第二章化學(xué)工藝基礎(chǔ)

CoalChemicalTechnology煤化工工藝學(xué)原料資源及其加工利用1.1化工生產(chǎn)過程及流程1.2化工過程的主要效率指標(biāo)1.3反應(yīng)條件對化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響1.4反應(yīng)過程的物料衡算和熱量衡算基礎(chǔ)1.5本章內(nèi)容第二章化學(xué)工藝基礎(chǔ)了解主要無機化學(xué)礦的種類，掌握磷礦和硫鐵礦的加工利用方法；掌握石油、煤及天然氣的加工利用方法；了解化工生產(chǎn)過程的組成及工藝流程的組織方法；熟練掌握化工過程主要效率指標(biāo)的概念及計算方法。本章學(xué)習(xí)要求2023/2/6本節(jié)講授內(nèi)容1無機化學(xué)礦及其加工利用2石油及其加工利用4煤及其加工利用6再生資源的開發(fā)利用第一節(jié)原料資源及其加工3天然氣及其加工利用5生物質(zhì)及其加工利用7空氣和水鹽礦：巖鹽、海鹽和湖鹽等，用于制造純堿、燒堿、鹽酸和氯乙烯等；硫礦：硫磺（S）、硫鐵礦（FeS2）等，用于生產(chǎn)硫酸和硫磺；磷礦：氟磷灰石〔Ca5F(PO4)3〕

氯磷灰石〔Ca5Cl(PO4)3〕

用于生產(chǎn)磷肥、磷酸和磷酸鹽等；鉀鹽礦：鉀石鹽（KCl和NaCl的混合物）、光鹵石（KCl.MgCl2.6H2O）、鉀鹽鎂礬(KCl.MgSO4.3H2O)一、無機化學(xué)礦及其加工利用1、主要無機化學(xué)礦鋁土礦：水硬鋁石（α·Al2O3·H2O）和三水鋁石（Al2O3·H2O）的混合物；硼礦：硼砂礦（Na2O·2B2O3·10H2O）、硼鎂石（2MgO·B2O3·H2O）等；錳礦：錳礦（β和γMnO2）、菱錳礦（MnCO3）；鈦礦：金紅石（TiO2）、鈦鐵礦（FeTiO3）等；鋅礦：閃鋅礦（ZnS）、菱鋅礦（ZnCO3）；鋇礦：重晶石（BaSO4）、毒晶石（BaCO3）等；天然沸石：斜發(fā)沸石、絲光沸石、毛沸石；硅藻土、膨潤土：可作吸附劑和催化劑載體。2、磷礦的加工利用多為氟磷灰石〔Ca5F(PO4)3〕，主要用于制造磷肥。又稱酸法，用硫酸、磷酸、硝酸或鹽酸分解磷礦，并將磷礦中的鈣以鈣鹽的形式分離掉。利用高溫分解磷礦，并進(jìn)一步制成可被作物吸收的磷酸鹽。用這種方法生產(chǎn)的磷肥不溶于水，屬枸溶性磷肥。（其中所含磷能溶于檸檬酸或檸檬酸銨溶液，亦能被植物吸收。檸檬酸又稱為枸櫞酸。）濕法熱法Ca5F(PO4)3+5H2SO4+5nH2O=3H3PO4+5CaSO4·nH2O+HF用氨中和磷酸得磷酸銨或?qū)⒘姿崤c磷礦反應(yīng)制得水溶性重過磷酸鈣Ca(H2PO4)2·H2O濕法生產(chǎn)磷肥生產(chǎn)重過磷酸鈣工藝條件：磷礦粉的細(xì)度：要求90%~95%通過100目篩。硫酸濃度：一般為65%~70%，溫度為70~85℃。硫酸用量：一般生產(chǎn)上所用硫酸量為理論用量的103%~105%。濕法生產(chǎn)磷肥Ca5(PO4)3·F+7H3PO4+5H2O→5Ca(H2PO4)2·H2O+HF↑硫鐵礦主要用于生產(chǎn)硫酸，世界上硫酸總產(chǎn)量的一半以上用于生產(chǎn)磷肥和氮肥。黃鐵礦白鐵礦磁硫鐵礦立方晶系FeS2斜方晶系FeS2FenSn+13、硫鐵礦加工利用以硫鐵礦為原料生產(chǎn)硫酸的步驟：主要反應(yīng)：焙燒反應(yīng)

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2氧化反應(yīng)

SO2+0.5O2=SO3吸收反應(yīng)

