化學工藝學 教學課件 ppt 作者 劉曉勤 主編化學工藝學-1概論

1、第一章 概論,化學工業(yè)出版社,2,主要內容,1.1 化學工業(yè)的分類及特征1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝1.3 化工工藝計算,3,1.1 化學工業(yè)的分類及特征,1.1.1 化學工業(yè)的分類,（1）無機化學工業(yè)合成氨、無機酸、堿、鹽和無機化學肥料（2）基本有機化學工業(yè)合成醇、有機酸、醛、酯、酮以及烷烴、烯烴、芳烴系列產(chǎn)品（3）高分子化學工業(yè)合成塑料及樹脂、合成纖維、合成橡膠（4）精細化學工業(yè)試劑、催化劑

2、、助劑、添加劑、活性劑、染料、顏料、香料、涂料、農藥、醫(yī)藥等（5）生物化學工業(yè)有機酸、生物農藥、飼料蛋白、抗生素、維生素、疫苗等,按產(chǎn)品分類：,4,1.1 化學工業(yè)的分類及特征,1.1.1 化學工業(yè)的分類,（1）石油化工 以石油和天然氣為原料的化學工業(yè)（2）煤化工 通過煤的氣化、干餾和生產(chǎn)的電石為原料的化學工業(yè)（3）生物化工 采用農、林等生物資源以及非生物資源，通過發(fā)酵、水解、酶催化而生產(chǎn)的化工

3、產(chǎn)品（4）礦產(chǎn)化工 以化學礦為原料的化工產(chǎn)品（5）海洋化工 從海水中提煉的化工產(chǎn)品,按原料分類：,5,1.1 化學工業(yè)的分類及特征,1.1.2 化學工業(yè)的特征,（1）化學工藝方法和設備更新快，產(chǎn)品日新月異，是一個技術密集型的工業(yè)。（2）多數(shù)化學工業(yè)，特別是工業(yè)化學工業(yè)，無論原料和動力，都要消耗能量，是一個能源密集型的工業(yè)。（3）化工過程往往是易燃、易爆、有毒、有腐蝕的過程，生產(chǎn)條件控制嚴格，是一個連續(xù)性和自動

4、化程度較高的工業(yè)。,6,1.1 化學工業(yè)的分類及特征,（4）為提高經(jīng)濟效益，綜合利用資源和能源，基本化學工業(yè)均向大型化方向發(fā)展。（5）化工生產(chǎn)是易產(chǎn)生廢氣、廢水、廢渣的過程，為防止污染環(huán)境，治理三廢是化工生產(chǎn)中的不可忽視的問題，而治理三廢的同時，有時又可得到有價值的副產(chǎn)品。（6）化工生產(chǎn)是有利于能量綜合利用的過程，以節(jié)能為主要內容的技術改造，是降低生產(chǎn)能耗，提高經(jīng)濟效益的重要途徑。,7,主要內容,1.1 化學工業(yè)的分類及特征

5、1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝1.3 化工工藝計算,8,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,化學工業(yè)最基本的原料是煤、石油、天然氣、化學礦以及農林副產(chǎn)物和海洋資源，其中絕大部分基本有機化學工業(yè)和部分的基本無機化學工業(yè)的原料主要是煤和天然氣。目前，世界化學工業(yè)主要以石油和天然氣為原料，約占90%以上；而我國的化學工業(yè)原料則以煤為主。,9,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,1.2.1 石油及其加工工藝,從油田開采出來的石油稱為原油，原

6、油是一種褐黃色或黑色的粘稠液體，具有特殊氣味，原有的化學組成非常復雜，主要有碳和氫兩種元素所組成的各種烴類，并含有少量的氮、氧、硫化合物。烴類化合物分為烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴。,石蠟基原油含較多的石蠟，烷烴含量超過50%，密度小，凝固點高，含硫及膠質較少，大慶原油屬于此類。環(huán)烷基原油含有較多的環(huán)烷烴和芳香烴，密度較大，凝固點低，含硫及膠質較多，瀝青亦較多。中間基原油的性質介于前兩類之間。,原油按組成可分為：,10,1.2 化工原料、

7、產(chǎn)品及其工藝,以石油為原料加工出來的產(chǎn)品甚多，按其主要性質和用途可分為燃料油（汽油、煤油、柴油）、潤滑油、瀝青、石油焦以及基本化工產(chǎn)品六大類。 基本化工產(chǎn)品為烯烴（乙烯和丙烯）、芳烴（苯、甲苯、二甲苯）、液化石油氣和合成氣等。以這些物質為原料進一步加工，可以制得各種各樣的化工產(chǎn)品和日用產(chǎn)品。,石油經(jīng)熱裂解生成重要的有機化工原料包括“三烯”（乙烯、丙烯、丁二烯）、“三苯”（苯、甲苯、二甲苯）等。,11,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其

