化學工藝學1概論課件

第一章概論化學工業(yè)出版社第一章概論化學工業(yè)出版社主要內容1.1化學工業(yè)的分類及特征 1.2化工原料、產品及其工藝1.3化工工藝計算2主要內容1.1化學工業(yè)的分類及特征 21.1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、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、疫苗等按產品分類：31.1化學工業(yè)的分類及特征 1.1.1化學工業(yè)的分類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 催化而生產的化工產品（4）礦產化工

以化學礦為原料的化工產品（5）海洋化工

從海水中提煉的化工產品按原料分類：41.1化學工業(yè)的分類及特征 1.1.1化學工業(yè)的分類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，產品日新月異，是一個技術密集型的工業(yè)。（2）多數化學工業(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，生產條件控制嚴格，是一個連續(xù)性和自動化程度較高的工業(yè)。51.1化學工業(yè)的分類及特征 1.1.2化學工業(yè)的特征1.1化學工業(yè)的分類及特征 （4）為提高經濟效益，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）化工生產是易產生廢氣、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品。（6）化工生產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，是降低生產能耗，提高經濟效益的重要途徑。61.1化學工業(yè)的分類及特征 6主要內容1.1化學工業(yè)的分類及特征 1.2化工原料、產品及其工藝1.3化工工藝計算7主要內容1.1化學工業(yè)的分類及特征 71.2化工原料、產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。81.2化工原料、產品及其工藝化學工業(yè)最基本的原料1.2化工原料、產品及其工藝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：91.2化工原料、產品及其工藝1.2.1石油及其加工工1.2化工原料、產品及其工藝以石油為原料加工出來的產品甚多，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品六大類。基本化工產品為烯烴（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品和日用產品。石油經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。101.2化工原料、產品及其工藝以石油為原料加工出來1.2化工原料、產品及其工藝111.2化工原料、產品及其工藝111.2化工原料、產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。121.2化工原料、產品及其工藝為了充分利用寶貴的石1.2化工原料、產品及其工藝131.2化工原料、產品及其工藝131.2化工原料、產品及其工藝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13.5cm3（液體）濕氣：每m3氣體中C5以上重質烴含量高于13.5cm3（液體）貧氣：含C3以上烴類高于94cm3（液體）富氣：含C3以上烴類低于94cm3（液體）141.2化工原料、產品及其工藝1.2.2天然氣及其加工1.2化工原料、產品及其工藝產地組成（體積分數%）CH4C2H6C3H8C4H10C5H12H2S(mg/kg)COCO2H2N2四川93.010.80.20.05—20~400.020.40.025.5勝利92.073.12.320.860.1——0.68—0.84遼河90.783.271.460.930.7820—0．50.281.5幾種氣田的天然氣組成151.2化工原料、產品及其工藝產地組成（體積分數%）CH41.2化工原料、產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、煤層中產生的天然氣，不宜直接用作化工原料，還需脫除有害組分，并將各組分分離，然后才能將所得各種組分合理利用。161.2化工原料、產品及其工藝天然氣作為化工原料時1.2化工原料、產品及其工藝天然氣的初步加工處理工藝流程171.2化工原料、產品及其工藝天然氣的初步加工處理工藝流程1.2化工原料、產品及其工藝天然氣的化學加工途徑181.2化工原料、產品及其工藝天然氣的化學加工途徑181.2化工原料、產品及其工藝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。煤的種類C，wt%H，wt%O，wt%泥煤60~705~625~35褐煤70~805~615~25煙煤80~904~55~15無煙煤90~981~31~3不同煤的主要元素組成191.2化工原料、產品及其工藝1.2.3煤及其加工工藝1.2化工原料、產品及其工藝201.2化工原料、產品及其工藝201.2化工原料、產品及其工藝由于煤中含有大量的芳核結構，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量的25%，萘約占萘總產量的85%，蒽、苊、芘占其總產量的90%以上，咔唑、喹啉均占100%，炭黑占其總產量的25%。

