基本有机工艺学整理DOC.docx

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基本有机化工工艺学

Ch1.化工工艺学

1化工工艺学？

研究如何将原料转化为产物的一门学科

2工艺？

由原料生成产物的过程

3天然气？

以甲烷为主要气体的燃气

4.天然气的利用主要有三条途径?

转化氧化裂解

5石油加工的主要途径?

蒸馏、催化裂解、加氢精制、焦化、催化重整、脱蜡、溶剂抽提

6炼厂气

炼油厂所有产物的气体统称

7辛烷值

正庚烷的辛烷值为零，异庚烷的辛烷值为100，指异庚烷所占的百分比

8有机化工的主要原料

三烯（乙烯、丙烯、丁二烯），三苯（苯、甲苯、二甲苯），一萘（萘），一炔（乙炔）

Ch2.烃类热裂解

1烃类热裂解与催化裂解的区别

有无催化剂，温度高低，原料的选择面

2热裂解的主要反应

断裂和脱氢，环烷化和芳构化，异构化，聚合和缩合

3裂解深度的几种表示方法

转化率，出口温度，乙烯收率，动力学深度函数

4温度、时间、压力的影响

温度—停留时间效应

（1）.裂解温度与停留时间是相互依赖，相互制约的。

没有高温，停留时间无论怎样变化都不能提高乙烯的收率。

同样，如果没有适当的停留时间，温度再高也不能有好的收率。

（2）.缩短停留时间，便可以允许提高温度。

压力

（1）.从压力平衡分析

从热力学分析，烃类裂解（一次反应）是分子增多的反应，而二次反应是分子减少的反应，降压有利。

（2）.从动力学分析

一是减压操作

二是采用惰性气体作稀释剂，降低分压

（3）.稀释剂的降压作用

要求：

具有稳定性→（热稳定、化学稳定），要易分离5水蒸气作稀释剂的优点

易得、热容大；易分离；清焦作用

6SRT型炉的演变过程

反应初期要解决传热问题，采用多股小管径增加传热面积；反应后期多股变成一股，采用粗管径堵塞的可能，使物料在炉内流动先慢后快，停留时间先长后短。

7如何判别清焦

进口压力是否增加；乙烯含量是否增加；炉管上光亮点的大小

8间接急冷工业解决结焦的方法．能量回收的途径

方法：

控制停留时间；控制出口温度高于裂解气的入口温度

途径：

高温裂解气；热油；烟道气

9酸性气体的脱除

酸性气体指CO2、H2S及少量有机硫化物。

危害：

1）腐蚀管路与设备

2）影响催化剂的寿命

3）堵塞管路——干冰

10脱水、分子筛吸附规律、再生步骤

脱水方法：

冷冻法；固体干燥法

要求：

a.干燥度要高b.生产能力大，吸附量大c.能重复使用d.强度和稳定性

分子筛吸附规律:

吸附小于其孔径的分子。

极性吸附剂。

它对极性分子有较大的亲和力。

分子的不饱和度越大，越容易被吸附。

沸点越低，越不易被吸附。

再生步骤:

a.放油——防止气化→要带压放油

b.增湿——用水替代烃类

c.逆流加热——确保干燥度

11油吸收与深冷的区别

深冷分离的原理：

利用裂解气中各组分的相对挥发度不同，在低温下将裂解气中除了甲烷和氢以外的其它组分全部地冷凝下来。

然后再用精馏的方法将各组分逐一分开。

油吸收分离的原理：

利用溶剂对裂解气中各组分的不同吸收能力，将裂解气中除了甲烷和氢以外的其它组分全部吸收下来。

然后再用精馏的方法将各组分逐一分开。

区别：

脱甲烷和氢气的形式不同

12脱甲烷过程

两个重要指标：

1．甲烷对乙烯的相对挥发度αα.分离易

2．尾气中的乙烯含量含量↗收率↘

13乙烯精馏

1．侧线采出2.中间再沸

Ch3.芳烃转化

1．芳烃转化

（1）cat能提供质子（H+），而质子只有一个正电荷，所以转移速度很快，容易接近其它极性分子中带负电的一端，形成化学键，同时因质子半径小，呈现很强的电场强度，极化接近它的分子，形成新键。

