化学工艺学电子教案第一章

化学工艺学电子教案——第一章化学工业原料资源及其加工利用1化学工业原料资源及其加工利用1.1无机化学矿及其加工利用（自学）1.2石油及其加工利用1.3天然气及其加工利用1.4煤及其加工利用1.5生物质及其加工利用1.6再生资源的开发利用1.7空气和水1.1无机化学矿及其加工利用（自学）1.1.1主要无机化学矿1.1.2磷矿和硫铁矿的加工利用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，至今，基本有机化工、高分子化工、精细化工及氮肥工业等的产品大约有90％来源于石油和天然气。90%左右有机化工产品上游原料可归结为三烯（乙烯、丙烯、丁二烯）、三苯（苯、甲苯、二甲苯）、乙炔和萘，还有甲醇。其中的三烯主要由石油制取，三苯、萘和甲醇可由石油、天然气和煤制取。1.2石油及其加工利用1.2.1石油的组成石油是一种有气味的棕黑色或黄褐色粘稠状液体，密度与组成有关，相对密度大约在0.75～1.0。有些油田常伴生油田气。石油是由分子量不同、组成和结构不同、数量众多的化合物构成的混合物，其中化合物的沸点从常温到500℃以上均有。石油中合量最大的两种元素是C和H，其质量含量分别为碳83％～87％、氢11％～14％，两者主要以碳氢化合物形式存在。其他元素的含量因产地不同而有较大的波动，硫含量0.02％-5.5％，氮含量0.02-1.7％，氧含量0.08％-1.82％。而Ni、V、Fe、Cu等金属元素只含微量，由十亿分之几到百万分之几。在地下与石油共存的水相中溶有K、Na、Ca、Mg等的氯化物，易于脱除。石油中的化合物可以分为烃类、非烃类以及胶质和沥青三大类。1.2石油及其加工利用（1）烃类化合物烃类即碳氢化合物，在石油中占绝大部分约几万种。①链式饱和烃。含量最多，有正构烷烃和异构烷烃，两者在石油中约占50％-70％（质量），仅有极少数油田的石油中链烷烃低于10％-15％。C1-C4烷烃是溶解在石油中的气态烃，C5-C16烷烃为液态，C17及以上烷烃为溶解在液态烃中的固态烃。②环烷烃。含量仅次于链烷烃，具饱和环状结构，多为五员环和六员环的单环结构，例如环戊烷和环己烷及其带侧基的衍生物，此外还有少量双环和三环结构的环烷烃。③芳香烃。具不饱和环状结构，有单环的苯系芳烃（苯、甲苯、二甲苯、乙苯及其他苯的衍生物）、双环的萘及其衍生物（例如甲基萘、其他烷基萘）和联苯系芳烃，以及三个或三个以上苯环叠合在一起的稠环芳烃。1.2石油及其加工利用（2）非烃化合物含有碳、氢及其他杂原子的有机化合物。①硫化物。多为有机硫化物，例如硫醇（RSH）、硫醚（RSR）、二疏化物（RSSR）、噻吩（C4H4S硫杂环化合物）及其衍生物等。硫醇拂点较低，原油经蒸馏加工后，硫醇多存在于汽油、煤油产品中；硫醚和部分二硫化物则在中等沸程馏分（如柴油）中；二硫化物、噻吩等则多留在高沸程的重油、渣油和沥青中。②氮化物。多为吡啶、喹啉等不饱和氮杂环结构的有机物，它们的沸点较高，石油加工后多留在沸点高于500℃的渣油中。③氧化合物。有环烷酸、酚类和很少量的脂肪酸，总称为石油酸。其中环烷酸含量较多，在石油加工分离后，环烷酸多存在于250—400℃沸程的馏分中。④金属有机化合物。含量甚微，主要以金属络合物的形式存在。1.2石油及其加工利用1.2.2石油的常压蒸馏和减压蒸馏石油开采出来尚未加工时称为原油，一次加工方法为常压蒸馏和减压蒸馏。蒸馏是一种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。常减压蒸馏流程有三类：①燃料型;②燃料-润滑油型;③燃料-化工型。1.2石油及其加工利用大型石油化工联合企业中的炼油厂蒸馏装置多采用燃料-化工-润滑油型流程，见图2-1。1.2石油及其加工利用1.2.3馏分油的化学加工常、减压蒸馏只能将原油切割成几个馏分，主产的燃料量有限，不能满足需求，直接能用作化工原料的也仅是塔顶出来的气体。为了生产更多的燃料和化工原料，需要对各个馏分油进行二次加工。加工的方法很多，主要是化学加工方法，下面简介主要的几种加工过程。1.2石油及其加工利用⑴催化重整（catalyticreforming）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。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气和溶剂油,并副产氢气。固定床催化重整工艺流程见图2-2。1.2石油及其加工利用1.2石油及其加工利用⑵催化裂化（catalyticcracking）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。原料可以是直馏柴油、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。