8、工藝,12,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,為了充分利用寶貴的石油資源，要對石油進行一次加工和二次加工，在生產(chǎn)出汽油、航空煤油、柴油、鍋爐燃油和液化氣的同時，制取各類化工原料。,一次加工：原油的常壓蒸餾和減壓蒸餾過程。蒸餾是一種利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的差別（沸點不同）進行分離的方法，是一種沒有化學反應的傳質、傳熱物理過程。二次加工：常減壓蒸餾餾份油的進一步化學加工過程。主要包括重整、催化裂化、催化加氫裂化和烴類熱裂解。,1

9、3,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,14,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,1.2.2 天然氣及其加工工藝,主要成分：氣態(tài)烴類，還含有少量的二氧化碳、氮氣和硫化物等雜質。來源：伴生氣和非伴生氣。伴生氣是伴隨石油共生，通稱為油田氣；非伴生氣為單獨的氣田資源，純氣田的天然氣主要成分是甲烷。,干氣：每m3氣體中C5以上重質烴含量低于13.5 cm3（液體）濕氣：每m3氣體中C5以上重質烴含量高于13.5 cm3（液體）貧氣：含C3

10、以上烴類高于94 cm3（液體）富氣：含C3以上烴類低于94 cm3（液體）,15,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,幾種氣田的天然氣組成,16,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,天然氣作為化工原料時，主要是制取合成氣，而進一步加工成各種化工廠品；用天然氣為原料加工的基本化工產(chǎn)品，其成本一般較低。 天然氣是化學工業(yè)的重要原料，也是一種高熱值、低污染的清潔能源。由天然氣井、油田、煤層中產(chǎn)生的天然氣，不宜直接用作化工原料，還需脫

11、除有害組分，并將各組分分離，然后才能將所得各種組分合理利用。,17,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,天然氣的初步加工處理工藝流程,18,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,天然氣的化學加工途徑,19,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,1.2.3 煤及其加工工藝,主要成分：碳、氫和氧，并含有少量的氮、硫、磷等雜原子。,不同煤的主要元素組成,20,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,21,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,由于煤中含有大量的

12、芳核結構，以它為原料來制取芳烴、稠環(huán)和雜環(huán)等類化合物(如苯類、酚類、喹啉、吡啶、咔唑等)，要比石油方便。目前世界上由煤得到的苯約占苯總產(chǎn)量的25%，萘約占萘總產(chǎn)量的85%，蒽、苊、芘占其總產(chǎn)量的90%以上，咔唑、喹啉均占100%，炭黑占其總產(chǎn)量的25%。,22,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,在煤化工范疇內的煤加工過程主要有煤的干餾、氣化、液化等。,煤的干餾是在隔絕空氣的條件下加熱煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和焦爐氣的過程，也稱

13、為煤的熱解或熱分解。高溫干餾：煤在煉焦爐中隔絕空氣加熱到1000℃左右，經(jīng)過干餾的一系列階段，最終得到焦炭，該過程也稱為高溫煉焦或簡稱煉焦。低溫干餾：煤在終溫500~700℃下進行的干餾過程，產(chǎn)生半焦、低溫焦油和煤氣等產(chǎn)物。,23,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,煤的氣化：以煤或煤焦（半焦）為原料，以氧氣（空氣、富氧或純氧）、水蒸氣或氫氣等作為氣化劑（或稱氣化介質），在高溫（900~1300℃）通過化學反應把煤或煤焦中的可燃部分

14、轉化為氣體的過程。氣化時所得到的氣體稱為煤氣，其有效部分包括一氧化碳、氫氣和甲烷等。,煤的液化：通過化學加工將煤轉化為液體燃料的過程。直接加氫液化：在高壓（10~20MPa）、高溫（420~480℃）和催化劑作用下轉化成液態(tài)烴的過程。間接液化：將煤預先制成合成氣，然后在催化劑的作用下是合成氣轉化成烴類燃料、含氧化合物燃料的過程。,24,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,25,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,1.2.4 化學礦及其

15、加工工藝,固體化學礦的種類甚多，大多數(shù)化學礦是以化合物的形態(tài)存在，且含有多種元素。通常按某種元素在礦石中含量的高低分為高品位礦和低品位礦，低品位礦必須通過選礦富集才能作為原料。 化學礦主要用于制取金屬和無機鹽類產(chǎn)品。化學礦種類繁多，主要礦物舉例如下。,26,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,⑴鹽礦：巖鹽、海鹽或湖鹽等，用于制造純堿、燒堿、鹽酸和氯乙烯等⑵硫礦：硫磺(S)、硫鐵礦(FeS2)等，用于生產(chǎn)硫酸和硫磺⑶磷礦：氟

