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化工工艺学基础

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1 / 21 第二章 化工工艺学基础

第一节 化工生产过程及流程

第二节 原料路线的选择及原料预处理

第三节 化工原料资源

第四节 反应过程

第五节 产物的分离与纯化

第六节 产品的包装及后加工

第七节 三废处理

[例]丙烯氨氧化制丙烯腈生产过程

主反应：

C3H6+NH3+1/2O2 CH2= CHCN + H2O

主要副产物： HCN CH3CN

Q ?

如何从吸收塔底流出的水溶液中分离出丙烯腈和副产物呢？

方案一：将丙烯腈和各副产物同时从水溶液中蒸发出来，冷凝后再逐个精馏2.1.2 化工过程的主要效率指标

生产能力和生产强度

化学反应的效率——合成效率

转化率 选择性 收率

平衡转化率和平衡产率

生产能力

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处理的原料量

单位 千克/时（kg/h）

吨 /天 (t/d)

万吨/年 (10kt/a)

？设计能力：

设备的单位体积（或面积）的生产能力 2 / 21 单位： kg/h·m3，t/d·m3

kg/h·m2，t/d·m2

转化率

选

择

性

从产物角度来描述反应过程的效率

第二节 原料准备和预处理

2.2.1 原料对化工生产的影响

原料：种类、纯度、来源、储运、价格、安全、杂质种类和含量

1 、原料铺料对产品质量的产生影响

• NFM生产：吗啉+甲酸，吗啉+甲酸甲酯

• 吗啉+CO+H2 吗啉+带α-氢醛

• 芳烃：焦化苯、石油苯

• 如顺丁二烯橡胶合成时，对丙二烯含量不允许超过40x10-6mg/L,而炔烃含量不超过20 x10-6mg/L 。

• 合成氨：煤炭、天然气、重油

2．原料影响到副产物的生成与分离

• 使用不同的原料或同一种原料不同的品质( 等级) ，对反应中副产物的生成影响很大。

• 例如用甲烷氯化法制取一氯甲烷，可以控制氯的比例来提高CH3Cl含量，但产物中有为数不少的二氯甲烷、三氯甲烷、要使它与一氯中烷分离，困难。如果原料改用个甲醇和氯化氢，那生成物主要是一氯甲3 / 21 烷，副产物儿乎没有。

用氟萤石(CaF2) 和浓硫酸制取无水氟化氢，萤石的品位实际上不直接影响到产品的质量， 但碳酸盐、SiO2 等的存在影响产量和产物的分离难度。

• 甲乙酮的生产，丁烯中异丁烯含量高则产生很多叔丁醇，使甲乙酮收率降低，后续精制难度增加。

由于使用不同原料、辅料、添加剂、催化剂，影响到副产物生成酌量和副产物种类的例子实在人多。催化剂是化工生产中常用的辅料，它的存在和使用，不仅改变反应速率，还有选择性问题，选择性直接关系到控制副产物、副反应。如仲丁醇脱氢制甲乙酮：脱氢催化剂选择性86% 左右。

3、原料和原料路线对工艺流程的影响及原料路线的选择

• 原料路线影响：

• 几乎影响到工艺流程每个步骤：

• 原料准备、反应、分离、三废处理、公用工程、自控产品成本、产品质量，影响销售和利润！ money！

• 当某一个化工产品有两种以上的原料路线时，只有确定了原料路线，才能研究流程。不同的原料路线，有不同的反应过程和不同的工艺流程，涉及到反应装置．分离过程和装置，原材料消耗水平等，因此，研究原料路线是研究工艺流程的至为重要的一环。

原料除了直接影响到工艺合成路线之外，还会给化工生产带来很多影响，比如原料的来源问题，储存和运输的问题，原料的供应渠道问题，价格问题，原料本身的毒性问题，因而造成各种风险如供应风险、价格风险、安全风险和工艺风险等等。 对于产品的质量保证体系来说，原料的品位(纯度、杂质的种类、杂质的含量)和稳定，是一个重要环节。原料的品位不同，不仅直接影响到消耗定额而且对产品的质量有深刻影响。因此，原料在化工生产中的地位十分重要。

