第二章化学工艺基础

本章主要内容：

2.1原料资源及其加工

2.2化工生产过程与流程

2.3化工过程的主要效率指标

2.4反应条件对化学平衡和反应速率的影响

2.5催化剂的性能及使用

2.1化学工业的原料和主要产品

无机化学矿及其加工

A、无机化学矿

(1)盐矿;(2)硫矿；(3)磷矿；(4)钾盐矿；(5)铝土矿；(6)硼矿；(7)锰矿；(8)钛矿；(9)锌矿；(10)钡矿；(11)天然沸石；(12)硅藻土、膨润土。

冶炼各种金属的原料：铬铁矿；赤铁矿；黄铜矿；方铅矿；镍黄铁矿；辉钼矿；天青石；铌铁矿等。

磷矿和硫铁矿是化学矿山产量最大的两个产品。

磷矿是生产磷肥、磷酸、单质磷、磷化物和磷酸盐的原料。硫铁矿用于制硫酸，世界上硫酸总产量的一半以上用于生产磷肥和氮肥。

B、化石燃料

石油、天然气、煤、油页岩和油砂等

C、生物资源农、林、牧、副、渔业的产品及其废弃物(壳、芯、秆、糠、渣)等生物质通过化学或生物化学方法可以转变为基础化学品或中间产品，例如葡萄糖、乳酸、柠檬酸、乙醇、丙酮、高级脂肪酸(月桂酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、肉豆蔻酸)等。其中比较重要的有糠醛的生产、乙醇的生产、丙二醇的生产等。D、再生资源工农业和生活废料在原则上都可以回收处理、加工成有用的产品，这些再生资源的利用不仅可以节约自然资源，而且是治理污染、保护环境的有效措施之一。废塑料重新炼制成液体燃料含碳的废料也可通过部分氧化法转化为小分子气体化合物，然后再加工利用。E、空气和水空气中的O2和N2是重要化工原料；从空气中提取的高纯度氩、氦、氖、氪等气体，广泛应用于高精尖科技领域。水在化工中应用更普遍,可作为原料、溶剂、冷热载体等。2.2化工生产过程与流程2.2.1化学生产过程化学生产过程三步骤：①原料预处理为了使原料符合进行化学反应所要求的状态和规格，根据具体情况，不同的原料需要经过净化、提浓、混合、乳化或粉碎等多种不同的预处理。②化学反应这是生产的关键步骤，也是化学工艺学研究的重点内容。经过预处理的原料，在一定的温度、压力等条件下进行反应，以达到所要求的反应转化率和收率。反应类型是多样的，可以是氧化、还原、复分解、磺化、异构化、聚合、焙烧等。通过化学反应，获得目的产物或其混合物。③产品分离与精制将由化学反应得到的混合物进行分离和精制，除去副产物或杂质，以获得符合组成规格的产品。分离出来的副产物和“三废”也应加以利用或处理。*以上每一步都需在特定的设备中，在一定的操作条件下完成所要求的化学的和物理的转变。*化工过程常常包括多步反应转化过程，因此除了起始原料和最终产品外，尚有多种中间产物生成，原料和产品也可能是多个；因此化工过程通常由上述三个步骤交替组成，以化学反应为中心，将反应与分离过程有机地组织起来。2.2.2化工生产工艺流程1）工艺流程和流程图（1）化工生产工艺流程原料需要经过包括物质和能量转换的一系列加工，方能转变成所需产品，实施这些转换需要有相应的功能单元来完成，按物料加工顺序将这些功能单元有机地组合起来，则构筑成工艺流程，即将原料转变成化工产品的工艺流程。化工生产中的工艺流程是丰姿多彩的。不同产品的生产工艺流程固然不同；同一产品用不同原料来生产，工艺流程也大不相同；有时即使原料相同，产品也相同，若采用的工艺路线或加工方法不同，在流程上也有区别。（2）工艺流程图工艺流程多采用图示方法来表达，称为工艺流程图。它简明地反映出由原料到产品过程中各物料的流向和经历的加工步骤，从中可了解每个操作单元或设备的功能以及相互间的关系、能量的传递和利用情况、副产物和三废的排放及其处理方法等重要工艺和工程知识。2）化工生产工艺流程的组织工艺流程的组织或合成是化工过程的开发和设计中的重要环节。组织工艺流程需要有化学、物理的理论基础以及工程知识，要结合生产实践，借鉴前人的经验。同时，可运用推论分析、功能分析、形态分析等方法论来进行流程的设计。（1）推论分析法推论分析是从“目标”出发，寻找实现此“目标”的“前提”，将具有不同功能的单元进行逻辑组合，形成一个具有整体功能的系统。