第一章绪论 第一节化学工艺学研究范畴 化学工业 Chemical Industry)泛指生产过程中化学方法占主要地位的制造工业 化学工艺( Chemical Technology)即化工生产技术,系指将原料物质主要经过化学反应 转变为产品的方法和过程,包括实现这种转变的全部化学的和物理措施 化学、物理和其 研究、综合、利用不同化工 他科学的成就 原料生产产品的方法原理 操作条件、流程、设备、原 技术先进 化工生产工艺 经济合理 生产安全 绿色环保 原料:选择和预处理;其它物料的影响。 生产方法:生产方法的选择及方法原理 催化剂的选择和使用。 设备:设备的作用、结构和操作 化工工艺学研究范畴 工程:流程组织 控制:生产控制;操作条件的影响和选定 质量:产品的规格和副产物的分离与利用 能量:能量的回收和利用 效益:对不同工艺路线和流程的技术经济评价 化学工业 化学工艺学化学工程学 化工生产工艺 化学工艺及其他过程中进行的化学 解决化工过程开发,过程和物理过程的共同规律 装置设计流程组 操作原理及方法等 方面的问题 第二节化学工业的历史和作用 生产、生活—化学工业 社会文明
第一章 绪论 第一节 化学工艺学研究范畴 化学工业(Chemical Industry)泛指生产过程中化学方法占主要地位的制造工业。 化学工艺(Chemical Technology)即化工生产技术，系指将原料物质主要经过化学反应 转变为产品的方法和过程，包括实现这种转变的全部化学的和物理措施。 化工生产工艺 化工工艺学研究范畴 化学工业 化学工艺学 化工生产工艺 发展 提高 完善 壮大 解决化工过程开发, 装置设计流程组织, 操作原理及方法等 方面的问题 化学工艺及其他过程中进行的化学 过程和物理过程的共同规律 化学工程学 第二节 化学工业的历史和作用 生产、生活 化学工业 社会文明 化学、物理和其 他科学的成就 ＋ 研究、综合、利用不同化工 原料生产产品的方法原理、 操作条件、流程、设备、原 技术先进 经济合理 生产安全 绿色环保 原料：选择和预处理；其它物料的影响。 生产方法：生产方法的选择及方法原理； 催化剂的选择和使用。 设备：设备的作用、结构和操作 工程：流程组织 控制：生产控制；操作条件的影响和选定 质量：产品的规格和副产物的分离与利用 能量：能量的回收和利用 效益：对不同工艺路线和流程的技术经济评价
18世纪以前 作坊式手工 冶炼、陶瓷、酿造 18世纪初 工业化 铅室法硫酸厂 1791年 工业化 路布兰法制碱 产业革命 洗涤、结晶、过滤、干燥、煅烧等单元过程 19世纪末~20世纪初 工业化 接触法制硫酸 索尔维法(氨碱法)制碱 无机化工和煤化工初具规模—化学合成时代(染料、农药、医药、香料) 20世纪初 工业化 合成氨→氮肥、炸药 催化工业 石油和天然气的开发和利用 卡大量廉价的化工原料 1920年 丙烯水合生产异丙醇工业化 石油化工兴起 1940年 管式炉裂解制乙烯,临氢重整生产芳烃石油化工发展壮大 天然高分子加工、改性 以煤焦油和电石乙炔为原料的合成 高分子化工 1931年氯丁橡胶 以石油、天然气为基础的单体原 料聚合 1937年聚己二酰己二胺 1950年橡胶、纤维、塑料 合成材料时代 精细化工,新材料的开发和应用,高性能碳纤维、陶瓷、金属基树脂等复合结构材料 信息材料,纳米材料和高温超导材料,生物化工具有较强的生命力。 美国43%德国6.1%法国52%日本3.2%中国10.71% 第三节现代化工的特点和发展方向 特点: ◆原料、生产方法和产品的多样性与复杂性; ◆向大型化、综合化发展,精细化率也在不断提高 ◇多学科合作,生产技术密集 自动化、机械化 智能化 ◇重视能量合理利用,积极采用节能工艺和方法 ◆资金密集,投资回收速度快,利润高; ◆安全、环保、绿色 方向 绿色化工,生物质原料 第四节化工生产过程及流程 化工生产过程
