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1、化工装置工艺操作与控制化工装置工艺操作与控制注意事项注意事项 考试考试 作业作业 考勤考勤2022-5-15化工装置工艺操作与控制10.10.1绪论绪论 0.1.10.1.1化学工业化学工业 0.1.20.1.2学科概念学科概念 0.1.30.1.3课程研究内容课程研究内容 0.1.40.1.4学习要求学习要求2022-5-15化工装置工艺操作与控制2化学工业的发展、地位与作用化学工业的发展、地位与作用 近年来发展速度大。近年来发展速度大。 石油化工仍是优先发展的支柱产业之一，石油化工仍是优先发展的支柱产业之一，精细化工和农用化学品也是化工发展重点，精细化工和农用化学品也是化工发展重点，石油化
2、工、新型合成材料、精细化工、橡石油化工、新型合成材料、精细化工、橡胶产品加工业、化工环保业将是我国化学胶产品加工业、化工环保业将是我国化学工业的主要增长点。工业的主要增长点。 发展潜力是巨大的，重点是发展新技术、发展潜力是巨大的，重点是发展新技术、开发新产品、增加高附加产值产品的品种开发新产品、增加高附加产值产品的品种和产量，赶超世界先进水平。和产量，赶超世界先进水平。2022-5-15化工装置工艺操作与控制3现代化学工业的特点现代化学工业的特点 1) 1)原料、生产方法和产品的多样性与复杂性原料、生产方法和产品的多样性与复杂性 2) 2)向向大型化、综合化，精细化大型化、综合化，精细化发展发
3、展 3) 3)多学科合作、技术密集型生产多学科合作、技术密集型生产 4) 4)重视能量合理利用，积极采用节能工艺和重视能量合理利用，积极采用节能工艺和方法方法 5) 5)资金密集，投资回收速度快，利润高资金密集，投资回收速度快，利润高 6) 6)安全与环境保护问题日益突出安全与环境保护问题日益突出2022-5-15化工装置工艺操作与控制4现代化学工业的发展方向现代化学工业的发展方向 1 1）面向市场竞争激烈的形势，积极开发高）面向市场竞争激烈的形势，积极开发高新技术，缩短新技术、新工艺工业化的周新技术，缩短新技术、新工艺工业化的周期，加快产品更新和升级的速度。期，加快产品更新和升级的速度。 2
4、 2）最充分、最彻底地利用原料。）最充分、最彻底地利用原料。 3 3）大力发展）大力发展绿色化工绿色化工。 4 4）化工过程要高效、节能和智能化。）化工过程要高效、节能和智能化。 5 5）实施废物再生利用工程。）实施废物再生利用工程。2022-5-15化工装置工艺操作与控制5化学工业的主要产品化学工业的主要产品 按学科类型分，化学工业包括无机化工、按学科类型分，化学工业包括无机化工、基本有机化工、高分子化工、精细化工和基本有机化工、高分子化工、精细化工和生物化工等分支。生物化工等分支。 无机化工产品有硫酸、硝酸、盐酸、纯碱、无机化工产品有硫酸、硝酸、盐酸、纯碱、烧碱、合成氨和氮、磷、钾等化学肥
5、料，烧碱、合成氨和氮、磷、钾等化学肥料，其中化肥产量在化工产品中位居首位，又其中化肥产量在化工产品中位居首位，又以氮肥产量最高。以氮肥产量最高。2022-5-15化工装置工艺操作与控制6 基本有机化工，从石油、天然气、煤等天基本有机化工，从石油、天然气、煤等天然资源出发，经过化学加工可得到然资源出发，经过化学加工可得到乙烯、乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、合成合成气等产品，此类产品是有机化工基础原料，气等产品，此类产品是有机化工基础原料，产量很大。产量很大。 高分子化工的产品为高分子化合物及以其高分子化工的产品为高分子化合物及以其为基础的复合或共混材料制品
6、。为基础的复合或共混材料制品。 精细化工产品大多数为有机化学品精细化工产品大多数为有机化学品2022-5-15化工装置工艺操作与控制70.1.20.1.2学科认识学科认识 化学工程与技术化学工程与技术-化工化工 化学工程化学工程：主要研究化学工业和其他过程工：主要研究化学工业和其他过程工业生产中所进行的化学过程和物理过程的共业生产中所进行的化学过程和物理过程的共同规律。同规律。 化学工艺化学工艺：将原料物质主要经过化学反应转：将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程。变为产品的方法和过程。 应用应用化学化学2022-5-15化工装置工艺操作与控制8两者相辅相承，密不可分两者相辅相承，密