推论分析法可用“洋葱”模型表示。通常化工过程设计以反应器为核心开始，由反应器产生的由未反应原料、产品和副产品组成的混合物，需要进一步分离，分离出的未反应原料再循环利用。反应器的设计决定了分离与再循环系统所涉及要解决的问题，因此紧随反应器设计的是分离与再循环设计。反应器的设计和分离与再循环设计决定了全过程的冷、热负荷，因此第三步就是换热网络设计。经过热量回收而不能满足的冷、热负荷决定了外部公用工程的设计。推理分析法采用的是“洋葱”逻辑结构，整个过程可由洋葱图形象地表示，只是通常的工艺流程不包括最外层的公用工程。（2）功能分析法功能分析法是缜密地研究每个单元的基本功能和基本属性，然后组成几个可以比较的方案以供选择。因为每个功能单元的实施方法和设备型式通常有许多种可供选择，因而可组织出具有相同整体功能的多种流程方案，再通过形态分析和过程的数学模拟进行评价和选择，以确定最优的工艺流程方案。（3）形态分析法形态分析法是对每种可供选择的方案进行精确的分析和评价，择优汰劣，选择其中最优方案。评价需要有判据，而判据是针对具体问题来拟定的，原则上应包括：①是否满足所要求的技术指标②经济指标的先进性③环境、安全和法律④技术资料的完整性和可信度。经济和环境因素是形态分析的重要判据，提高原材料及能量利用率是很关键的问题，它不仅节约资源、能源降低产品成本，而且也从源头上减少了污染物的排放。例[例2-1]丙烯液相水合制异丙醇流程（p25）[例2-2]丙烯腈生产过程中分离与精制流程的选择（p26）2.3化工过程的主要效率指标2.3.1生产能力和生产强度1、生产能力指一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量，单位为kg/h，t/d或kt/a等。设计能力设备或装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力。2、生产强度设备的单位特征几何量的生产能力，即设备的单位体积的生产能力，或单位面积的生产能力，单位为kg/（h·m3）或kg/（h·m2）等。生产强度指标主要用于比较那些相同反应过程或物理加工过程的设备或装置的优劣。设备中进行的过程速率高，其生产强度就高。3、时空收率在分析对比催化反应器的生产强度时，通常要看在单位时间内，单位体积催化剂或单位质量催化剂所获得的产品量，亦即催化剂的生产强度，有时也称为时空收率。单位为kg/(h·m3)或kg/(h·kg)4、有效生产周期开工因子＝全年开工生产天数/开工因子通常在0.9左右，开工因子大意味着停工检修带来的损失小，即设备先进可靠，催化剂寿命长。2.3.2化学反应的效率――合成效率1）原子经济性原子经济性(atomecnomy)是美国Stanford大学的B.M．Trost教授首次提出，因此获得年美国“总统绿色化学挑战奖”的学术奖。[例2-3]环氧丙烷两种制法的原子经济性比较2）环境因子（E）由荷兰化学家SheIdon提出。定义为：E＝废物质量/目标产物质量上述指标从本质上反映了其合成工艺是否最大限度地利用了资源，避免了废物的产生和由此而带来的环境污染。2.2.3转化率、选择性和收率化工总过程的核心是化学反应，提高反应的转化率、选择性和收率是提高化工过程效率的关键。1、转化率转化率(conversion)是指某一反应物参加反应而转化的数量占该反应物起始量的分率或百分率，用符号X表示。其定义式为：转化率表征原料的转化程度，反映了反应进度。对于同一反应，若反应物多于1个，那么，不同反应组分的转化率在数值上可能不同。人们常常对关键反应物的转化率感兴趣，所谓关键反应物指的是反应物中价值最高的组分,为使其尽可能转化，常使其他反应组分过量。对于不可逆反应，关键组分的转化率最大为％；对于可逆反应，关键组分的转化率最大为其平衡转化率。单程转化率单程转化率系指原料每次通过反应器的转化率。例如原料中组分A的单程转化率为：全程转化率全程转化率(又称总转化率)系指新鲜原料进入反应系统到离开该系统所达到的转化率。