18 世纪以前 作坊式手工 冶炼、陶瓷、酿造 18 世纪初 工业化 铅室法硫酸厂 1791 年 工业化 路布兰法制碱 产业革命 洗涤、结晶、过滤、干燥、煅烧等单元过程 19 世纪末～20 世纪初 工业化 接触法制硫酸 索尔维法(氨碱法)制碱 无机化工和煤化工初具规模 化学合成时代（染料、农药、医药、香料） 20 世纪初 工业化 合成氨 氮肥、炸药 催化工业 石油和天然气的开发和利用 大量廉价的化工原料 1920 年 丙烯水合生产异丙醇工业化 石油化工兴起 1940年 管式炉裂解制乙烯，临氢重整生产芳烃 石油化工发展壮大 精细化工，新材料的开发和应用，高性能碳纤维、陶瓷、金属基树脂等复合结构材料， 信息材料，纳米材料和高温超导材料，生物化工具有较强的生命力。 美国 4.3% 德国 6.1% 法国 5.2% 日本 3.2% 中国 10.71% 第三节 现代化工的特点和发展方向 特点： 原料、生产方法和产品的多样性与复杂性； 向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高； 多学科合作，生产技术密集； 自动化、机械化 智能化 重视能量合理利用，积极采用节能工艺和方法； 资金密集，投资回收速度快，利润高； 安全、环保、绿色； 方向； 绿色化工，生物质原料 第四节 化工生产过程及流程 一、 化工生产过程 高分子化工 天然高分子加工、改性 以煤焦油和电石乙炔为原料的合成 以石油、天然气为基础的单体原 料聚合 1931 年 氯丁橡胶 1937 年 聚己二酰己二胺 1950 年 橡胶、纤维、塑料 合成材料时代
原料预处理—反应 产品分离及精制x 改变状态及规格温度浓度,压力催化剂精馏、吸收、萃取、吸附、干燥等 设备 破碎、过筛、加热、汽 设各 脱除杂质 应特性(相态继催化(结柳速作换 化工生产工艺流程 物质和能量转换 化工产品 功能单元 有机组合 工艺流程 〔推论分功能分明(形态分(他方法 推论分析:由“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。 合成氨合成气制气、净化、合成(换热、输送、压缩、储存) 功能分析:研究每个单元的基本功能和基本属性,然后组成几个相同整体功能的可比 较方案以供选择。 天然气了间歇气化 制气单元 连续气化:块煤气化(鲁奇法)、粉煤气化(K-T法)、水煤浆气化(德士古法) 轻油/渣油 形态分析:对每种可供选择的方案进行精确的分析和评价,利用判据进行择优选择 技术、经济、环保
原料预处理 反应 产品分离及精制 改变状态及规格 温度,浓度,压力,催化剂 设备 破碎、过筛、加热、汽化 脱除杂质 精馏、吸收、萃取、吸附、干燥等 反应 设备 反应特性 相态 催化 结构 操作 换热 二、 化工生产工艺流程 原料 物质和能量转换 化工产品 功能单元 有机组合 工艺流程 推论分析 功能分析 形态分析 其他方法论 推论分析：由“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。 合成氨 合成气 制气、净化、合成（换热、输送、压缩、储存） 功能分析：研究每个单元的基本功能和基本属性，然后组成几个相同整体功能的可比 较方案以供选择。 形态分析：对每种可供选择的方案进行精确的分析和评价，利用判据进行择优选择。 技术、经济、环保 制 天然气 气 单 元 煤 轻油/渣油 间歇气化 连续气化：块煤气化(鲁奇法)、粉煤气化(K-T 法)、水煤浆气化(德士古法)
冷水(5~10℃) 冷凝器 HCN 空气一-反应中和一收 水相游 相「分离 取 制—一丙烯腈 水溶液 再沸器 乙睛水溶液(去乙腈回收装量) 萃取精馏法分离回收丙烯腈的流程示意图 循环丙烯 丙烯 水一压缩 分离一精制一→异丙醇 L催化剂溶液 丙烯液相水合制异丙醇流程方框图 2FeS+72O2- Fe,O3+ 2SO SO2=0-SO3(98%995-998%二次) SO3 +H,O- H2SO4 第五节有机化工的内涵 有机化工是一门以生产有机化工原料为主要产品的基础化学工业 物理 有机物—三烯、三苯、乙炔、萘、蒽及其衍生物 化学 中间产品 三大合成材料及其它 有机化工的原料均为能源物质,因而随着能源结构的转化,经历了三个不同的阶段 正向第四个阶段发展。 农副产物 石油、天然气 石油化工大体分为原料加工、基础原料加工、中间产品加工、“最终”产品加工四个过程
2FeS + 7/2O2 Fe2O3 + 2SO2 SO2 SO3 (98%,99.5~ 99.8%二次) V2O5 SO3 + H2O H2SO4 第五节 有机化工的内涵 有机化工是一门以生产有机化工原料为主要产品的基础化学工业。 有机化工的原料均为能源物质，因而随着能源结构的转化，经历了三个不同的阶段， 正向第四个阶段发展。 石油化工大体分为原料加工、基础原料加工、中间产品加工、“最终”产品加工四个过程。 有机物 物理 化学 三烯、三苯、乙炔、萘、蒽及其衍生物 产 品 中 间 产 品 三大合成材料及其它 农副产物 煤 石油、天然气
