化學工藝學 教案.pdf

安 康 學 院 教 案 2008 2009 學年 第 1 學期 課 程 名 稱 化 學 工 藝 學 院 系 化 學 化 工 系 教 研 室 應化教研室 適 用 專 業(yè) 2006 級應用化學 授 課 教 師 袁 光 輝 職 稱 講 師 教 材 名 稱 化 學 工 藝 學 2009 年 4 月 20 日 教學 進度 計劃 周次 章次 內容 學時 緒論 2 4 流體動力學 化工原理已修 復習 2 4 精餾 化工原理已修 復習 2 4 吸收 化工原理已修 復習 2 4 化學反應器 6 8 硫酸工業(yè) 8 10 合成氨工業(yè) 8 10 石油化學工業(yè) 6 8 其他 4 教材 崔恩選 化學工藝學 高等教育出版社 1990 參考書 1 化學工藝學概論 黃仲九主編 高等教育出版社 2003 2 化學工藝學 第 2 版 崔恩選 高等教育出版社 1990 3 化學工藝學 第二版 米鎮(zhèn)濤 化學工業(yè)出版社 2006 課程目的 通過本課程學習 培養(yǎng)學生應用已學過的基礎理論解決實際工程 問題的能力 使學生了解當今化學工業(yè)概貌極其發(fā)展方向 掌握化工 過程的基本原理 典型工藝過程的方法 原理 流程及工藝條件 了 解化工生產中的設備材質 安全生產 三廢治理等問題 章節(jié)題目 第一章 緒論 教學目的 和要求 熟悉本課程的學習模式與評分方法 要求 熟悉有關化學工藝學的基本概念 重點 難點 化學工藝學的研究對象 內容 化學工業(yè)的特點和國內外的現狀 實驗室工藝研究 中試放大 化學工藝學的類別 課時安排 2 4 學時 教學手段 及方法 課件 多媒體教學 利用課件和圖片進行介紹性的歸納總結教學 教學內容 及過程 一 化學制藥工藝學的研究對象 1 工藝學 2 化學工藝學 3 化學工藝學的特點 類別 二 化學工藝學的研究內容 1 三傳一反 2 分類 無機化學工業(yè) 有機化學工業(yè) 三 化學工藝學課程及基本概念 1 物料衡算 2 能量橫算 3 平衡關系 4 過程速率 作業(yè)與思 考題 預習 瀏覽相關文獻 參考書了解化學工藝學的研究內容及特點 反思 從各教授 學者的成就 讓學生感受工藝研究對我國化學工業(yè)發(fā)展 的重要意義 章節(jié)題目 第五章 化學反應器 教學目的 和要求 1 熟悉化學反應器的分類 2 熟悉化學反應器的操作方法 3 了解固體流態(tài)化現象 及各床層的概念 4 掌握固定床反應器和流化床反應器 重點 難點 1 反應器的操作方法及濃度變化 p112 圖 5 2 2 固定床 流化床 移動床 3 停留時間 4 固定床反應器 流化床反應器 課時安排 6 8 學時 教學手段 及方法 課堂教學 教學 內容 及過 程 第一節(jié) 慨述 1 化學反應器與化學反應工程學 反應器是化工生產的核心設備 所謂最適宜的操作條件 最合理的結構和尺寸 就是為了達到同一產 量所需的反應器的尺寸最小 生成物中雜志的含量最低 目的產物的產 率最大 2 化學反應器的分類 按反應器的結構類型分類 釜式反應器 管式反應器 塔式反應器 按操作方法分類 間歇式反應器 半間歇式反應器 連續(xù)式反應器 按反應物形態(tài)分類 均相反應器 非均相反應器 概念 固定床 鼓泡床 流化床 沸騰床 移動床 輸送床 3 流體在反應器內的流動 1 兩種理想的流動狀態(tài) 理想混合流動 理想置換流動 2 