化工工艺学整套教学课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生态之城,投资热土,四海同心,携手共赢,化工工艺学,物理化学,化工原理,分离工程,反应工程,热力学,催化原理,自动化仪表,基础知识,先修,课程,1.1,现代化学工业的地位与作用,1.2,现代化学工业主要产品分类,1.3,现代化学工业的发展方向,1.4,化学工艺学的研究对象与内容,1.5,化工产品生产的原则工艺流程,1.6,化工产品生产工艺流程的评价体系,第,1,章 绪论,化学工业（,Chemical industry,）,生产过程中化学方法占主要地位的制造工业,化工工艺（,Chemical technology,）,将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程,1.1,现代化学工业的地位与作用,化学工业的发展史,远古时代,感性认识,天然染料的提取、淀粉和糖蜜的发酵、天然药物的加工、陶瓷器皿、冶金、火药制造技术、燃料、造纸、无机盐、炼丹术、造纸、制革,有利推动社会生产力的发展和人类文明建设,没有理论指导生产，处于感性认识阶段,化学工业是一门古老的传统工业,十二世纪,萌芽状态,中国的造纸和火药技术传入欧洲，,作坊式的生产方式逐渐被机械化生产所取代,生活水平提高，对纺织、印染、医药、化装品、农药,化肥等产品提出了越来越多和高的要求,激发人们对化学研究的热情,各种化学现象被认识，各种化学定律被发现,波义尔气体定律,拉瓦锡物质不灭定律,道尔顿原子学说,由此产生化学工艺,冶金和城市煤气工业的发展,18世纪末建立了以煤焦油为原料的有机化学工业体系,煤焦油 苯 二甲苯 苯酚 萘 蒽,合成一系列有机化工产品,化学工业又是一门新兴的工业,十八十九世纪 成长和发展期,1788年 芒硝+石灰石+煤 烧碱,1859年 铅室法生产硫酸,1892年 电解食盐水生产氯气+烧碱,建立了无机化学工业,工业革命带动了化学工业的发展,苯经硝化制硝基苯,苯胺和苯胺紫,第一个人工合成染料,以萘和蒽为原料 蒽醌,合成,蒽,醌,系列染料,由苯酚合成水杨酸 阿司匹林,由苯酚合成水杨醛 香料,由甲苯合成,TNT,炸药,理论上建立了反应单元工艺,发现了热力学第一第二第三定律,确定了化学平衡原理和化学结构概念,1869年发表门捷列夫元素周期律,十九世纪末,二十世纪50年代,煤化工蓬勃发展期,数以万计有机化学品,开发了各种性能优良的高分子化工产品,火工产品、人造汽油,战争需要,1888年,焦碳+生石灰,电石 乙炔,煤,CO+H,2,建成合成氨生产装置,推动了化学工业的发展,建立了新反应单元：,缩合、聚合、酶反应、羰基合成,热力学的发展,化学反应动力学,高效反应器的开发,改进了各种反应单元,提高了生产效率,改进了产品质量,取得明显的经济效益,进行定量和,半定量描述,二十世纪50年代后期,以石油和天然气合成有机化学品的新时期,热裂解 大量的低级烯烃、乙炔和芳烃,石油和天然气,8090%有机化工产品,石油化工成为现代化工的重要支柱,促进了分子设计理论、催化剂研制和开发,化工工艺的,精细化和个性化,发展绿色化工,根据客户要求,资源、设备、技术、管理,开发最经济、最有效的新工艺,“,零排放,”,工艺,高收率、低废弃物、,废物再生利用和循环工艺,可再生资源代替不可再生资源,进入二十一世纪,大好的发展机遇,化学工业与各行各业的关系,与农林牧副渔的关系,施用化肥、农药,塑料薄膜育种育秧,化学防冻剂，人工降雨,海水淡化，水田阻抑蒸发剂,聚丙烯抗旱管、聚甲醛喷滴管、拖拉机轮胎,排灌橡胶管、低压聚氯乙烯和聚丙烯渔网,增产粮食、棉花,科学种田,与轻工业的关系,几乎所有的日常用品都需要油漆涂料作为保护或装饰。如果没有化工产品作为原料和辅助材料，就不可能生产市场上琳琅满目的轻工产品,文化用品、化妆品、日用陶瓷、玻璃搪瓷制品、日用杂货以及照相器材、电子类轻工产品等高级商品。,与纺织工业的关系,衣,天然纤维已不可能解决如此巨大的需要量，只有靠化学纤维（合成纤维）才能承担起满足人类穿衣的需求。,此外，面临我国人多地少的国情，发展合成纤维不仅可以解决衣着问题，也是解决棉粮争地的有效途径。,优质化工原料、染料和印染助剂,与建筑材料工业的关系,住,塑料已经广泛用于绝缘、保温、墙壁、门窗框架、地板、天花板、贴面、型材、上下水道和结构组件等方面。