天然气一~(脱水、脱酸性气体、烷烃分离)→-C20,C3,C9 原料加工 原油一 〔蒸馏、催化、重整、加氢→一石脑油、柴油、加氢尾油、重整油 H2和CO-NH2,CH2OH 基本原料加工一题一烯烃一C2CC:丁二烯 抽提。苯、甲苯、二甲苯等苯的同系物 CH3OH, HCHO, C2HSOH, CH3 CHO, CH3 COOH, CH2-CH2, H2-CH-CH3 中间产品加_氧化加氢、羧基化 烷基化,酰化 CH3-CH-CH3 CH2-CH-CH2, CH3 CCH3, CH3 CH2 CH2CH2OH OH OH OH 最终产品加工 三大合成材料、合成洗涤剂及其它 石油化工大多数中间产品均以烯烃和芳烃为原料,烯烃和芳烃约占石化原料的80% 以上。除由重整生产芳烃及从FCC家族技术回收C3、C4外,其余主要由烃类热裂解生产 烃类热裂解在生产乙烯的同时付产大量的丙烯、丁烯和BTX、以三烯、三苯总量计约67% 来自烃类热裂解。 聚乙烯、聚丙烯、氯乙烯,环氧乙烷、乙酸、乙二醇、苯乙烯99 聚丙烯、丙烯腈、苯酚、丙酮、异丙醇、环氧丙烷 50%~70% 丁二烯、顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶 异丁烯丁基橡胶、甲基丙烯酸甲酯 60% 丁烯 55% BTX 30% 第六节有机化工的原料及产品 原料 1、煤及其化工利用 煤的元素组成 种类 元素分析% H 煤 60~70 23~25 褐煤 70~80 5~6 15~25 烟煤 无烟煤
原料加工 天然气 原油 脱水、脱酸性气体、烷烃分离 蒸馏、催化、重整、加氢 石脑油、柴油、加氢尾油、重整油 C2 0 ，C3 0 ，C4 0 基本原料加工 汽化 裂解 抽提 苯、甲苯、二甲苯等苯的同系物 烯烃 丁二烯 H2 CO 和 NH3, CH3OH C2 = ,C3 =,iC4 = 中间产品加工 氧化,加氢、羧基化 烷基化,酰化 CH3OH,HCHO,C2H5OH,CH3CHO,CH3COOH,CH2-CH2,CH2-CH-CH3 CH3-CH-CH3,CH2-CH-CH2,CH3CCH3,CH3CH2CH2CH2OH, O OH OH O OH OH O 石油化工大多数中间产品均以烯烃和芳烃为原料，烯烃和芳烃约占石化原料的 80% 以上。除由重整生产芳烃及从 FCC 家族技术回收 C3 = 、C4 = 外，其余主要由烃类热裂解生产， 烃类热裂解在生产乙烯的同时付产大量的丙烯、丁烯和 BTX、以三烯、三苯总量计约 67% 来自烃类热裂解。 C2 = 聚乙烯、聚丙烯、氯乙烯，环氧乙烷、乙酸、乙二醇、苯乙烯 99% C3 = 聚丙烯、丙烯腈、苯酚、丙酮、异丙醇、环氧丙烷 50％～70% 丁二烯 、顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶 90% 异丁烯 丁基橡胶、甲基丙烯酸甲酯 60% 丁烯 55％ BTX 30% 第六节 有机化工的原料及产品 一、原料 1、煤及其化工利用 煤的元素组成 种类 元素分析% C H O 泥煤 60~70 5~6 23~25 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 最终产品加工 三大合成材料、合成洗涤剂及其它 聚合
煤焦油(3%4.5%) 01气体产物+固体产物(0%780)氨025%035%) 冷却洗涤 粗苯(.8%-14% 焦炉煤气(15%-19%) 煤 生秒Cac2--CHCH H2O和/或 水煤气一一CO+H 液体燃料(催化加氢法,溶剂萃取法,热裂解法) C+HO=CO+H △HB=118798 KJ/Mol C+H,o=C0,+2H, AH@=75.222KJ/Mol CO2+C 2C0 △H=162.374 KJ/MOI CO+H20=02+H2 350~400 Cao+3C CaC2+Co 2 He=468. 832KJ/Mol CaC, +H,O C2H2 +Ca(OH) AH0=138.138KJ/Mol 2、石油及其化工利用 (蒸汽转化}一合成气 石油 〔析油→裂解原料c2 稳定与回叱 油田气 裂解原料 C 常压蒸馏 碱压蒸馏yc 催化裂化 LPG→C3nC4iC 催化重整 裂解原料 氢裂化口加氢尾油 裂解原料 3、天然气及其化工利用
