工業(yè)化學02PPT課件

1.5化工原料及主要產(chǎn)品,化學工業(yè)的原料及選擇原則,根據(jù)物質來源分，有無機原料和有機原料兩大類。前者主要有空氣、水和化學礦物；后者主要是煤、石油、天然氣和生物物質。,空氣經(jīng)液化和精餾為化工生產(chǎn)提供氧氣和氮氣。氧氣與諸多化工原料反應生成含氧產(chǎn)品；氮氣既可作為原料，也可用于洗滌、分離氣體混合物。水主要用做原料、溶劑、冷卻劑、蒸汽(熱源或動力)。化學礦物有制硫酸的黃鐵礦和硫，制磷酸鹽的磷灰石等。,(1)無機化工原料,a煤煤焦油、焦碳、苯、焦爐氣（CH4）、硫等。,(2)有機化工原料,d農(nóng)林作物油料、藥用、纖維作物、橡膠、染料等。,c石油油品、煉廠氣、裂解、重整。,b天然氣甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。,在選擇原料路線和技術路線時，應全面權衡技術、經(jīng)濟、社會和環(huán)保等方面的利弊。要考慮原料的來源、種類，路線是否可行，技術上是否合理，分析原料的經(jīng)濟性。,(3)原料選擇原則,1.5.1主要原料,起始原料主要有：1)空氣空氣是工業(yè)用氮氣、氧氣及惰性氣體的來源。2)水水是最便宜和最豐富的溶劑，廣泛應用于洗滌、冷卻介質及鍋爐給水，也可以作為制取氫氣的原料。3)礦物資源礦物包括煤、石油、天然氣及無機化學礦。煤是氨、染料、煤化學產(chǎn)品和有機合成的原料，隨著石油化工的發(fā)展，石油和天然氣已成為化學工業(yè)的主要原料。無機化學礦是無機化工生產(chǎn)的主要原料，主要有硫化物、氯化物，氟化物、碳酸鹽、硝酸鹽及磷酸鹽等礦石，如黃鐵礦(硫鐵礦)，石鹽(巖鹽)，螢石(氟石)，石灰石，鉀硝石，磷灰石(主要是含氟磷酸鈣)等。除了上述礦物外，還有各種金屬礦物，如金、銀、銅、汞、鋅、鎂、鋁、鉛、錫、釩、鉻，錳、鎳等礦物，可分別為金屬；金屬氧化物或化合物如鈦鐵礦，滑石，高嶺土，纖維硼鎂礦，菱鎂礦等。,1.5.1主要原料,4)生物原料糧食、農(nóng)產(chǎn)廢料及林業(yè)中木材加工副產(chǎn)物，可用于生產(chǎn)有機產(chǎn)品，如糧食發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、丙酮、丁醇、檸檬酸等。隨著石油化工的發(fā)展，生物原料已逐步由石油為原料代替之。因而，就目前整個化學工業(yè)而言，除生產(chǎn)少量生物制品外，其所占比例是很小的,1.5.2主要產(chǎn)品,主要化工產(chǎn)品有化學肥料、農(nóng)藥，合成樹脂、塑料、合成橡膠、化學纖維、染料、顏料，涂料，藥物等。化工產(chǎn)品應符合產(chǎn)品要求的各項指標，如外觀、顏色、粒度、晶形、粘度、雜質含量等，產(chǎn)品質量通常以純度或濃度來表示。根據(jù)其質量好壞可分為不同等級，各有一定的規(guī)格和措標。,1.6化工工藝學基礎知識,1.6.1化工過程,化學生產(chǎn)過程是將原料物經(jīng)過化學反應轉變?yōu)楫a(chǎn)品的工藝過程，主要步驟：1)原料處理：為了使原料符合進行化學反應所要求的狀態(tài)和規(guī)格通常根據(jù)具體情況對原料進行預處理，如凈化，提濃、混合、粉碎(對固體原料)等。2)化學反應：這是生產(chǎn)的關鍵步驟。經(jīng)過預處理的原料，在一定溫度、壓力及催化劑等條件下進行反應，以達到所要求的反應轉化率和收率。通過化學反應，獲得目的產(chǎn)品或其混合物。反應類型可以有氧化、還原、復分解、磺化、硝化、烷基化，異構化，聚合、焙燒，并在相應的反應器中進行。