,在结构材料中，,合成塑料,将逐步占据首要位置,与交通运输业的关系,燃料油,燃料油的炼制离不开抗震剂、润滑油、防冻剂、助燃剂等化学品,运输工具,塑料代替钢铁或有色金属制造汽车车身、零部件,粘合剂、密封胶、人造革及帆布防缩、防绉、防水处理用的各种化工原料,与国防工业的关系,炸药,硝酸铵厂、染料厂平时生产肥料、染料，战时可以转产炸药。,氢弹、导弹、人造卫星、舰艇、航天飞机等制造和发射提供重水、高能燃料、基本有机化工原料高级感光材料以及耐高温、耐辐射、耐高磨、耐腐蚀和高级绝缘的化工材料,现代纺织工业,电子工业,电器制造工业,汽车制造工业,建筑材料工业,国防军事工业,宇宙航行工业,化学工业获得新的发展,提供大量廉价和具有特殊性能的原材料,丰富和提高人民的生活，满足人们不断增长的,衣、食、住、行、用,等各个方面的需要,这一切展现了化学工业在国民经济建设中所发挥的重要作用和所具有的重要地位。,才有可能获得迅速发展,在消除公害、确保粮食、新能源问题、生命科学等方面对于人类的生存将发挥巨大的作用。,化学工业未来的发展,意味着化学工业在未来国民经济中的地位,将越来越重要。,解决上述任何一个问题都离不开化学工业的发展,必须为不断增长的人口提供更多的,粮食和服装,必须为日益增长的能源需求,开发新能源,必须为人类自身的健康提供大量,新的药物和,解决环境的污染,1.2,现代化学工业主要产品分类,化学工业的范围很广，在不同时代和不同国家不尽相同，其分类也比较复杂,按生产规模或加工深度,大化工、精细化工等,无机化学工业,有机化学工业,习惯,化学肥料工业,染料工业,农药工业等,产品应用,天然气化学工业,石油化学工业,煤化学工业,无机盐化工,生物化工等,原料,低分子单体,高分子聚合物,化学组成,加工过程,食盐电解工业,农产品发酵工业,按照国家统计局的广义划分方法,化学矿 无机化工原料 有机化工原料,化学 肥料 农药 高分子聚合物,涂料和颜料 染料 信息用化学品,试剂 食品和饲料添加剂 合成药品,日用化学品 胶粘剂 橡胶和橡胶制品,催化剂和各种助剂 火工产品,这种广义的划分方法，超脱于现行管理体制,范围比较广泛，与国外化学工业的可比性较大,炼焦化学产品,林产化学品,化工机械,其它化学产品,1.3,现代化学工业的发展方向,化学工业不但要,继续满足,人类社会在衣、食、住、行等方面的需要，而且在环保、医疗、保健、文体等领域对化学工业提出了,更高的要求,。,生命科学,材料科学,环境,能源,信息科学,对化学及化学工业提出了新的挑战,要求化学工业适应新的发展,技术创新,未来化学工业国际竞争力的,一个重要的,决定性,因素,计算机技术,现代通信技术,生物技术,纳米技术,催化技术,能源技术,新材料技术,代表性的新技术,将为世界化学工业的升级换代提供巨大的,动力和强有力的技术,支持，促进世界化工,技术产生,重大突破,使世界化学工业有更广阔的发展空间,将使化工产品从反应设计、实验优化放大乃至生产控制管理的全过程更为科学、可靠、可行,给传统化工的研发、生产、管理方式带来巨大的变革,原料结构不断多样化,煤化工、生物资源、海洋资源、太阳能等多种资源,随着石油和天然气能源的逐渐耗竭,开发,纳米技术,生产更多的新材料,功能化、智能化、可再生化方向发展,信息技术的应用,进行化工开发、设计,计算机在化学工艺研究中的应用,过程,模型化,模拟,操作,最佳化,控制,选择反应条件,确定控制因素,设计反应器,化工产品的设计和合成,计算分子科学,计算流体力学,组合化学,辅助分子设计,生物化工,未来化学工业发展的新方向,再生资源,为起始原料,基因重组、细胞融合、酶的固定化技术,反应温和、能耗低、效率高、污染少、催化剂选择性高,现代生物技术,出现一批生物技术工业化成果,不久将会有更多的生物化工产品实现工业化。