工艺流程将副产物和废物转化为有利用价值的产品淘汰污染环境和破坏生态平衡的产品，开发对生态环境有好产品实施废弃物再利用工程⑷.化工生产过程要实现高效、节能及智能化生产三、化学工艺学与化学工业的关系1.化学工艺学的分类：无机化工工艺学；有机化工工艺学；高分子化工工艺学；酿造工艺学；水泥工艺学；精细化工工艺学；生物化工工艺学等各种工艺学2.化学工艺学与化学工业关系：化学工艺学与化学工业的发展紧密联系，两者相互依存、相互促进，共同发展，化学工艺学是化学工业的基础学科，化学工艺学的发展可为化学工业的发展提供坚强的支撑；而化学工业的发展又可以促进化学工艺学的提高。第二章化工资源及初步加工内容项2-1化学矿2-2煤炭2-3石油2-4天然气2-5其他化工资源化工资源包括以下几种1.矿产资源2.海洋资源3.动物资源4.植物资源5.空气和水6.农林牧渔产品及其他副产物2-1化学矿中国化学矿资源：中国化学矿资源丰富。已探明储量的有20多个矿种。中国化学矿资源的特点和分布：1.资源比较丰富，但分布不均。2.高品位矿储量比较少。3.选矿比较困难。矿资源利用对策1.加强矿石采选技术的研究，走人工富集的道路2.加强矿产的综合利用技术研究，尽量从综合体或复盐中提炼出有用的副产品以提高开采企业的经济效益3.针对中国现有矿藏品位低，运输费用高，因而经济效益不好的现实状况，国家允许从国外进口高品位的矿石。2-2煤炭中国煤炭资源比石油和天然气丰富，可供开采的量为114500亿吨，占世界可供开采量的12.6%，据世界第三位。2005年的开采量达21.9亿吨，据世界第一位。煤炭在20世纪50年代前，曾是制取有机化学品的主要资源。有机化学工业是以煤－电石－乙炔为基础建立起来的。20世纪50年代后，逐渐被石油和天然气取代。有机化学工业主要由石油和天然气为原料制得。但随着石油资源的日益枯竭，煤化工和天然气化工将会取代石油化工，或为获取有机化学品的主要来源，有机化学工业也会发生质的飞跃。一.煤的种类和特征1.煤的种类（三类）a.腐植煤由高等植物形成的煤，在自然界中分布最广。又可细分为泥炭，褐煤，烟煤和无烟煤。b.残植煤由高等植物中稳定组分富集而形成的煤。在自然界中分布不广，储量也不大。c.腐泥煤主要由湖沼，泻湖中的藻类等浮游生物在还原环境下经过腐败而形成的。储量不多，研究也比较少，可细分为藻煤，胶泥煤和油页岩等。2.煤的特征a.腐植煤类和腐泥煤类的主要特征见表2-2-01b.各种腐植煤的特征，腐植煤又可细分为泥炭，褐煤，烟煤和无烟煤四大类：（1）泥炭，又称草炭，呈棕褐色或黑褐色。（2）褐煤，大多呈褐色或暗褐色（3）烟煤，呈灰黑色至黑色（4）无烟煤，俗称白煤或红煤，呈灰黑色，有金属光泽。（5）其他各种腐殖煤主要特征二.煤的化学组成或分子结构1.煤的化学组成煤中有机物主要有C,H,O及少量的N,S和P构成。表2-2-03煤的元素组成2.