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化学工艺基础

化学工艺基础. 2.1 原料资源及加工利用. 2.1.1 无机化学矿及其加工 2.1.2 石油及其加工利用 2.1.2.1 石油的组成 石油的物理特征 颜色：棕黑色或黄褐色 状态：粘稠液体 相对密度： 0.75 ～ 1.0 沸点：常温～ 500℃ 以上 元素组成：主要是 C 和 H. 2.1.2 石油及其加工利用. 2.1.2.1 石油的组成 石油的组成. 链式饱和烃. 烃类. 环烷烃. 芳香烃. 硫化物. 石油的组成. 非烃类. 氮化物. 含氧化物. 金属有机化合物. 胶质和沥青. 稠环环烷烃. 稠环芳香烃.

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  1. 化学工艺基础

  2. 2.1原料资源及加工利用 2.1.1 无机化学矿及其加工 2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.1石油的组成 • 石油的物理特征 • 颜色：棕黑色或黄褐色 • 状态：粘稠液体 • 相对密度：0.75～ 1.0 • 沸点：常温～ 500℃ 以上 • 元素组成：主要是C和H

  3. 2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.1石油的组成 • 石油的组成 链式饱和烃 烃类 环烷烃 芳香烃 硫化物 石油的组成 非烃类 氮化物 含氧化物 金属有机化合物 胶质和沥青 稠环环烷烃 稠环芳香烃

  4. 2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.2石油的常压蒸馏和减压蒸馏 • 石油蒸馏工艺的类型 • 燃料型 • 燃料-润滑油型 • 燃料-化工型 • 燃料-化工-润滑油型

  5. 2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.2石油的常压蒸馏和减压蒸馏 • 石脑油（Naphtha）：成分为低沸程的汽油，C5 –C10，含烷烃、环烷烃及少量芳烃 • 沸程：在一定外压下，加热汽化石油馏 分时，其残液的蒸汽压随汽化率增加而不断下降，所以其沸点表现为一定宽度的温度范围，称为沸程。

  6. 2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.3馏分油的化学加工 • 馏分油二次加工的类别： • 催化重整（Catalytic Reforming） • 催化裂化（Catalytic Cracking） • 催化加氢裂化（Catalytic hydrocracking） • 烃类热裂解

  7. 2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.3馏分油的化学加工 • 催化重整（Catalytic Reforming） • 定义：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过程 • 原料：石脑油 • 主要化学反应： • 环烷烃脱氢； • 烷烃脱氢环化生成芳烃； • 烷烃的异构化； • 烷烃的加氢裂化。 • 重整产物：高辛烷值汽油；苯、甲苯、二甲苯等芳烃原料等

  8. 2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.3馏分油的化学加工 • 催化裂化（catalytic cracking） • 定义 ：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：直馏柴油、重柴油、减压柴油、润滑油 • 主要化学反应 • 大分子烷烃C-C链断裂成小分子的烷烃和烯烃； • 直链烷烃脱氢生成烯烃和氢气； • 正烷烃异构化为异烷烃； • 支链烷烃脱氢环化生成芳烃； • 环烷烃脱氢生成芳烃； • 烯烃脱氢环化或聚合结焦； • 芳烃脱氢缩合结焦等 • 裂化产物：高质量的汽油、副产柴油、锅炉燃油

  9. 2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.3馏分油的化学加工 • 催化加氢裂化（Catalytic hydrocracking） • 定义：在Cat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、汽油和气体等产品的加工过程 • 原料：重柴油，减压柴油，甚至减压渣油；氢气 • 主要反应： • 大分子烷烃加氢裂解成较小分子烷烃 • 环烷烃加氢开环生成链烷烃 • 芳烃加氢生成环烷烃 • 有机含硫化合物加氢生成烷烃和硫化氢 • 有机含氮化合物加氢生成烷烃和氨 • 有机含氧化合物加氢生成烃和水 • 有机金属化合物加氢分解释出金属及烃类 • 裂化产物：优质的航煤、柴油

  10. 2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.3馏分油的化学加工 • 烃类热裂解 • 定义：非催化；高温750-900 ℃ • 原料：较好的为乙烷、丙烷和石脑油；也可用煤油、柴油和常、减压瓦斯油 • 主要反应：C-C键断裂；C-H键断裂；芳构化；结焦 • 裂解产物：三烯、三苯、乙炔、萘、丁烯、丁二烯等

