化學(xué)工藝學(xué)教案2(化工12本)-胡江良

化學(xué)工藝學(xué)課程教案課次2課時2課型（請打√）理論課√討論課□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□其他□授課題目（教學(xué)章、節(jié)或主題）：第2章化學(xué)工藝基礎(chǔ)2.1化學(xué)工業(yè)原料資源及其加工利用2.2化工生產(chǎn)過程及流程2.3化工過程的主要效率教學(xué)目的、要求（分掌握、熟悉、了解三個層次）：1.了解無機(jī)化學(xué)礦及其加工方法2.掌握煤、石油、天然氣及其加工方法3.理解化工生產(chǎn)過程及流程4.掌握化工過程的主要效率指標(biāo)教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)：重點(diǎn)：石油一次加工方法、二次加工方法、化工過程主要指標(biāo)和化工生產(chǎn)流程。難點(diǎn)：催化重整、催化裂化、催化加氫裂化和烴類熱裂解。教學(xué)基本內(nèi)容方法及手段第2章化學(xué)工藝基礎(chǔ)2.1化學(xué)工業(yè)原料資源及其加工利用原料是化工產(chǎn)品生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，種類繁多，用途廣泛?；ぴ细鶕?jù)物質(zhì)來源可分為無機(jī)原料和有機(jī)原料兩大類。2.1.1我國化學(xué)礦產(chǎn)資源豐富，已經(jīng)形成了一個比較完整的礦石加工利用工業(yè)體系，生產(chǎn)的化學(xué)肥料和無機(jī)化工產(chǎn)品品種齊全。提高礦石資源的綜合利用，實(shí)施科學(xué)的礦床開發(fā)技術(shù)，其經(jīng)濟(jì)效益必將會大大提高。由于我國磷礦、硫鐵礦及硼礦的儲量居世界前列且產(chǎn)量很大。磷礦磷礦是生產(chǎn)磷肥、磷酸、單質(zhì)磷、磷化物和磷酸鹽的原料，85%以上的磷礦用于制造磷肥。磷肥按生產(chǎn)工藝來分可分為酸法與熱法兩大類。硫鐵礦硫鐵礦是一種重要的化學(xué)礦物原料，主要用于制造硫酸，部分用于化工原料以生產(chǎn)硫磺及各種含硫化合物等。以硫鐵礦制硫酸為例：硫鐵礦用于制硫酸，世界上硫酸總產(chǎn)量的一半以上用于生產(chǎn)磷酸和氮肥。硫鐵礦生產(chǎn)硫酸的過程主要有以下幾個步驟：2.1.2煤、石油、天然氣及其加工利用煤及其加工利用煤是自熱界中儲備最豐富的化石燃料，它是由含碳與氫的多種結(jié)構(gòu)的大分子有機(jī)物和少量硅、鋁、鈣、鎂等無機(jī)礦物質(zhì)組成。根據(jù)成煤過程時間的不同，可將煤分為泥煤、褐煤、煙煤、無煙煤等。煤的化學(xué)加工方法：煤的干餾（高溫和低溫）、煤的氣化、煤的液化（直接和間接）。煤氣化是今后發(fā)展煤化工的主要途徑。石油及其加工利用原油：從油田中開采出來沒有經(jīng)過加工處理的石油叫原油，它是一種有氣味的棕黑色或黃褐色黏稠液體。石油中所含的化合物大致可分為烴類、非烴類、膠紙和瀝青三大類。由碳和氫化合形成的烴類構(gòu)成石油的主要組成部分，約占95%-99%；含硫、氧、氮的化合物對石油產(chǎn)品有害，在石油中應(yīng)盡量除去。不同產(chǎn)地的石油中，各種烴類的結(jié)構(gòu)和所占比例相差很大，但主要屬于烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴三類。通常以烷烴為主的石油稱烷基石油（石蠟基石油）；以環(huán)烷烴、芳香烴為主的石油稱環(huán)烷基石油（瀝青基石油）；介于二者之間的稱為中間基石油。原油一般不直接利用，須經(jīng)過加工制成各類石油產(chǎn)品。根據(jù)不同的需要對油品的沸程的化分也略有不同，一般可分為：輕汽油（50～140℃）；汽油（140～200℃）；航空煤油（145～230℃）；煤油（180～310℃）；柴油（260～350℃）；潤滑油（350～520℃）；重油（渣油）（>520℃）。