流體在反應器內的停留時間 平均停留時間 T VR F c 4 反應器內的物料衡算 反應物的加入速率 反應物的引出速率 反應物的消耗速率 反 應物的積累速率 第二節(jié) 間歇操作反應釜 了解 特點 反應釜內的物料濃度和溫度均勻 可以采用不用的換熱方式以 調節(jié)反應溫度 反應物可以達到較高的反應轉化率 適用 間歇操作反應釜對于不用生產的適應性較強 適用于小批量多 品種產品的生產 缺點 非反應時間長 設備利用率低 反應條件隨時間變化 難以實 現自動化 耗人力較多 設備尺寸不宜過大 不適合大規(guī)模生產 第三節(jié) 管式反應器 了解 特點 一般連續(xù)操作設備的共同優(yōu)點 反應的溫度 濃度只沿著管長 方向改變 不隨時間變化 易于自動化控制 適用 氣相反應和均一液相反應 缺點 單位體積的表面積大 需要加熱或冷卻的面積和流量較大 會 加大設備投資和操作費用 第四節(jié) 連續(xù)操作反應釜 了解 特點 操作條件穩(wěn)定 所得產品質量均勻 容易實現自動化 適合大 規(guī)模生產 在單位時間內處理的物料量相等以及要求達到的轉化率相同的條件 下 連續(xù)操作反應釜的體積比間歇操作反應釜及管式反應器的體積要大 第五節(jié) 均相反應器的性能比較與選擇 一 主要從以下兩個方面考慮 1 1 達到給定的生產能力而所需反應器的體積要小 1 2 用相同數量的原料所得到的目的產物要多 即收率要大 二 基本概念 選擇率 s 收率 三 反應器型式的選擇 參見教材 P129 第六節(jié) 氣固相催化反應器 一 氣固相催化反應過程 外擴散 內擴散 化學反應 內擴散 外擴散 概念 控制步驟 二 固定床催化反應器 氣固相催化反應器分為 固定床 流化床 移動床 固定床催化反應器按照換熱方式分為 絕熱式 多段中間換熱式 多 段中間冷激式 對外換熱式 自身換熱式 三 流化床反應器 1 概念 流化床現象 2 流化床催化反應器優(yōu)缺點 P134 作業(yè)與思 考題 常見的反應器有哪些 流化床現象及流化床催化反應器的特點 反思 反應器的理論知識與工業(yè)中反應器設備之間的關系 章節(jié)題目 第六章 硫酸工業(yè) 教學目的和 要求 1 理解接觸法制造硫酸的反應原理 2 了解接觸法制造硫酸的生產過程 3 了解接觸法制造硫酸的生產設備 4 知道制造硫酸的生產過程中帶來的環(huán)境問 題以及處理的方 法 重點 難點 硫酸的生產原理 操作條件 硫酸生產的主要設備 工藝條件 課時安排 8 10 學時 教學手段及 方法 課件 多媒體教學 利用課件和板書的理論推導進行介紹性的 歸納 對其使用進行系統(tǒng)性的講解 教學 內容 及過 程 一 概述 工業(yè)生產的硫酸是含有少量雜志的硫酸水溶液和含游離三氧化硫的發(fā) 煙硫酸 P137 表 6 1 硫酸工業(yè)在國民經濟中的地位 1 1 農業(yè) 1 2 有機合成工業(yè) 1 3 無機合成工業(yè) 1 4 冶金工業(yè) 1 5 國防工業(yè) 硫酸產量 硫酸工業(yè)發(fā)展史 如今的發(fā)展特點 我國的硫酸工業(yè) 二 生產硫酸的原料和原則流程 原料 硫鐵礦 硫磺 冶煉廠煙道氣 1 硫鐵礦為原料 1 1 硫鐵礦的種類與性質 成分 普通硫鐵礦 FeS2 磁硫鐵礦 Fe7S8 來源 塊狀硫鐵礦 浮選硫鐵礦 含煤硫鐵礦 1 2 硫鐵礦的破碎與篩分 礦粒一般直徑小于 3 6mm 