化工工艺学复习资料.docx

1、化工工艺学复习资料1、化工工艺学的定义 化学工业：利用化学反应改变物质结构、成分、形态等生产化学产品的工业部门。 工艺学：根据技术上先进，经济上合理的原则，研究各种原材料、半成品、成品的加工方法和过程的学科。 化工工艺学就是研究运用各种学科的知识，经济地、先进地将各种原材料生产出化工产品的技术、过程和方法，是化工产品生产的工程技术、诀窍和艺术。1、化学工业的行业特征(1)发展和更新速度快 (2)设备特殊，设备投资高、更新快 (3)知识技术密集，投资和资金密集 (4)能量消耗密集和物质消耗密集 (5)有一定的规模效益 (6)要求环境保护和防治，要求自动控制条件比较严格 (7)化工的市场竞争激烈，

2、国际竞争也十分激烈 (8)市场经营注意用户开发和用户技术指导 4、化工节能的途径(1)开发研究化工工艺流程，减少合成过程的复杂性(2)研究活性的反应催化剂以力求降低反应温度，提高原料的利用率。(3)研究高效的分离能力，缩短分离过程的长度，减少分离的设备。(4)改善装置的传热冷却效果，设计和使用先进装置，以提高能源的利用效率。(5)减小设备和管道的阻力，合理利用动力，减少消耗。 (6)充分利用化学能、利用反应放热或其它热交换装置，将废热合理利用，用于带动蒸汽透平或产生蒸汽。 (7)使用高效新能源，节省燃料和其它能源。 (8)以石油煤炭为原料的化工工业，除了充分利用能量之外，还要改进工艺，充分利用

3、原料，减少无谓的损耗。7、美国化学会提出的十二项原则 （1）预防环境污染；（2） 原子经济性；（3）无害合成方法；（4） 设计安全化学品；（5）使用安全溶剂和助剂；（6）提高能源经济性； （7）使用可再生原料；（8） 减少衍生物；（9） 开发新催化剂；（10） 产品的降解设计；（11） 预防污染，及时监测和分析；（12） 安全生产防止意外事故。5、关于绿色化工的概念和术语简介（1）“绿色”设想的实现途径（2）原子经济性：原料分子的原子转化为产物的百分率。（3）零排放：原子经济性达到百分之百的过程叫零排放过程。 原子经济反应： 原料1+原料2-产物+副产物(产物副产物) 零排放过程：原料1+原料

4、2-产物(无污染物和副产物排放)（4）原子利用率 8、化工可持续发展问题：化学工业的物质消耗，能量(能源)消耗和环境污染。方法：一方面要提高工艺技术、降低物质和资源的消耗，使“反应原料的原子全部变成目标产物的原子”另一方面要开发新的资源。途径: 化工产品节能降耗和走向精细化，走向清洁化，是化工可持续发展的途径.3、原料预处理的原则 (1)必须满足工艺要求。(2)简便可靠的预处理工艺。(3)充分利用反应和分离过程的余热及能量。(4)尽量不要产生新的污染，不要造成损失。(5)尽量研究和采用先进技术。(6)投资节省，设备维护简便。(7)尽量分工由生产厂家精制。4、原料处理流程方案的比较和评估 原料的

5、处理方案，要从原料来源、技术成熟和可靠程度、设备投资、运行费用以及可能带来的风险等各方面作技术经济的综合评估，再决定采取的方案。固体原料的处理：粉碎设备从物料被粉碎的程度分为两大类：（1）破碎设备，产品粒度粗。（2）粉碎设备。气体原料的处理：空气过滤器：捕集空气中的低浓度的粉尘，使空气洁净。液体原料的处理：纯化和净化（1）过滤和澄清；（2）结晶和重结晶（3）吸附和吸收（4）膜透析和超滤8、催化剂催化剂的基本特征 催化剂参与了反应，但本身未发生化学性质和数量的变化 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 催化剂有明显的选择性，特定的催化剂只能催化特定的反应工业催化剂的使用