石油化工自20世紀(jì)50年代開始蓬勃發(fā)展。原油的物理性質(zhì)及組成（1）物理性質(zhì)：有氣味的棕黑色或黃褐色粘稠液體，密度與組成有關(guān)，相對密度大約在0.75～1.0。（2）組成：石油組成非常復(fù)雜，由分子量不同、組成和結(jié)構(gòu)不同、數(shù)量眾多的化合物構(gòu)成的混合物。其中化合物沸點(diǎn)從常溫到500℃以上均有。石油中含量最大的兩種元素是C和H。C：83～87%；H：11～14%；O、S、N：1%左右。（3）石油中的化合物的分類：石油加工方法：原油一般不能直接使用，需要進(jìn)行一次加工和二次加工，加工后可提高其利用率。（1）一次加工一次加工方法主要包括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(diǎn)不同）進(jìn)行分離的方法，是一種沒有化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)、傳熱物理過程，主要設(shè)備是蒸餾塔。減壓蒸餾操作是為了避免在高溫下重組分的分解（裂解）。根據(jù)目的不同，常減壓蒸餾流程分為燃料型、燃料-潤滑油型和燃料-化工型-潤滑油型三種。（2）二次加工（為了生產(chǎn)更多的燃料和化工原料，需要對各個餾分油進(jìn)行二次加工）原料經(jīng)過常減壓蒸餾只能切割成幾個餾分，生產(chǎn)的燃料品種數(shù)量有限，不能滿足需求，而且直接作為化工原料使用的也只是塔頂出來的氣體。常用的二次加工方法主要由催化重整、催化裂化、催化加氫裂化和烴類熱裂解四種。①催化重整（catalyticreforming）：是在珀催化劑作用下加熱汽油餾分（石腦油），使其中的烴類分子重新排列形成新分子的工藝過程。催化重整的原料是石腦油，在催化重整的過程中，主要發(fā)生環(huán)烷烴脫氫、烷烴脫氫環(huán)化等生成芳烴的反應(yīng)，還有烷烴的異構(gòu)化和加氫裂化等反應(yīng)。根據(jù)生成目的產(chǎn)品不同，催化重整的工藝流程也不一樣。②催化裂化(catalyticcracking):催化裂化是在催化劑作用下加熱重質(zhì)餾分油，使大分子烴類化合物裂化而轉(zhuǎn)化成高質(zhì)量的汽油，并副產(chǎn)柴油、鍋爐燃油、液化氣和氣體等產(chǎn)品。催化裂化裝置常用反應(yīng)器有固定床、移動床和流化床三類，目前多采用流化床反應(yīng)器。③催化加氫裂化(catalytichydrocracking):催化加氫裂化是在催化劑及高氫壓下加熱重質(zhì)油，使其發(fā)生一系列加氫和裂化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成航空煤油、柴油、汽油（或重整原料）和氣體等產(chǎn)品的加工過程，它是催化裂化技術(shù)的改進(jìn)。作用：催化加氫裂化不僅可以防止如催化裂化過程中大量積炭的生成，還可以將原油中的氮、氧、硫等原子的有機(jī)化合物雜質(zhì)通過加氫從原料中除去，并且可以使反應(yīng)過程中生成的不飽和烴轉(zhuǎn)化為飽和烴。④烴類熱裂解(heatbreakdownofhydrocarbon):烴類熱裂解的主要目的是生產(chǎn)乙烯，同時可得丙烯、丁二烯以及苯、甲苯、二甲苯、二甲苯、乙苯等芳烴及其他化工原料，是石油化工必不可少的加工過程。天然氣及其加工利用天然氣是埋藏在地下的古生物經(jīng)過億萬年高溫和高壓等作用形成的可燃性的氣體，是一種無色無毒、熱值高、燃燒穩(wěn)定、潔凈環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源。天然氣的主要成分是甲烷，另有少量乙烷、丙烷、丁烷，此外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮以及微量惰性氣體。