3)產(chǎn)品精制：將由化學反應得到的混合物進行分離，除去副產(chǎn)物或雜質，以獲得符合組成規(guī)格的產(chǎn)品。,生產(chǎn)中，原料預處理、化學反應和產(chǎn)品精制，缺一不可?；瘜W反應這一步是整個化工生產(chǎn)過程的核心，起主導作用，其要求和結果決定著原料預處理的程度和產(chǎn)物精制的任務，直接影響到其它兩部分的設備投資和操作費用。,化學工業(yè)產(chǎn)品種類繁多，生產(chǎn)流程千差萬別，共同之處是都有原料預處理、化學反應和產(chǎn)品精制三部分。,化工生產(chǎn)過程可視為物理過程和化學過程組成。由于被加工物料的相態(tài)不同、過程原理和采用方法的差異，將物理過程可進一步細分為一系列遵循不同物理定律，有某種功用的基本操作過程，稱之為單元操作.,每一種單元操作都概括了化工生產(chǎn)中一類有共性的操作，從本質上歸納為動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞三種傳遞過程。,化學反應類似于單元操作，按其反應的特點，尋求共性，提煉出諸多單元操作。稱之為單元過程。,三種傳遞過程和反應工程，即所謂的“三傳一反”是貫穿于化學工程學科的一條主線。,化工生產(chǎn)過程的工業(yè)特征,(5)化工生產(chǎn)涉及經(jīng)濟問題.如原料供應、設備投資、能源消耗、銷售、投入,工時及生產(chǎn)的管理等。經(jīng)濟效益是評價化工生產(chǎn)過程是否能實施的重要指標。,(1)化工過程是大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，處理物料量大，與化學實驗研究相差懸殊。,(2)化工生產(chǎn)多為連續(xù)化生產(chǎn)過程。,(3)化工生產(chǎn)中所處理的物料從原料的純度到產(chǎn)品的收率都與化學實驗研究不盡相同。,(4)化工生產(chǎn)需要設置專用供水、供電、動力、貯存、運輸?shù)仍O施。,1.6.2化工過程選擇,(1)技術上的可行性：對一個新開發(fā)的工藝路線，技術可行性尤為重要。因為從實驗室開發(fā)研究到實現(xiàn)工業(yè)化，需要包括一系列的環(huán)節(jié)。(2)經(jīng)濟上的合理性：除了國家急需的特殊產(chǎn)品外，一個過程能實現(xiàn)工業(yè)化的另一個條件是經(jīng)濟上的合理性，也即生產(chǎn)過程在經(jīng)濟上能過關，有利可圖，否則工廠很難接受這一過程。,1.6.3化工過程的確立,在對過程進行技術經(jīng)濟指標評價、確立過程中，一般需考慮以下一些因素：1)原料的純度，價格、供應來源、運輸及貯存。2)產(chǎn)品的質量指標、收率，產(chǎn)品銷售的數(shù)量與價格。3)在運行方面，連續(xù)運轉的可靠性、安全性，運轉周期，失控時的對策，開、停車方法，公共工程運轉情況。,1.6.4化工工藝流程圖,1）化工工藝流程化工生產(chǎn)從原料開始到制成目的產(chǎn)物，要經(jīng)過一系列物理的和化學的加工處理步驟，這一系列加工處理步驟，稱為“化工過程”?；み^程的相同之處(即其共性)是，它們都是由為數(shù)不多的一些化學處理(稱為單元過程，如氧化、還原、加氫、脫氫、硝化、鹵化等)和物理處理(稱為單元操作，如加熱、冷卻、蒸餾、過濾等)步驟組成的；其不同之處(即其個性)是不同的過程，不但組成該過程的單元過程和單元操作各不相同，而且這些單元組合的次序和方式，以及單元設備的結構類型也各不相同。