煤的分子结构煤的分子结构以芳核为主，配以烷基侧脸和含氧，含氮，含硫基团，近似组成为(C135H97O9NS)m各种腐植煤的主要特征特征泥炭褐煤烟煤无烟煤颜色光泽外部条带燃烧现象水分相对密度硬度棕褐色为主无有原始植物残体有烟多——很低褐色，黑褐色大多数暗不明显有烟较多1.1~1.4低黑色有一定光泽呈条带状多烟少1.2~1.5较高灰黑色有金属光泽无明显条带无烟较少1.4~1.8高种类组成泥炭褐煤烟煤无烟煤w（C）/%60~7070~8080~9090~98w（H）/%5~65~64~51~3w（O）/%25~3515~255~151~3种类特征腐植煤类腐泥煤类颜色光泽用火柴燃烧有机物的氢含量低温焦油产率褐色和黑色光亮的居多不燃烧一般w（氢）6%一般小于20%褐色占多数暗燃烧，有沥青味一般w（氢）6%，可达11.5%一般大于25%三.腐植煤的生成过程腐植煤的生成过程与成煤植物、古气候、古地理及大地构造有关。各地质年代成煤植物不同。其中有三个不同聚煤期a.古生代的石炭纪和三叠纪，造煤植物主要是孢子植物。b.中生代的侏罗纪和白垩纪，造煤植物主要是裸子植物。c.新生代的第三纪，造煤植物主要是被子植物。B.成煤条件a.具有均匀的较高温度和潮湿的气候b.地形起伏易形成大的沼泽。c.地壳运动速度与死亡植物堆积速度相适应C.成煤阶段a.泥炭化阶段堆积在沼泽中的植物残体，逐渐与空气隔绝，现经历弱氧化环境，喜氧菌分解植物残体，然后进入还原环境，在厌氧菌作用下，将煤中的含氧基团分解，煤被还原。b.煤化阶段（1）成岩作用阶段泥炭被压实，脱水，增炭，孔隙度下降并逐渐固结，由无定形不均质的泥炭逐步转化为岩石状的褐煤，这一阶段称为成岩作用阶段。（2）变质作用阶段褐煤处在地下深处，受地热和上覆岩石的静压力的长期作用，进一步演化成烟煤和无烟煤，这种成煤区域很大，称为“压域变质作用”。四.洗煤和煤的储存1.洗煤开采出的煤中含有大量杂质。一般原煤均需洗煤，将大量杂质从煤中除去，选煤厂的加工工序见图2-2-03主要工序有：a.原煤准备作业b.选煤和脱水作业c.生产技术检查d.产品运销作业矿井原煤受煤设施或入场原煤筛分选矸大块矸石选后煤装运破碎入洗原煤洗选和脱水或经原煤质量均匀化设施装运洗矸中煤块精煤未精煤煤泥水装运煤泥回收及洗水澄清浮选精煤脱水或干燥浮选尾煤（损失）循环水装运总精煤装运图2-2-3选煤厂常用的加工程序图2.煤的储存煤在空气中受氧气，水，温度，的作用下会变质，称作煤的风化。变质的煤不仅热值会降低，炼焦和化工应用也会受到明显的影响，因此煤的储存也相当重要。采用的办法有：（1）隔绝空法（2）加强通风散热（3）计划使用和运输煤炭五.煤炭的综合利用1.泥炭的综合利用（1）直接利用：做燃料，建筑材料，农用肥料，亦可做工业废水废气的处理剂。（2）化学和生化处理：水解得小分子有机酸，单元或多元醇，以及葡萄糖等，水解残渣可制活性炭，溶剂抽提得泥炭蜡，碱液抽提得腐蚀酸，磺化得离子交换树脂，氨化得优质化肥，生化处理可得肥料，饲料，甲烷等（3）泥炭热加工：可用作汽化，液化，低温干馏的原料。由泥炭分出的纤维用金属盐浸渍，经碳化可得金属石炭纤维，泥炭也可做活性炭2.褐煤的综合利用（1）直接利用：用作燃料，肥料，建筑材料，植物生长刺激剂，吸附剂，铁矿石还原剂。（2）褐煤的化学加工：用稀硝酸处理可得土壤改良剂，杀虫剂，用重铬酸钾氧化可得铬腐殖酸，用外钻井泥浆的调整剂和稳定剂，经水解可得脂肪酸，苯酚等。（3）褐煤的热加工：是汽化，液化和炼焦的原料经焙烧可得碳素材料。经炭化可得活性炭。3.烟煤和无烟煤的综合利用4.