H2SO4+nSO3=H2SO4．nSO3含硫原料原料氣的生產(chǎn)含SO2的爐氣爐氣凈制凈化爐氣SO2催化轉(zhuǎn)化含SO3氣體成酸H2SO4沸騰焙燒爐石油化工自20世紀(jì)50年代開始蓬勃發(fā)展；基本有機化工、高分子化工、精細(xì)化工及氮肥工業(yè)等的產(chǎn)品中大約有90%來源于石油和天然氣。90％左右的有機化工產(chǎn)品的上游原料可歸結(jié)為三烯、三苯、乙炔、萘和甲醇。二、石油及其加工利用三烯：乙烯、丙烯、丁二烯——石油制取三苯：苯、甲苯、二甲苯——石油、天然氣和煤制取由分子量不同、組成和結(jié)構(gòu)不同、數(shù)量眾多的化合物構(gòu)成的混合物，其中化合物的沸點從常溫到500℃以上不等。石油中的化合物分為

烴類

非烴類

膠質(zhì)和瀝青1、石油的組成烴類化合物鏈?zhǔn)斤柡蜔N

環(huán)烷烴芳香烴硫化物氮化物

含氧化合物稠環(huán)烴類等非烴化合物膠質(zhì)和瀝青質(zhì)（1）分類根據(jù)沸程不同，將石油分餾為：

2、油品的概念石腦油（輕汽油）

50－140℃汽油

140－200℃航空煤油

140－230℃煤油

180－310℃柴油

260－350℃潤滑油

350－520℃重、渣油

>520℃來源

常減壓蒸餾（一次加工）得到直餾汽油；

催化裂化重整（二次加工）得到催化汽油。辛烷值

汽油在內(nèi)燃機中燃燒時，抗爆震性能的指標(biāo)。

辛烷值越大，抗爆震性能愈高，汽油的質(zhì)量也愈好。

測定方法：研究法(RON)、馬達(dá)法(MON)。（2）汽油的來源和指標(biāo)

辛烷值定義

將異辛烷規(guī)定為100，正庚烷為0，兩者以不同比例混合，制成標(biāo)準(zhǔn)汽油。將待測汽油與標(biāo)準(zhǔn)汽油相比較，若兩者在標(biāo)準(zhǔn)汽油機中抗爆性能相同，則待測汽油的辛烷值就是同測標(biāo)準(zhǔn)汽油中異辛烷的百分含量。

90＃

93＃

97＃（3）柴油的指標(biāo)——十六烷值評定柴油發(fā)火性能（自燃性）的指標(biāo)定義：在單缸發(fā)動機中，當(dāng)試驗油料的自燃性和十六烷與2－甲基萘某一混合物的自燃性能相同時，待測油料的十六烷值就和混合油料中十六烷值的體積百分?jǐn)?shù)相同。餾程閃點：評定柴油蒸發(fā)性能的指標(biāo)，主要是50%和90%的餾出溫度。凝點：在規(guī)定的實驗條件下，試樣開始失去流動性的溫度。冷濾點：通過過濾器的流量每分鐘不足20mL時的最高溫度。柴油的其他性能指標(biāo)柴油標(biāo)號的依據(jù)是柴油的凝固點

5＃:8℃以上

0＃:8℃至4℃

－10＃:4℃至－5℃

－20＃:－5℃至－14℃

－35＃:－14℃至－29℃

－50＃:－29℃至－44℃根據(jù)使用時的氣溫選用不同標(biāo)號柴油的標(biāo)號利用原油中各組分沸點的差別進(jìn)行分離。3、石油的加工（1）一次加工——油品的加工減壓蒸餾常壓蒸餾催化重整（catalyticreforming）催化裂化

(catalyticcracking)催化加氫裂化

(catalytichydrocracking)烴類熱裂解（pyrolysisofhybrocarbons）（2）二次加工——餾分油的化學(xué)加工調(diào)整烴類的組成（1）催化重整（catalyticreforming）在含鉑的催化劑作用下加熱汽油餾分（石腦油），使其中的烴類分子重新排列形成新分子的工藝過程。原料：石腦油生產(chǎn)高辛烷值汽油，用80~180℃餾分；生產(chǎn)芳烴，用60~140℃餾分。反應(yīng)：環(huán)烷烴脫氫、烷烴脫氫環(huán)化生成芳烴、烷烴異構(gòu)化及加氫裂化（應(yīng)抑制）。催化劑：鉑催化劑，鉑-錸雙金屬催化劑，多金屬催化劑。反應(yīng)器：固定床催化反應(yīng)器，