1.2石油及其加工利用1.2石油及其加工利用1.2石油及其加工利用1.2.4催化加氢裂化（catalytichydrocracking）催化加氢裂化系指在催化剂存在及高氢压下，加热重质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。加氧裂化的原料油可以是重柴油、减压柴油，甚至减压渣油，另一原料是氢气。按操作压力分有高压法和中压法。高压法的操作压力高于10MPa，反应温度370一450℃；中压法压力5～10MPa，反应温度370～380℃。加氢裂化过程的方框图见图2-5。1.2石油及其加工利用1.2石油及其加工利用1.2.5烃类热裂解（pyrolysisofhydrocarbons）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。它是每个石油化工厂必不可少的首要过程。烃类热裂解不用催化剂，将烃类加热到750～900℃使其发生热裂解，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。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。1.3天然气及其加工利用1.3.1天然气（naturalgas）自地下自然喷出或人工开采出的可燃性气体的总称。其主要成分是甲烷，另外还有少量的乙烷、丙烷、丁烷等及微量的硫化氢、水、氮气等。天然气按组成可分为干气（甲烷体积含量在90%以上）和湿气（甲烷体积含量在90%以下）。1.3天然气及其加工利用1.3.2天然气按储存方式可分为：气井气：由气井采出的天然气；气井只出气而不出油的井，来自纯气藏（一般属于干气）；油田气：伴随采油采出的天然气，来自油气藏（属于湿气）；凝析气气井气：来自凝析气藏（一般属于湿气）。1.3天然气及其加工利用1.3.3天然气加工利用主要有以下几方面（1）天然气制氢气和合成氨；（2）天然气经合成气路线的催化转化制燃料和化工产品；（3）天然气直接催化转化成化工产品；（4）天然气热裂解制化工产品；（5）甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化制化工产品；（6）湿性天然气中C2一C4烷烃的利用1.4煤及其加工利用1.4.1煤（coal）煤（coal）是由含碳、氢的多种结构的大分子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无机矿物质组成。从煤中可以得到多种芳香族化合物，它们是精细有机合成的主要原料。1.4煤及其加工利用1.4.2煤化工范畴内的几种煤加工路线（1）煤的干馏煤干馏（coalcarbonization）是在隔绝空气条件下加热煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和焦炉气的过程。煤干榴过程又分以下两类。①煤的高温干馏（炼焦）。②煤的低温干馏。1.4煤及其加工利用（2）煤的气化煤气化（coalgasification）是指在高温900～1300℃）下使煤、焦炭或半焦等固体燃料与气化剂反应，转化成主要含有氢、一氧化碳等气体的过程。生成的气体组成随固体燃料性质、气化剂种类、气化方法、气化条件的不同而有差别。气化剂主要是水蒸气、空气或氧气。1.4煤及其加工利用（3）煤的液化煤液化（coalliquefaction）是指煤经化学加工转化为液体燃料的过程。煤液化可分为直接液化和间接液化两大类过程。（4）生产电石将煤与CaO在2000～2200℃及电弧炉作用下反应生成CaC2（电石）的过程。电石水解可生成乙炔（此法占乙炔来源的一半以上），由乙炔出发可生成一系列化工产品。1.5生物质及其加工利用农、林、牧、副、渔业产品及其废弃物（壳、芯、秆、糠、渣）等生物质通过化学或生物化学方法可以转变为基础化学品或中间产品，例如葡萄糖、乳酸、柠檬酸、乙醇、丙酮、高级脂肪酸等。加工过程涉及一系列化学工艺，如化学水解、酶水解、微生物水解、皂化、催化加氢、气化、裂解、萃取等等，有些还用到DNA技术。1.5生物质及其加工利用利用生物质生产化学品举例：（1）糠醛的生产农副产品废渣的水解是工业生产糠醛的唯一路线。其生产过程是：将含多缩戌糖的玉米芯、棉子壳、花生壳、甘蔗渣等投人反应釜内，用含量为6％的稀硫酸作催化剂并通入蒸汽加热，控制温度在180℃左右、压力0.6～1.0MPa，反应5～8h。（2）乙醇的生产将含淀粉的谷类、薯类、植物果实经蒸煮糊化，加水冷却至60℃。加入淀粉酶1.5生物质及其加工利用使淀粉依次水解为麦芽糖和葡萄糖，再加入酵母使之发酵则转变成乙醇（食用酒精）。（3）丙二醇的生产1，3一丙二醇（PDO）是生产聚对苯二甲酸丙二酯（PPT）的原料，PPT具有许多类似尼龙的特性．如果其原料PDO的成本较低，则可与PET聚酯竟争。1.6再生资源的开发利用工农业和生活废料在原则上都可以回收处理、加工成有用的产品，这些再生资源的利用不仅可以节约自然资源，而且是治理污染、保护环境的有效措施之一。例如废塑料重新炼制成液体燃料的方法已经有工业装置建成。