16、磷灰石[Ca5F(PO4)3]、氯磷灰石[Ca5Cl(PO4)3]，用于生產(chǎn)磷肥，磷酸及磷酸鹽等⑷鉀鹽礦：鉀石鹽(KCl和NaCl混合物)、光鹵石(KCl·MgCl2·6H2O)、鉀鹽鎂礬(KCl·MgSO4·3H2O)⑸鋁土礦：水硬鋁石(α-Al2O3·H2O)和三水鋁石(Al2O3·3H2O)的混合物⑹硼礦：硼砂礦(Na2O·2B2O3·10H2O

17、)、硼鎂石(2MgO·B2O3·H2O)等,27,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,⑺錳礦：錳礦(β和γ-MnO2)、菱錳礦(MnCO3)等⑻鈦礦：金紅石(TiO2)、鈦鐵礦(FeTiO3)等⑼鋅礦：閃鋅礦(ZnS)、菱鋅礦(ZnCO3)⑽鋇礦：重晶石(BaSO4)、毒晶石(BaCO3)等⑾天然沸石：斜發(fā)沸石、絲光沸石、毛沸石(化學組成均為NaO·Al2O3·nSiO2·xH2O

18、)等⑿硅藻土(含83%～89% SiO2·nH2O) 膨潤土[(Mg, Ca)O·Al2O3·5SiO2·nH2O]，可作吸附劑和催化劑載體,28,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,化學礦的加工方法主要有熱化學加工（煅燒、焙燒等）、浸取分離、萃取分離、提取分離和電化學等。除熱化學加工外，其他各種加工方法是用水或溶劑把所需的金屬化合物提取出來，這些方法通稱為濕法冶金。,29,1.2 化

19、工原料、產(chǎn)品及其工藝,主要礦物質的加工利用,30,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,1.2.5 生物質及其加工工藝,來源：農、林、牧、副、漁業(yè)的產(chǎn)品及其廢棄物（殼、芯、稈、糠、渣）等農副產(chǎn)品。利用方法：一是直接提取其中固有的化學成分；二是利用化學或生物化學的方法將其分解為基礎化工產(chǎn)品或中間品。加工過程：涉及萃取、微生物水解、酶水解、化學水解、裂解、催化加氫、皂化、氣化等一系列生產(chǎn)工藝和操作。,31,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其

20、工藝,糠醛和糠醇的生產(chǎn),32,1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝,乙醇的生產(chǎn),33,主要內容,1.1 化學工業(yè)的分類及特征1.2 化工原料、產(chǎn)品及其工藝1.3 化工工藝計算,34,對于穩(wěn)定的連續(xù)流動系統(tǒng)過程，無物料的積累，再若過程中無物料的損失，則輸入的總物料量 等于輸出的總物料量 ，即,1.3 化工工藝計算,1.3.1 物料衡算,物料衡算的依據(jù)是質量守恒定律：進入系統(tǒng)的物料量 = 離開

21、系統(tǒng)的物料量 + 系統(tǒng)內物料積累量,,35,1.3 化工工藝計算,（1）必須選擇某一物料的數(shù)量作為計算的依據(jù)，稱為物料衡算的基準。（2）所選組分往往是不發(fā)生變化的惰性物料。對于發(fā)生復雜化學反應的過程，最好選用元素的物質的量（如kmol）。（3）在一個系統(tǒng)中進行各設備的物料衡算時，應采用同一個基準，以避免發(fā)生計算錯誤。,在進行物料衡算時應注意的問題：,36,1.3 化工工藝計算,,1.3.1 物料衡算（物理變化過程）,總物料衡算

22、式,干氣體的物料衡算式,水的物料衡算式,37,連續(xù)過程的物料衡算 一般表示式為： 系統(tǒng)中積累 = 輸入 – 輸出 + 生成 – 消耗穩(wěn)態(tài)過程時 輸入 = 輸出 – 生成 + 消耗無化學反應的穩(wěn)態(tài)過程 輸入 = 輸出,38,物料平衡形式 總平衡式 *總質量平衡式 總摩爾平衡式 組