例如，原料中组分A的全程转化率为：2）选择性选择性(selectivity)系指体系中转化成目的产物的某反应物量与参加所有反应而转化的该反应物总量之比，用符号S表示。其定义式如下：在复杂反应体系中，选择性是个很重要的指标，它表达了主、副反应进行程度的相对大小，能确切反映原料的利用是否合理。3）收率收率（yield）亦称为产率，是从产物角度来描述反应过程的效率。符号为Y，其定义式为：4)三者关系(1)收率等于选择性与转化率的乘积。Y=S?X对于无副反应的体系，S=1，故收率在数值上等于转化率，转化率越高则收率越高；有副反应的体系S1，希望在选择性高的前提下转化率尽可能高。但是，通常使转化率提高的反应条件往往会使选择性降低，所以不能单纯追求高转化率或高选择性，而要兼顾两者，使目的产物的收率最高。（2）当物料有循环时，转化率有单程转化率及总转化率之分，收率也有单程收率及总收率之分。5）质量收率质量收率(massyield)系指投入单位质量的某原料所能生产的目的产物的质量。即6）平衡转化率和平衡产率可逆反应达到平衡时的转化率称为平衡转化率，此时所得产物的产率为平衡产率。随着反应的进行，正反应速率降低，逆反应速率升高，所以净反应速率不断下降直到零。实际转化率和产率：在实际生产中应保持高的净反应速率，不能等待反应达平衡，故实际转化率和产率比平衡值低。若平衡产率高，则可获得较高的实际产率。工艺学的任务之一是通过热力学分析，寻找提高平衡产率的有利条件，并计算出平衡产率。2.4反应条件对化学平衡和反应速率的影响反应温度、压力、浓度、反应时间、原料的纯度和配比等众多条件是影响反应速率和平衡的重要因素，关系到生产过程的效率。在本书其他各章中均有具体过程的影响因素分析，此处仅简述以下几个重要因素的影响规律。2.4.1温度的影响1）温度对化学平衡的影响对于不可逆反应不需考虑化学平衡，而对于可逆反应，其平衡常数与温度的关系为：对于吸热反应，ΔH0，K值随着温度升高而增大，有利于反应，产物的平衡产率增加。对于放热反应，ΔH0，K值随着温度升高而减小，平衡产率降低。故只有降低温度才能使平衡产率增高。2）温度对反应速率的影响反应速率常数与温度的关系见阿累尼乌斯方程，即（1）对于不可逆反应，逆反应速率忽略不计，故产物生成速率总是随温度的升高而加快。（2）对于吸热的可逆反应，净速率r总是随着温度的升高而增高的；（3）对于放热的可逆反应，净速率随温度变化有三种可能性，①当温度较低时，净反应速率随温度的升高而增高；②当温度超过某一值后，净反应速率开始随着温度的升高而下降。③净速率有一个极大值，此极大值对应的温度称为最佳反应温度(TOP)，亦称最适宜反应温度。最佳反应温度(TOP)，亦称最适宜反应温度2.4.2浓度的影响1、浓度对化学平衡的影响反应物浓度越高，越有利于平衡向产物方向移动。当有多种反应物参加反应时，往往使价廉易得的反应物过量，从而可以使价贵或难得的反应物更多地转化为产物，提高其利用率。2、浓度对反应速率的影响反应物浓度愈高，反应速率愈快。一般在反应初期，反应物浓度高，反应速率大，随着反应的进行，反应物逐渐消耗，反应速率逐渐下降。3、压力的影响压力对液相和固相反应的平衡影响较小。气体的体积受压力影响大，故压力对有气相物质参加的反应平衡影响很大，其规律为：①对分子数增加的反应，降低压力可以提高平衡产率；②对分子数减少的反应，压力升高，产物的平衡产率增大；③对分子数没有变化的反应，压力对平衡产率无影响。在一定的压力范围内，加压可减小气体反应体积，且对加快反应速率有一定好处，但效果有限，压力过高，能耗增大，对设备要求高，反而不经济。惰性气体的存在，可降低反应物的分压，对反应速率不利，但有利于分子数增加的反应的平衡。