7、不可分化学工艺化学工艺 个性个性 研究具体过程研究具体过程 从原料到产品从原料到产品2022-5-15化工装置工艺操作与控制9化学工程化学工程 共性共性 单元操作单元操作 工程因素尤其是工程因素尤其是放大放大化学工艺与化学工程比较？0.1.30.1.3化学工艺学科研究内容化学工艺学科研究内容 烃类热裂解烃类热裂解-三烯三烯 芳烃转化过程芳烃转化过程-三苯三苯( (简称简称BTXBTX） 合成气的生产过程合成气的生产过程-CO-CO和和H H2 2的混合气的混合气 加氢与脱氢过程加氢与脱氢过程-合成氨合成氨 苯乙烯和丁二烯苯乙烯和丁二烯 烃类选择性氧化烃类选择性氧化-醇、醛、丁烯氧化脱氢醇、醛、
8、丁烯氧化脱氢 羰基化过程羰基化过程-RCH=CH-RCH=CH2 2+CO+H+CO+H2 2 氯化过程氯化过程-氯代烃氯代烃 聚合物生产工艺基础聚合物生产工艺基础-聚乙烯、聚丙烯聚乙烯、聚丙烯 生物技术与绿色化学生物技术与绿色化学2022-5-15化工装置工艺操作与控制10化学反应过程分类化学反应过程分类烃类热裂解烃类热裂解 烯烃中的烯烃中的“三烯三烯”( (乙烯、丙烯和丁二烯乙烯、丙烯和丁二烯) )是是化学工业的基础原料。化学工业的基础原料。 工业上获得工业上获得低级烯烃低级烯烃的主要方法是将的主要方法是将烃类烃类热裂解热裂解。 烃类热裂解法是将石油系烃类燃料烃类热裂解法是将石油系烃类燃料
9、( (天然气天然气、炼厂气、轻油、柴油、重油等、炼厂气、轻油、柴油、重油等) )经高温作经高温作用，使烃类分子发生用，使烃类分子发生碳链断裂或脱氢反应碳链断裂或脱氢反应，生成相对分子质量较小的烯烃、烷烃和，生成相对分子质量较小的烯烃、烷烃和其他相对分子质量不同的轻质和重质烃类其他相对分子质量不同的轻质和重质烃类。2022-5-15化工装置工艺操作与控制11芳烃转化过程芳烃转化过程 芳烃中的芳烃中的“三苯三苯”( (苯、甲苯和二甲苯，简苯、甲苯和二甲苯，简称称BTX)BTX)和烯烃中的和烯烃中的“三烯三烯”( (乙烯、丙烯和乙烯、丙烯和丁二烯丁二烯) )是化学工业的基础原料，具有重要是化学工业的
10、基础原料，具有重要地位。地位。 芳烃最初全部来源于煤焦化工业。芳烃最初全部来源于煤焦化工业。 石油芳烃主要来源于石脑油重整生成油及石油芳烃主要来源于石脑油重整生成油及烃裂解生产乙烯副产的裂解汽油。烃裂解生产乙烯副产的裂解汽油。 芳烃转化：芳烃的脱烷基化、烷基化、异芳烃转化：芳烃的脱烷基化、烷基化、异构化构化2022-5-15化工装置工艺操作与控制12合成气的生产过程合成气的生产过程 合成气系指一氧化碳和氢气的混合气合成气系指一氧化碳和氢气的混合气 以天然气和煤炭为基础的合成气转化制备以天然气和煤炭为基础的合成气转化制备化工产品的研究广泛开展。化工产品的研究广泛开展。 C1C1化工过程实现工业化
11、。化工过程实现工业化。 合成氨、合成甲醇等合成氨、合成甲醇等2022-5-15化工装置工艺操作与控制13加氢与脱氢过程加氢与脱氢过程 催化加氢系指有机化合物中一个或几个不催化加氢系指有机化合物中一个或几个不饱和的官能团在催化剂作用下与氢气加成饱和的官能团在催化剂作用下与氢气加成。H2H2和和N2N2反应生成合成氨以及反应生成合成氨以及COCO和和H2H2反反应合成甲醇及烃类亦为应合成甲醇及烃类亦为加氢反应加氢反应。 而在催化剂作用下，烃类脱氢生成两种或而在催化剂作用下，烃类脱氢生成两种或两种以上的新物质称为两种以上的新物质称为催化脱氢催化脱氢。 在有机化工生产中得到广泛应用，如合成在有机化工生
12、产中得到广泛应用，如合成氨、合成甲醇、丁二烯，苯乙烯的制取等氨、合成甲醇、丁二烯，苯乙烯的制取等都是极为重要的化工过程。都是极为重要的化工过程。2022-5-15化工装置工艺操作与控制14烃类选择性氧化烃类选择性氧化 是指烃类及其衍生物中少量氢原子是指烃类及其衍生物中少量氢原子( (有时还有时还有少量碳原子有少量碳原子) )与氧化剂与氧化剂( (通常是氧通常是氧) )发生作用发生作用，而其他氢和碳原子不与氧化剂反应的过，而其他氢和碳原子不与氧化剂反应的过程。程。 全球生产的主要化学品中全球生产的主要化学品中50%50%以上和选择性以上和选择性氧化过程有关。氧化过程有关。2022-5-15化工装