425~525℃，0.7~3.5MPa。進(jìn)料：H2：石腦油=3~6：1（mol）催化重整反應(yīng)為氣-固相催化反應(yīng)，強吸熱。

產(chǎn)物：富含芳烴，異構(gòu)烷烴也較多，辛烷值較高，不需添加四乙基鉛——無鉛汽油。

BTX，乙苯占重整生成油的30%~70%；H2；

C1~C4烷烴。鉑重整工藝流程示意圖（2）催化裂化（catalyticcracking）

在催化劑作用下加熱重質(zhì)油，使其發(fā)生裂化反應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸦瘹?、汽油和柴油等輕質(zhì)餾分油的過程。原料：直餾柴油、重柴油或潤滑油餾分。反應(yīng)條件：450~530℃，0.1~0.3MPa。催化劑：高活性分子篩，硅鋁酸鹽催化劑裂化反應(yīng)：大分子烷烴碳碳鏈斷裂生成小分子的烷烴和烯烴；直鏈烷烴脫氫生成烯烴和氫；正構(gòu)烷烴異構(gòu)化為異烷烴；支鏈烷烴脫氫環(huán)化生成芳烴；環(huán)烷烴脫氫生成芳烴；烯烴脫氫環(huán)化成聚合焦；芳烴脫氫縮合結(jié)焦等。產(chǎn)物：汽油（C5～C9）產(chǎn)率30%～60%；柴油（C8～C18）產(chǎn)率≤40%；氣體產(chǎn)率10%～20%；焦炭產(chǎn)率5%～7%。催化裂化裝置：流化床形式等高并列式催化裂化裝置高低并列式催化裂化裝置（3）催化加氫裂化（catalytichydrocraking）在催化劑及高氫壓作用下，加熱重質(zhì)油使其發(fā)生加氫和裂化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成航空煤油、柴油、汽油和氣體等產(chǎn)品的過程。原料：重柴油、減壓柴油、減壓渣油；氫高壓法：P＞10MPa，T370~450℃

中壓法：P5~10MPa，T370~380℃催化劑：Ni，Mo，W，Co的氧化物，經(jīng)硫化預(yù)處理；

Pt，Pd氧化物，經(jīng)還原活化。反應(yīng)：大分子烷烴加氫裂解成較小分子烷烴；環(huán)烷烴加氫開環(huán)生成鏈烷烴；芳烴加氫生成環(huán)烷烴；有機含硫化合物加氫生成烷烴和硫化氫；有機含氮化合物加氫生成烷烴和氨；有機含氧化合物加氫生成烴和水；有機金屬化合物加氫釋放出金屬及烴類。加氫裂化后正構(gòu)烷烴和異構(gòu)烷烴比例相當(dāng)高，重芳烴很少，是優(yōu)質(zhì)的航空煤油和柴油。加氫裂化過程示意圖：H2分餾H2原料油預(yù)熱加氫裂化高壓分離低壓分離穩(wěn)定化氣體汽油航煤柴油尾油氣-固-液三相反應(yīng)器：滴流床型反應(yīng)器膨脹床流化反應(yīng)器（4）烴類熱裂解（pyrolysisofhydrocarbons）石油加工的主要途徑和產(chǎn)品天然氣：主要成分是甲烷。

干氣：甲烷含量高于90%；

濕氣：C2~C4烷烴含量≥15%~20%。油田伴生氣：天然氣與石油伴生。煤層氣（瓦斯氣）：吸附在煤上的甲烷。天然氣水合物：凍土帶和海底甲烷與水組成的籠形化合物。

——“可燃冰”、“固體瓦斯”三、天然氣及其加工利用制氫氣和合成氨經(jīng)合成氣路線制燃料和化工產(chǎn)品直接催化轉(zhuǎn)化成化工產(chǎn)品熱裂解制化工產(chǎn)品甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化濕氣中C2~C4烷烴的利用天然氣的化工利用天然氣的化工利用★石油化工關(guān)系示意圖煤(coal)由含碳、氫的多種結(jié)構(gòu)的大分子有機物和少量硅、鋁、鐵、鈣、鎂的無機礦物質(zhì)組成。按成煤過程的程度不同分為泥煤（peat）：含碳60%~70%褐煤（lignite）：含碳70%~80%煙煤（bituminous）：含碳80%~90%無煙煤（anthracite）：含碳90%~93%四、煤及其加工利用

煤的加工高溫干餾（煉焦）低溫干餾煤氣化煤液化（直接液化間接液化）

H%、O%含量順序泥煤>褐煤>煙煤>無煙煤（1）煤的干餾（coalcarbonization）在隔絕空氣的條件下加熱煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和煤氣的過程。低溫干餾：500-600℃中溫干餾：700-900℃高溫干餾：900-1100℃（也稱煉焦或焦化）①煤的高溫干餾（900～1100℃）煉焦：煉焦煤在焦?fàn)t中隔絕空氣在900～1100℃進(jìn)行干餾。主要產(chǎn)物焦炭：產(chǎn)率70%～72%；焦?fàn)t煤氣：320m3/t干煤，

H254%～63%，CH420%～32%；

粗苯：苯、甲苯、二甲苯、三甲苯、乙苯；焦?fàn)t煤氣：少量不飽和化合物：環(huán)戊二烯、苯乙烯、古馬隆及茚等；含硫化合物：二硫化碳、噻吩等；氨：氨水或硫酸銨；煤焦油：產(chǎn)率3.5%，酚，萘，蒽，菲，芴，吡啶，咔唑，瀝青等。煉焦焦?fàn)t煤氣分離