211.2化工原料、產品及其工藝由于煤中含有大量1.2化工原料、產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，產生半焦、低溫焦油和煤氣等產物。221.2化工原料、產品及其工藝在煤化工范疇內的煤加工過程主1.2化工原料、產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。231.2化工原料、產品及其工藝煤的氣化：以煤或煤焦（半焦）1.2化工原料、產品及其工藝241.2化工原料、產品及其工藝241.2化工原料、產品及其工藝1.2.4化學礦及其加工工藝固體化學礦的種類甚多，大多數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品。化學礦種類繁多，主要礦物舉例如下。251.2化工原料、產品及其工藝1.2.4化學礦及其加工1.2化工原料、產品及其工藝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，用于生產硫酸和硫磺⑶磷礦：氟磷灰石[Ca5F(PO4)3]、氯磷灰石[Ca5Cl(PO4)3]，用于生產磷肥，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)、硼鎂石(2MgO·B2O3·H2O)等261.2化工原料、產品及其工藝⑴鹽礦：巖鹽、海鹽或湖鹽等，1.2化工原料、產品及其工藝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)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271.2化工原料、產品及其工藝⑺錳礦：錳礦(β和γ-MnO1.2化工原料、產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。281.2化工原料、產品及其工藝化學礦的加工方法1.2化工原料、產品及其工藝主要礦物質的加工利用291.2化工原料、產品及其工藝主要礦物質的加工利用291.2化工原料、產品及其工藝1.2.5生物質及其加工工藝來源：農、林、牧、副、漁業(yè)的產品及其廢棄物（殼、芯、稈、糠、渣）等農副產品。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、氣化等一系列生產工藝和操作。301.2化工原料、產品及其工藝1.2.5生物質及其加工1.2化工原料、產品及其工藝糠醛和糠醇的生產311.2化工原料、產品及其工藝糠醛和糠醇的生產311.2化工原料、產品及其工藝乙醇的生產321.2化工原料、產品及其工藝乙醇的生產32主要內容1.1化學工業(yè)的分類及特征 1.2化工原料、產品及其工藝1.3化工工藝計算33主要內容1.1化學工業(yè)的分類及特征 33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是質量守恒定律：進入系統(tǒng)的物料量=離開系統(tǒng)的物料量+系統(tǒng)內物料積累量

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1.3化工工藝計算（1）必須選擇某一物料的數量作為計算的依據，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：351.3化工工藝計算（1）必須選擇某一物料的數量作為計算的1.3化工工藝計算1.3.1物料衡算（物理變化過程）總物料衡算式干氣體的物料衡算式水的物料衡算式361.3化工工藝計算1.3.1物料衡算（物理變化過程）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37連續(xù)過程的物料衡算37物料平衡形式

總平衡式*總質量平衡式總摩爾平衡式

組分平衡式 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38物料平衡形式38物料衡算的基本步驟⑴畫出流程示意圖⑵列出已知數據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、副產品的化學反應方程式39物料衡算的基本步驟⑴畫出流程示意圖39⑹約束條件⑺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40⑹約束條件40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%；若按干基：含水率為

10/（100-10）×100%=11.11%41關于基準⑴時間基準411.3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）。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分離，塔頂得到含苯8%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。421.3化工工藝計算例1-1苯、甲苯、二甲苯混合物采用解在系統(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。43解在系統(tǒng)流程圖上，標明各流股物料量，其中、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441.3化工工藝計算該精餾過程可列出三組衡算方程，每組選出1.3化工工藝計算整個過程：總物料苯甲苯流股12345組分mol?h-1組成mol?h-1組成mol?h-1組成mol?h-1組成mol?h-1組成苯2000.201800.90200.025200.08甲苯3000.30200.102800.351800.72100.10.182二甲苯5000.505000.625500.20449.90.818合計10001.002001.008001.002501.005501.00求解結果列表451.3化工工藝計算整個過程：流股12345組分mol?h1.3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是不變的，故可以按元素的摩爾數列出物料衡算式。各種元素的物料衡算式：碳氧總物料衡算式：461.3化工工藝計算1.3.1物料衡算（化學變化過程）1.3化工工藝計算C+O2=CO2