2.2.2 原料路线的选择

1、反应的要求

• （1）纯度

• （2）杂质含量和处理方法

• （3）预处理成本

• （4）对产品品质的影响 4 / 21 • 2、环境、安全、生态

• 3、经济

• （1）来源

• （2）价格

• （3）能耗

• （4）未来发展

原料路线的选择：首先要满足生产产品的质量需要，同时希望反应条件尽量要求容易，不要过高的温度和压力，不要过多的辅助材料和添加剂，反应过程的步骤尽量短而少，能用一步法的尽量不用两步法和分步法，反应产物中非目的产物尽量少而且易于分离．不产生三废或易于治理等等。

—— 质量、条件、原材料、能耗、复杂性、地域、来源、价格、生态、环保

• —— 先进、合理、安全、经济为综合指标，加以认真评估。

• —— 原料路线要进行经济评估和风险分析。

原料路线的选择：首先要满足生产产品的质量需要，同时希望反应条件尽量要求容易，不要过高的温度和压力，不要过多的辅助材料和添加剂，反应过程的步骤尽量短而少，能用一步法的尽量不用两步法和分步法，反应产物中非目的产物尽量少而且易于分离．不产生三废或易于治理等等。

2.2.3 原料的预处理

• 1 、原料预处理的原则

• （1） 满足工艺要求；

• （2 ）简便可靠； 5 / 21 • （3 ）充分利用反应和分离过程的余热；

• （4 ）尽量不要产生新的污染，不要造成损失；

• （5 ） 研究和采用先进技术；

• （6 ）投资节省，设备维护简便；在满足工艺、尽量简化，通用化；

• （7 ）尽量分工由生产厂家精制。

• 原料对于生产原料的厂家来说，就是他们的产品，产品在生产大多数情况下，比使用厂家另砌炉灶进行精制净化要省事．

2、原料的预处理方案设计

• 根据原料要求:纯度、杂质含量、外观（粒度、颜色）等选定处理工艺：

第三节 原料资源及其加工

 石油

 天然气

 煤

 生物质

 空气

 水

2.3.1 石油及其加工利用

 石油化工自20世纪50年代开始蓬勃发展

 基本有机化工、高分子化工、精细化工及氮肥工业等的产品中大约有90%来源于石油和天然气

三烯——乙烯、丙烯、丁二烯

石油制取

三苯——苯、甲苯、二甲苯

石油、天然气和煤制取

1. 石油的组成

 由分子量不同、组成和结构不同、数量众多的化合物构成的6 / 21 混合物，其中化合物的沸点从常温到500℃以上

 石油中的化合物分为

烃类 非烃类

胶质和沥青

• 烃类化合物

非烃化合物

胶质和沥青质

2. 油品的概念

根据沸程的不同，将石油分类

来源

常减压蒸馏（一次加工）得到直馏汽油 催化裂化重整（二次加工）得到催化汽油

• 辛烷值 汽油在内燃机中燃烧时，抗爆震性能的指标。辛烷值越大，抗爆震性能愈高，汽油的质量也愈好 测定方法：研究法(RON)、马达法(MON)

将异辛烷规定为100，正庚烷为0，两者以不同比例混合，制成标准汽油。将待测汽油与标准汽油相比较，若两者在标准汽油机中炕爆性能相同，则待测汽油的辛烷值就是同测标准汽油中异辛烷的百分含量

93＃ ？ 90＃

评定柴油发火性能（自燃性）的指标

定义：在单缸发动机中，当试验油料的自燃性和十六烷与2－甲基萘某一混合物的自燃性能相同时，待测油7 / 21 料的十六烷值就和混合油料中十六烷值的体积百分数相同

 馏程闪点：评定柴油蒸发性能的指标，主要是50%和90%的馏出温度

 凝点：在规定的实验条件下，试样开始失去流动性的温度

 冷滤点：通过过滤器的流量每分钟不足20mL时的最高温度

利用原油中各组分沸点的差别进行分离

常压蒸馏

减压蒸馏

• 催化重整 （catalytic reforming）

催化裂化 (catalytic cracking)