從原料開始，物料流經(jīng)一系列由管道連結的單元設備，最后得到頂期的產(chǎn)品，這一系列設備及其組合的次序和方式，便稱為工藝過程或工藝流程。,工藝流程圖,為描述化工生產(chǎn)過程，工程上通常用形象的圖形、符號和代號表示設備，用箭頭表示物料流動方向，將化工過程從原料到最終產(chǎn)品經(jīng)過的所有設備和相互關系以及物料流動順序，以圖示的方式表達出來，這種表示整個化工生產(chǎn)過程全貌的圖形稱為工藝流程圖。,工藝流程圖是工廠設計的基礎，也是操作和檢修的指南。一般可分為生產(chǎn)工藝流程圖、物料流程圖和帶控制點的工藝流程圖。,生產(chǎn)工藝流程圖,生產(chǎn)工藝流程圖有多種，根據(jù)其用途，繁簡程度差別很大，在初學階段，我們主要使用工藝流程示意圖。其中最簡單、也最粗略的一種流程圖是方框流程圖。流程圖能用較小的篇幅傳遞較多的信息，得到廣泛得到應用。,合成氨流程簡圖,合成塔,氨分離器,液氨,水冷器,循環(huán)氣體,壓縮機,循環(huán)壓縮機,氫氮混合氣,合成氨流程簡圖,合成塔,氨分離器,液氨,水冷器,循環(huán)氣體,壓縮機,循環(huán)壓縮機,氫氮混合氣,合成氨流程簡圖,合成塔,氨分離器,液氨,水冷器,循環(huán)氣體,壓縮機,循環(huán)壓縮機,氫氮混合氣,工藝流程圖中的設備的圖形和符號已標準化(HG20519.31-92)。生產(chǎn)工藝流程圖常將設備的大致幾何形狀畫出，甚至以方框表示。,無論采用那種工藝流程圖表達工藝流程，均繪制在一平面上，一律從左向右展開，圖中要有必要的文字對流程進行說明，例如設備名稱(符號代號)、物料流向、進去方向、物料名稱、圖名、圖號、設計階段等。對有關化工制圖的詳細內(nèi)容，可通過學習其它課程或參閱其它相關專業(yè)書籍進一步學習。,1.6.5化工單元操作,單元操作的概念認為任何化工生產(chǎn)過程不論規(guī)模如何，都可分為一系列基本操作，諸如流體流動、加熱、冷卻、混合、分離等等。隨著科學技術的進步，新的單元操作不斷出現(xiàn)，至今化工常用的單元操作約有26余種，如流體輸送、沉降、過濾、攪拌、固體輸送、加熱、冷卻、蒸發(fā)、蒸餾、吸收、萃取、浸取、吸附、離子交換、膜分離、增濕、減濕、干燥、結晶、粉碎、顆粒分級、流態(tài)化。,1.6.6化工產(chǎn)品的開發(fā)過程,人類社會經(jīng)濟發(fā)展的歷史表明，生產(chǎn)力的提高是與科學技術的進步分不開的。研究與開發(fā)指從最初的創(chuàng)意或設想起，經(jīng)過實驗室研究、中間試驗、放大沒計，直到在工業(yè)規(guī)模上實現(xiàn)一種新產(chǎn)品或新工藝的全過程。根據(jù)目前國際上比較通用的說法，研究與開發(fā)包括三個階段，或者三種類型。(1)基礎研究(2)應用研究(3)技術開發(fā),化工生產(chǎn)過程的研究與開發(fā),任何一個新的化工生產(chǎn)過程，都是從最初的創(chuàng)意或設想開始，經(jīng)過實驗室研究、中間試驗、工業(yè)化試驗、放大設計、技術經(jīng)濟評價等諸多環(huán)節(jié)，最后建成工業(yè)生產(chǎn)裝置，實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。,在放大設計過程中,大小裝置之間會產(chǎn)生工藝結果的差別，歸結于“放大效應”，尋求其產(chǎn)生因由和改善的方法是過程開發(fā)一項中心任務。,.,1.7化工過程的主要指標,生產(chǎn)能力指一個設備、一套裝置或一個工廠在單位時間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品量，或在單位時間內(nèi)處理的原料量。