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1、第一章 化学工艺学基础第1页，本讲稿共32页1.1 原料资源及其加工 石油石油 天然气天然气 煤煤 生物质生物质 空气空气 水水第2页，本讲稿共32页石油化工自石油化工自20世纪世纪50年代开始蓬勃发展年代开始蓬勃发展基基本本有有机机化化工工、高高分分子子化化工工、精精细细化化工工及及氮氮肥肥工工业业等等的的产产品品中中大大约约有有90%来来源源于于石油和天然气石油和天然气 石油及其加工石油及其加工第3页，本讲稿共32页三烯三烯乙烯、丙烯、丁二烯乙烯、丙烯、丁二烯 石油制取石油制取三苯三苯苯、甲苯、二甲苯苯、甲苯、二甲苯 石油、天然气和煤制取石油、天然气和煤制取第4页，本讲稿共32页利用原油中
2、各组分沸点的差别进行分离利用原油中各组分沸点的差别进行分离常压蒸馏常压蒸馏减压蒸馏减压蒸馏 石油的加工石油的加工一次加工一次加工 油品的加工油品的加工第5页，本讲稿共32页第6页，本讲稿共32页原油常减压蒸馏装置原油常减压蒸馏装置:常压塔和减压塔常压塔和减压塔第7页，本讲稿共32页原油常减压蒸馏装置原油常减压蒸馏装置:热交换系统热交换系统第8页，本讲稿共32页o催化裂化催化裂化 (catalytic cracking)o催化加氢裂化催化加氢裂化 (catalytic hydrocracking)o催化重整催化重整 （catalytic reforming）o烃类热裂解烃类热裂解 （pyroly
3、sis of hybrocarbons）二次加工二次加工 馏分油的化学加工馏分油的化学加工 调整烃类的组成调整烃类的组成第9页，本讲稿共32页石石油油加加工工的的主主要要途途径径和和产产品品第10页，本讲稿共32页产品分离与精制产品分离与精制 化学反应化学反应 原料预处理原料预处理 1.2 化工生产过程及流程化工生产过程及流程化工生产过程化工生产过程达到所需状态和规格达到所需状态和规格反应类型、反应器反应类型、反应器得到符合规格的产品得到符合规格的产品回收利用副产物回收利用副产物 第11页，本讲稿共32页反应器种类：反应器种类：o反应器是化工生产过程的核心，反应器的种类繁多。反应器是化工生产过
4、程的核心，反应器的种类繁多。o按结构特点分：管式、床式、釜式、塔式等；按结构特点分：管式、床式、釜式、塔式等；o按操作方式分：间歇式、连续式、半连续式等；按操作方式分：间歇式、连续式、半连续式等；o按换热状况分：等温、绝热、变温等；按换热状况分：等温、绝热、变温等；o按换热状况分：等温、绝热、变温等；按换热状况分：等温、绝热、变温等；o按换热方式分：间接换热、直接换热等。按换热方式分：间接换热、直接换热等。第12页，本讲稿共32页产品的分离和精制：产品的分离和精制：o化工生产的目的是获取符合规格的产品，并回收、利用副化工生产的目的是获取符合规格的产品，并回收、利用副产物。产物。o分离和精制的方
5、法和技术有很多种，如冷凝、吸附、吸分离和精制的方法和技术有很多种，如冷凝、吸附、吸收、萃取、冷冻、闪蒸、精馏、结晶、过滤和干燥等。收、萃取、冷冻、闪蒸、精馏、结晶、过滤和干燥等。o目前应用最多、最广泛的是精馏。目前应用最多、最广泛的是精馏。第13页，本讲稿共32页1.3 化工生产工艺流程化工生产工艺流程分析每个单元的基本功能和属性，列出不同方案。分析每个单元的基本功能和属性，列出不同方案。不同功能单元的实施方法不同功能单元的实施方法不同设备型式不同设备型式不不同同流流程程方方案案工艺流程的组织工艺流程的组织 功能分析法功能分析法第14页，本讲稿共32页工艺流程组织工艺流程组织 形态分析法形态分
6、析法对不同流程方案精确分析评价，择优汰劣。对不同流程方案精确分析评价，择优汰劣。原原 则则l是否满足所要求的是否满足所要求的技术指标技术指标l经济指标经济指标的先进性的先进性l环境、安全和法律环境、安全和法律l技术资料的完整性和可信度技术资料的完整性和可信度第15页，本讲稿共32页工艺流程设计工艺流程设计优质、高产、低能耗、安全。优质、高产、低能耗、安全。o工艺流程主要解决以下问题：工艺流程主要解决以下问题：o 确定整个流程的组成；确定整个流程的组成；o 确定操作条件；确定操作条件；o 控制方案的确定；控制方案的确定；o 合理利用原料及能量；合理利用原料及能量；o 制定制定“三废三废”的治理方
7、法；的治理方法；o 制定安全生产措施；制定安全生产措施；o 保温、防腐的设计。保温、防腐的设计。第16页，本讲稿共32页生产能力：生产能力：生产能力：生产能力：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处理的原一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量或处理的原料量料量单位：单位：千克千克/时时（kg/h）；）；吨吨/天天 (t/d)；万吨万吨/年年 (10kt/a)在最佳条件下可以达到的最大生产能力。在最佳条件下可以达到的最大生产能力。1.4 化工过程的主要技术指标化工过程的主要技术指标设计能力：设计能力：设计能力：设计能力：第17页，本讲稿共32页（反应器）（反应器）
