化學工藝學電子教案第一章

化學工藝學電子教案——第一章化學工業(yè)原料資源及其加工利用

1化學工業(yè)原料資源及其加工利用

1.1無機化學礦及其加工利用（自學）1.2石油及其加工利用1.3天然氣及其加工利用1.4煤及其加工利用1.5生物質及其加工利用1.6再生資源的開發(fā)利用1.7空氣和水1.1無機化學礦及其加工利用（自學）1.1.1主要無機化學礦1.1.2磷礦和硫鐵礦的加工利用1.2石油及其加工利用石油化工自20世紀50年代開始蓬勃發(fā)展，至今，基本有機化工、高分子化工、精細化工及氮肥工業(yè)等的產品大約有90％來源于石油和天然氣。90%左右有機化工產品上游原料可歸結為三烯（乙烯、丙烯、丁二烯）、三苯（苯、甲苯、二甲苯）、乙炔和萘，還有甲醇。其中的三烯主要由石油制取，三苯、萘和甲醇可由石油、天然氣和煤制取。1.2石油及其加工利用1.2.1石油的組成

石油是一種有氣味的棕黑色或黃褐色粘稠狀液體，密度與組成有關，相對密度大約在0.75～1.0。有些油田常伴生油田氣。石油是由分子量不同、組成和結構不同、數(shù)量眾多的化合物構成的混合物，其中化合物的沸點從常溫到500℃以上均有。石油中合量最大的兩種元素是C和H，其質量含量分別為碳83％～87％、氫11％～14％，兩者主要以碳氫化合物形式存在。其他元素的含量因產地不同而有較大的波動，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等金屬元素只含微量，由十億分之幾到百萬分之幾。在地下與石油共存的水相中溶有K、Na、Ca、Mg等的氯化物，易于脫除。石油中的化合物可以分為烴類、非烴類以及膠質和瀝青三大類。1.2石油及其加工利用（1）烴類化合物

烴類即碳氫化合物，在石油中占絕大部分約幾萬種。①鏈式飽和烴。含量最多，有正構烷烴和異構烷烴，兩者在石油中約占50％-70％（質量），僅有極少數(shù)油田的石油中鏈烷烴低于10％-15％。C1-C4烷烴是溶解在石油中的氣態(tài)烴，C5-C16烷烴為液態(tài)，C17及以上烷烴為溶解在液態(tài)烴中的固態(tài)烴。②環(huán)烷烴。含量僅次于鏈烷烴，具飽和環(huán)狀結構，多為五員環(huán)和六員環(huán)的單環(huán)結構，例如環(huán)戊烷和環(huán)己烷及其帶側基的衍生物，此外還有少量雙環(huán)和三環(huán)結構的環(huán)烷烴。③芳香烴。具不飽和環(huán)狀結構，有單環(huán)的苯系芳烴（苯、甲苯、二甲苯、乙苯及其他苯的衍生物）、雙環(huán)的萘及其衍生物（例如甲基萘、其他烷基萘）和聯(lián)苯系芳烴，以及三個或三個以上苯環(huán)疊合在一起的稠環(huán)芳烴。1.2石油及其加工利用（2）非烴化合物含有碳、氫及其他雜原子的有機化合物。①硫化物。多為有機硫化物，例如硫醇（RSH）、硫醚（RSR）、二疏化物（RSSR）、噻吩（C4H4S硫雜環(huán)化合物）及其衍生物等。硫醇拂點較低，原油經蒸餾加工后，硫醇多存在于汽油、煤油產品中；硫醚和部分二硫化物則在中等沸程餾分（如柴油）中；二硫化物、噻吩等則多留在高沸程的重油、渣油和瀝青中。②氮化物。多為吡啶、喹啉等不飽和氮雜環(huán)結構的有機物，它們的沸點較高，石油加工后多留在沸點高于500℃的渣油中。③氧化合物。有環(huán)烷酸、酚類和很少量的脂肪酸，總稱為石油酸。其中環(huán)烷酸含量較多，在石油加工分離后，環(huán)烷酸多存在于250—400℃沸程的餾分中。④金屬有機化合物。含量甚微，主要以金屬絡合物的形式存在。1.2石油及其加工利用1.2.2石油的常壓蒸餾和減壓蒸餾