,催化技术,化工生产中起关键作用,新产品,新工艺,催化剂,催化反应设备,节约资源和能源、降低生产成本、提高经济效益,开发,降低 提高,反应温度 选择性,反应压力 转化率,反应速度,合成新的性能,优异化合物,新的化工,分离技术,分离技术,快速发展,蒸馏,萃取,结晶,吸收,传统化工,分离技术,设备庞大、能耗高,有时还达不到高纯度要求,膜分离,超临界流体分离,分子蒸馏,减少设备投资、降低能耗,具有高纯度分离效果,我国国民经济的发展,石油化工是优先发展的支柱产业之一,精细化工和农用化学品是化工发展重点,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,1.4,化工工艺学的研究对象与内容,一门学科,根据化学、物理和其它科学成就，,研究综合利用各种原料生产化工产品的方法原理、,操作条件、流程和设备，以创立技术上先进、经,济上合理、生产上安全的化工生产工艺,特点,：,不同产品采用不同生产工艺；,原料不同生产相同产品采用不同生产工艺,原料的选择和预处理,生产方法的选择和原理,设备（反应器及其它）的作用、结构和操作,催化剂的选择和使用,其它物料的影响,操作条件的影响和选定,流程组织,生产控制,产品规格和副产物的分离与利用,能量的回收和利用,不同工艺路线和流程的技术经济评比,化工工艺范畴,1.5,化工产品生产的原则工艺流程,化工产品的生产工艺过程有上万个,污染问题、高温,高压、低温、易燃,易爆、有毒等,化工产品生产过程的特点,对工艺技术、机械设备、仪表控制等都有严格要求，并且需要考虑资源的合理利用、综合利用及环境保护、污染治理的问题。,基础：,化学和物理等科学成就,工艺流程的组织,化工工艺流程中的主要单元组合形式,主要设备的选择,精馏设备,反应动力学要求,热量传递的要求,质量传递过程与流体动力学过程的要求,工程控制的要求,机械工程的要求,技术经济管理的要求,反应器,能力大、效率高、结构简单,可靠性好,满足工艺要求,塔板压力降要小,1.6,化工产品生产工艺流程的评价体系,化工生产的工艺流程反映了由若干个单元过程（反应过程和分离过程、动量和热量的传递过程等）按一定顺序组合起来，完成从原料变成为目的产品的全过程。,化工工艺流程的组织是,确定,各单元过程的具体内容、顺序和组合方式,化工工艺流程图,图解的形式,工艺流程的组织原则与评价方法,物料及能量的充分利用,工艺流程的连续化自动化,易燃易爆的安全措施,适宜的单元操作及设备形式,根据上述工艺流程的评价标淮和组织原则,就可以对某一工艺流程进行综合评价,化学工业的基础学科,化学工艺,化学工程,有关工程因素对过程和装置的效应,放大效应,传质、传热、动量传递效应,高水平的化学工业,高水平的化工工艺支撑,二十一世纪化学工业前途远大,化工工艺学必将欣欣向荣,化工工艺学,是化学工业的基础学科,学习方法,在学习过程中，,死记硬背,的方法是不足取的，,要在,理解的基础上,适当进行记忆，,并灵活运用所学知识，,多问,几个,为什么,，,一定会,多几分意外,的,收获,。,第,2,章 化工原料及其初步加工,2.1,煤及其初步加工,2.2,石油及其初步加工,2.3,天然气及其初步加工,2.4,化学矿物及其初步加工,2.5,生物质资源及其初步加工,煤 炭,无机物,有机物,水 矿物质,C H O N S P,种类,w,/%,C,H,O,泥煤,60,70,5,6,25,35,褐煤,70,80,5,6,15,25,烟煤,80,90,4,5,5,15,无烟煤,90,98,1,3,1,3,2.1,煤及其初步加工,从煤加工可得到丰富的,化工原料和产品,N,N,N,萘,蒽,菲,吡啶,喹啉,咔唑,煤化工,提供原料,1,.,煤的干馏,2,.,煤的气化,3,.,煤的液化,4.,煤生产电石,煤的干馏,高温 9001100,中温 700900,低温 500600,固体(7078%),气体(1519%),气体产物,煤,焦,油,粗,苯,洗涤 冷却,焦炉煤气,煤高温干馏,固体产物,焦,焦炉煤气的组成,组分含量,/%,H,2,5463,CH,4,2032,C,2,H,4,(+),0.950.32,C,2,H,6,(+),0.52.2,CO58,CO,2,23,N,2,28,馏分 沸点范围 收率%,产品,煤焦油精馏所得馏分,轻 油 1,800.51.0,苯 甲苯 二甲苯,酚 油 180210,24,苯酚 甲酚 吡啶,萘 油 210230,912,萘 二甲酚 喹啉,洗 油 230300,69,萘 喹啉,蒽 油 300360202,4,粗蒽,沥 青 