C+0.5O2=CO

獨立反應：組分數N等于元素總數M與獨立反應數R之和：N=M+R471.3化工工藝計算C+O2=CO2C+0.1.3化工工藝計算轉化率：反應所消耗的物料量與投入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：產率（或收率）：主產物的實際收得量與按投入原料計算的理論產量之比值。用分率或百分率來表示，若用符號Y來表示產率，則得：481.3化工工藝計算轉化率：反應所消耗的物料量與投入反應1.3化工工藝計算選擇性：表示各種主、副產物中，主產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、產率與選擇性之間存在如下關系：491.3化工工藝計算選擇性：表示各種主、副產物中，主產物1.3化工工藝計算例1-2

用鄰二甲苯氣相催化氧化生產鄰苯二甲酸酐（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）如表所示。計算鄰二甲苯轉化率、苯酐收率及反應選擇性。組分苯酐順酐鄰二甲苯氧氣氮氣其他合計mol%0.650.040.0316.58784.70100501.3化工工藝計算例1-2用鄰二甲苯氣相催化氧化生產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作為物料衡算的聯系物。計算反應器出口物料的總流量：511.3化工工藝計算解畫出物料流程圖：因尾氣中含有大量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酐收率反應選擇性521.3化工工藝計算反應器出口物料中苯酐和鄰二甲苯的流量：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）。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531.3化工工藝計算例1-3苯甲酰苯甲酸（BB酸）脫水1.3化工工藝計算反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Xkg541.3化工工藝計算反應后廢酸總量設97.8%的H2SO41.3化工工藝計算輸入輸出名稱質量/kg組成/%純重/kg名稱質量/kg組成/%純重/kg工業(yè)BB酸400BB酸87.2H2O10.0雜質2.83494011粗蒽醌332.5蒽醌95.6BB酸1.1雜質3.33183.511.0濃硫酸1470H2SO497.8H2O2.21437.632.4廢酸1537.5H2SO493.5H2O6.51437.5100合計1870187018701870每批物料平衡表

551.3化工工藝計算輸入輸出名稱質量/kg組成/%純重/k1.3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決定：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561.3化工工藝計算弛放過程：在帶有循環(huán)物流的過程中，由于1.3化工工藝計算例1-4

由氫氣和氮氣生產合成氨時，原料氣中總含有一定數量的惰性氣體，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）N2為24.75，H2為72.25，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），試計算各股物流的流率和組成。571.3化工工藝計算例1-4由氫氣和氮氣生產合成氨時，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?。?81.3化工工藝計算解基準：原料氣100mol/h馳放1.3化工工藝計算進反應器混合氣的流率F2：產品液氨的流率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：

591.3化工工藝計算進反應器混合氣的流率F2：產品液氨的流1.3化工工藝計算項目原料氣F1循環(huán)氣R混合氣F2馳放氣F4液氨F3摩爾流率，mol/h100322.58422.58845.85物流組成（摩爾分數）N20.24750.20940.21840.20940H20.74250.62810.65520.62810Ⅰ0.010.1250.09780.1250NH300.03750.02860.03751.00合計1.001.001.001.001.00物料衡算結果