  11. 2.1.3天然气及其加工利用 • 天然气的分类 • 根据CH4的含量不同分为: • 干气：V CH4>90% • 湿气：V CH4<90% • 根据其不同的来源分为: • 常规天然气 • 煤层气 • 油田伴生气 • 天然气水合物

  12. 2.1.3天然气及其加工利用 • 天然气的加工利用 • 能源 • 化工原料 • 天然气制H2和合成氨 水合反应: CH4+H2OCO+3H2(合成气） 氧化反应: CH4+ 0.5 O2CO+2H2 (合成气） 合成氨反应：H2+3N22NH3

  13. 2.1.3天然气及其加工利用 • 天然气经合成气路线的催化转化制燃料和化工产品 CH4CO+H2（合成气） CO+2H2 CH3OH 2CO+4H2 C2 H4+2H2O 2CO+3H2 HO-CH2-CH2-OH +H2O • 天然气直接催化转化成化工产品 CH4 +O2 CH3OH CH4 +O2 HCHO

  14. 2.1.3天然气及其加工利用 • 天然气热裂解制化工产品 CH4 →C2H2+C C2H2 → CHCl=CHCl C2H2→ CH3-CHO • 甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化制甲烷的各种衍生物 • 湿气中C2和C4的利用 C2 ～C4 →乙烯、丙烯

  15. 2.1.4煤及其加工利用 • 煤的组成 • 煤的元素组成：C、H和少量金属和非金属矿物 • 煤的化合物组成：缩合程度不同的芳香环、饱和环、杂原子环等 • 煤的加工利用 • 能源 • 冶金 • 化工原料

  16. 2.1.4煤及其加工利用 • 煤生产化工原料的主要途径：

  17. 2.1.4煤及其加工利用 • 煤的干馏 • 定义：是在隔绝空气条件下加热媒，使其分解生成焦碳、煤焦油、粗苯及焦炉气的过程 • 分类 • 高温干馏 • 低温干馏

  18. 2.1.4煤及其加工利用 • 煤的气化 煤、焦碳、半焦 合成气（H2、 CO）

  19. 2.1.4煤及其加工利用 • 煤的液化 • 直接液化： • 间接液化： 煤 液态烃 煤 合成气 烃类燃料、含氧化合物燃料

  20. 2.1.5生物质及其加工利用 • 糠醛的生产： 原料来源：玉米芯、麦麸、棉籽皮、向日葵籽壳、甘蔗皮、稻壳、花生壳等 • 乙醇的生产 • 丙二醇的生产

  21. 2.1.6再生资源的开发利用 • 废旧塑料 液体燃料 废旧塑料

  22. 2.1.6 空气和水 • 空气 • O2 • N2 • 稀有气体 • 纯O2、纯N2的生产方法 • 深度冷冻分离法 • 分子筛变压吸附法 • 膜分离法 • 水的应用 • 溶剂 • 反应物 • 载体 • 高压蒸汽

  23. 2.2化工过程的主要效率指标 • 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。 • 生产强度 指设备的单位几何量的生产能力，通常设备的单位体积或单位面积的生产能力。

  24. 2.2化工过程的主要效率指标 • 转化率 • 定义式：  BB + CC → RR+ SS 关键反应物： 3H2+N22NH3

  25. 循环物料 弛放物料 反应 分离 产品 新鲜原料 混合 2.2化工过程的主要效率指标 • 转化率 • 转化率的计算 • 间歇过程 • 连续过程 • 循环流程 单程转化率XB= 全程转化率XB，tot=

  26. 2.2化工过程的主要效率指标 • 选择性（Selectivity）

  27. 2.2化工过程的主要效率指标 • 收率 根据转化率、选择性和收率的定义： Y=S·X

  28. 2.2化工过程的主要效率指标 • 质量收率 Ym=

  29. 2.2化工过程的主要效率指标 • 平衡转化率和平衡产率  A A+  B B   R R+  S S [概念]标准化学平衡常数Kp（KC） • 若为气相反应体系为理想气体，或压力<3MP和温度200℃以上 ，则标准平衡常数为

  30. 2.2化工过程的主要效率指标 • 平衡转化率和平衡产率 • 若气相反应体系为高压，则标准平衡常数为 其中

  31. 2.2化工过程的主要效率指标 • 平衡转化率和平衡产率 • 若反应体系为理想液相体系，或溶液浓度很稀时，则标准平衡常数为

  32. 2.2化工过程的主要效率指标 • 示例说明 设某气相反应A+2B R，反应前A有a mol，B有b mol，无R组分。求基于A、B的平衡产率和平衡转化率。 解：根据Y=SX，S=1 得Y A =X A， Y B =X B A + 2B  R 总物料 反应前 a b 0 a+ b 反应平衡时 a-aX A b- 2aX A aX A a+ b - 2aX A YA=XA，YB=XB=