6、性能：（1）活性 （2）选择性（3）寿命 寿命的影响因素：化学稳定性；热稳定性；力学性能稳定性；耐毒性11、化工过程的主要效率指标（1）生产能力：一个设备或一套装置单位时间内生产的产品量或处理的原料量。（2）生产强度：设备的单位体积（或面积）的生产能力。（3）转化率 平衡转化率=1转化率（4）选择性：（5）收率 产率：从产物角度来描述反应过程的效率2、反应器选型原则（1）反应类型与特征（2）反应过程的特征和要求（3）由反应的浓度效应决定的混合要求（4）由反应的热负荷和温度效应所决定的热量传递和温度控制要求（5）相际传质和化学反应的相对速度（6）最后再判断反应器的特征能否达到要求3、以合成气为例

7、甲烷蒸汽转化制合成气 影响甲烷蒸汽转化反应平衡组成的因素 （1） 水碳比；水碳比越高，甲烷平衡含量越低。（2）反应温度；温度增加，甲烷平衡含量下降（3）反应压力；压力增加，甲烷平衡含量也随之增大，加压比常压转化经济效果好。 甲烷蒸汽转化过程的析炭析炭危害：（1）炭黑覆盖在催化剂表面，堵塞微孔，降低催化剂活性（2）影响传热，使局部反应区产生过热而缩短反应管使用寿命。（3）使催化剂破碎而增大床层阻力，影响生产能力。 控制水碳比、适宜的温度和压力来解决析碳。催化剂组成：（1.）活性组分Ni，以NiO存在。（2）助催化剂 ，Al2O3、MgO、CaO、TiO2、MoO3、 稀土氧化物 （3）载体，载体

8、作用：使镍的晶体尽量分散，催化剂活性下降判断方法：（1）甲烷含量升高（2）平均温距增大（3）“红管”现象 设计分离流程时的经验规则和注意事项:(1)反应产物有固体物的，一般要率先分离出来。(2)反应产物中对目的产物尤其有害的物质必须首先除去。(3)反应产物中对后工艺有害的物质，首先分离。(4)产物中，尽量优先把未反应原料分出来。(5)把最难分离的组分或要求特高的产物应从分离系统中先取出粗产物，再设计精制分离方案。(6)尽量选用简单的分离方法，能用机械分离的先用机械法。(7)一般情况下或者先取出最少的组分，或者先取出最多的组分。(8)一般情况下分离的流程先易后难，容易除去的先除去，容易拿到的先拿

9、到。(9)尽量把多种杂质一次性除去，再研究从杂质中回收有用副产物。(10)能用精馏的地方尽量采用简单精馏。(11)尽量利用热源，节省能量。(12)尽量采用先进技术和先进设备。产品后加工的原则：一般以两条标准为指导，一条标准是商品的标准，产品最终作为商品投放场，有商品的条件诸如计量、检测、标签、包装和其它装饰要求等。另一条标准是使用标准，用户对产品提出特殊要求，或者用户是本企业集团的另一个分厂或者是下一个工段为方便下一工序的工作，产品生产出来之后，可能要作后加工处理。去除微量杂质的方法原料经预处理合成和产物分离之后，已经获得基本纯净的产品，杂质的含量其来源有二，一是原料带入的，二是反应和分离过程

10、的沾染。固体产物微量杂质去除方案：液相形态产物中微量杂质去除方案：气相产物中微量杂质去除方案：产品后加工和精细加工方案1.研磨和粉碎2团聚、压片和切粒3复混和混批4混炼和色料5脱色和除臭6干燥和深度干燥7深冷和气体液化8专门要求的加工检测和操作控制工艺操作参数:温度 压力 原料配比 反应时间和操作周期 反应转化率、选择性和收率 消耗定额 进料、出料与循环安全措施: 除了严格科学的工艺操作规程外，还应有安全规程及安全教育。配备必须的防护用品，例如，粉尘可配防尘面罩，有毒气体岗位配防毒口罩或面具，施工检修配安全帽，电气作业配绝缘手套及绝缘鞋，高温辐射配墨镜及隔热服装。易燃车间配套相关灭火器械，设备