（2）另一方面芳烃转化反应中的反应物是芳烃，也有烯烃。

它们是对质子具有一定亲和力的弱碱。

因此能与催化剂提供的质子亲和形成正烃离子。

2．结构对形成正烃离子的影响

对于芳烃决定于取代基，取代基增加则。

。

。

增加；对于烯烃取决于碳的多少，碳增加，什么都增加。

3．反应类型

异构化；歧化与烷基转移；烷基化和脱烷基化

4．混合氧化物cat

无机酸H2SO4、HCl、H3PO4质子酸腐蚀性强

酸性卤化物AlCl3通式HX-MXn

固体酸

5．烷基化的方法及机理

方法：

气液相烷基化法；气固相法；低浓度乙烯气固相法

机理：

AlCl3为主cat，HCl为助cat

6．反应器的选择

气—液相反应；有AlCl3和HCl存在；反应易达平衡，受返混影响不大；乙烯溶解及反应均为放热反应；络合物长期使用，易树脂化造成堵塞

Ch4.加氢

1.脱氢反应的反应类型

环烷烃的脱氢；芳香烃的脱氢或脱氢缩合；链烃的脱氢；直链烃的脱氢环化或芳构化；醇类的脱氢

2.乙苯脱氢制苯乙烯

主反应：

副反应：

3.影响因素

1）温度脱氢是吸热反应T↗X↗有利

2）压力脱氢反应是分子增多的反应P↘Kx↗x↗有利

3）cata.铁系b.镍系c.铬系

4.反应器结构

等温式列管反应器

优点：

反应器轴向温度分布均匀，易于控制，不需要过热蒸汽，蒸汽耗量少，能量消耗少。

缺点：

需要特殊合金钢，结构复杂，检修不方便。

绝热式列管反应器

优点：

结构简单，反应空间利用率高，不需耐热金属材料，检修方便，基建投资少。

缺点：

温度波动大，操作不平稳，消耗大量的高温蒸汽。

Ch5.脱氢

1.脱氢反应的反应类型

环烷烃的脱氢；芳香烃的脱氢或脱氢缩合；直链烃的脱氢；直链烃的脱氢环化或芳构化；醇类的脱氢

2.乙苯脱氢制苯乙烯

主反应：

副反应：

3.影响因素

1）温度脱氢是吸热反应T↗X↗有利

2）压力脱氢反应是分子增多的反应。

P↘Kx↗x↗有利

3）cata.铁系b.镍系c.铬系

4.反应器结构

等温式列管反应器

优点：

反应器轴向温度分布均匀，易于控制，不需要过热蒸汽，蒸汽耗量少，能量消耗少。

缺点：

需要特殊合金钢，结构复杂，检修不方便。

绝热式列管反应器

优点：

结构简单，反应空间利用率高，不需耐热金属材料，检修方便，基建投资少。

缺点：

温度波动大，操作不平稳，消耗大量的高温蒸汽。

Ch6.催化氢化

1.氧化反应的类型

1）在作用物分子中直接引入氧

CH3CHO＋1/2O2→CH3COOH

CH2=CH2＋1/2O2→CH3CHO

2）作用物分子脱去氢同时添加氧

CH2=CHCH3＋O2→CH2=CHCHO＋H2O

3）作用物分子只脱去氢，氢被氧化成水——氧化脱氢反应

CH3CH2OH＋1/2O2→CH3CHO＋H2O