3605,055,粗苯的组成,（芳烃,+,不饱和烃,）,组分,w,/%,组分,w,/%,苯,50,70,戊烯,0.5,0.8,甲苯,12,22,环戊二烯,0.5,1.0,二甲苯,2,6,苯乙烯,0.5,1.0,三甲苯,2,6,茚,1.5,2.5,乙苯,0.5,1.0,粗苯的组成,（硫化物,+,其它,）,组分,w,/%,组分,w,/%,二硫化碳,0.3,1.5,吡啶,甲基吡啶,0.1,0.5,噻吩,甲基噻吩,二甲基噻吩,0.2,1.0,酚,0.1,0.4,萘,0.5,2.0,硫化氢,0.1,0.2,煤的低温干馏,约,10,煤气、,10,的焦油和约,80,的半焦（含挥发分比焦炭高）,低温焦油中并不含芳香烃，因此它不是芳香烃的来源,低温干馏的煤气中烃类含量要比焦炉气约高一倍以上,煤的气化,O,2,H,2,O,coal,合成气,CO+H,2,C+H,2,O,CO+H,2,C+2H,2,O,CO,2,+2H,2,CO,2,+C,2,CO,煤气化发生的反应,组分 含量,/%,水煤气的代表性组成,H,2,48.4,CH,4,0.5,CO,38.5,CO,2,6.0,N,2,6.4,O,2,0.2,合成气,重要的化工原料,CO+2H,2,CH,3,OH,2CH,3,OHCH,3,-O-CH,3,CH,3,OH+CO CH,3,COOH,羰基合成,碳一化工,煤的液化,直接液化,间接液化,煤在高温高压下加氢反应直接转化为液体油类,先使煤气化生成合成气，再由合成气合成液体燃料或化学产品,特点,热效率高,对原料煤的要求高,特点,可,采用高灰分,的劣质煤,适合于生产汽油和芳烃,较适合于生产柴油,含氧的有机化工原料和烯烃,煤加氢液化产物分离流程,杂原子的,H,2,O,，,H,2,S,NH,3,CO,2,和,CO,等,气态,C1,C4,烃类,苯酚、甲酚、二甲酚,吡啶及同系物，苯胺,芳烃、烯烃、,环烷烃、烷烃,喹啉、异喹啉,煤液化轻油和中油组成,馏分,w,/%,主要成分,轻油,200,酸性油,20.0,90%,为苯酚和甲酚，,10%,为二甲酚,碱性油,0.5,吡啶及同系物，苯胺,中性油,79.5,芳烃,40%,，烯烃,5%,，环烷烃,55%,中油,200325,酸性油,15,二甲酚、三甲酚、乙基酚、萘酚,碱性油,5,喹啉、异喹啉,中性油,80,2,3,环芳烃,69%,，环烷烃,30%,，烷烃,1%,费托合成（,Fischer-Tropsch,）,煤间接液化,合成气,-,甲醇,-,汽油（,MTG,）,(2,n,+1)H,2,+,n,CO C,n,H,2,n,+2,+,n,H,2,O,(,n,+1)H,2,+2,n,CO C,n,H,2,n,+2,+,n,CO,2,生成烷烃,2,n,H,2,+,n,CO C,n,H,2,n,+,n,H,2,O,n,H,2,+2,n,CO C,n,H,2,n,+,n,CO,2,生成烯烃,生成醇类,2,n,H,2,+,n,CO C,n,H,2,n,+1,OH+(,n,-1)H,2,O,(,n,+1)H,2,+(2,n,-1)CO C,n,H,2,n,+1,OH+(,n,-1)CO,2,甲醇在一定条件下通过,ZSM-5,型沸石分子筛催化剂，发生脱水、低聚合和异构化反应转化成汽油,煤生产电石,3,C+CaO CaC,2,+CO,H,2,O,C,2,H,2,+Ca(OH),2,2200,乙炔是基本有机化学工业的重要原料之一,2.2,石油及其初步加工,物理,过程,化学,过程,原油,预处理,脱水、脱盐,（氯化钠 氯化钙 氯化镁）,分馏,溶剂油、汽油、航空煤油,煤油、柴油、重油，石脑油等,油品,化工,烯烃 烷烃 芳烃,加入破乳剂和高压电场联合作用,盐溶于水，同时完成,脱水和脱盐,原油的预处理,脱水、脱盐,危害,水：,增加燃料消耗；增加冷凝冷却负荷,盐：,受热后水解生成盐酸,方法,二级电脱盐流程图,盐含量,3mg/L,水含量,0.2,效率,9095%,200,240,乙烷24%,丙烷,30,%,丁烷50%,C5,制烯烃原料,360,370,直馏,380,400,常减压馏分油,30%,催化剂,常压蒸馏塔切割的馏分,控制点位置,所在塔板层数,指标,/,油品种类,产率,/%,常压塔顶,40,95,100,0.005,（表）,MPa,汽油,5.0,常压一线,29,31,145,150,煤油,9.1,常压二线,17,19,267,270,轻柴油,6,7,常压三线,13,15,330,335,重柴油,6,7,常压塔底,0,345,350,重油,65,75,催化裂化,增加汽油产量,催化剂,催化裂化气,(,1017%,),焦炭,液体产品,(,8090%,),500,常减压馏分油,重质馏分油,Y-,型分子筛,催化剂,SiO,2,Al,2,O,3,ZSM-5,沸石,固定床,反应器,移动床,流化床,催化裂化发生的主要化学变化,碳链的断裂和脱氢反应,异构化反应,支链烃增加,环烷化和芳构化反应,氢转移反应,叠合、脱氢缩合反应,分子量小的烷烃和烯烃,（汽油和柴油）,增加芳烃含量,提高裂解汽油的,辛烷值,二烯烃减少，裂解汽油安全性增加,生成分子量更大的烃、焦碳,辛烷值的测定,是在专门设计的可变压缩比的单缸试验机中进行。