11、有防爆膜孔。电气设备有严格接地装置。厂房及高大设备必要时有防雷设施。厂房有完备的通风设施。易爆车间配防爆电气，照明及开关。危险岗位尽可能加强自动控制，减少人员接触。车间危险区域设置护栏及警示标志。清除静电的设施，包括人体防静电措施。应急措施: 工艺上设施上的应急措施，例如液氯钢瓶旁边，设应急水池，一旦氯气漏，推入水中，即可减少危害。设值班医生，例如接触氢氰酸的车间，要有医生在现场值班，并配备急救药品一旦发现中毒者，立即注射 急救药品，可赢得抢救时间。烃类蒸气转化：1、化学原理（1）、气态烃原料是各种烃的混合物。主要成分为CH4， 此外还有一些其他烷烃和少量烯烃甲烷蒸汽转化催化剂： 对催化剂的要

12、求：高活性高强度较好的热稳定性和抗析碳能力1、催化剂的活性组分、助催化剂和载体活性组分：从性能和经济方面考虑，活性组分，镍为最佳。助催化剂：提高镍的活性、延长寿命和增加抗析碳能力。镍催化剂的载体：使镍高度分散、晶料变细、抗老化和抗析碳等作用。常用的有氧化铝、氧化镁、氧化钾、氧化钙、氧化铬、氧化钛、和氧化钡等。镍催化剂的制备和还原：烃类蒸气转化的工业方法转化的分段1、转化深度：工业上采用了分段转化 的流程 ：首先，在较低温度下，在外热式一段转化炉风进行烃类蒸气转化反应，而后在较高温度下，在二段转化炉中加入 空气，利用反应热将甲烷转化反应进行到底。工艺条件选择1、天然气蒸汽转化的Kellogg工艺

13、流程2、各种工艺流程的不同点：（1）原料的预热温度：其高低应根据原料烃的组成及催化剂的性能而定。（2）对流段内各加热盘管的布置 (3) 转化系统的余热回收一氧化碳的变换：CO变换基本原理变换催化剂三、工艺流程1、工艺流程设计依据为：（1）原料中的CO含量；（2）变换催化剂的温度范围；（3）残余的CO的要求。原料气脱硫一、脱硫的方法原料气中的硫化物： 主要是硫化氢，其次是二硫化碳、硫氧化碳、硫醇、硫醚和噻吩等有机硫。脱硫的方法： 干法脱硫：氧化铁法、活性炭法、钴钼加氢和氧化锌法等。 湿法脱硫：化学吸收法和物理吸收法。干法脱硫：湿法脱硫蒽醌二磺酸钠法（又称ADA法）二氧化碳脱除CO2脱除方法原料气

14、经CO变换后都含有相当量的CO2， CO2的存在对下步的反应不利，但其又是制造尿素、碳酸氢铵、纯碱等工业的原料，脱除方法有：物理吸收法吸收溶剂常用的有水、甲醇、碳酸丙烯酯、磷酸三丁酯。用水吸收，吸收能力低，用水量大，选择性不高。低温甲醇洗涤法：化学吸收脱碳热碳酸钾法工艺流程分类：一段吸收一段再生流程 两段吸收两段再生流程（常用）以原料气的最终净化目的：防止CO、CO2、O2和硫化物等对氨合成催化剂的毒害作用。方法：铜氨液吸收 甲烷化法 深冷液氮洗涤法 变压吸附法铜氨液吸收法：铜氨液种类：氯化亚铜氨液、蚁酸亚铜氨液、碳酸亚铜氨液、醋酸亚铜氨液甲烷化法甲烷化催化剂要求：高活性适用温度范围宽组成：由

15、耐火材料载体上的氧化镍组成。形状多为压片、挤条或球形，粒度为1/4英寸。催化剂的还原：皆为放热反应，应控制温度不要太高。深冷液氮洗涤法原理：因CO的冷凝温度比氮高6，当用液氮洗涤时，原料气中的CO就冷凝液化，好像“溶解”在液体氮中一样；原料气中的少量氧和甲烷冷凝温度比CO还高。故用液体氮作洗涤剂来脱除少量CO及少量氧和甲烷。氮的作用： 是除去CO、CH4、O2、氩气的洗涤剂。 是配制氢氮混合气的原料 是获得冷量的主要来源氨的合成一、基本原理氨合成反应为气固非均相反应。当气流速度较大、催化剂粒度足够小时，整个过程速度为动力学控制。2、氨合成催化剂1、铁催化剂还原前组成：促进剂：Al2O3、K2O