CH3CH2CH=CH2＋1/2O2→CH2=CHCH=CH2＋H2O

4）两个作用物分子共同失去氢，氢被氧化为水——氧化偶联反应

CH3CHCH3＋NH3＋3/2O2→CH2=CHCN＋3H2O

降解氧化反应2.均相氧化反应的机理

3.cat加入后的作用

缩短或清除了诱导期

促进过氧化物的分解，加速分支氧化反应的进行

可提高氧化反应选择性

4.均相氧化反应的特点

气液相反应；氧的传递过程对反应影响大；反应热效应大；具有腐蚀性；有爆炸危险性

5.氧化反应器

能提高供充分的相接触表面；能有效的移出反应热；设备必须防腐；需有安全装置

6.非均相催化氧化反应的特点

反应过程复杂:

A．扩散反应物通过流体相向cat表面扩散

B．吸附反应物在cat表面吸附

C．表面反应

D．脱附产物从cat表面脱附

E．反扩散脱附的产物内由表面扩散到流体相并带出热量

强放热反应

7.络合催化氧化的特点

反应条件温和；反应选择性高；反应产物可预见；反应产物和调

Ch7.氯化

1.氯化反应的方法

热氯化法；光氯化法；化氯化法；氧氯化法

2.烃类氯化反应的一般规律

1）在低温和中温时，不同位置上的氢原子被取代的速度按下列次序递增伯<仲<叔

2）在高温时，各氢原子被取代的速度相等（趋近于）。

3）在液相中进行氯化时，反应速度较快。

既液相氯化可在比气相氯化为低的温度下达到同一相对取代速度。

4）水分、炭、cat和光的作用对伯、仲、叔氢原子的相对取代速度没有重大影响。

5）升高温度和延长时间可以导致一氯代物的裂解而脱掉氯化氢。

此时最稳定的是伯位氯取代物，其次是仲、叔。

6）当烃类过量，并且氯化物条件维持不变时，则生成的一氯代物与多氯代物的产率可以用下式表示：

x=k·y式中：

x——一氯代物与多氯代物的重量比k——对一定的烃是一常数3.取代和加成反应的竞争规律

低温时发生加成反应活化能起决定因素

高温时发生取代反应位阻起决定作用

Ch8.物料及能量衡算

化工过程的主要效率指标

1．转化率（conversion）

X=反应掉的量/进入反应器的原料量

2．选择性（selectivity）

S=转化为目的产物的原料量/反应掉的原料量

3．收率（yield）

Y=S·X

一、常用的几个衡算方法

原子衡算:

这是物料衡算的一种重要形式，在做衡算时不需要考虑化学反应的细节。

Ex1.石油化工厂中一种制氢方法是将烃类气体（如甲烷、乙烷）在镍cat上与水蒸气反应。

若离开反应器气体的干基数据为：

化合物CH4C2H6COCO2H2

组成mol%4.62.518.64.669.7

若反反应器进料中的烃只含甲烷和乙烷，问：

1.进料中这两种气体的mol比是多大？

2.反应器中每1000标m3烃气进料需多少千克水蒸气？

组分衡算:

对于没有反应的过程，就不需做原子衡算，这时做组分衡算就比较适合。

Ex2.在一吸收塔中要制含10%（wt）丙酮的水溶液50kg进塔气中含丙酮20%，其余为空7

气，塔顶用水吸收。

吸收尾气中尚含3%（wt）丙酮。

求：

加入到吸收塔中的丙酮空气混

合物的量。

解：

基准50kg产物

设加入到吸收塔中的丙酮空气混合物的量为x，则

0.2x→加入的丙酮量

0.8x→加入的空气量

0.8x/0.97→尾气量

（0.8x/0.97）×0.03→尾气中放走的丙酮量

0.2x=（0.8x/0.97）×0.03+5

x=28.5

节点衡算联系物衡算

Ex3.环境部门认为，若离开烟囱的气体中CO2的含量大于15%时，对健康不利，违反城市卫生规定。

假定燃烧的是100%天然气，空气量刚好调到130%，检查时发现CO2的含

量为20%。

问：

这数据是否可靠？

解：

取100mol天然气为基准

CH4+2O2→CO2+2H2O

100molCH4需O2为200mol

实际200×1.3=260mol

O2260mol

N2978.1mol

进入反应器出反应器

CH4100/

O226060

N2978.1978.1

CO2/100

∑1138.1

CO2含=8.8%<15%

具有循环过程的衡算

1．总衡算FF=P+W一般在已知总转化率时可采用

注：

不涉及RC，与具体过程无关。

2．反应器它是将MF、RP＆αs联系起来与RC有关

3.节点A.FF+RC=MFB.SP=RC+W+P

Ex5:

氢、一氧化碳在高压下合成甲醇的反应CO+2H2→CH3OH。

H2和CO以化学计量比加入，这两种原料是天然气重整得到的。

这种天然气含0.5%（体）的杂质I，每次通过反应器的转化率是60%，进入反应器的杂质应保持低于2%（体），所有的流股都是理想气体。

a.对每mol原料应有多少mol循环回到反应器？

b.对每mol新鲜原料应排放多少mol？

Ex6:

当丙烷脱氢时主反应为C3H8→C3H6+H2副反应为C3H8→C2H4+CH4其总转化率为95%，选择性为90%。

反应产物经分离后，分成三股，一股是C2H4、CH4、H2，一股是C3H6和占反应产物0.5%丙烷，另一股是丙烷和占产物中5%的丙烯为循环料。

求：

1）各流股的组成2）RC/FF3）单程转化率αs

EX7:

在银cat作用下,乙烯可被空气氧化成环氧乙烷,副反应是乙烯完全被氧化成CO2和H2O.已知离开氧化反应器的气体干基组为:

C2H43.22%,N279.64%,O210.81%,C2H4O0.83%,CO25.5%（V）该气体进入水吸收塔,其中的环氧乙烷和水蒸汽全部溶解于水中,而其它气体不溶于水.由吸收塔顶逸出后排放少量至系统外,其余循环回氧化反应器.

计算:

1.乙烯的单程转化率.2.生成环氧乙烷,的选择性.3.循环比.4.新鲜原料中乙烯和空气量之比

Ex8:

原料A＋B进行下列反应：

2A+5B=3C+6D，若新鲜原料中A过剩10％，B的单程转化率是60％，B的总转化率是90％，反应器出来的产物进分离器将产物C与D分出，剩下未反应的A、B组分，一部分排放，其余循环返回反应器。

求：

1.循环气（RC）的组成；

2.排放气（W）与循环气之比；

3.循环气与进反应器原料（MF）之比；

热量衡算

确定的问题：

1.加热（或冷却）剂的用量，为公用工程提供依据。

2.设备传递的热量，为设备设计提供依据。

3.分析热量利用方案是否合理，以提高热量的综合利用。

1.列出热量衡算式

∑Qλ=Q1+Q2+Q3∑Q出=Q4+Q5+Q6+Q7+Q损

2.确定计算基准温度选择0℃或25℃

3.各种热量的计算

1）Q1和Q4Q=∑G·C·t

2）Q3Q3=Qp+Qc

3）Q5Q5=∑W·C（twK-twH）

4）Q6

a．过程是在敞口的设备中进行的Q6=∑G·（H+C·t）

b.过程是在闭的设备内进行的Q6=∑G·H

5）Q7Q7=∑G·C（tK-tH）

6）Q损Q损=∑F·αt·（tw2-t2）·τ

F——设备的散热表面积

αt——散热表面向周围介质的给热系数

tw2——设备壁的表面温度

t2——周围介质的温度

τ——过程的持续时间

注意问题：

1.必须弄清过程中热量存在的形式

2.必须弄清物料间的热量关系

3.热容的求取

a．经验式Cp=a+bT+cT2+dT3

b．平均热容（T1+T2）/2时的热容或（Cp1+Cp2）/2

c．混合热容Cp=∑xi·Cpi