催化加氢裂化 (catalytic hydrocracking)

烃类热裂解 （pyrolysis of hybrocarbons）

天然气 主要成分是甲烷

干气 甲烷含量高于90%

湿气 C2~C4烷烃含量≥15%~20%

 油田伴生气 天然气于石油伴生

 煤层气（瓦斯气） 吸附在煤上的甲烷

 天然气水合物 冻土带和海底甲烷与水组成的笼形化合物

制氢气和合成氨 经合成气路线制燃料和化工产品

 直接催化转化成化工产品

 热裂解制化工产品

 甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化 8 / 21  湿气中C2 ~ C4烷烃的利用

• 煤(coal) 由含碳、氢的多种结构的大分子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无机矿物质组成

• 成煤过程的程度不同分为

泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤

• H% O%含量顺序

泥煤>褐煤 > 烟煤>无烟煤

高温干馏（炼焦）

 低温干馏

 煤气化

 煤液化（直接液化 间接液化）

煤

糠醛的生产

第四节 反应过程与优化

• 2.4.1 反应过程研究

2.4.1.1 反应过程分类

• 1. 按反应特性分：

• 简单反应（只生成一个特定产物）、复杂反应（平行反应、连串反应、平行——连串反应、共轭反应）

• 可逆反应、不可逆反应

单分子反应、双分子反应、多分子反应、

• 零级反应、一级反应、二级反应、分数级反应

• 吸热反应、放热反应

• 均相反应、非均相反应

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化工工艺设计必备知识

化工工艺设计必备知识

化工工艺设计必备知识

《化工工艺设计》讲座

1. 概述

1.1 要建设一个化工厂，必须具有一批化工工艺专业技术人员，这批化工工艺专业技术人员必须具备下列基本条件。

 掌握化工基本理论

如化工热力学、流体力学、传热、传质、化学反应动力学（化学反应工程）。

 掌握化工工艺设计方法和技能

工艺设计的任务、设计范围、工艺设计人员职责。

化工基本理论的应用（化工设计方法）。

工艺设计基本程序（工艺设计技能）。

工艺设计的成品文件（内容及深度）。

工艺设计的质量保证程序。

 熟悉环保、安全、消防等方面的法规，如：

HG20667-1986 化工建设项目环境保护设计规定

SH3024-95 石油化工企业环境保护设计规范

HG20571-95 化工企业安全卫生设计规定

SH3047-93 石油化工企业职业安全卫生设计规范

GBJ16-87(2001版) 建筑设计防火规范

GB50160-92(1999版) 石油化工企业设计防火规范

GB50058-92 爆炸和危险性环境电力装置设计规范 一定的工作经验

1.2 化工建设项目阶段

1.2.1 建设项目阶段的划分以工程公司为主体，通常分为三个阶段

项目前期

项目建议书 → 批准后即为立项

可行性研究报告 → 批准后即可展开工程设计

工程设计

按国内审批要求分为： 初步设计 → 批准后建设单位即可开工。

施工图设计

按国际常规做法分为： 工艺设计

基础设计

详细设计

 施工、安装、试车、性能考核及国家验收（验收后工厂投入正常运行）

1.2.2 建设项目阶段的划分以建设单位为主体，通常分为四个阶段

 项目前期

工程设计

工程建设

工厂投入生产

2. 工艺设计的内容和深度

2.1 工艺设计的文件包括三大内容：

文字说明（工艺说明） 图纸

表格

2.1.1 文字说明（工艺说明）

 工艺设计的范围。

设计基础：生产规模、产品方案、原料，催化剂，化学品，公用工程燃料规格、产品及副产品规格。

化学工程与工艺专业

化学工程与工艺专业

化学工程与工艺专业

化学工程与工艺专业所依托的本校“化学工程与技术”是国家首批一级重点学科，在第四轮学科评估为A，是国家“211工程”和国家“优势学科创新平台”建设的重点学科，享誉国内外。