生產(chǎn)強度指設備的單位幾何量的生產(chǎn)能力，通常設備的單位體積或單位面積的生產(chǎn)能力。,.,1.7化工過程的主要指標,轉化率定義式：,BB+CCRR+SS,關鍵反應物：3H2+N22NH3,.,化工過程的主要指標,轉化率轉化率的計算間歇過程連續(xù)過程循環(huán)流程,單程轉化率XB=,全程轉化率XB，tot=,.,化工過程的主要指標,選擇性（Selectivity）,.,化工過程的主要指標,收率,根據(jù)轉化率、選擇性和收率的定義：,Y=SX,.,化工過程的主要指標,質量收率Ym=,.,化工過程的熱力學分析,平衡轉化率和平衡產(chǎn)率AA+BBRR+SS概念標準化學平衡常數(shù)Kp（KC）若為氣相反應體系為理想氣體，或壓力0，T有利于產(chǎn)物產(chǎn)率對于放熱反應，H0，T有利于產(chǎn)物產(chǎn)率,.,反應條件對化學平衡和反應速率的影響,溫度的影響溫度對反應速率的影響aA+bBdD反應速率方程為其中k與反應活化能和溫度有關k=Aexp（-E/RT）（阿累尼烏斯方程）由此可見，T，k,.,反應條件對化學平衡和反應速率的影響,溫度的影響溫度對反應速率的影響對于不可逆反應，T，產(chǎn)物生成的速率對于可逆反應，T，正逆反應的速率都對于吸熱反應，T，生成產(chǎn)物的凈速率對于放熱反應，（見圖2-10）有一最佳反應溫度,.,反應條件對化學平衡和反應速率的影響,濃度的影響濃度對反應平衡的影響根據(jù)反應平衡移動原理，反應物濃度，平衡向生成產(chǎn)物的方向移動濃度對反應速率的影響,.,反應條件對化學平衡和反應速率的影響,壓力的影響壓力對反應平衡的影響對分子數(shù)增加的反應，降低壓力可以提高平衡產(chǎn)率；對分子數(shù)減少的反應，壓力升高，產(chǎn)物的平衡產(chǎn)率增大；對分子數(shù)沒有變化的反應，壓力對平衡產(chǎn)率無影響。壓力對反應速率的影響,.,催化劑的性能及使用,一催化劑的作用提高反應速率和選擇性乙烯的氧化反應,.,催化劑的性能及使用,改進操作條件合成氨工藝N2+3H22NH2（放熱反應）乙烯聚合反應,.,催化劑的性能及使用,催化劑有助于開發(fā)新的反應過程工業(yè)上乙酸的生產(chǎn)方法主要有乙醛氧化法丁烷和石腦油氧化法甲醇羰基化法19世紀初，三氟化硼、磷酸等催化劑，50-70MP，溫度250-350；1941年，Reppe等人用鐵、鈷、鎳等第八族金屬羰基化合物和鹵素為催化劑，20-45MP，溫度250-270；1960年聯(lián)邦德國的BASF公司建廠投產(chǎn)，催化劑為羰基鈷,碘化物為助催化劑，仍高溫高壓；1968年美國孟山都公司開發(fā)成功了用銠做催化劑，3MP低壓，溫度175的條件下合成乙酸,.,催化劑的性能及使用,4.催化劑在能源開發(fā)和消除污染中發(fā)揮重要作用汽車尾氣處理,.,催化劑的性能及使用,二催化劑的特征催化劑的作用機理,.,催化劑的性能及使用,催化劑的特征催化劑在反應中自身未發(fā)生化學性質和數(shù)量的變化催化劑能加快反應速率，但不能使熱力學上不能進行的反應發(fā)生催化劑不能改變化學平衡催化劑具有明顯的選擇性,.,催化劑的性能及使用,三催化劑的分類按催化劑反應體系的物相均一性分為均相催化劑（液）非均相催化劑（固）按催化劑反應機理分氧化還原型催化劑酸堿催化劑,.,催化劑的性能及使用,按使用條件下的物態(tài)分金屬催化劑氧化物催化劑硫化物催化劑酸催化劑堿催化劑絡合物催化劑生物催化劑