提高煤炭综合利用效率的几条主要途径a.建立联合生产企业。b.将几个单元合并，成立煤综合体，以提高经济效益。图2-2-04是以煤炭加压汽化生产城市煤气，联产柴油和F·T硬蜡工艺流程，是上述将几个煤炭反应单元合并成立煤综合体的一个具体例子煤种主要利用途径煤种主要利用途径无烟煤贫煤瘦煤焦煤肥煤长焰煤民用燃料，合成氮肥、碳素料、活性炭、磺化煤等的原料，烧制钙、镁磷肥，烧石灰、水泥，直接作为还原剂、瘦剂、过滤剂等民用、动力发电、工业锅炉的燃料，气化原料配煤炼焦的瘦化成分优质炼焦的原料配煤炼焦成分，干馏制城市煤气的原料动力，气化，民用燃料，低温干馏原料弱粘煤不牯煤天然焦半石墨煤矸石石煤配煤炼焦，气化原料，电厂和机车燃料动力和民用燃料，气化原料民用和锅炉燃料，烧石灰和砖瓦等，制造煤气、合成氨和小高炉炼铁用原料民用燃料，制造碳化硅、电石、电极等碳素材料的原料燃料，制造煤气、建筑材料、造型砂的原料，提炼结晶氯化铝等化工产品燃料，制造建筑材料，提炼化工原料，肥料2-3石油存在于地下的多空的储油构造中，由低等动植物在地压和细菌作用下经复杂的化学变化和生化变化而形成。表2-3-01某些国家的石油储量及产油量（亿吨）一.石油的性质，组成和分类1.性质和组成a.性质：是一种易燃易爆，由强烈气味的粘稠液体，呈黄，黑褐色或青色b.组成：烃类，含氧化合物，含硫化合物，含氮化合物，胶状物质（俗称胶质）2.分类a.API分类法，见表2-3-02煤气化煤气冷却低温甲醇洗，脱硫脱碳合成柴油煤气干燥热电站煤气水焦油分离酚回收氨回收生化处理产品分离电23000kw5~50mm煤55t/hO212400Nm3/h水蒸气87.41t/h水蒸气130t/h去工艺0~5mm煤51.8t/h焦油812kg/h石蜡油314kg/h粗酚181kg/h氨250kg/h废水冲灰18.2t/d44.3t/d1#硬蜡2#硬蜡50000Nm3/hn(H2):n(CO)=1.9:1p=2.5MPa城市煤气柴油34.2t/d石油脑27t/d含尘煤油国家数量沙特阿拉伯加拿大伊朗伊拉克科威特阿联酋委内瑞拉俄罗斯利比亚尼日利亚哈萨克斯坦美国中国探明储量354.37244.42185.87156.86135.04133.40109.1481.8456.5649.4140.9229.6821.82产油量4.4951.2501.9250.9581.1001.2951.2824.7380.8501.1100.5302.5681.85表2-3-02原油按API分类标准b.按含硫量分类表2-3-03原油按含硫量分类标准c.石油的工业分类，按化学组成分类（1）石蜡基原油：烷烃含量大于50%，密度小，含蜡量高，凝点高，含硫，氮和胶质低。大庆南阳属这一类。（2）环烷基原油：环烷烃和芳烃含量高，密度大，凝点低，含硫，胶质，沥青多，胜利油田中孤岛原油和单家寺原油属这一类。（3）中间基原油：性质介于石蜡基原油和环烷基原油之间d.关键馏分分类法1935年由美国矿务局提出，至今仍应用。方法是在特定的简易蒸馏设备中按规定条件蒸馏原油，将250~270摄氏度切割出的馏分作第一关键组分。395~425摄氏度切割出的馏分作第二关键组分。依这两类油的密度作为分类标准，见表2-3-04，表2-3-0