本专业不仅是国家特色专业建设点，也是北京市特色专业建设点，本专业于2010年首批入选教育部“卓越工程师教育培养计划”。

富有特色的工程教育使得本专业于2007年首批通过教育部工程教育认证，是全国第3个通过工程认证的化学工程与工艺专业，有效期3年。经过不断改进与完善，于2010年第二次通过认证，有效期3年；2013年6月我国加入《华盛顿协议》，同年第三次通过工程教育专业认证，有效期6年。本专业将于2019迎来第四次工程教育认证。

本专业学生通过物理化学、化工原理、化学反应工程、化工热力学、化工系统工程、化工设计等课程的学习，认识大型装置中物料的流动、传热、传质等物理过程及规律，掌握化工产品开发、设备与工艺设计、控制操作以及系统集成的相关理论和方法，储备解决化工生产过程中工程放大效应的知识。

本专业拥有严格的理论学习和工程实践双重能力培养的教学体系；以培养德、智、体、美全面发展，具有良好素质和科学与专业基础知识，能够从事化学工业领域的产品研制与开发、装置设计、生产过程的控制以及企业经营管理等方面工作、具有创新精神和较强实践工作能力的高等化学工程技术和管理人才为培养目标。拥有学术型、工程应用型、复合创新型等多模式人才培养方案。毕业生就业面宽阔，能适应日用化工、医药健康、食品加工、电子产品制造、能源行业以及传统化工等领域对创新人才的需求。

本专业属于通用的过程工程学科，也是高新科技和新兴产业的重要支撑学科，具有很好的发展基础，并在强势发展的国家“化学工程与技术”一级重点学科支撑下，正朝着国际上有影响、国内著名的示范专业方向快速发展。

培养目标

培养适应全球化工向绿色化、可持续化和智能化发展的需求，能够在化工、环保、能源、医药、材料等领域从事工艺设计、产品研发、化工过程智能诊断、项目管理和科学研究的高素质工程技术人才。毕业生5年左右达到以下目标： （1）能够综合运用所学知识、方法和各类工具等解决实际化工生产中的复杂工程问题、开展复杂化工工艺的设计－优化－诊断、执行项目管理；

化工工艺学__复习

化工工艺学__复习

化⼯⼯艺学__复习

第⼆章制⽓# 热量的供给⽅式不同有两种制备粗原料⽓的⽅法：

1外部供热的蒸汽转化法; 2内部蓄热的间歇操作法

# ⽓态烃蒸汽转化反应

在⾼温有催化剂存在的条件下可实现下述反应：CH4(g) + H2O(g) = CO(g) + 3H2(g) CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g)

但要完成这⼀⼯业过程，必须对可能发⽣的主要反应及副反应进⾏详细研究。主要的副反应有CH4(g) = C (s) + 2H2(g) ;2CO(g) = CO2(g) + C(s) ; CO(g) + H2(g) = C(s) + H2O(g)

# CH4转化反应热⼒学：甲烷蒸汽转化在⾼温、⾼⽔碳⽐和低压下进⾏为好

# CH4转化反应的动⼒学分析：反应主要取决于在催化剂内表⾯的反应，所以该反应控制步骤为内表⾯控制。因此减⼩粒度增加内表⾯积有利于扩散过程和提⾼反应速率。#防⽌析炭的措施：A 配料时增⼤S/C，从热⼒学上去消除B选⽤适宜的催化剂C选择适宜的操作条件。

#析碳的处理析炭不严重，可减压、减原料⽓，提⾼S/C，甚⾄可停进天然⽓，利⽤析炭逆反应除碳

析炭严重，可通⼊蒸汽为载体，加⼊少量空⽓燃烧碳，但空⽓量⼀定要严格控制，结束后对催化剂进⾏还原。#转化过程描述;⼀段转化完成转化⼤部分任务;⼆段炉转化剩余甲烷和加⼊原料氮⽓

空⽓加⼊量对⼆段炉出⼝⽓组成和温度有⽆影响，如何影响？P97#对转化催化剂的要求

⾼活性、强度好、耐热性好、抗析炭能⼒强.(转化催化剂所处⼯况转化温度⾼、⽔蒸⽓和氢⽓分压⾼、流速⼤、可能析炭)#转化催化剂的基本组成

NiO为最主要活性成份。实际加速反应的活性成份是Ni，所以使⽤前必须进⾏还原反应，使氧化态变成还原态Ni NiO(s) +H2(g) = Ni(s) + H2O(g)