1 3 以硫鐵礦為原料生產硫酸的工藝流程 主要的化學反應 4FeS2 11 O2 2Fe2O3 8SO2 2SO2 O2 2SO3 SO3 H2O H2SO4 3 硫磺為原料生產硫酸 三 二氧化硫爐氣的制備 大多數硫酸廠是焙燒硫鐵礦或硫磺燃燒來制取 SO2 氣體 詳見 P141 表 6 4 3 1 硫鐵礦的焙燒反應 2FeS2 2FeS S2 Q S2 2O2 2SO2 Q 4FeS 7O2 2Fe2O3 4SO2 Q 總 4FeS2 11 O2 2Fe2O3 8SO2 3411kJ 3 2 硫鐵礦焙燒操作條件 1 溫度 一般控制在 850 950 oC 較為適宜 2 硫鐵礦粒度 一般控制顆粒直徑在 3 6mm 以下 3 氧濃度 以空氣中氧濃度為適宜 注意各操作條件過大和過小的影響 P142 概念 1 控制步驟 硫化亞鐵的焙燒反應是整個過程的控制步驟 2 宏觀動力學的氣 固相擴散 硫化亞鐵的焙燒反應速 率取決于氧氣通過硫化亞鐵固體粒子表面的擴散速率 3 3 沸騰焙燒爐的構造和操作原理 四 爐氣的凈化和干燥 4 1 爐氣凈化的目的和凈化原理 4 1 1 爐氣凈化的目的 爐氣成分 SO2 O2 N2 As2O3 Se2O3 HF Fe2O3 Fe3O4 H2O 粉塵等 凈化的目的 盡可能的除去 SO2 和 O2 以外的其他雜質 4 1 2 爐氣凈化的原理 重力沉降 旋風分離器 電濾器 注意各凈化能力大小 P145 4 1 爐氣凈化的流程與設備 4 1 1 水洗凈化流程與設備 4 1 3 爐氣的干燥 4 1 3 1 爐氣干燥原理和工藝條件 爐氣干燥劑 濃硫酸 淋灑酸的濃度和溫度 93 95 的硫酸 溫度一般在 45 oC 以下 淋灑酸的淋灑量 以干燥塔用50mm 50mm 瓷環(huán)亂堆計 淋灑酸密 度在 12 15m3 m2h 1 4 1 3 2 爐氣干燥流程和設備 爐氣干燥流程參見 P146 圖 6 4 概念 1 淋灑密度 2 填料塔 填料 五 二氧化硫的催化氧化 5 1 化學平衡和平衡轉化率 參見 P149 150 5 2 催化劑和催化氧化反應速率 目前硫酸工業(yè)中常用的催化劑 釩催化劑 主催化劑 V2O5 助 輔 催化劑 K2O 載體 硅藻土 SiO2 氣固相催化氧化過程 1 4 P151 5 3 最佳工藝條件 溫度 以反應速率最大為準 SO2 的起始濃度 以硫酸生產總費用最低為準 最終轉化率 以硫酸生產總成本最低為準 5 3 SO2 催化氧化設備 接觸室 5 3 SO2 催化氧化的工藝流程 1 中間換熱式四段轉化流程 2 兩轉兩吸工藝流程 催化劑 五氧化二礬 V2O5 溫度 400 至 500 攝氏度 壓強 常壓 六 三氧化硫的吸收 6 1 吸收原理和操作條件 原理 nSO3 H2O H2SO4 n 1 SO3 在硫酸工業(yè)中多采用 98 3 的硫酸溶液來吸收三氧化硫 條件 1 吸收酸濃度 98 3 濃度過低導致水蒸氣分壓過大 SO3 易在氣 相中形成酸霧 濃度過高導致 SO3 分壓過大 不利于吸收 2 吸收酸溫度 進塔溫度 50 oC 出塔溫度 70 oC 3 SO3 氣體溫度 140 160 oC 6 2 三氧化硫吸收工藝流程和設備 七 接觸法生產硫酸的全流程 7 1 接觸法生產硫酸的全過程包括 二氧化硫爐氣的制備 二氧化硫爐氣的凈化 二氧化硫的催化氧化 轉化 三氧化硫的吸收 7 2 文 泡 電 水洗凈化兩轉兩吸生產 工藝流程 詳見 P158 八 