将,异辛烷,和,正庚烷,按不同体积比例混合，配制成辛烷值由,0100,的标准燃料。,异辛烷,用作抗爆性优良的标准：辛烷值,=100,；,正庚烷,用作抗爆性低劣的标准：辛烷值,=0,改变压缩比测定标准燃料的爆燃强度。然后，选择某一成分的燃料，测定使发动机产生爆燃的压缩比，其所对应的标准燃料中异辛烷的比例，即为,辛烷值,。,催化剂,组成,/%,组成,/%,H,2,0.1,n,C,4,H,8,9.2,CH,4,3.2,i,C,4,H,8,6.2,C,2,H,6,4.1,反,2,C,4,H,8,8.5,C,2,H,4,2.9,顺,2,C,4,H,8,6.0,C,3,H,8,7.0,n,C,5,H,12,6.3,C,3,H,6,20.3,i,C,5,H,12,2.9,n,C,4,H,10,4.6,i,C,4,H,10,18.4,催化裂化气组成举例,催化裂化原理流程图,加氢裂化,催化裂化的补充,340420,6.513.5Mpa,H,2,汽、煤、柴油,优质,液体收率100%,粗柴油、回炼油,凝析油、抽余油,催化剂,贵金属,Pt Pd,非贵金属,Ni Mo W,载体,SiO,2,-Al,2,O,3,加氢裂化发生的主要化学变化,烷烃加氢裂化,正构烷烃异构化,多环环烷烃开环裂化,多环芳烃加氢开环裂化,分子量小的烷烃,支链烃,芳烃,带支链环烷烃,减压柴油加氢裂化产品组成,在临氢条件下催化裂化，避免结焦,不需要再生催化剂,使用原料油广,高硫、高氮、高芳烃、劣质重馏分,产品中不饱和烃、重芳烃、非烃类杂质少、,汽油的辛烷值低，必须再经重整,放热反应,高压、消耗大量氢气,操作费用高,加氢裂化反应工艺特点,催化重整,提高芳烃产率,轻汽油馏分,500 2,MPa,汽油,芳烃,高辛烷值,铂重整,催化剂,贵金属,Pt/,Al,2,O,3,砷、铝、钼、汞、硫、氮等都会使催化剂中毒,200,馏分,催化重整过程发生的化学反应,生成芳烃,正构烷烃异构化和加氢裂化,环烷烃脱氢芳构化,环烷烃异构化,脱氢,烷烃环化脱氢芳构化,提高辛烷值,降低芳烃收率,催化重整流程,1,预分馏塔；,2,预加氢加热炉；,3,加氢反应器；,4,预加氢汽提塔；,5,第一加热炉；,6,反应器（,）；,7,第二加热炉；,8,反应器（,）,9,第三加热炉；,10,反应器（,）；,11,稳定塔；,12,脱戊烷塔,490530,23MPa,2.3,天然气及其初步加工,甲烷 乙烷 丙烷和丁烷,少量戊烷以上重组分,CO,2,N,2,HS H,2,杂质,（天然气井和煤田伴生气）,甲烷 乙烷等低碳烷烃,15,20,C3,C4,的烷烃,少量轻汽油,（油田伴生气）,天然气,湿气,干气,用途：,合成氨和甲醇的原料,由于热值很高，也是,很好的燃料,用途：,热裂化原料,民用燃料,（,1,）,经转化先制成合成气,（,CO+H,2,）,或含氢很高的气体，然后进一步合成甲醇、高级醇、合成氨等。,（,2,）,经部分氧化以制造乙炔，发展乙炔化学工业。,（,3,）,经热裂解制乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯和乙炔。,（,4,）,直接用以生产各种化工产品。例如炭黑、氢氰酸、,各种氯代甲烷、硝基甲烷、甲醇、甲醛等。,天然气化工利用的主要,4,条途径,天然气化学工业,由天然气为原料生产的化工产品,2.4,化学矿物及其初步加工,我国化学矿产资源丰富,现已探明储量的矿产有等,20,多种。