601.3化工工藝計算項目原料氣F1循環(huán)氣R混合氣F2馳放氣對于穩(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+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據較多，易于查用。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，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物

nAR：過程中生成或消耗A的物質的量

mA：的化學計量系數

熱量衡算的兩種方法：621.3化工工藝計算（1）以反應熱為基礎計算（2）以生成熱1.3化工工藝計算例1-5

甲烷在連續(xù)式反應器中空氣氧化生產甲醛，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，如要保持出口產物為150℃，需從反應器取走多少熱量？631.3化工工藝計算例1-5甲烷在連續(xù)式反應器中空氣氧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。641.3化工工藝計算解物料衡算基準：100mol進料中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651.3化工工藝計算（2）查手冊得（3）查手冊得各1.3化工工藝計算（2）

查手冊得（3）

查手冊得（4）查手冊得661.3化工工藝計算（2）查手冊得（3）查手冊得（1.3化工工藝計算（5）

查手冊得（6）

查手冊得671.3化工工藝計算（5）查手冊得（6）查手冊得61.3化工工藝計算物料n進(mol)H進(kJ/mol)n出(mol)H出(kJ/mol)物料n出(mol)H出(kJ/mol)CH4O2N2100100376-74.852.2352.1876050376-69.953.7583.655HCHOCO2H2O301050-114.76-388.56-237.56進出口焓值

將以上結果填入進出口焓表中。681.3化工工藝計算物料n進(mol)H進(kJ/mol)1.3化工工藝計算當能量衡算不計動能變化時，691.3化工工藝計算當能量衡算不計動能變化時，69ThankYou!ThankYou!第一章概論化學工業(yè)出版社第一章概論化學工業(yè)出版社主要內容1.1化學工業(yè)的分類及特征 1.2化工原料、產品及其工藝1.3化工工藝計算72主要內容1.1化學工業(yè)的分類及特征 21.1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、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、疫苗等按產品分類：731.1化學工業(yè)的分類及特征 1.1.1化學工業(yè)的分類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 催化而生產的化工產品（4）礦產化工

以化學礦為原料的化工產品（5）海洋化工

從海水中提煉的化工產品按原料分類：741.1化學工業(yè)的分類及特征 1.1.1化學工業(yè)的分類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，產品日新月異，是一個技術密集型的工業(yè)。（2）多數化學工業(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，生產條件控制嚴格，是一個連續(xù)性和自動化程度較高的工業(yè)。751.1化學工業(yè)的分類及特征 1.1.2化學工業(yè)的特征1.1化學工業(yè)的分類及特征 （4）為提高經濟效益，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）化工生產是易產生廢氣、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品。（6）化工生產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，是降低生產能耗，提高經濟效益的重要途徑。761.1化學工業(yè)的分類及特征 6主要內容1.1化學工業(yè)的分類及特征 1.2化工原料、產品及其工藝1.3化工工藝計算77主要內容1.1化學工業(yè)的分類及特征 71.2化工原料、產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。781.2化工原料、產品及其工藝化學工業(yè)最基本的原料1.2化工原料、產品及其工藝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：791.2化工原料、產品及其工藝1.2.1石油及其加工工1.2化工原料、產品及其工藝以石油為原料加工出來的產品甚多，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品六大類?；净ぎa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品和日用產品。石油經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。801.2化工原料、產品及其工藝以石油為原料加工出來1.2化工原料、產品及其工藝811.2化工原料、產品及其工藝111.2化工原料、產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。821.2化工原料、產品及其工藝為了充分利用寶貴的石1.2化工原料、產品及其工藝831.2化工原料、產品及其工藝131.2化工原料、產品及其工藝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13.5cm3（液體）濕氣：每m3氣體中C5以上重質烴含量高于13.5cm3（液體）貧氣：含C3以上烴類高于94cm3（液體）富氣：含C3以上烴類低于94cm3（液體）841.2化工原料、產品及其工藝1.2.2天然氣及其加工1.2化工原料、產品及其工藝產地組成（體積分數%）CH4C2H6C3H8C4H10C5H12H2S(mg/kg)COCO2H2N2四川93.010.80.20.05—20~400.020.40.025.5勝利92.073.12.320.860.1——0.68—0.84遼河90.783.271.460.930.7820—0．50.281.5幾種氣田的天然氣組成851.2化工原料、產品及其工藝產地組成（體積分數%）CH41.2化工原料、產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、煤層中產生的天然氣，不宜直接用作化工原料，還需脫除有害組分，并將各組分分離，然后才能將所得各種組分合理利用。861.2化工原料、產品及其工藝天然氣作為化工原料時1.2化工原料、產品及其工藝天然氣的初步加工處理工藝流程871.2化工原料、產品及其工藝天然氣的初步加工處理工藝流程1.2化工原料、產品及其工藝天然氣的化學加工途徑881.2化工原料、產品及其工藝天然氣的化學加工途徑181.2化工原料、產品及其工藝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。煤的種類C，wt%H，wt%O，wt%泥煤60~705~625~35褐煤70~805~615~25煙煤80~904~55~15無煙煤90~981~31~3不同煤的主要元素組成891.2化工原料、產品及其工藝1.2.3煤及其加工工藝1.2化工原料、產品及其工藝901.2化工原料、產品及其工藝201.2化工原料、產品及其工藝由于煤中含有大量的芳核結構，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量的25%，萘約占萘總產量的85%，蒽、苊、芘占其總產量的90%以上，咔唑、喹啉均占100%，炭黑占其總產量的25%。