煤 干馏 高温干馏(焦化) 中温干馏 低温干馏 冷却,洗涤 气体产物+固体产物(70%~78%) 煤焦油(3%~4.5%) 氨(0.25%~0.35%) 粗苯(0.8%~1.4%) 焦炉煤气(15%~19%) 生石灰 汽化 液化 水煤气 CaC2 CH CH CO+H2 液体燃料(催化加氢法,溶剂萃取法,热裂解法) H2O O 和／或 2 900~1100 °C °C °C 700~900 500~700 °C °C 350~400 2200 C + H2O CO + H2 C + H2O CO2 + 2H2 CO2 +C 2CO CO +H2O CO2 +H2 CaO + 3C CaC2 +CO CaC2 +H2O C2H2 +Ca(OH)2 Hθ Hθ Hθ Hθ Hθ =118.798KJ/Mol =75.222KJ/Mol =162.374KJ/MOl =468.832KJ/Mol =138.138KJ/Mol Fe3O4 2、石油及其化工利用 石油 稳定与回收 原油 常压蒸馏 碱压蒸馏 加氢裂化 凝析油 油田气 炼厂气 催化裂化 催化重整 裂解原料 蒸汽转化 合成气 加氢尾油 干 气 n-C4 0 ,i-C4 0 C1 0 C2 0 C3 0 C4 0 C5 0 C3 =,n-C4 =,i-C4 0 LPG B.T.X AR VR 重柴油 轻汽油 煤油+轻柴油 裂解原料 裂解原料 裂解原料 VGO 3、天然气及其化工利用
伴生气(油田气) 天然气 纯气田天然气 非伴生气 凝析气田天然气 干气C5+10×10m3m3 富气C3*>100×10°m3/m3 CO+—CH3OH高级醇、氨、尿素 CH4 - CHCH 炭黑、氢氰酸、氯代甲烷 氧化CH3CHO →CH3COOH顺丁烯二酸酐 4、生物质及其化工利用 淀粉: (CHO5n+nH2O-淀粉酶 BmCH12O的→2nc2HOH+2nCO2Q=11Jmol 1lcnO)+9n1O水塑CBH1QO已糖)-两图6nCH1(CH)OH +4nCH3 COCH3 +2nC2HSOH +26nCO 16nH 丁醇:丙酮:乙醇(ω/ω)=6:3:1丙丁菌的特异性保证均为正丁醇 纤维素和半纤维素 (C6H10O3)n+nH2O-nC6H12O6(己糖 nC2HS OH+ 2nCO 多缩己糖 (CsHgO4)n- -CsH1oO5 +3H2O C-CHO 多缩戊糖 戊糖 阿拉伯糖10% 木糖90% CsH12O5木糖醇 产品 1、天然气化工产品
干气 湿气 贫气 富气 C3 + 100 10-6m3 /m3 C5 +10 10-6m3 /m3 高级醇、氨、尿素 炭黑、氢氰酸、氯代甲烷 CH4 CO +H2 CH3OH CH CH C2 = C2 0 C3 0 C4 0 C3 = 顺丁烯二酸酐 1，3二丁烯 裂解 氧化 脱氢 C3 0 氧化 C4 0 CH3CHO CH3COOH 4、生物质及其化工利用： 淀粉： (C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6 2nC2H5OH + 2nCO2 淀粉酶 水解 丙酮-丁醇酶 发酵 酵母菌 11(C6H10O5) + 9nH2O C6H12O6(己糖) 6nCH3(CH2)3OH +4nCH3COCH3 +2nC2H5OH +26nCO2 + 16nH2 Q= 113kJ/mol 丁醇：丙酮：乙醇（ω/ω）=6：3：1 丙丁菌的特异性保证均为正丁醇 纤维素和半纤维素 酵母菌 (C6H10O5) n + nH2O nC6H12O6(己糖) 2nC2H5OH + 2nCO2 多缩己糖 (C5H8O4)n C5H10O5 HC HC O C-CHO CH + 3H2O H2SO4(6%),180 0.5~ 1MPa,固液比1:0.45 °C 多缩戊糖 戊糖 阿拉伯糖10% 木糖 90% 木糖醇 H2 ,Ni C5H12O5 二、 产品 1、 天然气化工产品 伴生气（油田气） 非伴生气 纯气田天然气 凝析气田天然气 天 然 气
2、合成气化工产品 3、乙烯系列产品 4、乙炔系列产品 5、丙烯系列产品 6、碳四和碳五系列产品 7、芳烃合成产品 8、生物质合成产品
2、 合成气化工产品 3、 乙烯系列产品 4、 乙炔系列产品 5、 丙烯系列产品 6、 碳四和碳五系列产品 7、 芳烃合成产品 8、 生物质合成产品