,磷矿、硫铁矿、自然硫、钾盐、钾长石、含钾页岩,明矾石、硼矿、天然碱、化工灰岩、重晶石、芒硝钠硝石,蛇纹石砷矿、锶矿、金红石、镁盐、溴、碘、沸石,磷矿、硫铁矿及硼矿等化学矿物的储量居世界前列且产量较大,2.5,生物质资源及其初步加工,农产品,（含主要成分为单糖、多糖、淀粉、油脂、蛋白质、萜烯烃类、木质纤维素的当年生和多年生植物）,生物质,林产品,（由纤维素、半纤维素和木质素,3,种主要成分组成的木材），细胞培植产品（以细胞为载体进行培植，使之定向生产某种生物质，如蛋白质的方法）,社会废弃物,的产品（产生于公用设施、农业和工业装置的废料）,含淀粉或含糖的物质进行水解，使之转化为单糖,C,2,H,5,OH,+CO,2,发酵,烯烃、芳烃、醛和羧酸类产品,含多缩戊糖的生物质水解、发酵制糠醛,多缩戊糖用酸加热水解为戊糖,戊糖在酸性介质中加热易脱水而转化为糠醛,糠醛是基本有机化工的一种重要原料,H,2,糠醛的主要用途,第,3,章 无机化工产品典型生产工艺,3.1,合成氨,3.1.1,以煤与天然气为原料合成氨生产总流程,3.1.2,煤为原料制合成气,3.1.3,天然气为原料制合成气,3.1.4,一氧化碳变换,3.1.5,合成气中硫化物与二氧化碳的脱除,3.1.6,氨的合成,3.1.7,合成氨技术发展趋势,合成氨化学发展史,1900,年，在研究平行移动的基础上通过理论计算，认为氢气和氮气在高压条件下可以直接化合生成氨。,他用实验来验证，但在实验过程中发生了爆炸。他没有调查事故发生的原因，而是觉得这个实验有危险，于是放弃了这项研究工作，,合成氨实验夭折了,。,后来查明实验失败的原因，是他所用混合气体中含有,氧气,，在实验过程氧气和氢气发生了爆炸反应。,法国化学家勒沙特列,通过理论计算，认为合成氨是不能进行的。因此人工合成氨的研究又惨遭厄运。,后来才发现，他在计算时误用一个热力学数据，以致得到错误的结论。,德国化学家能斯特,在合成氨研究屡屡受挫情况下，哈伯知难而进，对合成氨进行全面系统的研究和实验，,1908,年,7,月在实验室用氢气和氮气在,600,，,200atm,下合成出氨，尽管产率仅有,2,，却也是一项重大突破。,德国化学家哈伯,1918,年获得诺贝尔化学奖,合成氨主要用途,氮肥,硝酸、纯碱,含氮无机盐,制药、氨基塑料,聚酰胺,丁腈橡胶等,制冷剂,制备,原料气,脱硫,CO,变换,CO,2,脱除,脱除,少量,CO,压缩,合成氨,产品氨,原料,天然气,重油,渣油,煤,水蒸气,空气,净化,合成氨生产过程,3.1.2,煤为原料制合成气,煤的气化过程,以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应把煤或煤焦中的可燃部分转化为气体的过程。,煤气,开发洁净煤技术 高效低污染煤利用技术,CO+H,2,气化过程中碳的基本反应,非均相反应（气,/,固）,（,298K,0.1MPa,）,kJ/mol,kcal/mol,R,1,部分燃烧,C+0.5O,2,CO,-123,-29.4,R,2,燃烧,C+O,2,CO,2,-406,-97.0,R,3,碳与水蒸气反应,C+H,2,OCO+H,2,+119,+28.3,R,4,碳与水蒸气反应,C+2H,2,OCO,2,+2H,2,+90.3,+22,R,5,Boudouard,反应,C+CO,2,2CO,布多尔反应,+162,+38.4,R,6,加氢气化,C+2H,2,CH,4,-87,-20.9,气相燃烧反应,R,7,H,2,+0.5O,2,H,2,O,-242.00,-57.80,R,8,CO+0.5O,2,CO,2,-283.20,-67.64,均相反应（气,/,气）,R,9,均相水煤气反应,CO+H,2,OCO,2,+H,2,-42,-10.1,R,10,甲烷化,CO+3H,2,CH,4,+H,2,O,-206,-49.2,热裂解反应,R,11,CH,x,O,y,=(1y)C+yCO+x/2H,2,+17.4,R,12,CH,x,O,y,=(1yx/8),C+yCO+x/4H,2,+x/8CH,4,8.1,移动床气化炉,逆流操作,煤气化的分类方法（按反应器类型）,流化床气化炉,气流床气化炉,并流操作,编号,平衡常数式,lg