16、、CaO、SiO2、BaO、CoO等。国内Fe-Cat常用的有A106、A109、A110、A201型，催化剂的还原和使用3、工艺条件选择（一）温度最佳温度：（400500 ）最佳温度随氨浓度增加而下降，随压力降低，惰气含量的增加而降低。同时，催化剂活性也显著影响最佳温度。合成反应为放热反应（2）压力1、从化学平衡和反应速度来看，高压对反应是在利的。（中小型厂2032MPa；大型厂15MPa）2、P高对生产的影响：优点：高压下，生产能力提高，且使合成氨流程简化，设备紧凑，占地少，水冷即分离出氨。缺点：对设备材质、加工要求提高，且高压下，温度升高使催化剂使用寿命下降。（3）空间速度与生产强度、氨

17、净值、循环气量、系统压降、系统反应热多少等有关。中压法空速（30MPa）2000030000h-1;低压法空速（15MPa） 10000h-1空速优点：空速增加，净氨值下降，且生产强度提高。 缺点：使系统气压阻力提高，循环功耗增加氨分离冷冻负荷增加单位循环气量的氨量下降，循环气反应热降低。4、氨的分离1、冷凝法：把含氨混合气冷却，使其中大部分氨冷凝与循环气分开。目前工业上常用此法。2、水吸收法：此法利用氨易溶于水得到浓氨水，氨水经蒸馏、冷凝成为液氨。缺点：能耗较大，工厂用之较少。3、有机溶剂吸收法（三甘醇等）：溶剂易挥发至混合器中分离不净对催化剂有影响，用之较少五、氨合成塔合成塔内件应具备之条

18、件： 半塔生产能力高 操作便于调节、控制 能较好地回收利用反应热，作为系统的能源 结构坚固、可靠，操作维修方便形式： 连续换热式 多段间接换热式 多段冷激式冷管式氨合成塔并流三套管式 优点：床层温度分布合理，催化剂生产强度高，操作稳定、可靠。缺点：结构复杂，冷管分气盒占空间大。还原时升温困难。单管并流式 优点：塔内部件紧凑，催化剂筐与换热器间距小，塔有效利用率高。缺点：结构不够牢固，升气管、冷管焊缝易裂开。冷激式氨合成塔1、立式轴向四段冷激式氨合成塔（凯洛格型）内件包括：四层催化剂、层间气体混合装置、裂管式换热器。优点：用冷激式调节反应温度、操作压力方便，结构简单，内件可靠性好，装卸催化剂方便

19、。缺点：瓶式结构，内件先装入再焊瓶嘴。检修、损坏更换不方便。2、径向二段冷激式合成塔（托普索型）优点：气体径向流动，压降小，催化剂生产强度较大。催化剂装 量小，塔直径较小，投资少。采用大盖密封，运输、安装检修方便。缺点：气体流过催化剂层时，易出现偏流。6、生产总流程中小型合成氨厂合成工段工艺流程烃类热裂解热裂解原理分离方法1、深冷分离法（冷凝精馏）工业： -50冷冻温度 浅度冷冻 -50-100冷冻温度中度冷冻 -100冷冻温度 深度冷冻（深冷）原理：利用裂解气中各种烃的相对挥发度不同，在低温下除了氢和甲烷以外把其余烃都冷凝下来，在适当温度、压中力下以精馏的方法把各组分分离出来。深冷分离包括三

20、大系统： 气体净化系统：脱酸气、脱水、脱炔、脱CO等。 压缩冷冻系统：把裂解气加压、降温，为分离创造条件。 精馏分离系统：通过一系列精馏分出C2H4、C3H6等。2、油吸收精馏分离法（吸收精馏）酸性气体脱除：（1）酸性气体的组成：（二）酸性气体的危害：1、乙烯、丙烯纯度降低2、H2S：腐蚀设备管道；分子筛寿命降低；使加氢脱炔用催化剂中毒3、CO2：低温下结成干冰堵塞设备管道；在生产聚乙烯等时酸性气体积累造成聚合速度降低、聚乙烯的分子量降低。脱除方法：用化学吸收法（酸碱中和） 吸收剂有：NaOH溶液（碱洗法）、乙醇胺溶液、N-甲基吡咯烷酮等。脱水水的来源及危害：1、来源：稀释蒸汽 脱酸性气体过程