Towngas

Crudebenzene煤焦油加工萘、酚、蒽瀝青、碳素制品焦炭冶金焦②煤的低溫干餾（500～600℃）褐煤、長焰煤和高揮發(fā)分的不粘煤等低階煤適宜于低溫干餾加工。產(chǎn)物：

半焦焦油煤氣產(chǎn)率（%）50%～70%6～25%80～200M3/T半焦孔隙率為30%～50%，反應(yīng)性和比電阻較高，強度較低。用途：民用和動力燃料，電爐冶煉（3～6mm，比電阻為0.35～20Ω.m）、化學(xué)反應(yīng)還原劑，生產(chǎn)冶金型焦的中間產(chǎn)品。低溫煤焦油

黑褐色液體，密度小于1g/cm3；含酚類35%，中性含氧化合物（酮、酯和雜環(huán)化合物）20%~25%，中性含氮化合物2%~3%，瀝青10%。用途：生產(chǎn)發(fā)動機燃料、酚類、烷烴和芳烴。煤氣

密度為0.9～1.2kg/m3，含較多甲烷及其他烴類。

用途：加熱燃料、民用煤氣及化學(xué)合成原料氣。低溫干餾干餾煤氣燃料焦油

Processing液體燃料，酚半焦氣化合成氣（2）煤的氣化（coalgasification）在高溫（900～1300℃）下使煤、焦炭或半焦等固體燃料與氣化劑反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w的過程。氣化劑：水蒸氣、空氣或氧氣。移動床氣化技術(shù)：混合發(fā)生爐煤氣，水煤氣，半水煤氣，加壓氣化煤氣；流化床氣化技術(shù)：用于生產(chǎn)低熱值燃料氣或合成氣；氣流床氣化技術(shù)：主要用于生產(chǎn)合成氣。如Texaco氣化技術(shù)。移動床煤氣化過程：Air/steamblastDrying

Carbonizing

Reduction/GasificationOxidation/CombustionAsh

Ash

coalgasImportantchemicalreactionsCombustion

C+O2

CO2(exothermic)Gasification

C+1/2O2

CO

(exothermic)C+H2O(g)

CO+H2(endothermic)C+CO2

2CO

(endothermic)ShiftCO+H2O(g)

CO2+H2(exothermic)MethanationCO+3H2CH4+

H2O(g)

(exothermic)2CO+2H2CH4+CO2(exothermic)

煤氣化生成的H2和CO是合成氨、合成甲醇及C1化工的基本原料。也可用來合成甲烷，生產(chǎn)代用天然氣（SNG），作為城市燃?xì)狻饣簹鈨艋焙铣杉状己铣蒑obil

GasolineF-TSynthesizeLiquidfuel醋酐醋酐甲酯

醋酐合成煤加工利用途徑示意圖直接液化液化油加工液體燃料，化學(xué)產(chǎn)品直接液化將煤在較高溫度和壓力下與氫反應(yīng)使其降解和加氫從而轉(zhuǎn)化為液體油類的工藝—加氫液化工藝。（3）煤的液化（coalliquefaction）指煤經(jīng)過化學(xué)加工轉(zhuǎn)化為液體燃料的過程。間接液化直接液化煤加氫液化反應(yīng)產(chǎn)物PA（前瀝青烯）：溶于吡啶，不溶于苯。輕度加氫產(chǎn)物，為復(fù)雜混合物，平均分子量1000，常溫下為固體。A（瀝青烯）：溶于苯，不溶于環(huán)己烷，輕度加氫產(chǎn)物。與PA同屬中間產(chǎn)品。分子量500。為混合物。油類：煤加氫液化目的產(chǎn)品。按沸點高低分為輕、中、重油。輕油（<200℃）：主要是苯族烴、環(huán)烷烴。另有較多酚類（20%）和少量吡啶類。中油（200～325℃）：主要是2～3個環(huán)的芳香烴、氫化芳烴。另含酚15%，重吡啶、喹啉5%。重油：由3個環(huán)和3個環(huán)以上的縮合芳烴構(gòu)成。氣體產(chǎn)物：脫雜原子產(chǎn)生的氣體；（CO、CO2、H2O、H2S、NH3）；低分子飽和烴C1—C4。間接液化

將煤預(yù)先氣化制成合成氣，然后通過催化劑將合成氣轉(zhuǎn)化為液體燃料的過程。氣化產(chǎn)物分離煤氣凈化合成反應(yīng)原料產(chǎn)品精制余氣（fuelgas,CH4,H2）C2,C3,C4烴汽油，乙烯柴油（輕燃料油）石蠟基重油固體蠟水溶性含氧化合物（乙醇，丙酮等）間接液化過程及產(chǎn)品煤低溫干餾