Kp,600,800,1000,1200,1400,R,3,K,p,1,=,p,(CO),p,(H,2,)/,p,(H,2,O),-4.24,-1.33,0.45,1.65,2.50,R,4,K,p,2,=,p,(CO,2,),p,2,(H,2,)/,p,2,(H,2,O),-5.05,-2.96,-1.66,-0.763,-0.107,R,5,K,p,3,=,p,2,(CO)/,p,(CO,2,),-2.49,0.79,2.12,3.1,3.84,R,6,K,p,4,=,p,(CH,4,)/,p,2,(H,2,),-3.316,-4.301,反应式,R,3,R,6,的平衡常数,煤气化的工艺条件,（,1,）温度的影响,气化反应均为可逆反应，总反应过程是强吸热,反应动力学分析,提高控制步骤的速率，才能有效地提高总过程速率,煤种,温度,/,反应速率,控制步骤,强化措施,泥煤,褐煤,900,慢,动力学,提高温度,900,快,内、外扩散控制,提高扩散速率,焦炭,1200,快,扩散控制,提高扩散速率,无烟煤,900,1200,慢,动力学控制,提高温度,1200,1500,过渡控制区,同时提高扩散和反应速率,1500,快,扩散控制,提高扩散速率,减小颗粒度和提高气流速度,900,才有满意的气化速率,常压,压力单位：,atm,煤焦,-O,2,煤焦,-H,2,O,煤焦,-CO,2,煤焦,-H,2,反应速度,高压,煤焦,-H,2,反应提高更快,不利,CO,和,H,2,的平衡浓度,提高反应速率,减小反应体积,目前气化一般为,2.5,3.2MPa,，,CH,4,含量比常压法高,（,2,）压力的影响,（,3,）水蒸气和氧气的比例,氧的作用是与煤燃烧放热，为水蒸气与煤的气化反应提高热量,（,4,）煤气化的煤种条件,煤的性质：反应活性、粘结性、结渣性、热稳定性、机械强度、粒度组成以及煤的水分、灰分和硫分等,由煤气化生产方法来定,根据煤的性质，选择适合的煤气化工艺,煤气化制合成气的方法,碳与水蒸气反应生成的煤气是强吸热反应,需提供分解水蒸气所需的热量,间歇气化法,交替用空气和水蒸气为气化剂,历史悠久，其缺点是生产必须间歇操作,连续气化法,同时用氧和水蒸气为气化剂,连续气化法生产水煤气已是当前的发展趋势,（,1,）间歇式制气法,主要由吹空气和吹水蒸气两个阶段组成,空气吹净,燃烧反应,（蓄热）,吹风,水蒸气吹净,上吹制气,下吹制气,二次上吹制气,吹水蒸气,（制气）,辅助阶段,节约原料,水煤气质量,安全生产,合成氨原料气,H,2,:N,2,=3:1,(,加入空气,),由炉底上吹,充分利用煤层上部蓄热,为了安全,回收少,量煤气,制造半水煤气的直径,3,米发生炉系统流程图,1,煤气发生炉；,2,燃烧室；,3,洗气箱；,4,废热锅炉,（,2,）连续式制气法,固定床连续式气化制合成气，是由,德国鲁奇,公司开发。燃料为块状煤或焦炭，由炉顶定时加入，气化剂为水蒸气和纯氧混合气，在气化炉中同时进行碳与氧的燃烧放热和与水蒸气的气化吸热反应，调节,H,2,O/O,2,比例，就可控制和调节炉中温度。因无,N,2,存在，不需放空，可连续制气，生产强度较高，而且煤气质量也稳定。,最高温度,1200,由,H,2,O/O,2,比来调控,压力,3MPa,出口煤气温度,500,碳的转化率,88,95%,1,煤斗；,2,分布器；,3,水夹套；,4,灰斗；,5,洗气器,炉篦,鲁奇气化炉,（固定床连续式）,CH,4,高，,CO,低,块状煤或焦,1,水煤浆；,2,燃烧器；,3,炉体；,4,耐火砖衬；,5,激冷室,操作压力,9.8MPa,炉内最高温度约,2000,出口气温约,1400,水煤浆在炉中仅停留,5,7s,液态排灰,第二代气流床连续式制气法由美国,Texaco,（德士古）,公司于,20,世纪,80,年代初开发成功。,煤粉用水制成水煤浆,用泵送入气化炉,纯氧以亚音速或音速由炉顶喷嘴喷入，使料浆雾化，并在炉膛中强烈返混和气化，强化了传热和传质,目的：生成更多氢气，同时降低,CO,含量,3.1.4,一氧化碳变换,一氧化碳与水蒸气反应生成氢和二氧化碳的过程,CO+H,2,O(g),CO,2,+H,2,H=-41.2J/mol,影响变换反应因素,温度,原料气中,H,2,O/CO,摩尔比,原料气中,CO,2,含量,变换过程可能发生的副反应,变换反应催化剂和反应动力学,铁铬系中温变换催化剂的本征动力学,铜基低温变换催化剂的本征动力学,钴钼系宽温耐硫催化剂的宏观动力学,两种反应机理,CO,变换是可逆放热反应，存在最佳反应温度,T,OP,可逆放热反应速率与温度关系,影响因素：,气体原始组成,转化率,催化剂,可逆放热反应的,T-X,曲线,变换反应器的类型,中间间接冷却式多段绝热反应器,中间冷却式两段绝热反应器,1,反应器；,2,热交换器；,EFGH,操作（温度线）,原料气冷激式多段绝热反应器,原料气冷激式两段绝热反应器,水蒸气或冷凝水冷激式多段绝热反应器,水冷激式两段绝热反应器,一氧化碳三段中温变换流程示意图,1,，,2,，,4,，,5,，,6,换热器；,3,变换反应器；,7,冷凝液分离器,渣油制气,(CO,40%),3.1.5,合成气中硫化物与二氧化碳的脱除,用煤或重质油制合成气时，气化过程不用催化剂，故不需对原料预先脱硫，因此产生的气体中含有硫化氢和有机硫化物，必须进行脱硫。