天然氣的分類和組成埋藏在地下的可燃性氣體?？蓡为?dú)存在，或與石油和煤伴生。與石油伴生的稱為油田伴生氣（油田氣）；與煤田伴生的稱為煤田伴生氣（煤層氣）1.天然氣的劃分：⑴、干氣：主要成分是CH4，其次是C2H6，C3H8和C4H10，含有少量C5以上重組分，還有CO2、N2、H2S和NH3等。加壓沒有液體產(chǎn)生，天然氣井和煤田伴生氣屬于干氣。⑵、濕氣：主要成分為甲烷和乙烷等低碳烷烴，還含有輕汽油。稍加壓縮就有液體汽油析出。油田伴生氣屬于濕氣。2.天然氣用途：⑴、干氣：用于合成氨和甲醇生產(chǎn)。其熱值高也是較好燃料。⑵、濕氣：用作熱裂化制低級烯烴原料或民用燃料。目前天然氣化工用途主要用于生產(chǎn)合成氨的原料氣、合成甲醇原料氣、制備羰基合成的合成氣和裂解生產(chǎn)有機(jī)化工原料。具體用途如下圖1。圖1天然氣的化工用途2.1.3生物質(zhì)及其加工生物質(zhì)：泛指農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)的產(chǎn)品及其廢棄物（殼、芯、桿、糠、渣）等，不同于化石燃料，生物質(zhì)是可再生資源。生物質(zhì)不但可以直接燃燒利用，還可以通過化學(xué)或生物化學(xué)的方法轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)化學(xué)品或中間產(chǎn)物。如：①糠醛的生產(chǎn)，②乙醇的生產(chǎn)，③丙二醇的生產(chǎn)。2.1.4其他資源開發(fā)再生資源的開發(fā)利用，廢塑料制成液體燃料，其他再生資源開發(fā)利用，空氣和水。2.2化工生產(chǎn)過程及流程2.2.1化工生產(chǎn)過程定義：化工生產(chǎn)從原料開始制成目的產(chǎn)物要經(jīng)過一系列物理的或化學(xué)的加工處理步驟，這一系列加工處理步驟總稱化工生產(chǎn)過程。化工生產(chǎn)過程包括的步驟：（1）原料預(yù)處理——達(dá)到所需狀態(tài)和規(guī)格，（2）化學(xué)反應(yīng)——反應(yīng)類型、反應(yīng)器，（3）產(chǎn)品的分離與精制——得到符合規(guī)格的產(chǎn)品回收利用副產(chǎn)物。2.2.2化工生產(chǎn)工藝流程化工工藝流程圖多采用圖示方法表達(dá)，稱為化工工藝流程圖，按用途分為方框流程圖，工藝流程示意圖、物料流程圖和帶控制點(diǎn)的工藝流程圖四種。(1)工藝流程示意圖：以形象的圖樣（設(shè)備外形）、符號和代號表示化工設(shè)備、管道和主要附件等，改圖實(shí)際上是方框流程圖的一種變形和深入，只帶有示意的性質(zhì)，供化工計(jì)算時使用，也不列入設(shè)計(jì)文件。(2)帶控制點(diǎn)的工藝流程圖：一般需要畫出所有工藝設(shè)備（按一定比例）、工藝物料管線、輔助管線、閥門、管件以及工藝參數(shù)測量點(diǎn)，并表示出自動控制方案，該圖列入施工設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)文件。(3)流程圖的組織遵循以下原則：（1）工藝技術(shù)路線先進(jìn)，生產(chǎn)運(yùn)行安全可靠，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)合理。（2）原料和能量利用充分合理。第一點(diǎn)：盡量提高原料的轉(zhuǎn)化率和主反應(yīng)的選擇性，這就要求采用先進(jìn)的工藝技術(shù)、合理的功能單元、有效的生產(chǎn)設(shè)備、最適宜的工藝條件和高效的催化劑。第二點(diǎn)：充分利用原料、對未參加反應(yīng)的原料應(yīng)采用分離、回收等措施循環(huán)利用以提高總轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)的副產(chǎn)物也要加工成副產(chǎn)品，對生產(chǎn)過程中使用的溶劑、助劑等有條件的也應(yīng)建立回收系統(tǒng)，減少廢物的產(chǎn)生與排放。