石油開采出來尚未加工時稱為原油，一次加工方法為常壓蒸餾和減壓蒸餾。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，主要設備是蒸餾塔。常減壓蒸餾流程有三類：①燃料型;②燃料-潤滑油型;③燃料-化工型。1.2石油及其加工利用

大型石油化工聯(lián)合企業(yè)中的煉油廠蒸餾裝置多采用燃料-化工-潤滑油型流程，見圖2-1。

1.2石油及其加工利用1.2.3餾分油的化學加工常、減壓蒸餾只能將原油切割成幾個餾分，主產的燃料量有限，不能滿足需求，直接能用作化工原料的也僅是塔頂出來的氣體。為了生產更多的燃料和化工原料，需要對各個餾分油進行二次加工。加工的方法很多，主要是化學加工方法，下面簡介主要的幾種加工過程。1.2石油及其加加工利用⑴催化重整（（catalyticreforming））催化重整是是在含鉑的的催化劑作作用下加熱熱汽油餾分（石腦油油），使其其中的烴類類分子重新新排列形成成新分子的工藝藝過程。催催化重整裝裝置能提供供高辛烷值值汽油，還為化化纖、橡膠膠、塑料和和精細化工工提供苯、、甲苯、二甲苯苯等芳烴原原料以及提提供液化氣氣和溶劑油油,并副產氫氣。。固定床催催化重整工工藝流程見見圖2-2。1.2石油及其加加工利用1.2石油及其加加工利用⑵催化裂裂化（catalyticcracking）催化裂化是是在催化劑劑作用下加加熱重質餾餾分油，使使大分子烴類化化合物裂化化而轉化成成高質量的的汽油，并并副產柴油、鍋爐燃燃油、液化化氣和氣體體等產品的的加工過程程。原料可以是直餾餾柴油、重重柴油、減減壓柴油或或潤滑油餾餾分，甚至可以是渣渣油焦化制制石油焦后后的焦化餾餾分油。它它們所含烴類分子中中的碳數(shù)大大多在18個以上。。1.2石油及其加加工利用1.2石油及其加加工利用1.2石油及其加加工利用1.2.4催化加加氫裂化（（catalytichydrocracking））催化加氫裂裂化系指在在催化劑存存在及高氫氫壓下，加加熱重質油使其發(fā)生生各類加氫氫和裂化反反應，轉變變成航空煤煤油、柴油油、汽油（或重重整原料））和氣體等等產品的加加工過程。。加氧裂化化的原料油可以以是重柴油油、減壓柴柴油，甚至至減壓渣油油，另一原原料是氫氣。按按操作壓力力分有高壓壓法和中壓壓法。高壓壓法的操作作壓力高于10MPa，反應溫溫度370一450℃；中壓壓法壓力5～10MPa，反反應溫度370～～380℃℃。加氫裂裂化過程的的方框圖見見圖2-5。1.2石油及其加加工利用1.2石油及其加加工利用1.2.5烴類熱熱裂解（pyrolysisofhydrocarbons）烴類熱裂解解的主要目目的是為了了制取乙烯烯和丙烯，，同時副產丁烯、丁丁二烯、苯苯、甲苯、、二甲苯、、乙苯等芳芳烴及其他他化工原料。它它是每個石石油化工廠廠必不可少少的首要過過程。烴類熱裂解解不用催化化劑，將烴烴類加熱到到750～～900℃℃使其發(fā)生熱裂解解，反應相相當復雜，，主要是高高碳烷烴裂裂解生成低低碳烯烴和二烯烯烴同時伴伴有脫氫、、芳構化和和結焦等許許多反應。。熱裂解的原料料較優(yōu)者是是乙烷、丙丙烷和石腦腦油，因為為碳數(shù)少的的烷烴分子裂解解后產生的的乙烯產率率高。1.3天然氣及其其加工利用用1.3.1天然氣氣（naturalgas）自地下自然然噴出或人人工開采出出的可燃性性氣體的總稱。