硫酸生產的技術經濟問題 8 1 技術經濟指標 1 燒出率 硫礦石中所含硫分在焙燒過程中被燒出來的百分率 2 凈化收率 SO2 爐氣在凈化過程中硫的收率 3 轉化率 SO2 轉化為 SO3 的百分率 4 吸收率 SO3 在吸收過程中被吸收生成硫酸的百分率 5 產酸率 礦石中的硫被制成硫酸部分所占的百分率 6 硫的利用率 礦石中的硫被利用制成各種硫產品總的百分數 7 產品的消耗定額 每生產 1 噸 100 的硫酸在整個生產過程中總 的消耗 8 2 熱能的回收利用 P160 8 3 三廢 治理和環(huán)境保護 1 廢渣的利用 2 污水的處理 3 尾氣的消除 采用兩轉兩吸工藝流程 采用尾氣回收 作業(yè) 與思 作業(yè) 以黃鐵礦為原料 用接觸法制硫酸 黃鐵礦煅燒時 FeS2 的利用率 為 90 SO2 的轉化率為 95 SO3 吸收為 H2SO4 時的損耗率為 2 現有 考題 含 70 FeS2 的黃鐵礦 1 t 可生產 98 的硫酸多少 t 在硫酸工業(yè)生產中哪些地方涉及到了化學反應速率知識 在硫酸工業(yè)生產中哪些地方涉及到了化學平衡知識 反思 應進一步增加學生對知識的綜合應用能力 本章體現為物理化學上的化 學動力學和化學熱力學與硫酸生產的的關聯 應注重學生的實踐能力的培養(yǎng) 多增加實驗和見習 實習 章節(jié)題目 第七章 合成氨工業(yè) 教學目的 和要求 了解和掌握合成氨中原料氣的凈化 一氧化碳變換 二氧化碳的 脫除 原料氣的最終凈化 氨的合成等工藝過程的參數 催化劑及 過程中涉及到的各種設備 重點 難點 重點 氨合成塔 氨合成催化劑 一氧化碳變換 二氧化碳的脫 除 氨合成的工藝條件 難點 氨合成反應動力學 氨合成反應熱力學 催化劑的還原與 活性保持 課時安排 8 10 學時 教學手段 及方法 課件 多媒體教學 利用課件和板書的理論推導進行介紹性的歸 納 對其使用進行系統(tǒng)性的講解 教學 內容 及過 程 一 合成氨工業(yè)簡介 1909 年德國化學家哈伯成功建立了第一套合成氨的實驗裝置 產 量 80g 小時 在此基礎上 1913 年德國化學工程專家波施建立了第一 個工業(yè)規(guī)模的合成氨工廠 產量為 7000 噸 年 所以合成氨的方法又 叫做哈伯 波施法 目前 全球氨產量約為 650 萬噸 年 近年來 合成氨裝置大型化 是世界合成氨發(fā)展的主流趨勢 現世界最大單系列合成氨裝置為阿根 廷 Profertil 公司的 2050 噸 天裝置 而 3000 噸 天 約 100 萬噸 年 的單系列合成氨裝置將于 2005 年投產 4000 噸 天規(guī)模的裝置也已完 成初步設計 二 合成氨生產方法簡介 原料氣的制備 凈化 防止催化劑中毒 壓縮 合成 分離 液氨 1 以無煙煤為原料 P164 2 以天然氣為原料 三 合成氨的生產 3 1 造氣 3 1 1 固體燃料 無煙煤 焦炭 氣化劑 空氣 空氣煤氣 水蒸氣 水煤氣 以水蒸氣為氣化劑為例 C 2H2O 氣 CO2 2H2 H 90 2 kJ mol C H2O 氣 CO H2 H 131 4 kJ mol CO H2O 氣 CO2 H2 H 41 2 kJ mol C H2 CH4 H 74 9 kJ mol 溫度愈高 愈有利于水蒸氣的分解和獲得優(yōu)質的水煤氣 但溫度不能超過灰熔點 以防煤層熔融結疤 3 1 2 造氣設備 參見 P181 圖 7 14 吹風循環(huán)及目的參見 