焦?fàn)t煤氣含氫、甲烷、乙烯等

低溫煤焦油

酚類、烷烴、環(huán)烷烴等

半焦

氣化合成氣

高溫干餾

焦?fàn)t煤氣粗苯分離苯二甲苯甲苯氧（雜）茚茚煤焦油分離苯酚、甲酚、二甲酚萘、烷基萘蒽其他化工原料氣化合成氣合成氨、甲醇、低碳混合醇、汽油、柴油等高壓加氫液化汽油、煤油、柴油等1、生物質(zhì)與生物質(zhì)能生物質(zhì)的廣義概念：生物質(zhì)包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動物及其生產(chǎn)的廢棄物。有代表性的生物質(zhì)如農(nóng)作物、農(nóng)作物廢棄物、木材、木材廢棄物和動物糞便。生物質(zhì)的狹義概念：生物質(zhì)主要是指農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過程中除糧食、果實以外的秸稈、樹木等木質(zhì)纖維素（簡稱木質(zhì)素）、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)下腳料、農(nóng)林廢棄物及畜牧業(yè)生產(chǎn)過程中的禽畜糞便和廢棄物等物質(zhì)。五、生物質(zhì)及其加工利用生物質(zhì)的特點：可再生性、低污染性、廣泛分布性。生物質(zhì)能：生物質(zhì)能是太陽能以化學(xué)能形式貯存在生物中的一種能量形式，直接或間接來源于植物的光合作用。地球上的植物進(jìn)行光合作用所消費的能量，占太陽照射到地球總輻射量的0.2%，這個比例雖不大，但絕對值很驚人。光合作用消費的能量是目前人類能源消費總量的40倍。

生物質(zhì)能的特點二氧化碳幾乎零排放硫、氮和灰分含量少揮發(fā)分含量高，氧含量多，有利于燃燒水分含量高，影響著火和燃燒的穩(wěn)定性單位質(zhì)量生物質(zhì)熱量低分布分散，能量密度低，收集、運輸和預(yù)處理繁瑣具有可再生性，原料廣泛2、生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化利用技術(shù)3、生物質(zhì)熱解技術(shù)干餾（低溫干餾500-5800C，中溫干餾660-7500C，高溫干餾900-11000C）：隔絕空氣的環(huán)境加熱，制取醋酸、甲醇、木焦油抗聚劑、木餾油和木炭等產(chǎn)品?？焖贌峤猓涸谌毖醯那闆r下快速加熱，然后迅速將其冷卻為液態(tài)生物原油的熱解方法。盡可能獲得更多的液體產(chǎn)物。生物質(zhì)熱解過程a.干燥階段：120-1500C，水分蒸發(fā)。b.預(yù)炭化階段：150-2750C，木材化學(xué)組成發(fā)生變化，不穩(wěn)定組分分解為CO2、CO和少量醋酸。c.炭化階段：275-4500C，木材急劇熱分解，產(chǎn)生大量產(chǎn)物，發(fā)出大量的反應(yīng)熱。d.煅燒階段：450-5000C，進(jìn)行木炭的煅燒，排除殘留在木炭中的揮發(fā)物質(zhì)，提高木炭中固定碳含量。產(chǎn)物--固體：木炭

液體：粗木醋酸，包括200種以上有機物，酸類、醇類、醛類、酯類、酚類、芳香化合物、雜環(huán)化合物及胺類等。

氣體：CO2、CO、CH4、C2H4

和H2

4、生物質(zhì)直接液化技術(shù)生物質(zhì)在高壓下，直接與氫氣發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為液體燃料的熱化學(xué)反應(yīng)過程。一般需使用催化劑。熱解與液化的區(qū)別熱化學(xué)過程催化劑壓力/MPa主要產(chǎn)物熱解不需要0.1-0.5生物原油液化需要5-20液化油5、生物質(zhì)氣化技術(shù)氣化的基本原理1）氧化層C+O2—CO22C+O2--2CO2CO+O2--2CO22H2+O2—2H2O2）還原層C+H2O—CO+H2C+CO2—2COC+2H2—CH4

糠醛的生產(chǎn)HCCHC5H10O5CC糠醛OCHO

+3H2O糠醛：生產(chǎn)糠醛樹脂、糠醇樹脂、順丁烯二酸酐原料：玉米芯、棉籽殼、花生殼、甘蔗渣等。在反應(yīng)釜中用6%的稀硫酸做催化劑，通入蒸汽加熱，溫度180℃左右，壓力為0.6~1.0MPa，反應(yīng)5~8小時。6、典型化學(xué)品生產(chǎn)乙醇的生產(chǎn)原料：谷類、薯類及植物果實。經(jīng)蒸煮糊化，加水冷卻至60℃，加入淀粉酶使淀粉依次水解為麥芽糖和葡萄糖，再加入酵母使之發(fā)酵即得乙醇。2(C6H10O5)n→C12H22O11→2C6H12O6