8、（反应系统）（反应系统）循循 环环 流流 程程转化率：转化率：第18页，本讲稿共32页选择性：表达主、副反应进行程度的大小表达主、副反应进行程度的大小反映原料的利用是否合理反映原料的利用是否合理第19页，本讲稿共32页从产物角度来描述反应过程的效率从产物角度来描述反应过程的效率收率（产率）：收率（产率）：转化率、选择性和收率的关系？转化率、选择性和收率的关系？第20页，本讲稿共32页1.5 1.5 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 温度的影响；温度的影响；浓度的影响；浓度的影响；压力的影响。压力的影响。第21页，本讲稿共32页1.6 1.6 催化剂的性能及使
9、用催化剂的性能及使用 提高反应速率和选择性提高反应速率和选择性 改进操作条件改进操作条件 催化剂有助于开发新的反应过程，发展新化工技术催化剂有助于开发新的反应过程，发展新化工技术 催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用第22页，本讲稿共32页催化剂的分类：催化剂的分类：催化剂的分类：催化剂的分类：按催化反应体系的物相均一性按催化反应体系的物相均一性 均相催化剂均相催化剂 非均相催化剂非均相催化剂按反应类别按反应类别 加加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、异构化、芳构化、羰基化、卤化化、异构化、芳构化、羰
10、基化、卤化第23页，本讲稿共32页按反应机理按反应机理 氧化还原型催化剂、酸碱催化剂氧化还原型催化剂、酸碱催化剂按使用条件下的物态按使用条件下的物态 金属催化剂、氧化物催化剂、硫化物催金属催化剂、氧化物催化剂、硫化物催化剂、酸催化剂、碱催化剂、络合物催化剂、酸催化剂、碱催化剂、络合物催化剂和生物催化剂化剂和生物催化剂第24页，本讲稿共32页工业催化剂的使用性能 活性活性 选择性选择性 寿命寿命 催化剂的失活和再生催化剂的失活和再生第25页，本讲稿共32页1.61.6 反应过程的物料衡算和热量衡算基础反应过程的物料衡算和热量衡算基础 输入物料的总质量输入物料的总质量=输出物料的总质量输出物料的总
11、质量+系统内积累的物料质量系统内积累的物料质量 衡算系统的物料衡算通式衡算系统的物料衡算通式第26页，本讲稿共32页间歇操作过程的物料衡算间歇操作过程的物料衡算以每批生产时间为基准以每批生产时间为基准输输入入物物料料量量 每每批批投投入入的的所所有有物物料料质质量量的的总总和和（包包括括反反应应物物、溶溶剂剂、充充入入的的气气体体、催催化剂等）化剂等）输输出出物物料料量量 该该批批卸卸出出的的所所有有物物料料质质量量的的总总和和（包包括括目目的的产产物物、副副产产物物、剩剩余余反反应应物物、抽出的气体、溶剂、催化剂等）抽出的气体、溶剂、催化剂等）投投入入料料总总量量与与卸卸出出料料总总量量之之
12、差差为为残残存存在在反反应应器内的物料量及其它机械损失器内的物料量及其它机械损失第27页，本讲稿共32页稳定流动过程的物料衡算稳定流动过程的物料衡算系统中各点的参数（温度、压力、浓度和流量等）不随时间系统中各点的参数（温度、压力、浓度和流量等）不随时间而变化，系统中没有积累而变化，系统中没有积累输入系统的物料总质量输入系统的物料总质量=输出系统的物料总质量输出系统的物料总质量组分衡算组分衡算 （mi）入入=（mi）出出+mi 原子衡算原子衡算 输入物料中所有原子的摩尔数之和输入物料中所有原子的摩尔数之和=输出物料中所有输出物料中所有原子的摩尔数之和原子的摩尔数之和 第28页，本讲稿共32页物料
13、衡算的步骤物料衡算的步骤绘出流程的方框图，以便选定衡算系统绘出流程的方框图，以便选定衡算系统写出化学反应方程式并配平写出化学反应方程式并配平选定衡算基准，以计算方便为原则选定衡算基准，以计算方便为原则收集或计算必要的各种数据收集或计算必要的各种数据设未知数，列方程式设未知数，列方程式 组，联立求解组，联立求解计算和核对计算和核对报告计算结果报告计算结果第29页，本讲稿共32页稳态流动反应过程的热量衡算稳态流动反应过程的热量衡算稳态流动反应过程的热量衡算稳态流动反应过程的热量衡算 稳态流动反应过程是一类最常见的恒压过程，稳态流动反应过程是一类最常见的恒压过程，在该系统内无能量积累。在该系统内无能
14、量积累。o 输入该系统的能量输入该系统的能量=输入物料的内能输入物料的内能U in+环境传入的热量环境传入的热量QPo 输出该系统的能量输出该系统的能量=输出物料的内能输出物料的内能U out+系统对外作的功系统对外作的功 Wo U in+QP=U out+W第30页，本讲稿共32页练习题练习题:1 1、何谓转化率、选择性？对于多反应体系，为什么要同时考虑转化率和选、何谓转化率、选择性？对于多反应体系，为什么要同时考虑转化率和选择性两个指标？择性两个指标？2 2、将纯乙烷进行裂解制取乙烯，已知乙烷的单程转化率为、将纯乙烷进行裂解制取乙烯，已知乙烷的单程转化率为60%60%，若每若每100 kg100 kg进裂解气的乙烷可获得进裂解气的乙烷可获得46.4kg46.4kg乙烯，裂解气经分离乙烯，裂解气经分离后，未反应的乙烷大部分循环回裂解器（设循环气只是乙烷），后，未反应的乙烷大部分循环回裂解器（设循环气只是乙烷），在产物中除乙烯及其它气体外，尚含有在产物中除乙烯及其它气体外，尚含有4kg4kg乙烷。求生成乙烯乙烷。求生成乙烯的选择性、乙烷的全程转化率、乙烯的单程收率。的选择性、乙烷的全程转化率、乙烯的单程收率。第31页，本讲稿共32页第32页，本讲稿共32页