23、分平衡式 組分質量平衡式 組分摩爾平衡式 元素原子平衡式 *元素原子質量平衡式 *元素原子摩爾平衡式,39,物料衡算的基本步驟,⑴ 畫出流程示意圖⑵ 列出已知數(shù)據(jù)⑶ 列出由物料平衡所需求解的問題⑷ 決定系統(tǒng)的邊界⑸ 寫出主、副產(chǎn)品的化學反應方程式,40,⑹ 約束條件⑺

24、 選擇計算基準⑻ 進行物料平衡計算⑼ 列出物料和能量平衡表，并進行校核⑽ 結論,41,關于基準,⑴ 時間基準 連續(xù)（小時，天……） 間歇（釜，批……）⑵ 質量基準 kg，mol， kmol ……⑶ 體積基準 m3（STP）⑷ 干濕基準 干基（不含水），濕基（含水）例：100kg濕物料，其中含水10kg， 按 濕基：含水率為10%；

25、 若按 干基：含水率為 10/（100-10）×100%=11.11%,42,1.3 化工工藝計算,例1-1 苯、甲苯、二甲苯混合物采用由兩個精餾塔組成的單元設備中進行分離，得到三種物流，各為一種物質的富集液，系統(tǒng)流程如圖1-10所示。已知料液流率為1000mol?h?1，其組成為苯20%，甲苯30%，其余為二甲苯（均為摩爾分數(shù)）。在第一個精餾塔的釜底液中含苯2.5%和甲苯35%，然后進入第二個精餾塔

26、分離，塔頂?shù)玫胶?%和甲72%的溜出液，試計算各個精餾塔得到的餾出液、釜底液及其組成。,43,解 在系統(tǒng)流程圖上，標明各流股物料量，其中 、 和,1.3 化工工藝計算,分別表示流股3中苯、甲苯和二甲苯的組成。,44,1.3 化工工藝計算,該精餾過程可列出三組衡算方程，每組選出三個獨立方程，即：,塔I：總物料苯甲苯,塔II：總物料苯甲苯,45,1.3 化工工藝計算,整個過程：總物料苯甲苯,求解結

27、果列表,46,1.3 化工工藝計算,1.3.1 物料衡算（化學變化過程）,,對于化學反應過程，同一種元素的摩爾數(shù)是不變的，故可以按元素的摩爾數(shù)列出物料衡算式。,各種元素的物料衡算式：,碳氧,總物料衡算式：,47,1.3 化工工藝計算,C + O2 = CO2,C + 0.5O2 = CO,獨立反應：,組分數(shù)N等于元素總數(shù)M與獨立反應數(shù)R之和：,N = M + R,48,1.3 化工工藝計算,轉化率：反應所消耗的物料量與投入

28、反應的物料量之比值稱為該組分的轉化率，一般以分率來表示，若用符號XA表示A組分的轉化率，則得：,產(chǎn)率（或收率）：主產(chǎn)物的實際收得量與按投入原料計算的理論產(chǎn)量之比值。用分率或百分率來表示，若用符號Y來表示產(chǎn)率，則得：,,,49,1.3 化工工藝計算,選擇性：表示各種主、副產(chǎn)物中，主產(chǎn)物所占的分率或百分率。用符號表S示，則得：,相對于同一反應而言，轉化率、產(chǎn)率與選擇性之間存在如下關系：,50,1.3 化工工藝計算,例1-2 用鄰二甲苯

29、氣相催化氧化生產(chǎn)鄰苯二甲酸酐（苯酐）。鄰二甲苯投料量205kg/h，空氣4500m3/h。反應器出口物料組成（摩爾分數(shù)）如表所示。計算鄰二甲苯轉化率、苯酐收率及反應選擇性。,51,1.3 化工工藝計算,解 畫出物料流程圖：,因尾氣中含有大量的惰性組分N2，故選擇N2作為物料衡算的聯(lián)系物。計算反應器出口物料的總流量：,52,1.3 化工工藝計算,反應器出口物料中苯酐和鄰二甲苯的流量：,苯酐鄰二甲苯,主反應式：,鄰二甲苯的轉化率苯

30、酐收率反應選擇性,53,1.3 化工工藝計算,例1-3 苯甲酰苯甲酸（BB酸）脫水縮合制蒽醌，要求控制反應終點時硫酸組成為93.5%。每批投料工業(yè)BB酸400kg，含水10%，干品含純BB酸97%，縮合劑硫酸的濃度為97.8%，求算濃硫酸的需用量?？s合反應的轉化率為99%（以上均為質量分數(shù)） 。,400kg工業(yè)BB酸中含純BB酸含水含雜質反應生成蒽醌反應生成水未反應的BB酸,0.01,解,54,1.3 化工工藝計算,反