（淀粉）（麥芽糖）（葡萄糖）

C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2產(chǎn)品分離與精制化學(xué)反應(yīng)原料預(yù)處理第二節(jié)化工生產(chǎn)過程及流程一、化工生產(chǎn)過程達(dá)到所需狀態(tài)和規(guī)格反應(yīng)類型、反應(yīng)器得到符合規(guī)格的產(chǎn)品回收利用副產(chǎn)物

二、化工生產(chǎn)工藝流程1、工藝流程原料需要經(jīng)過包括物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的一系列加工，才能轉(zhuǎn)變成所需產(chǎn)品，實施這些轉(zhuǎn)化需要有相應(yīng)的功能單元來完成，按物料加工順序?qū)⑦@些功能單元有機組合起來，則構(gòu)成工藝流程。將原料轉(zhuǎn)變成化工產(chǎn)品的工藝流程為化工生產(chǎn)工藝流程。工藝過程或工藝流程化工生產(chǎn)工藝流程反映了由若干個單元過程按一定的邏輯順序組合起來，完成從原料變?yōu)槟康漠a(chǎn)品的全過程。最簡單也最粗略的一種流程圖是方框流程圖：方框之間用帶箭頭的直線連結(jié)，代表車間或設(shè)備之間的管線連結(jié)，箭頭的方向表示物料流動的方向。簡易流程示意圖：以形象的圖像、符號和代號來表示化工設(shè)備、管道和主要附件等。帶控制點的工藝流程圖：一般包括生產(chǎn)裝置各層地平線及標(biāo)高、設(shè)備示意圖、設(shè)備流程號、物料及動力管線、主要閥件和管道附件、必要的計量控制儀表、圖例及標(biāo)題欄等。2、工藝流程圖（flowsheetorprocessflowsheet）

——用圖示方法表達(dá)工藝流程的圖樣。方框流程圖醋酸乙烯酯合成工序工藝醋酸乙烯酯合成工序工藝流程示意圖

（1）

推論分析法化工工藝過程的“洋蔥”模型反應(yīng)器分離與再循環(huán)換熱網(wǎng)絡(luò)公用工程3、化工生產(chǎn)工藝流程組織

從“目標(biāo)’出發(fā)，尋找實現(xiàn)此“目標(biāo)’的“前提”，將具有不同功能的單元進(jìn)行邏輯組合，形成一個具有整體功能的系統(tǒng)。例：合成氨工藝流程的組織目標(biāo)：生產(chǎn)NH3前提：確定加熱、加壓的措施，選擇或設(shè)計相應(yīng)設(shè)備和反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)；尋求生產(chǎn)純凈的H2、N2的方法。下一步：尋求生產(chǎn)粗原料氣的工藝，凈化工藝。把具有制氣功能、凈化功能和合成功能的單元以及相應(yīng)的輸送、換熱、壓縮、儲存等裝置組合起來。

—合成氨工藝流程氨合成流程原則上應(yīng)由原料氣的預(yù)處理、氨合成反應(yīng)和氨的分離三大系統(tǒng)組成，根據(jù)工藝過程的特點，應(yīng)配置未反應(yīng)氣體的循環(huán)系統(tǒng)。氨合成過程原則流程示意圖

不同功能單元的實施方法不同設(shè)備型式不同流程方案（2）功能分析法分析每個單元的基本功能和屬性，列出不同方案（3）形態(tài)分析法原則是否滿足所要求的技術(shù)指標(biāo)經(jīng)濟指標(biāo)的先進(jìn)性環(huán)境、安全和法律技術(shù)資料的完整性和可信度對不同流程方案精確分析評價，擇優(yōu)汰劣，選擇其中最優(yōu)方案。例：丙烯氨氧化制丙烯腈生產(chǎn)過程主反應(yīng)：

C3H6+NH3+1/2O2CH2=CHCN+H2O主要副產(chǎn)物：HCNCH3CN

如何從吸收塔底流出的水溶液中分離出丙烯腈和副產(chǎn)物呢？

方案一：將丙烯腈和各副產(chǎn)物同時從水溶液中蒸發(fā)出來，冷凝后再逐個精餾分離；丙烯腈與乙腈的沸點相近，普通精餾方法難于將它們分離。乙腈與水完全互溶，而丙烯腈在水中的溶解度很小，用水作萃取劑，使兩者精餾分離變得很容易。方案二：采用萃取精餾法先將丙烯腈和HCN解吸出來，乙腈留在水溶液中，然后再分離丙烯腈和HCN。形態(tài)分析法的一個重要判據(jù)——經(jīng)濟性例：硫酸生產(chǎn)流程的確定硫鐵礦（FeS2）→SO2→SO3→H2SO4