13、置工艺操作与控制15 含氧化合物含氧化合物，如醇、醛、酮、酸、酸醉、，如醇、醛、酮、酸、酸醉、环氧化物、过氧化物等。环氧化物、过氧化物等。 不含氧化合物不含氧化合物，如丁烯氧化脱氢制丁二烯，如丁烯氧化脱氢制丁二烯，丙烷，丙烷( (丙烯丙烯) )氨氧化制丙烯睛，乙烯氧氯化氨氧化制丙烯睛，乙烯氧氯化制二氯乙烷等。制二氯乙烷等。 有些是有机化工的重要原料和中间体，有有些是有机化工的重要原料和中间体，有些是三大合成材料的单体，有些是用途广些是三大合成材料的单体，有些是用途广泛的溶剂，在化学工业中占有重要地位。泛的溶剂，在化学工业中占有重要地位。2022-5-15化工装置工艺操作与控制16羰基化过程羰基
14、化过程 RCH=CHRCH=CH2 2+CO+H+CO+H2 2 RCHRCH2 2CHOCHO 烯烃与合成气烯烃与合成气(CO/ H(CO/ H2 2) )或一定配比的一氧化或一定配比的一氧化碳及氢气在过渡金属配位化合物的催化作碳及氢气在过渡金属配位化合物的催化作用下发生加成反应，生成比原料烯烃多一用下发生加成反应，生成比原料烯烃多一个碳原子的醛。个碳原子的醛。 醛基是最活泼的基团之一，可进行加氢成醛基是最活泼的基团之一，可进行加氢成醇、氧化成酸、氨化成胺以及歧化、缩合醇、氧化成酸、氨化成胺以及歧化、缩合、缩醛化等一系列反应。、缩醛化等一系列反应。2022-5-15化工装置工艺操作与控制17
15、氯化过程氯化过程 氯化过程的主要产物是氯代烃，是指烃的氯化过程的主要产物是氯代烃，是指烃的氯取代化合物，即脂肪烃、脂环烃和芳烃氯取代化合物，即脂肪烃、脂环烃和芳烃中的一个或多个，甚至全部氢原子被氯原中的一个或多个，甚至全部氢原子被氯原子取代生成的化合物。子取代生成的化合物。 二氛乙烯、一氛甲烷、二氯甲烷、三氯甲二氛乙烯、一氛甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳等。烷、四氯化碳等。2022-5-15化工装置工艺操作与控制18聚合物生产工艺基础聚合物生产工艺基础 石油化工的基础原料石油化工的基础原料( (乙烯、丙烯、丁二烯乙烯、丙烯、丁二烯; ;苯、甲苯、二甲苯苯、甲苯、二甲苯; ;甲醇甲醇) )总
16、量的一半用于生总量的一半用于生产高分子材料。产高分子材料。 以小分子化合物（乙烯、丙烯）为原料，以小分子化合物（乙烯、丙烯）为原料，以人工合成高分子化合物的基本原理及生以人工合成高分子化合物的基本原理及生产工艺为重点。产工艺为重点。2022-5-15化工装置工艺操作与控制19生物技术与绿色化学生物技术与绿色化学 生物技术是应用生物学、化学和工程学的生物技术是应用生物学、化学和工程学的基本原理，依靠生物催化剂的作用将物料基本原理，依靠生物催化剂的作用将物料进行加工，应用于能源、化工、制药等工进行加工，应用于能源、化工、制药等工业生产过程，生产有用物质的一门多学科业生产过程，生产有用物质的一门多学
17、科综合性的科学技术。综合性的科学技术。-酶催化、改性酶催化、改性2022-5-15化工装置工艺操作与控制20 绿色化学，又称环境无害化学、环境友好绿色化学，又称环境无害化学、环境友好化学或者清洁化学，是在进一步认识化学化学或者清洁化学，是在进一步认识化学规律的基础上，应用一系列技术和方法，规律的基础上，应用一系列技术和方法，在化学产品的设计、制造和应用中避免和在化学产品的设计、制造和应用中避免和减少对人类健康和生态环境有毒有害物质减少对人类健康和生态环境有毒有害物质的使用和产生。的使用和产生。2022-5-15化工装置工艺操作与控制21本教材的主要内容本教材的主要内容 化学工业和化学工艺有关基
18、本概念的介绍化学工业和化学工艺有关基本概念的介绍; ; 化工原料资源及其加工利用途径化工原料资源及其加工利用途径; ; 化工基础原料的典型生产过程化工基础原料的典型生产过程; ; 基本有机、无机、高分子、精细等各化工基本有机、无机、高分子、精细等各化工分支中的典型反应过程的原理和工艺分支中的典型反应过程的原理和工艺; ; 三废处理和绿色化工概念及其发展途径。三废处理和绿色化工概念及其发展途径。2022-5-15化工装置工艺操作与控制220.1.40.1.4学习要求学习要求 对于典型反应过程，要求理解并掌握工艺对于典型反应过程，要求理解并掌握工艺原理、选定工艺条件的依据、流程的组织原理、选定工艺
19、条件的依据、流程的组织和特点、各类反应设备的结构特点和优缺和特点、各类反应设备的结构特点和优缺点等点等; ; 对典型产品的各种原料来源、不同工艺路对典型产品的各种原料来源、不同工艺路线、副产物回收利用和废料处理方法等，线、副产物回收利用和废料处理方法等，应进行分析比较，找出它们的优缺点应进行分析比较，找出它们的优缺点; ; 思考题和仿真有助于加深对各章内容的理思考题和仿真有助于加深对各章内容的理解和掌握，要做练习。解和掌握，要做练习。2022-5-15化工装置工艺操作与控制230.2 0.2 化学工艺基础化学工艺基础 0.2.10.2.1原料资源及其加工原料资源及其加工 0.2.20.2.2化