其其主要成分分是甲烷，，另外還有有少量的乙乙烷、丙烷、、丁烷等及及微量的硫硫化氫、水水、氮氣等。天然氣按組組成可分為為干氣（甲甲烷體積含含量在90%以上上）和濕氣氣（甲烷體體積含量在在90%以以下）。1.3天然氣及其其加工利用用1.3.2天然氣氣按儲存方方式可分為為：氣井氣：由由氣井采出出的天然氣氣；氣井只只出氣而不出油的的井，來自自純氣藏（（一般屬于于干氣）；；油田氣：伴伴隨采油采采出的天然然氣，來自自油氣藏（屬于濕濕氣）；凝析氣氣井井氣：來自自凝析氣藏藏（一般屬屬于濕氣）。1.3天然氣及其其加工利用用1.3.3天然氣氣加工利用用主要有以以下幾方面面（1）天然然氣制氫氣氣和合成氨氨；（2）天然氣經合合成氣路線線的催化轉轉化制燃料料和化工產品；；（3）天然氣直接接催化轉化化成化工產產品；（4）天然氣熱裂裂解制化工工產品；（5）甲烷的氯化化、硝化、、氨氧化和和硫化制化化工產品；（6）濕性天然氣氣中C2一一C4烷烴烴的利用1.4煤煤及其加加工利用1.4.1煤（coal））煤（coal）是由含碳、、氫的多種種結構的大大分子有機物物和少量硅硅、鋁、鐵鐵、鈣、鎂鎂的無機礦物質組成成。從煤中中可以得到到多種芳香香族化合物，它們是是精細有機機合成的主主要原料。。1.4煤煤及其加加工利用1.4.2煤化工工范疇內的的幾種煤加加工路線（1）煤的的干餾煤煤干餾（（coalcarbonization）是在隔絕空空氣條件下下加熱煤，，使其分解解生成焦炭炭、煤焦油、粗粗苯和焦爐爐氣的過程程。煤干榴榴過程又分分以下兩類。①煤的高溫溫干餾（煉煉焦）。②煤的低溫溫干餾。1.4煤煤及其加加工利用（2）煤的的氣化煤氣化（coalgasification）是指指在高溫900～1300℃℃）下使煤煤、焦炭或或半焦等固固體燃料與氣化劑反反應，轉化化成主要含含有氫、一一氧化碳等等氣體的過程程。生成的的氣體組成成隨固體燃燃料性質、、氣化劑種類類、氣化方方法、氣化化條件的不不同而有差差別。氣化劑劑主要是水水蒸氣、空空氣或氧氣氣。1.4煤煤及其加加工利用（3）煤的的液化煤液化（coalliquefaction）是指煤經化化學加工轉轉化為液體體燃料的過過程。煤液液化可分為直接接液化和間間接液化兩兩大類過程程。（4）生產產電石將煤與CaO在2000～2200℃℃及電弧爐作作用下反應應生成CaC2（電石）的的過程。電石水解可可生成乙炔炔（此法占占乙炔來源源的一半以以上），由乙乙炔出發(fā)可可生成一系系列化工產產品。1.5生生物質及其其加工利用用農、林、牧牧、副、漁漁業(yè)產品及及其廢棄物物（殼、芯、稈、糠糠、渣）等等生物質通通過化學或或生物化學學方法可以轉變變?yōu)榛A化化學品或中中間產品，，例如葡萄萄糖、乳酸、、檸檬酸、、乙醇、丙丙酮、高級級脂肪酸等等。加工過程涉涉及一系列列化學工藝藝，如化學學水解、酶酶水解、微生物物水解、皂皂化、催化化加氫、氣氣化、裂解解、萃取等等，，有些還用用到DNA技術。1.5生生物質及及其加工利利用利用生物質質生產化學學品舉例例：（1）糠醛醛的生產農副產品廢廢渣的水解解是工業(yè)生產糠醛的的唯一路線線。其生產產過程是：：將含多縮縮戌糖的玉米芯芯、棉子殼殼、花生殼殼、甘蔗渣渣等投人反反應釜內，用含含量為6％％的稀硫酸酸作催化劑劑并通入蒸蒸汽加熱，控制制溫度在180℃℃左右、壓壓力0.6～1.0MPa，反反應5～8h。（2）乙醇醇的生產將含淀粉的的谷類、