如果在濃硫酸吸收SO3后，剩余的SO2再氧化，由于產(chǎn)物SO3已被移出，反應(yīng)平衡向產(chǎn)物方向移動，最終有99.5%～99.8%的SO2轉(zhuǎn)化為SO3，再進(jìn)行第二次吸收，該工藝流程—“二次轉(zhuǎn)化二次吸收”流程。循環(huán)流程生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強度轉(zhuǎn)化率選擇性收率平衡轉(zhuǎn)化率和平衡產(chǎn)率第三節(jié)化工過程的主要效率指標(biāo)一、生產(chǎn)能力和生產(chǎn)強度

一個設(shè)備、一套裝置或一個工廠在單位時間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品量或處理的原料量。

單位：千克/時（kg/h）

噸/天(t/d)

萬噸/年(10kt/a)設(shè)計能力：設(shè)備或裝置在最佳條件下可以達(dá)到的最大生產(chǎn)能力。1、生產(chǎn)能力設(shè)備的單位體積（或面積）的生產(chǎn)能力。單位：kg/h·m3，t/d·m3，kg/h·m2，t/d·m2

2、生產(chǎn)強度時空收率用于比較那些相同反應(yīng)過程或物理加工過程的設(shè)備或裝置的優(yōu)劣。設(shè)備中進(jìn)行的過程速率高，其生產(chǎn)強度就高。單位：kg/h·m3，kg/h·kg即催化劑的生產(chǎn)強度，單位時間、單位體積（質(zhì)量）催化劑所得產(chǎn)品量。有效生產(chǎn)周期1、轉(zhuǎn)化率二、轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率（產(chǎn)率）表征原料的轉(zhuǎn)化程度，反映了反應(yīng)進(jìn)度。對于同一反應(yīng)，若反應(yīng)物不僅只有一個，那么，不同反應(yīng)組分的轉(zhuǎn)化率在數(shù)值上可能不同。反應(yīng)計算轉(zhuǎn)化率時，反應(yīng)物起始量的確定很重要。對于間歇過程，以反應(yīng)開始時裝入反應(yīng)器的某反應(yīng)物料量為起始量；對于連續(xù)過程，一般以反應(yīng)器進(jìn)口物料中某反應(yīng)物的量為起始量。但對于采用循環(huán)流程的過程來說，則有單程轉(zhuǎn)化率和全程轉(zhuǎn)化率之分。單程轉(zhuǎn)化率系指原料每次通過反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率全程轉(zhuǎn)化率又稱總轉(zhuǎn)化率，系指新鮮原料進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)到離開該系統(tǒng)所達(dá)到的轉(zhuǎn)化率。2、選擇性指體系中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的某反應(yīng)物量與參加所有反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的該反應(yīng)物總量之比，用符號S表示。表達(dá)主、副反應(yīng)進(jìn)行程度的大小，反映原料的利用是否合理。3、收率（產(chǎn)率）從產(chǎn)物角度來描述反應(yīng)過程的效率有循環(huán)物料時，也有單程收率和總收率之分總收率單程收率轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率的關(guān)系4、質(zhì)量收率投入單位質(zhì)量的某原料所能生產(chǎn)的目的產(chǎn)物的質(zhì)量無副反應(yīng)體系S=1，故Y在數(shù)值上等于X，X越高則收率越高；有副反應(yīng)體系S<1，希望在S高的前提下X盡可能高。Y=SX例:乙烷脫氫生產(chǎn)乙烯時，原料乙烷處理量為8000kg/h，產(chǎn)物中乙烷為4000kg/h，獲得產(chǎn)物乙烯為3200kg/h，求乙烷轉(zhuǎn)化率、乙烯的選擇性及收率。

解：乙烷轉(zhuǎn)化率=（8000-4000）/8000*100%=50%乙烯的選擇性=（3200*30/28/4000*100%=85.7%乙烯的收率=50%*85.7%*100%=42.9%例：丙烷脫氫生產(chǎn)丙烯時，原料丙烷處理量為3000kg/h，丙烷單程轉(zhuǎn)化率為70%，丙烯選擇性為96%，求丙烯產(chǎn)量。解：丙烯產(chǎn)量=3000*70%*96%*42/44=1924.4(kg/h)5、平衡轉(zhuǎn)化率和平衡產(chǎn)率可逆反應(yīng)能達(dá)到的極限值。可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時的轉(zhuǎn)化率稱為平衡轉(zhuǎn)化率，此時所得產(chǎn)物的產(chǎn)率為平衡產(chǎn)率。

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，正反應(yīng)速率降低，逆反應(yīng)速率升高，所以凈反應(yīng)速率不斷下降直到零。