20、工生产过程及流程化工生产过程及流程 0.2.30.2.3化工过程的主要效率指标化工过程的主要效率指标 0.2.40.2.4反应条件对化学平衡和反应速率的影响反应条件对化学平衡和反应速率的影响 0.2.50.2.5催化剂的性能及使用催化剂的性能及使用 0.2.60.2.6反应过程的物料衡算和热量衡算反应过程的物料衡算和热量衡算2022-5-15化工装置工艺操作与控制240.2.10.2.1原料资源及其加工原料资源及其加工 1 1无机化学矿及其加工无机化学矿及其加工 2 2石油石油及其加工及其加工 3 3天然气天然气及其加工及其加工 4 4煤煤及其加工及其加工 5 5生物质及其加工生物质及其加工
21、6 6再生资源的开发利用再生资源的开发利用 7 7空气和水空气和水2022-5-15化工装置工艺操作与控制252022-5-15化工装置工艺操作与控制262022-5-15化工装置工艺操作与控制27丙丙烯烯聚合聚丙烯合成纤维、塑料氨氧化合成纤维、ABS树脂、AS树脂、丁腈橡胶丙烯酰胺絮凝剂、水增稠剂、纸张处理剂丙烯腈与乙烯共聚乙丙橡胶次氯酸化氯丙醇环氧丙烷丙二醇聚酯塑料聚氨酯塑料、表面活性剂过氧化物环氧化环氧丙烷、苯乙烯或异丁烯高温氯化氯丙烯丙烯醇1，4-丁二醇聚酯甘油医药、炸药环氧氯丙烷水解环氧树脂丁二烯与苯乙烯共聚丁苯橡胶与丙烯腈共聚丁腈橡胶聚合顺丁橡胶与苯乙烯、丙烯腈共聚ABS塑料氯化2
22、-氯丁二烯 氯丁橡胶与顺酐反应四氢邻苯二甲酸酐与HCN反应己二腈己二胺尼龙66三聚环化1，5，9-环十二碳三烯十二碳内酰胺（尼龙12的单体）香料、增塑剂、阻燃剂、聚酯原料乙酰氧基化、加氢、水解1，4-丁二醇聚酯树脂异异丁丁烯烯与异戊二烯共聚丁基橡胶氧化甲基丙烯酸甲基丙烯酸酯有机玻璃与甲醛反应异戊二烯异戊橡胶水合叔丁醇香料原料、溶剂、医药中间体、与甲醇反应甲基叔丁基醚（MTBE）（汽油添加剂）聚合聚异丁烯粘合剂、密封胶正正丁丁烯烯聚合聚丁烯合成塑料氧化顺丁烯二酸酐1，4-丁二醇、增强塑料、农药氧化甲乙酮溶剂水合仲丁醇脱氢或氧化脱氢丁二烯正正丁丁烷烷脱氢正丁烯深加工产品见上异构化异丁烷氧化顺酐、醋
23、酸、乙醛、甲乙酮蒸汽裂解乙烯、丙烯、丁二烯等烷基化烷基化汽油脱氢异丁烯深加工产品见上蒸汽裂解乙烯、丙烯、丁二烯等异丁烷苯苯加乙烯烷基化乙苯脱氢苯乙烯聚苯乙烯、丁苯橡胶、ABS树脂加丙烯烷基化异丙苯 苯酚酚醛树脂、苯胺、壬基酚等丙酮双酚A聚碳酸酯、环氧树脂加十二烯十二烷基苯合成洗涤剂加氢环己烷己内酰胺聚酰胺纤维氯化氯苯染料中间体、医药氧化顺丁烯二酸酐四氢呋喃、1，4-丁二醇医药、聚氨酯硝化硝基苯苯胺二苯基甲烷二异氰酸酯、橡胶助剂、染料、医药、农药聚氨酯纤维甲甲苯苯硝化硝基甲苯染料中间体、炸药歧化苯、二甲苯氧化苯甲酸染料中间体、医药、增塑剂临氢脱烷基苯硝化、还原、光气化甲苯二异氰酸酯聚氨酯类泡沫塑
24、料、聚氨酯橡胶二甲苯二甲苯对二甲苯氧化对苯二甲酸聚酯树脂、涤纶间二甲苯异构化对二甲苯氨氧化间苯二腈农药、聚酰胺纤维邻二甲苯氧化邻苯二甲酸酐医药、染料、增塑剂萘氧化烷基萘脱烷基萘氧化乙乙炔炔加HCl氯乙烯聚氯乙烯水合乙醛乙酸季戊四醇醇酸树脂巴豆醛山梨酸加醋酸醋酸乙烯合成纤维、涂料、粘合剂加甲醛1，4-丁炔二醇1，4-丁二醇四氢呋喃、-丁内酯、聚酯树脂二聚 乙烯基乙炔粘合剂加氢丁二烯加HCl2-氯丁二烯氯丁橡胶氯化三氯乙烯、四氯乙烯溶剂加HF氟乙烯聚合聚氟乙烯合成气合成气(CO+H(CO+H2 2) ) 补N2和变换N2-H2合成氨、尿素等改良的F-T合成汽油、煤油、柴油等液体燃料合成甲醇羰基合成
25、醋酸氧化甲醛酚醛树脂、合成原料与异丁烯合成甲基叔丁基醚（MTBE）与CO合成甲酸甲酯甲酸加CO、O2草酸二甲酯 乙二醇草酸同系化乙醇脱水乙烯合成二甲醚转化转化C2-C4烯烃汽油柴油机燃料0.2.20.2.2化工生产过程及流程化工生产过程及流程 1 1、化工生产过程、化工生产过程 化工生产过程一般可概括为原料预处理、化工生产过程一般可概括为原料预处理、化学反应和产品分离及精制三大步骤。化学反应和产品分离及精制三大步骤。 2 2、化工生产工艺流程、化工生产工艺流程 （1 1）工艺流程和流程图）工艺流程和流程图2022-5-15化工装置工艺操作与控制38化工生产过程化工生产过程2022-5-15化工