#催化剂制备

制备⽅法有三种：沉淀法、浸渍法、混合法，这三种⽅法最后都需要进⾏⾼温焙烧，从⽽使催化剂有⾜够的机械强度#转化分为⼆段的原因：A转化条件不允许;B补充合成所需要的氮⽓

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化⼯⼯艺

《化⼯⼯艺学》杂谈

摘要：从强化课堂教学、加强实践与理论教学相结合以及强化学⽣⼯程观念等⽅⾯对《化⼯⼯艺学》课程教学⽅法的改⾰进⾏了探讨，提⾼了教学质量和教学效果，为更好地培养具有较强综合能⼒的化⼯⼯艺专业合格⼈才提供了重要保证。化学⼯业是应⼈类⽣活和⽣产的需要⽽发展起来的，化⼯⽣产的发展也推动了社会的进步。

关键词：实践化⼯⼯艺学能⼒发展化⼯⽣产

化⼯⼯业泛指⽣产过程中化学⽅法占主要地位的制造⼯业。由原料到化⼯产品的转化⼯艺，即化⼯⼯艺，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的措施。“化⼯”的范围不断扩充，并形成新的名词,如: 环境化⼯、化⼯⾃动化、化⼯过程模拟、化⼯技术经济、化⼯安全等。化⼯可以分别指化学⼯业、化学⼯程和化学⼯艺，也可指其综合。并且，化⼯⼯艺学专业培养的学⽣要求具有扎实的理论知识和实验技能，并具有分析和解决实际⽣产中出现的问题，有较强的化⼯⽣产、科研、设计的管理能⼒。化⼯⼯艺专业学⽣是化⼯⼯⼚、车间的技术⾻⼲，这就要求他们必须熟悉整个⽣产过程和操作过程，能够解决⽣产中出现的各种问题，同时还要求他们能对原技术进⾏改进，具有创新能⼒，以促进⽣产，提⾼经济效益。作为化⼯⼯艺专业的专业课程，化⼯⼯艺学就显得极为重要。根据化学、物理和其它科学的成就，研究综合利⽤各种原料，加⼯成为产品的⽅法、原理、流程和设备，以寻求在技术上最先进、经济上最合理的化⼯产品⽣产途径的学科。研究化⼯产品⽣产的“技术”、“过程”和“⽅法”细分：⽆机化⼯⼯艺学、有机化⼯⼯艺学、精细化⼯⼯艺学、烃加⼯⼯艺学、硝酸⼯艺学、⽯油加⼯⼯艺学??。

化⼯⼯艺课的教学⽬的是从化⼯⽣产⼯艺⾓度出发，运⽤化⼯过程的基本原理，阐明化⼯⼯艺的基本概念和基本理论，介绍典型⼯艺的⽣产⽅法与⼯艺原理、典型流程与关键设备、⼯艺条件与节能降耗分析。化⼯⽣产⼯艺的重点放在分析和讨论⽣产⼯艺中反应、分离部分的⼯艺原理、影响因素、确定⼯艺条件的依据、反应设备的结构特点、流程的组织等。同时对⼯艺路线、流程的经济技术指标、能量回收利⽤、副产物的回收利⽤及废物处理运作进⾏⼀定的论述。通过加强基础、⾯向实际、引导思维、启发创新，使学⽣获得⼴博的化学⼯艺知识，培养理论联系实际的能⼒，以便在⽣产与开发研究⼯作中开拓思路，触类旁通，灵活运⽤，不断开发应⽤新技术、新⼯艺、新产品和新设备，降低⽣产过程中的原料与能源消耗，提⾼经济效益，更好地满⾜社会需要。为了更好地培养学⽣的综合思维和分析解决实际问题的能⼒，在就业形势⽇益严峻的今天，确保化⼯⼯艺专业学⽣具有更强的竞争⼒。