911.2化工原料、產品及其工藝由于煤中含有大量1.2化工原料、產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，產生半焦、低溫焦油和煤氣等產物。921.2化工原料、產品及其工藝在煤化工范疇內的煤加工過程主1.2化工原料、產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。931.2化工原料、產品及其工藝煤的氣化：以煤或煤焦（半焦）1.2化工原料、產品及其工藝941.2化工原料、產品及其工藝241.2化工原料、產品及其工藝1.2.4化學礦及其加工工藝固體化學礦的種類甚多，大多數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?；瘜W礦主要用于制取金屬和無機鹽類產品?；瘜W礦種類繁多，主要礦物舉例如下。951.2化工原料、產品及其工藝1.2.4化學礦及其加工1.2化工原料、產品及其工藝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，用于生產硫酸和硫磺⑶磷礦：氟磷灰石[Ca5F(PO4)3]、氯磷灰石[Ca5Cl(PO4)3]，用于生產磷肥，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)、硼鎂石(2MgO·B2O3·H2O)等961.2化工原料、產品及其工藝⑴鹽礦：巖鹽、海鹽或湖鹽等，1.2化工原料、產品及其工藝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)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971.2化工原料、產品及其工藝⑺錳礦：錳礦(β和γ-MnO1.2化工原料、產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。981.2化工原料、產品及其工藝化學礦的加工方法1.2化工原料、產品及其工藝主要礦物質的加工利用991.2化工原料、產品及其工藝主要礦物質的加工利用291.2化工原料、產品及其工藝1.2.5生物質及其加工工藝來源：農、林、牧、副、漁業(yè)的產品及其廢棄物（殼、芯、稈、糠、渣）等農副產品。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、氣化等一系列生產工藝和操作。1001.2化工原料、產品及其工藝1.2.5生物質及其加工1.2化工原料、產品及其工藝糠醛和糠醇的生產1011.2化工原料、產品及其工藝糠醛和糠醇的生產311.2化工原料、產品及其工藝乙醇的生產1021.2化工原料、產品及其工藝乙醇的生產32主要內容1.1化學工業(yè)的分類及特征 1.2化工原料、產品及其工藝1.3化工工藝計算103主要內容1.1化學工業(yè)的分類及特征 33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是質量守恒定律：進入系統(tǒng)的物料量=離開系統(tǒng)的物料量+系統(tǒng)內物料積累量