在實際生產(chǎn)中應(yīng)保持高的凈反應(yīng)速率，不能等待反應(yīng)達(dá)平衡，故實際轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率比平衡值低。若平衡產(chǎn)率高，則可獲得較高的實際產(chǎn)率。一、溫度的影響溫度對化學(xué)平衡的影響

對于不可逆反應(yīng)不需考慮化學(xué)平衡，而對于可逆反應(yīng)，其平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系為:吸熱反應(yīng)

ΔH0＞0，K值隨著溫度升高而增大，有利

于反應(yīng)，產(chǎn)物的平衡產(chǎn)率增加；放熱反應(yīng)

ΔH0＜0，K值隨著溫度生高而減小，平衡

產(chǎn)率降低。降低溫度才能使平衡產(chǎn)率增高。第四節(jié)反應(yīng)條件對化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響溫度對反應(yīng)速率的影響

反應(yīng)速率是指單位時間、單位體積某反應(yīng)物組分的消耗量，或某產(chǎn)物的生成量。其反應(yīng)速率方程為k總是隨溫度的升高而增加不可逆反應(yīng)，產(chǎn)物生成速率隨溫度的升高而加快可逆吸熱反應(yīng)，凈速率隨溫度的升高而增高可逆放熱反應(yīng)，在最佳反應(yīng)溫度下凈反應(yīng)速率最大二、濃度的影響

反應(yīng)物濃度越高，越有利于平衡向產(chǎn)物方向移動。

使價廉易得的反應(yīng)物過量，可以使價貴或難得的反應(yīng)物更多地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，提高其利用率。反應(yīng)物濃度愈高，反應(yīng)速率愈快。

反應(yīng)初期，反應(yīng)物濃度高，反應(yīng)速率大，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，末期反應(yīng)物濃度降低，反應(yīng)速率下降?？赡娣磻?yīng)，反應(yīng)物濃度與其平衡濃度之差是反應(yīng)的推動力，推動力愈大則反應(yīng)速率愈高。反應(yīng)過程中不斷從反應(yīng)區(qū)域取出生成物，使反應(yīng)遠(yuǎn)離平衡，既保持了高速率，又使平衡不斷向產(chǎn)物方向移動，是提高產(chǎn)率的有效方法之一。三、壓力的影響壓力對反應(yīng)平衡的影響對固相和液相反應(yīng)的影響：影響較小對氣相反應(yīng)平衡的影響①分子數(shù)增加的反應(yīng)，降低壓力可以提高平衡產(chǎn)率；②分子數(shù)減少的反應(yīng)，壓力升高，產(chǎn)物的平衡產(chǎn)率增大；③分子數(shù)沒有變化的反應(yīng)，壓力對平衡產(chǎn)率無影響。壓力對氣相反應(yīng)速率的影響一定的壓力范圍內(nèi)加壓，對加快反應(yīng)速率有一定好處，但壓力過高，反而不經(jīng)濟惰性氣體對反應(yīng)速率和平衡產(chǎn)率的影響惰性氣體的存在，降低反應(yīng)物的分壓，對反應(yīng)速率不利，但有利于分子數(shù)增加的反應(yīng)的平衡四、停留時間的影響停留時間是指物料從進(jìn)入設(shè)備到離開設(shè)備所需要的時間，若有催化劑存在指物料與催化劑的接觸時間，單位用秒（S）表示。

一般停留時間越長，原料轉(zhuǎn)化率越高，產(chǎn)物的選擇性越低，設(shè)備的生產(chǎn)能力越小，空速越小；反之亦然。第五節(jié)反應(yīng)過程的物料衡算和熱量衡算一、反應(yīng)過程的物料衡算1、物料衡算基本方程式2、間歇操作過程的物料衡算以每批生產(chǎn)時間為基準(zhǔn)輸入物料量

每批投入的所有物料質(zhì)量的總和（包括反應(yīng)物、溶劑、充入的氣體、催化劑等）輸出物料量

該批卸出的所有物料質(zhì)量的總和（包括目的產(chǎn)物、副產(chǎn)物、剩余反應(yīng)物、抽出的氣體、溶劑、催化劑等）

投入料總量與卸出料總量之差為殘存在反應(yīng)器內(nèi)的物料量及其他機械損失。

3、穩(wěn)定流動過程的物料衡算系統(tǒng)中各點的參數(shù)（溫度、壓力、濃度和流量等）不隨時間而變化，系統(tǒng)中沒有積累穩(wěn)定流動過程的物料衡算式為:組分衡算原子衡算4、物料衡算步驟①繪出流程的方框圖，以便選定衡算系統(tǒng)。②寫出化學(xué)反應(yīng)方程式并配平之。③選定衡算基準(zhǔn)。④收集或計算必要的各種數(shù)據(jù)。⑤設(shè)未知數(shù)，列方程式組，聯(lián)立求解。⑥計算和核對。⑦報告計算結(jié)果。衡算原理：輸入能量=輸出能量+累計能量