21、中水洗残留2、危害：低温下，水冻结成冰，而且与轻质烃形成白色结晶水合物，如CH46H20、C2H67H20、C3H87H20等。这些固体附着在管壁上，既增加动能消耗，又堵塞管道。解冻方法 可用氨、甲烷、乙醇等。3 、脱水方法 吸附法（分子筛、硅胶、活性氧化铝脱炔和CO炔烃的危害： 1、影响乙烯、丙烯的质量和用途 2、恶化乙烯聚合物的性能 3、使合成或聚合用催化剂中毒催化加氢脱乙炔1、原理：采用乙炔选择性催化加氢为乙烯，尽量避免乙炔和乙烯加氢成乙烷。2、催化剂： 活性组分 钴、镍、钯 助催化剂 铁、银 载体 分子筛、a-Al2O3吸附顺序：丁二烯乙炔丙炔丙烯乙烯3、前加氢：脱甲烷塔前进行的加氢脱

22、炔。（氢气自给） 后加氢：脱甲烷塔后进行的加氢脱炔。（需外部加氢）一氧化碳的脱除：危害：若一氧化碳过多，易使加氢催化剂中毒，故当一氧化碳浓度太高时需脱除。原理：甲烷化法：裂解气的压缩目前工业上深冷分离两种型式： A 压力 3.5MPa 温度 -100 B 压力 0.1MPa 温度 -140利弊分析：当压力高时，精馏塔塔釜升高，易引起重组分聚合，并使烃类的相对挥发度降低，造成分离困难。低压下，塔釜温度低不易发生聚合；烃类相对挥发度大，分离较容易。多段压缩：T过高，会导致二烯烃聚合生成树脂，严重影响压缩机正常操作，甚至破坏生产，故采用多段压缩。 段间设冷凝器，以维持低的入口温度。为防止聚合，每段的

23、出口温度控制在90-110压缩机：离心式或往复式2、离心式压缩机用途较广： 转数300016000转/分 裂解炉的废热锅炉副产高压水蒸汽，多用蒸汽透平驱动离心式压缩机，达到能量合理利用。制泠氨蒸汽压缩制冷1、蒸发0.1MPa时，沸点为-33.4。因此液氨在蒸发器中沸腾蒸发为氨蒸气时，必须从被冷物料中吸热，使被冷物料泠至-33.4。2、压缩换热器2中低压低温氨蒸气被压缩机压缩，压力升高（g）。3、冷凝高压下氨蒸气凝固点较高（2.07MPa时，750），可用水冷却使NH3(g)转变为NH3(l)。4、节流压力高，需通过节流降压，进行节流膨胀，而此过程很快，只能从NH3自身取热。节流后成为低温低压液

24、体，再去蒸发。从而达到循环制冷。（消耗机械能）复迭制冷乙烯临界温度为9.5，已低于冷水温度，故需低于9.5的冷冻剂冷却乙烯至临界温度以下液化。故可用乙烯-丙烯、乙烯-氨复迭制冷来完成。而丙烯为联产品易回收。大型乙烯厂常以乙烯-丙烯复迭制冷。深冷分离中的节能措施裂解气在深冷分离中加压至3.0-4.0MPa，降温至-100左右，能量消耗很大。特别是制冷电耗占用电的50-60%。1、急冷回收热能的利用2、中间冷凝器和中间再沸器3、逐级冷凝多股进料4、尾气膨胀补气制冷5、热泵氯乙烯的工业生产方法电石乙炔法:能耗大、价格高、污染严重而被廉价的乙烯法所取代乙烯平衡氧氯化法:该法具有反应器能力大、生产效率高

25、、生产成本低、单体杂质含量少和可连续操作等特点。反应原理乙烯氧氯化法生产氯乙烯，包括三步反应： （1）乙烯直接氯化 CH2=CH2 + Cl2 CH2ClCH2Cl （2）二氯乙烷裂解 2CH2ClCH2Cl 2CH2=CHCl + 2HCl （3）乙烯氧氯化 CH2=CH2 + 2HCl + O2 CH2ClCH2Cl + H2O总反应式 2CH2=CH2 + Cl2 + O2 2CH2=CHCl + H2O合成氨物理性质： 标准状态下是无色气体，具有特殊的刺激性臭味。20下将氨气加压0.8MPa时，液化为无色的液体。 液氨或干燥的氨对大部分物质不腐蚀，在有水存在时，对铜、银、锌等金属有腐蚀