26、装置工艺操作与控制39产品分离与精制 化学反应 原料预处理 达到所需状态和规格反应类型、反应器得到符合规格的产品回收利用副产物 2022-5-15化工装置工艺操作与控制40 （2 2）化工生产工艺流程的组织）化工生产工艺流程的组织 从从“目标目标”出发对不同功能的单元进行逻出发对不同功能的单元进行逻辑组合辑组合2022-5-15化工装置工艺操作与控制410.2.30.2.3化工过程的主要效率指标化工过程的主要效率指标生产能力和生产强度生产能力和生产强度化学反应的效率化学反应的效率合成效率合成效率转化率选择性转化率选择性 收率收率平衡转化率和平衡产率平衡转化率和平衡产率2022-5-15化工装置
27、工艺操作与控制420.2.30.2.3化工过程的主要效率指标化工过程的主要效率指标 0.2. 3. 10.2. 3. 1生产能力和生产强度生产能力和生产强度 (1)(1)生产能力系指一个设备、一套装置或一生产能力系指一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量，或在个工厂在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量。其单位为单位时间内处理的原料量。其单位为kg/h, kg/h, t/dt/d或或kt/a,kt/a,万吨万吨/ /年等。年等。2022-5-15化工装置工艺操作与控制43 2) 2)生产强度为设备单位特征几何量的生产能生产强度为设备单位特征几何量的生产能力。即设备的
28、单位体积的生产能力，或单力。即设备的单位体积的生产能力，或单位面积的生产能力。其单位为位面积的生产能力。其单位为kg/hm3), kg/hm3), t/dm3)t/ 异烷烃异烷烃 环烷烃（六碳环环烷烃（六碳环 五碳环）五碳环） 芳烃芳烃2022-5-15化工装置工艺操作与控制80 P-P-链烷烃链烷烃(Paraffin(Paraffin，简称烷烃，简称烷烃) )，较易裂解生，较易裂解生成乙烯、丙烯。其中正构烷烃成乙烯、丙烯。其中正构烷烃(n-P)(n-P)的乙烯的乙烯收率比异构烷烃收率比异构烷烃(i-P)(i-P)高，而正构烷烃的甲烷高，而正构烷烃的甲烷、丙烯、丁烯、芳烃收率比异构烷烃低。、丙
29、烯、丁烯、芳烃收率比异构烷烃低。 O-O-烯烃烯烃(Olefin)(Olefin)，裂解困难，易造成结焦。，裂解困难，易造成结焦。 N-N-环烷烃环烷烃(Naphthene)(Naphthene)，环己烷裂解生成乙，环己烷裂解生成乙烯、丁二烯、芳烃，环戊烷裂解生成乙烯烯、丁二烯、芳烃，环戊烷裂解生成乙烯、丙烯。但环烷烃裂解的乙烯、丙烯及碳、丙烯。但环烷烃裂解的乙烯、丙烯及碳4 4的收率不如烷烃高，而且容易生成芳烃。的收率不如烷烃高，而且容易生成芳烃。 A-A-芳烃芳烃(Aromatics)(Aromatics)，裂解困难，易生成重质，裂解困难，易生成重质芳烃，并造成结焦。芳烃，并造成结焦。20
30、22-5-15化工装置工艺操作与控制81理想的裂解原料理想的裂解原料高含量的烷烃、高含量的烷烃、低含量的芳烃和烯烃低含量的芳烃和烯烃2022-5-15化工装置工艺操作与控制821. 21. 2裂解过程的工艺参数和操作指标裂解过程的工艺参数和操作指标 1.2.11.2.1原料烃组成（原料性质及评价）原料烃组成（原料性质及评价） 1.2.21.2.2裂解温度裂解温度 1.2.31.2.3停留时间停留时间 1.2.41.2.4烃分压与稀释剂烃分压与稀释剂 1.2.51.2.5裂解深度裂解深度2022-5-15化工装置工艺操作与控制83裂解过程的工艺参数和操作指标裂解过程的工艺参数和操作指标 由于烃类
31、裂解反应使用的原料是组成性质由于烃类裂解反应使用的原料是组成性质有很大差异的混合物，因此原料的特性无有很大差异的混合物，因此原料的特性无疑对裂解效果起着重要的决定作用，它是疑对裂解效果起着重要的决定作用，它是决定反应效果的决定反应效果的内因内因，而工艺条件的调整，而工艺条件的调整、优化仅是其、优化仅是其外部条件外部条件。2022-5-15化工装置工艺操作与控制842022-5-15化工装置工艺操作与控制85产物分布产物分布2022-5-15化工装置工艺操作与控制861.2.11.2.1裂解原料性质及评价裂解原料性质及评价 族组成族组成-PONA-PONA值值 氢含量氢含量 特性因数特性因数 芳