,在生产合成气过程中会生成一定量的二氧化碳，经过一氧化碳变换会生成更多的二氧化碳，其含量可高达,28,30,。因此，需要脱除二氧化碳，回收的二氧化碳可加以利用。,硫化物种类,无机硫,有机硫,干法,氧化铁、活性炭,氧化锌、氧化锰,钴钼加氢法,氧化锌法等,湿法,化学吸收,氨水催化、蒽醌,(,ADA),、乙醇胺法等,物理吸收法,低温甲醇洗涤法等,物理化学综合吸收法,环丁砜法等,冷氢氧化钠吸收法（脱除硫醇）、,热氢氧化钠吸收法（脱除硫氧化碳）,脱硫方法分类,干法脱硫,净化度高,，并能脱除各种有机硫化物,间歇式操作，设备庞大，再生费用昂贵,仅适用于气体硫含量较低的场合,固体吸收剂或吸附剂,吸附法,催化转化,湿法脱硫,化学吸收法,物理吸收法,物理,-,化学吸收法,湿式氧化法,湿法脱硫：,采用溶液吸收法脱除硫化氢，一般用于含硫量高、处理量大的气体的脱硫。,按其脱硫机理分类,化学吸收法,醇胺法,一乙醇胺法（,MEA,）,二乙醇胺法（,DEA,）,二甘醇胺法（,DGA,）,二异丙醇胺法（,DIPA,）,改良甲基二乙醇胺法（,MDEA,）,醇胺吸收剂与,H,2,S,反应并放出热量,HO-CH,2,-CH,2,-NH,2,+H,2,S,(HO-CH,2,-CH,2,-NH,3,)HS,低温有利于吸收（,20,40,），加热分解（,105,）析出,H,2,S,气体,COS,和,CS,2,与乙醇胺生成降解产物，不能再生，必须预先将,COS,和,CS,2,经,催化水解,或,催化加氢,转化为,H,2,S,后，才能用醇胺法脱除。,氧也会引起乙醇胺的降解，故含氧气体的脱硫不宜用乙醇胺法,物理吸收法,冷甲醇法（,Rectisol,）,碳酸丙烯酯法（,Fluar,）,N-,甲基吡啶烷酮法（,Purisol,）,加压吸收,减压释放,溶剂,含,H,2,S,、,CO,2,气体,净化气体,H,2,S,、,CO,2,溶剂回收,冷甲醇法可以同时或分段脱除,H,2,S,、,CO,2,和各种有机硫，还可脱除,HCN,、,C,2,H,2,、,C,3,及,C,3,以上气态烃、水蒸气等，能达到很高的净化度,甲醇对,H,2,、,CO,、,N,2,等气体的溶解度相当小，所以在净化过程中有效成分损失最少，是一种经济的优良净化方法,温度为,-40,-54,，压力,5.3,5.4MPa,基本原理：,利用含催化剂的碱性溶液吸收,H,2,S,氧化成,单质硫，催化剂本身被还原。,通空气将还原态的催化剂氧化再生。,湿式氧化法只能脱除硫化氢，难以脱除有机硫,物理,-,化学吸收法,吸收液,物理吸收性能,（环丁砜）,化学吸收性能,（烷基醇胺）,湿式氧化法,蒽醌二磺酸钠 萘醌磺酸钠,Na,2,CO,3,脱除二氧化碳,变压吸附法,膜分离法,脱碳方法,溶液吸收法,固体脱除法,化学吸收,物理吸收,CO,2,会使合成氨催化剂中毒,稀释了原料气，降低了,H,2,和,N,2,的分压；,在系统中遇铜氨洗涤液，或与含氨的循环气接触时会生成碳酸氢铵结晶，堵塞管道。,CO,2,是制造尿素、纯碱、干冰等的原料,既要脱除,CO,2,，又要加以回收利用,化学吸收法 改良的热钾碱法,原理：,在碳酸钾溶液中添加少量活化剂（催化剂），加快吸收,CO,2,的速率和解吸速率。,吸收阶段，碳酸钾与,CO,2,生成碳酸氢钾,再生阶段，碳酸氢钾受热分解，析出,CO,2,，溶液循环,活化剂,本菲尔（,Benfild,）法（国外专利）：,二乙醇胺,复合催化法：双活化剂,空间位阻胺促进法 空间位阻胺（氨基在不同碳原子上,）,氨基乙酸法：氨基乙酸,我国的专利技术,节能型本菲尔法脱碳流程示意图,1,吸收塔；,2,气液分离器；,3,富液泵；,4,半贫液泵；,5,贫液泵；,6,闪蒸器；,7,蒸汽喷射器；,8,锅炉给水预热器；,9,再生塔；,10,再沸器,7075,CO,2,0.1%,110118,120,2.52.8MPa,CO,2,H,2,O(g),在加