  33. 2.2化工过程的主要效率指标 把yA， yB， yR带入Kp表达式得 已知P，查得KP，可得XA

  34. 2.2化工过程的主要效率指标 • 示例说明 • 讨论 • 如果投放物料按化学反应计量系数比投放即 a:b=1:2 那么 即各反应物的转化率相同 那么 即各反应物的产率相同 • 如果投放物料不按化学反应计量系数比投放，那么，各反应物的转化率不相同，各反应物的产率也不相同

  35. 2.3反应条件对化学平衡和反应速率的影响 • 影响化学平衡和反应速率的因素

  36. 2.3反应条件对化学平衡和反应速率的影响 2.3.1 温度的影响 • 温度对化学平衡的影响 bB+cC=rR+sS+H 对于吸热反应，H  >0， T有利于产物产率 对于放热反应，H <0， T有利于产物产率

  37. 2.3反应条件对化学平衡和反应速率的影响 2.3.1 温度的影响 • 温度对反应速率的影响 aA+bB dD 反应速率方程为 其中k与反应活化能和温度有关 k=Aexp（-E/RT）（阿累尼乌斯方程） 由此可见， T，k 

  38. 2.3反应条件对化学平衡和反应速率的影响 2.3.1 温度的影响 • 温度对反应速率的影响 • 对于不可逆反应，T，产物生成的速率  • 对于可逆反应，T，正逆反应的速率都 • 对于吸热反应， T，生成产物的净速率 • 对于放热反应，（见图2-10）有一最佳反应温度

  39. 2.3反应条件对化学平衡和反应速率的影响 2.3.2浓度的影响 • 浓度对反应平衡的影响 根据反应平衡移动原理，反应物浓度，平衡向生成产物的方向移动 • 浓度对反应速率的影响

  40. 2.3反应条件对化学平衡和反应速率的影响 2.3.3 压力的影响 • 压力对反应平衡的影响 • 对分子数增加的反应，降低压力可以提高平衡产率； • 对分子数减少的反应，压力升高，产物的平衡产率增大； • 对分子数没有变化的反应，压力对平衡产率无影响。 • 压力对反应速率的影响

  41. CH2=CH2+O2 2.4 催化剂的性能及使用 一 催化剂的作用 • 提高反应速率和选择性 • 乙烯的氧化反应

  42. 2.4 催化剂的性能及使用 • 改进操作条件 • 合成氨工艺 N2+3H22NH2（放热反应） • 乙烯聚合反应 

  43. 2.4 催化剂的性能及使用 • 催化剂有助于开发新的反应过程 • 工业上乙酸的生产方法主要有 • 乙醛氧化法 • 丁烷和石脑油氧化法 • 甲醇羰基化法 • 19世纪初，三氟化硼、磷酸等催化剂，50-70MP，温度250-350℃； • 1941年，Reppe 等人用铁、钴、镍等第八族金属羰基化合物和卤素为催化剂，20-45MP，温度250-270； • 1960年联邦德国的BASF公司建厂投产，催化剂为羰基钴, 碘化物为助催化剂，仍高温高压； • 1968年美国孟山都公司开发成功了用铑做催化剂，3MP低压，温度175℃的条件下合成乙酸

  44. 2.4 催化剂的性能及使用 4 .催化剂在能源开发和消除污染中发挥重要作用

  45. 产物 催化剂 反应物 催化剂 中间化合物（活性物种） 2.4 催化剂的性能及使用 二 催化剂的特征 • 催化剂的作用机理

  46. 2.4 催化剂的性能及使用 • 催化剂的特征 • 催化剂在反应中自身未发生化学性质和数量的变化 • 催化剂能加快反应速率，但不能使热力学上不能进行的反应发生 • 催化剂不能改变化学平衡 • 催化剂具有明显的选择性

  47. 2.4 催化剂的性能及使用 三 催化剂的分类 • 按催化剂反应体系的物相均一性分为 • 均相催化剂（液） • 非均相催化剂（固） • 按催化剂反应机理分 • 氧化还原型催化剂 • 酸碱催化剂

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