32、烃指数芳烃指数2022-5-15化工装置工艺操作与控制87 适用于表征石脑油、轻柴油等轻质馏分油适用于表征石脑油、轻柴油等轻质馏分油2022-5-15化工装置工艺操作与控制88烷烃烷烃P (paraffin)烯烃烯烃O (olefin)环烷烃环烷烃N (naphtene)芳烃芳烃A (aromatics) 烷烃含量越大，芳烃越少，则乙烯产率越烷烃含量越大，芳烃越少，则乙烯产率越高。高。 对于科威特石脑油，其烷烃、环烷烃及芳对于科威特石脑油，其烷烃、环烷烃及芳烃典型含量烃典型含量( () )分别为分别为72.372.3、16.716.7、1111，大庆，大庆石脑油则为石脑油则为5353、4343
33、、4 4。 国外烃类裂解原料以轻烃国外烃类裂解原料以轻烃(C4(C4以下以下) )和石脑和石脑油为主，几乎占油为主，几乎占90%90%左右。而国内重质油、左右。而国内重质油、柴油的比例还高达柴油的比例还高达20%20%以上，有待于进一步以上，有待于进一步优化。优化。2022-5-15化工装置工艺操作与控制892022-5-15化工装置工艺操作与控制902022-5-15化工装置工艺操作与控制912022-5-15化工装置工艺操作与控制922022-5-15化工装置工艺操作与控制93原料烃组成与裂解结果原料烃组成与裂解结果原料由轻到重，相同原料量所得乙烯收率原料由轻到重，相同原料量所得乙烯收率下
34、降。下降。原料由轻到重，裂解产物中液体燃料又增原料由轻到重，裂解产物中液体燃料又增加，产气量减少。加，产气量减少。原料由轻到重，联产物量增大，而回收联原料由轻到重，联产物量增大，而回收联产物以降低乙烯生产成本的措施，又造成产物以降低乙烯生产成本的措施，又造成装置和投资的增加。装置和投资的增加。2022-5-15化工装置工艺操作与控制94 根据根据PONAPONA值可以定性评价液体燃料的裂解值可以定性评价液体燃料的裂解性能，性能， 也可以根据族组成通过简化的反应动力学也可以根据族组成通过简化的反应动力学模型对裂解反应进行定量描述，模型对裂解反应进行定量描述， 因此因此PONAPONA值是一个表征
35、各种液体原料裂解值是一个表征各种液体原料裂解性能的有实用价值的参数。性能的有实用价值的参数。2022-5-15化工装置工艺操作与控制95氢含量计算氢含量计算 可判断原料可能达到的裂解深度，及可判断原料可能达到的裂解深度，及C4C4及及C4C4以下轻烃的收率以下轻烃的收率2022-5-15化工装置工艺操作与控制96氢含量应用氢含量应用 用元素分析法测得，是用于各种原料，用用元素分析法测得，是用于各种原料，用以关联烃原料的乙烯潜在产率。以关联烃原料的乙烯潜在产率。 氢含量高则乙氢含量高则乙 烯产率越高。烯产率越高。 烷烃氢含量最高烷烃氢含量最高, ,芳烃则较低。芳烃则较低。 乙烷的氢含量乙烷的氢含
36、量2020, ,丙烷丙烷18.218.2，石脑油为，石脑油为14.514.515.515.5，轻柴油为，轻柴油为13.513.514.514.5。2022-5-15化工装置工艺操作与控制97 石脑油又称粗汽油：一般含烷烃石脑油又称粗汽油：一般含烷烃55%55%、单环、单环烷烃烷烃30%30%、烷基苯、烷基苯11%11%，主要为烷烃的，主要为烷烃的C4C4C12C12成份。成份。 轻柴油：主要是由烷烃轻柴油：主要是由烷烃68%68%、单环烷烃、单环烷烃9%9%、芳香烃、芳香烃10%10%、多环芳烃，碳原子数约、多环芳烃，碳原子数约C10C10C22C22。2022-5-15化工装置工艺操作与控制
37、98原料氢含量与乙烯收率的关系原料氢含量与乙烯收率的关系2022-5-15化工装置工艺操作与控制99氢含量分析氢含量分析 通过裂解反应，使一定氢含量的裂解原料通过裂解反应，使一定氢含量的裂解原料生成氢含量较高的生成氢含量较高的C4C4和和C4C4以下轻组分和氢以下轻组分和氢含量较低的含量较低的C5C5和和C5C5以上的液体。以上的液体。 从氢平衡可以断定，裂解原料氢含量愈高从氢平衡可以断定，裂解原料氢含量愈高，获得的，获得的C4C4和和C4C4以下轻烃的收率愈高，相以下轻烃的收率愈高，相应乙烯和丙烯收率一般也较高。应乙烯和丙烯收率一般也较高。2022-5-15化工装置工艺操作与控制100氢含量