104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1.3化工工藝計算（1）必須選擇某一物料的數量作為計算的依據，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：1051.3化工工藝計算（1）必須選擇某一物料的數量作為計算的1.3化工工藝計算1.3.1物料衡算（物理變化過程）總物料衡算式干氣體的物料衡算式水的物料衡算式1061.3化工工藝計算1.3.1物料衡算（物理變化過程）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107連續(xù)過程的物料衡算37物料平衡形式

總平衡式*總質量平衡式總摩爾平衡式

組分平衡式 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108物料平衡形式38物料衡算的基本步驟⑴畫出流程示意圖⑵列出已知數據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、副產品的化學反應方程式109物料衡算的基本步驟⑴畫出流程示意圖39⑹約束條件⑺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110⑹約束條件40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%；若按干基：含水率為

10/（100-10）×100%=11.11%111關于基準⑴時間基準411.3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）。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分離，塔頂得到含苯8%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。1121.3化工工藝計算例1-1苯、甲苯、二甲苯混合物采用解在系統(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。113解在系統(tǒng)流程圖上，標明各流股物料量，其中、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1141.3化工工藝計算該精餾過程可列出三組衡算方程，每組選出1.3化工工藝計算整個過程：總物料苯甲苯流股12345組分mol?h-1組成mol?h-1組成mol?h-1組成mol?h-1組成mol?h-1組成苯2000.201800.90200.025200.08甲苯3000.30200.102800.351800.72100.10.182二甲苯5000.505000.625500.20449.90.818合計10001.002001.008001.002501.005501.00求解結果列表1151.3化工工藝計算整個過程：流股12345組分mol?h1.3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是不變的，故可以按元素的摩爾數列出物料衡算式。各種元素的物料衡算式：碳氧總物料衡算式：1161.3化工工藝計算1.3.1物料衡算（化學變化過程）1.3化工工藝計算C+O2=CO2

C+0.5O2=CO

獨立反應：組分數N等于元素總數M與獨立反應數R之和：N=M+R1171.3化工工藝計算C+O2=CO2C+0.1.3化工工藝計算轉化率：反應所消耗的物料量與投入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：產率（或收率）：主產物的實際收得量與按投入原料計算的理論產量之比值。用分率或百分率來表示，若用符號Y來表示產率，則得：1181.3化工工藝計算轉化率：反應所消耗的物料量與投入反應1.3化工工藝計算選擇性：表示各種主、副產物中，主產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、產率與選擇性之間存在如下關系：1191.3化工工藝計算選擇性：表示各種主、副產物中，主產物1.3化工工藝計算例1-2

用鄰二甲苯氣相催化氧化生產鄰苯二甲酸酐（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）如表所示。計算鄰二甲苯轉化率、苯酐收率及反應選擇性。組分苯酐順酐鄰二甲苯氧氣氮氣其他合計mol%0.650.040.0316.58784.701001201.3化工工藝計算例1-2用鄰二甲苯氣相催化氧化生產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作為物料衡算的聯系物。計算反應器出口物料的總流量：1211.3化工工藝計算解畫出物料流程圖：因尾氣中含有大量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酐收率反應選擇性1221.3化工工藝計算反應器出口物料中苯酐和鄰二甲苯的流量：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）。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1231.3化工工藝計算例1-3苯甲酰苯甲酸（BB酸）脫水1.3化工工藝計算反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Xkg1241.3化工工藝計算反應后廢酸總量設97.8%的H2SO41.3化工工藝計算輸入輸出名稱質量/kg組成/%純重/kg名稱質量/kg組成/%純重/kg工業(yè)BB酸400BB酸87.2H2O10.0雜質2.83494011粗蒽醌332.5蒽醌95.6BB酸1.1雜質3.33183.511.0濃硫酸1470H2SO497.8H2O2.21437.632.4廢酸1537.5H2SO493.5H2O6.51437.5100合計1870187018701870每批物料平衡表

1251.3化工工藝計算輸入輸出名稱質量/kg組成/%純重/k1.3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決定：弛放時惰性氣體排出量=系統(tǒng)惰性氣體