2.5催化剂的性能及使用2.5.1催化剂的作用①提高反应速率和选择性②改进操作条件③催化剂有助于开发新的反应过程，发展新的化工技术④催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用2.5.2催化剂的特点①催化剂是参与了反应的，但反应终了时，催化剂本身未发生化学性质和数量的变化②催化剂只能缩短达到化学平衡的时间(即加速作用)，但不能改变平衡③催化剂具有明显的选择性，特定的催化剂只能催化特定的反应2.5.3催化剂的分类按催化反应体系的物相均一性分：有均相催化剂和非均相催化剂（固体催化剂）按反应类别分：有加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、异构化、芳构化、羰基化、卤化等众多催化剂；按反应机理分：有氧化还原型催化剂、酸碱催化剂等；按使用条件下的物态分：有金属催化剂、氧化物催化剂、硫化物催化剂、酸催化剂、碱催化剂、络合物催化剂和生物催化剂等。2.5.4工业催化剂的使用1）工业催化剂的使用性能活性活性系指在给定的温度、压力和反应物流量(或空间速度)下，催化剂使原料转化的能力。活性越高则原料的转化率愈高。或者在转化率及其他条件相同时，催化剂活性愈高则需要的反应温度愈低。工业催化剂应有足够高的活性。选择性选择性系指反应所消耗的原料中有多少转化为目的产物。生产单位量目的产物的原料消耗定额愈低，也愈有利于产物的后处理。故工业催化剂的选择性应较高。当催化剂的活性与选择性难两全其美时，若反应原料昂贵或产物分离很困难，宜选用选择性高的催化剂；若原料价廉易得或产物易分离，则可选用活性高的催化剂。寿命寿命系指其使用期限的长短，寿命的表征是生产单位量产品所消耗的催化剂量，或在满足生产要求的技术水平上催化剂能使用的时间长短。影响催化剂使用寿命的因素主要有：①化学稳定性②热稳定性③机械稳定性④耐毒性2）工业催化剂的使用需注意的问题（1）催化剂的活化许多固体催化剂在初始时的状态一般是较稳定的，但这种稳定状态不具有催化性能，催化剂使用时必须在反应前对其进行活化，使其转化成具有活性的状态。活化方法：不同类型的催化剂要用不同的活化方法，有还原、氧化、硫化、酸化、热处理等。应该严格按照操作规程进行活化，才能保证催化剂发挥良好的作用。如果活化操作失误，轻则使催化剂性能下降，重则使催化剂报废，造成经济损失。（2）催化剂的失活和再生催化剂的失活：超温过热、原料气中混有毒物杂质，有污垢覆盖催化剂表面，都会导致催化剂失活。引起催化剂失活的原因较多：对于配位催化剂而言：主要是超温。大多数配位化合物在℃以上就分解而失活对于生物催化剂而言：过热、化学物质和杂菌的污染、pH值失调等均是失活的原因对于固体催化剂而言，其失活原因主要有：①超温过热，使催化剂表面发生烧结、晶型转变或物相转变②原料气中混有毒物杂质，使催化剂中毒③有污垢覆盖催化剂表面，污垢可能是原料带入，或设备内的机撤杂质，如油污、灰尘、铁锈等，有烃类或其他含碳化合物参加的反应往往易析碳，催化剂酸性过强或催化活性较低时析碳严重，发生积碳或结焦，覆盖催化剂活性中心，导致失活催化剂的再生催化剂中毒有暂时性和永久性两种情况。暂时性中毒是可逆的，当原料中除去毒物后，催化剂可逐渐恢复活性（再生）；永久性中毒则是不可逆的，不可再生。使用工业催化剂的注意事项①应严格控制操作条件，采用结构合理的反应器，使反应温度在催化剂最佳使用温度范围内合理地分布，防止超温；②反应原料中的毒物杂质应该预先加以脱除，使毒物含量低于催化剂耐受值以下；③在有析碳反应的体系中，应采用有利于防止析碳的反应条件，并选用抗积碳性能高的催化剂。作业1、化学工艺学的研究范畴包括哪些内容？2、简述温度、压力、浓度对反应的影响规律？3、化工生产过程一般可分为几大步骤？4、什么是转化率、选择性、收率？5、催化剂有哪些特征？6、催化剂的作用有哪些？7、现代化学工业的特点有哪些？8、大宗的无机化工、有机化工的主要产品有哪些？9、三大合成材料指什么？10、对石油的一次加工和二次加工有哪些加工方法？11、常压、减压蒸馏流程有哪些？12、煤的加工路线有几种？13、化学工业的原料资源有几类？、14、什么是平衡转化率？预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇


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