31、應后廢酸總量反應后廢酸濃度解得廢酸質量,設97.8%的H2SO4用量為X kg,55,1.3 化工工藝計算,每批物料平衡表,56,1.3 化工工藝計算,弛放過程：在帶有循環(huán)物流的過程中，由于有些惰性組分或某些雜質沒有分離掉，再循環(huán)中逐漸積累，會影響正常生產(chǎn)和正常操作。為了使循環(huán)系統(tǒng)中惰性組分保持在一定濃度范圍內，需要將一部分循環(huán)氣排放出去，這種排放稱為弛放過程。,在連續(xù)弛放過程中，穩(wěn)態(tài)的條件為：,弛放物流中任一組分的濃度與進行

32、馳放那一點的循環(huán)物流濃度相同。因此，馳放物流的流率由下式?jīng)Q定：,弛放時惰性氣體排出量 = 系統(tǒng)惰性氣體進入量,料液流率?料液中惰性氣體濃度 = 弛放物流流率?制定循環(huán)流中惰性氣體濃度,57,1.3 化工工藝計算,例1-4 由氫氣和氮氣生產(chǎn)合成氨時，原料氣中總含有一定數(shù)量的惰性氣體，如氬和甲烷。為了防止循環(huán)氫、氮氣中惰性氣體的積累，因此應設置馳放裝置，如圖所示。假定原料氣的組成（摩爾分數(shù)）N2為24.75，H2為72.2

33、5，惰性氣體為1.00。N2的單程轉化率為25%，循環(huán)物料中惰性氣體為12.5%，NH3為3.75%（摩爾分數(shù)），試計算各股物流的流率和組成。,58,1.3 化工工藝計算,解 基準：原料氣100mol/h循環(huán)物流組成（以Ⅰ代表惰性組分）：因循環(huán)氣和馳放氣從同一節(jié)點分流，故循環(huán)物流組成與馳放氣組成相同。組成如下：,馳放氣流率F4由惰性氣體平衡求出：,循環(huán)物流流率R由N2組分衡算求?。?59,1.3 化工工藝計算,進反應器混合氣的

34、流率F2：,產(chǎn)品液氨的流率F3（由質量衡算得）：為簡化計算，將惰性氣體全部看作是Ar，取惰性氣體的相對分子質量為40，則有：,原料氣質量流率：,弛放氣質量流率：,液氨質量流率：,液氨摩爾流率F3：,60,1.3 化工工藝計算,物料衡算結果,61,對于穩(wěn)定的連續(xù)流動過程，無熱量的積累，且不計入熱量的損失時，輸入的總熱量,1.3 化工工藝計算,1.3.2 熱量衡算,熱量衡算以熱力學第一定律為基礎。,輸入的總熱量 = 輸出的總熱量 +

35、 積累的熱量 + 損失的熱量,就等于輸出的總熱量,因為熱量是相對值，故在進行熱量衡算時，應選定基準的溫度和相態(tài)?；鶞蕼囟瓤梢匀我膺x擇，但一般選取0℃或25℃，因為在這兩個溫度下的熱力學數(shù)據(jù)較多，易于查用。,62,1.3 化工工藝計算,（1）以反應熱為基礎計算,（2）以生成熱為基礎計算,A：任意一種反應物或產(chǎn)物,nAR：過程中生成或消耗A的物質的量,mA ：的化學計量系數(shù),熱量衡算的兩種方法：,63,1.3 化工工藝計算,例1-5

36、甲烷在連續(xù)式反應器中空氣氧化生產(chǎn)甲醛，副反應是甲烷完全氧化生成CO2和H2O。,以100mol進反應器的甲烷為基準，物料流程如圖1-15所示。假定反應在足夠低的壓力下進行，氣體便可看作理想氣體。甲烷于25℃進反應器，空氣于100℃進反應器，如要保持出口產(chǎn)物為150℃，需從反應器取走多少熱量？,64,1.3 化工工藝計算,解 物料衡算基準：100mol進料中的CH4。衡算結果如圖所示。,各組分單位進料（25℃）的焓值,（1）25℃下進

37、料甲烷的焓,查手冊得生成熱,則,能量衡算：取25℃時生成各個反應物和產(chǎn)物的各種原子（即C、O、H）為基準，非反應物質N2也取25℃為基準（因25℃是氣體平均摩爾熱容的參考溫度）。各焓值計算如下。,65,1.3 化工工藝計算,,（2）,,查手冊得,,,（3）,查手冊得,,,各組分單位出料的焓值,,（1）,,查手冊得,66,1.3 化工工藝計算,（2）,查手冊得,（3）,,查手冊得,（4）,查手冊得,67,1.3 化工工藝計算,（5）