第三點(diǎn)：盡量組建物質(zhì)和能量的閉路循環(huán)系統(tǒng)，力爭實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。（3）單元操作適宜，設(shè)備選型合理。（4）工藝流程連續(xù)化、自動化。生產(chǎn)能力的不斷提高使得生產(chǎn)裝置的大型化、生產(chǎn)過程連續(xù)化、控制過程高度自動化成為化工生產(chǎn)的趨勢。（5）安全措施得當(dāng)，三廢治理有效。2.3化工過程的主要效率指標(biāo)2.3.1生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強(qiáng)度（1）生產(chǎn)能力是指一個設(shè)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。其單位：kg/h、t/d或kt/a、萬t/a等。（2）生產(chǎn)強(qiáng)度是為設(shè)備的單位特征幾何量的生產(chǎn)能力。即設(shè)備的單位體積的生產(chǎn)能力，或單位面積的生產(chǎn)能力。其單位為：kg/(h.?m3)、t/(d?m2)或kg/(h?m2)、t/(d?m3)等。（3）生產(chǎn)強(qiáng)度指標(biāo)主要用于比較那些相同反應(yīng)過程或物理加工過程的設(shè)備或裝置的優(yōu)劣。設(shè)備中進(jìn)行的過程速率高，其生產(chǎn)強(qiáng)度就高。2.3.2轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率（產(chǎn)率）化工過程的核心是化學(xué)反應(yīng)，提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性和產(chǎn)率是提高化工過程效率的關(guān)鍵。（1）轉(zhuǎn)化率是指某一反應(yīng)物參加反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的數(shù)量占該反應(yīng)物起始量的分率或百分率，用符號X表示。其定義式為：（2）選擇性是指體系中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的某反應(yīng)物量與參加所有反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的該反應(yīng)物總量之比。用符號S表示。其定義式如下：選擇性也可按下式計(jì)算：選擇性是評價反應(yīng)過程的效率的指標(biāo)。（3）收率收率亦稱產(chǎn)率，是從產(chǎn)物角度來描述反應(yīng)過程的效率。符號Y，其定義式為：根據(jù)轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率的定義可知，相對于同一反應(yīng)物而言，三者有以下關(guān)系：Y＝S?X（1－8）（4）質(zhì)量收率指投入單位質(zhì)量的某物料所能生產(chǎn)的目的產(chǎn)物的質(zhì)量。即講解作業(yè)、討論題、思考題：（1）煤化學(xué)加工方法？（2）原油一次加工與二次加工主要由哪些？（3）化工過程定義，其主要包括幾個步驟。（4）化學(xué)工藝流程圖的組織應(yīng)遵循那些原則？（5）化工過程的主要效率指標(biāo)有那些？分別闡述其定義。參考資料（含參考書、文獻(xiàn)等）《化學(xué)工藝學(xué)》（第三版），潘鴻章主編

高等教育出版社

2010年出版；《化學(xué)工藝學(xué)》（第三版），H