P181 3 2 變換氣 CO 變換 3 2 1 基本原理 造氣車間的氣體中 CO 含量過高 28 30 容易引起 爆炸和催化劑中毒 CO H2O 氣 CO2 H2 可逆 放熱 體積不變 3 2 2 工藝條件選擇 催化劑 中溫變換催化劑 Fe3O4 Cr2O3 350 500 C 低溫變換催化劑 CuO ZnO 180 260 C 操作溫度 催化劑活性溫度范圍內 操作壓強 中型 1 5 3 0 MPa 小型 0 2 0 8 MPa 水蒸氣比例 中溫變換時 H2O CO 3 5 3 2 3 CO 變換的工藝流程及設備 參見 P184 185 圖 7 16 3 3 凈化和精制 3 3 1 脫硫 半水煤氣 半水煤氣中的無機硫化物和有機硫化物必須在進入變換 合成系統(tǒng)以前除去 硫化物的影響參見 P186 脫硫方法 氨水中和法 氨水液相催化法 蒽二磺酸鈉 釩酸鹽脫硫法 氨水中和法 NH3 H2O H2S NH4HS H2O NH3 H2O H2O NH4HCO3 氨水液相催化法 3 3 2 變換氣中 CO 的除凈 脫碳 脫碳方法 加壓水洗法 低溫甲醇洗滌法 碳酸丙烯脂法 氨水吸收法等 參見 P188 3 3 3 原料氣的精制 精制方法 銅洗法 醋酸銅氨液洗滌法 甲烷化法 參見 P189 3 4 氨的合成 3 4 1 合成工藝條件選擇 催化劑 FeO Fe2O3 Al2O3 CaO MgO K2O 操作溫度 催化劑活性溫度范圍內 450 C 左右 進入催化劑層的 氣體應保持較高溫度 隨著反應進行和氨含量的增加溫度則相應的降 低 操作壓強 高壓法 70 100 MPa 550 650 C 中壓法 30 50 MPa 450 550 C 低壓法 10 MPa 400 450 C 空間速度 壓強為 30MPa 的中壓法合成氨 空間速度在 20000 30000 1 h 較適宜 氫氮比 進塔氣中氫氮比為 2 7 2 9 新鮮原料氣中氫氮比為 3 惰性氣體含量一般在 0 5 0 7 之間 3 4 2 合成氨工藝流程及設備 四 氨的加工 閱讀 P190 196 4 1 生產碳酸氫銨 4 2 氨氧化制硝酸 4 3 成產尿素 作業(yè) 與思 考題 分別寫出氨加工生產碳酸氫銨 硝酸 尿素的基本原理 寫出工業(yè)合成氨的工藝條件和反應設備 反思 應進一步增加學生對知識的綜合應用能力 本章體現為物理化學上的化 學動力學和化學熱力學與硫酸生產的的關聯 應注重學生的實踐能力的培養(yǎng) 多增加實驗和見習 實習 章節(jié)題 目 第七章 石油工業(yè) 教學目 的和要 求 了解和掌握辛烷值 常減壓蒸餾 催化裂化 重整與分離等工藝過程的參數 催化劑及過程中涉及到的各種設備 重點 難點 重點 常減壓蒸餾 催化裂化 重整與分離的工藝條件 難點 常減壓蒸餾 催化裂化 重整與分離工藝流程及設備 課時安 排 6 8 學時 教學手 段及方 法 課件 多媒體教學 利用課件和板書的理論推導進行介紹性的歸納 對其使 用進行系統(tǒng)性的講解 教 學 內 容 及 過 程 石油化學工業(yè) 石油 特點 來自地層深處黏稠的可燃液體燃料 通常是黑色 主要成分是復雜的碳氫化 合物中的 烴 烷烴 環(huán)烷烴 芳香烴等 來源 地質學家認為石油是幾百萬年前 海底沉積大量的動 植物尸體 且被碎石 層所掩沒 這層覆蓋阻絕了完全氧化及分解的過程 并增大壓力和熱量 使有機物 部分蒸餾 最后產生油和煤氣 石油化