38、总结氢含量总结 显然，根据裂解原料的氢含量既可判断该显然，根据裂解原料的氢含量既可判断该原料可能达到的裂解深度，也可评价该原原料可能达到的裂解深度，也可评价该原料裂解所得料裂解所得C4C4和和C4C4以下轻烃的收率。以下轻烃的收率。 氢含量高则乙氢含量高则乙 烯、丙烯产率越高。烯、丙烯产率越高。2022-5-15化工装置工艺操作与控制101 特性因数特性因数 反映裂解原料芳香性的强弱反映裂解原料芳香性的强弱表征石脑油和轻柴油等轻质油化学组成特性表征石脑油和轻柴油等轻质油化学组成特性的一种因数，用的一种因数，用K K表示。表示。主要用于液体燃料，主要用于液体燃料，K K值可以通过下式算出值可以通
39、过下式算出2022-5-15化工装置工艺操作与控制1026 .156 .153/1)(216. 1dTKB313/1)(niiiBTVT特性因数应用特性因数应用 它反映了烃的氢饱和程度。它反映了烃的氢饱和程度。 K K值以烷烃最值以烷烃最高，环烷烃次之，芳烃最低。高，环烷烃次之，芳烃最低。 原料烃的原料烃的K K值越大则乙烯产率越高。值越大则乙烯产率越高。 乙烯和丙烯总体收率大体上随裂解原料乙烯和丙烯总体收率大体上随裂解原料K K值值的增大而增加。的增大而增加。2022-5-15化工装置工艺操作与控制103芳烃指数（关联指数）芳烃指数（关联指数）p即美国矿务局关联指数（即美国矿务局关联指数（B
40、ureau of Mines Bureau of Mines Correlation IndexCorrelation Index）, ,简称简称BMCIBMCI。用以表征柴。用以表征柴油等重质馏分油中烃组分的结构特性。油等重质馏分油中烃组分的结构特性。 馏分油的关联指数馏分油的关联指数(BMCI(BMCI值值) )是表示油品芳是表示油品芳烃的含量。烃的含量。关联指数愈大，则油品的芳烃关联指数愈大，则油品的芳烃含量愈高。含量愈高。2022-5-15化工装置工艺操作与控制1048 .456473486406 .156 .15dTBMCIV2022-5-15化工装置工艺操作与控制105关联指数应用
41、关联指数应用n正构烷烃的正构烷烃的 BMCIBMCI值最小（正己烷为值最小（正己烷为0.20.2），），芳烃则相反（苯为芳烃则相反（苯为99.899.8），因此），因此烃原料的烃原料的BMCIBMCI值越小则乙烯潜在产率越高。值越小则乙烯潜在产率越高。n中东轻柴油的中东轻柴油的BMCIBMCI典型值为典型值为2525左右，中国左右，中国大庆轻柴油约为大庆轻柴油约为2020。2022-5-15化工装置工艺操作与控制106关联指数应用关联指数应用 烃类化合物的芳香性按下列顺序递增烃类化合物的芳香性按下列顺序递增: :正构正构链烷烃链烷烃 带支链烷烃带支链烷烃 烷基单环烷烃烷基单环烷烃 无烷无烷基单
42、环烷烃基单环烷烃 双环烷烃双环烷烃 烷基单环芳烃烷基单环芳烃 无无烷基单环芳烃烷基单环芳烃( (苯苯)双环芳烃双环芳烃 三环芳烃三环芳烃 10K105 5反应较完全（即不可逆反应反应较完全（即不可逆反应），），K10K10-5 -5反应很难进行（即不反应）。反应很难进行（即不反应）。 在气相反应中，所有的标准平衡常数都只在气相反应中，所有的标准平衡常数都只是温度的函数。是温度的函数。2022-5-15化工装置工艺操作与控制112乙烷裂解过程主要由以下四个反应组成乙烷裂解过程主要由以下四个反应组成2022-5-15化工装置工艺操作与控制113由化学平衡得到的两个特征由化学平衡得到的两个特征 从化
43、学平衡的观点看，如使裂解反应进从化学平衡的观点看，如使裂解反应进行到平衡，所得烯烃很少，最后生成大量行到平衡，所得烯烃很少，最后生成大量的氢和碳。为获得尽可能多的烯烃，必须的氢和碳。为获得尽可能多的烯烃，必须采用采用尽可能短的停留时间尽可能短的停留时间进行裂解反应。进行裂解反应。 乙烷裂解生成乙烯的反应平衡常数远大乙烷裂解生成乙烯的反应平衡常数远大于乙烯消失反应的平衡常数，随着温度的于乙烯消失反应的平衡常数，随着温度的升高，各平衡常数均增加，差距更大。乙升高，各平衡常数均增加，差距更大。乙炔结碳反应的平衡常数随温度的升高而减炔结碳反应的平衡常数随温度的升高而减小。因此，小。因此，提高裂解温度提
44、高裂解温度对生成烯烃是有对生成烯烃是有利的。利的。2022-5-15化工装置工艺操作与控制114动力学反应速率常数动力学反应速率常数 即即化学反应进行的快慢化学反应进行的快慢。 用单位时间内反应物浓度的减少或生成物用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加量来表示。浓度的增加量来表示。2022-5-15化工装置工艺操作与控制1152022-5-15化工装置工艺操作与控制116 根据裂解反应动力学，为使裂解反应控制根据裂解反应动力学，为使裂解反应控制在一定裂解深度范围内，就是使转化率控在一定裂解深度范围内，就是使转化率控制在一定范围内。由于不同裂解原料的反制在一定范围内。由于不同裂解原料的反