26、。 氨与空气或氧的混合物在一定浓度范围能发生爆炸，有饱和水蒸气存在时，氨空气混合物的爆炸界限较窄。氰化法直接法（合成氨法）：此法是在高压、高温和有催化剂时，氮气和氢气直接合成为氨的一种生产方法。目前工业上合成氨基本上都用此法。4、合成氨工业进展1913年，在德国Oppau建成第一个工业化的合成氨装置，日产30t.一次大战后。在原料构成方面：由以固体燃料（焦炭，煤等）为原料转化到了以气体或液体（天然气、石脑油、重油）为原料来合成氨。在生产规模上：实现了单系列全盛氨装置的大型化，现在世界上规模最大的合成氨装置为日产1800t氨，而50年代以前，只有200t。在能耗上，新工艺的开发，能耗的降低。计算

27、机的应用实现了自动化操作控制上。中国合成氨简介50年代，在恢复与扩建老厂的同时，从苏联引进了三套年产50kt的装置；60年代，又从英国引进了一套年产100kt的装置，且又在全国建设了一大批小型氨厂；70年代，我国又从西方国家引进多套大型装置（年产300 kt 以上）。80年代后，我国设计的装置开始用于生产。合成氨发展的三个典型特点：1. 生产规模大型化。2. 能量的合理利用。3. 高度自动化。固体燃料气化：原料气制取的途径现在工业上采用天然气、炼厂气，石脑油、焦炉气、重油、焦炭和煤生产合成氨。其在高温下与水蒸汽的作用，制取粗原料气，都可用下式：按供热方式的不同，制取粗原料气有下述三法： 1、外

28、部供热的蒸汽转化法 2、内部蓄热的间歇操作法 3、自热反应的部分氧化法1、碳和氧的反应：根据对碳与氧反应的研究表明，当反应温度在775以下时，反应属于动力学控制。高于900时，反应属于扩散控制。在两者之间，属过渡阶段。2、碳和水蒸气的反应碳和水蒸气的反应，在温度为4001100的范围内，速度仍较慢，属于动力学控制。当温度超过1100时，反应速度较快，开始为扩散控制。三、制取半水煤气的工业方法（一）、分类 1、按气化性质分 ：以水蒸气为气化剂的蒸汽转化法以纯氧或富氧（有时也同时加入水蒸气） 空气作为气化剂的部分氧化法（二）、半水煤气生产的特点1、（CO+H2 ）与N2的比例为3.13.2.2、以

29、空气为气化剂时，得含N2的吹风气，以水蒸气为气化剂时，得到含H2的水煤气。3、以前者反应热为后者提供反应所需的热，并能维持系统自热平衡的话，得不到合格的半水煤气。4、为维持自热平衡，并得到合格的半水煤气，必须采用以下方法： （1）间歇制气法； （2）富氧空气（或纯氧）气化法； （3）外热法3）、间歇式制半水煤气的工作循环间歇式气化过程在固定床煤气发生炉中进行的。五个阶段：气体流向（图及表）1、吹风阶段：吹入空气，提高燃料层温度，吹风气放空。2、一次上吹制气阶段：自下而上送入水蒸汽进行气化反应，燃料层下部温度下降，上部升高。3、下吹制气阶段：水蒸汽自上而下进行反应，使燃料层温度趋下均衡。4、二次上吹制气阶段：使底部下吹煤气排净，为吹入空气做准备。5、空气吹净阶段：此部分吹风气加以回收，作为半水煤气中氮的主要来源。4）、间歇式制半水煤气的工艺条件1、原料：工艺条件随燃料性能不同有很大差异。其性能包括粒度、灰熔点、机械强度、热稳定性以及反应活性等。2、设备：对制气过程影响较大的是风机和煤气炉的炉篦。3、工艺条件：（1）温度：炉温应较熔点温度低50（2）吹风速度：吹风速度直接决定放热。（3）蒸汽用量：是改善煤气质量和提高煤气产量的重要手段之一。（4）循环时间及其分配：等于或略少于3min.