45、应速率常数大不相同，因此，在相同停留应速率常数大不相同，因此，在相同停留时间的条件下，时间的条件下，不同裂解原料所需裂解温不同裂解原料所需裂解温度也不相同。度也不相同。 裂解原料相对分子质量越小，其活化能和裂解原料相对分子质量越小，其活化能和频率因子越高，反应活性越低，所需裂解频率因子越高，反应活性越低，所需裂解温度越高。温度越高。2022-5-15化工装置工艺操作与控制117 在控制一定裂解深度条件下，可以有各种在控制一定裂解深度条件下，可以有各种不同的裂解温度一停留时间组合。因此，不同的裂解温度一停留时间组合。因此，对于生产烯烃的裂解反应而言，裂解温度对于生产烯烃的裂解反应而言，裂解温度与
46、停留时间是一组相互关联不可分割的参与停留时间是一组相互关联不可分割的参数。而数。而高温高温- -短停留时间短停留时间则是改善裂解反应则是改善裂解反应产品收率的关键。产品收率的关键。2022-5-15化工装置工艺操作与控制1181.2.21.2.2裂解温度的影响裂解温度的影响 裂解温度范围裂解温度范围 750900750900 原料分子量越小，所需裂解温度越高。乙原料分子量越小，所需裂解温度越高。乙烷裂解温度最高。烷裂解温度最高。2022-5-15化工装置工艺操作与控制119裂解温度影响一次反应的产物分布裂解温度影响一次反应的产物分布 按自由基链式反应机理按自由基链式反应机理分析，温度队一次分析
47、，温度队一次产物分布的影响，是通过影响各种链式反产物分布的影响，是通过影响各种链式反应相对量实现的。应相对量实现的。2022-5-15化工装置工艺操作与控制120 在一定温度内，提高裂解温度有利于提高在一定温度内，提高裂解温度有利于提高一次反应所得乙烯和丙烯的收率。一次反应所得乙烯和丙烯的收率。 并相对减少乙烯消失的反应，因而有利于并相对减少乙烯消失的反应，因而有利于提高裂解的选择性。提高裂解的选择性。2022-5-15化工装置工艺操作与控制121裂解温度影响一次反应对二次反应的竞争裂解温度影响一次反应对二次反应的竞争 从裂解反应的从裂解反应的化学平衡化学平衡也可以看出，提高也可以看出，提高裂
48、解温度有利于生成乙烯的反应，并相对裂解温度有利于生成乙烯的反应，并相对减少乙烯消失的反应，因而有利于提高裂减少乙烯消失的反应，因而有利于提高裂解的选择性。解的选择性。 根据裂解反应的根据裂解反应的动力学动力学，提高温度有利于，提高温度有利于提高一次反应对二次反应的相对速度，提提高一次反应对二次反应的相对速度，提高乙烯收率。高乙烯收率。 2022-5-15化工装置工艺操作与控制122裂解温度的影响裂解温度的影响 在一定温度内，提高裂解温度有利在一定温度内，提高裂解温度有利于提高一次反应所得乙烯和丙烯的于提高一次反应所得乙烯和丙烯的收率。收率。2022-5-15化工装置工艺操作与控制1231.2.
49、31.2.3停留时间停留时间 管式裂解炉中物料的停留时间是管式裂解炉中物料的停留时间是裂解原料裂解原料经过辐射盘管的时间经过辐射盘管的时间。 由于裂解管中裂解反应是在由于裂解管中裂解反应是在非等温变容非等温变容的的条件下进行，很难计算其真实停留时间。条件下进行，很难计算其真实停留时间。 工程中常用如下几种方式计算裂解反应的工程中常用如下几种方式计算裂解反应的停留时间。停留时间。2022-5-15化工装置工艺操作与控制124 (1)(1)表观停留时间表观停留时间表观停留时间表观停留时间t tB B 定义如下定义如下 式中式中V VR R . S. L . S. L分别为裂解反应器容积，裂分别为裂
50、解反应器容积，裂解管截面积及管长解管截面积及管长; ; VV单位时间通过裂解炉的气体体积。单位时间通过裂解炉的气体体积。 表观停留时间表述了裂解管内所有物料表观停留时间表述了裂解管内所有物料( (包包括稀释蒸汽括稀释蒸汽) )在管中的停留时间。在管中的停留时间。2022-5-15化工装置工艺操作与控制125 (2)(2)平均停留时间平均停留时间t tA A 定义如下定义如下 式中式中a av v体积增大率，是转化率、温度、压体积增大率，是转化率、温度、压力的函数力的函数; ; VV原料气的体积流量。原料气的体积流量。 式中式中VV原料气在平均反应温度和平均反原料气在平均反应温度和平均反应压力下