化学工艺学电子教案第一章

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化学工艺学电子教案——第一章
化学工业原料资源 及其加工利用
1 化学工业原料资源及其加工利用
1.1 无机化学矿及其加工利用 (自学) 1.2 石油及其加工利用 1.3 天然气及其加工利用 1.4 煤及其加工利用 1.5 生物质及其加工利用 1.6 再生资源的开发利用 1.7 空气和水
1.1 无机化学矿及其加工利用 (自学)
1.2 石油及其加工利用
1.2.2 石油的常压蒸馏和减压蒸馏
石油开采出来尚未加工时称为原油,一次加工方法 为常压蒸馏和减压蒸馏。蒸馏是一种利用液体混合物中 各组分挥发度的差别(沸点不同)进行分离的方法,是 一种没有化学反应的传质、传热物理过程,主要设备是 蒸馏塔。常减压蒸馏流程有三类:
①燃料型; ②燃料-润滑油型; ③燃料-化工型。
1.5 生物质及其加工利用
农、林、牧、副、渔业产品及其废弃物(壳、 芯、秆、糠、渣)等生物质通过化学或生物化学方 法可以转变为基础化学品或中间产品,例如葡萄 糖、乳酸、柠檬酸、乙醇、丙酮、高级脂肪酸等。 加工过程涉及一系列化学工艺,如化学水解、酶水 解、微生物水解、皂化、催化加氢、气化、裂解、 萃取等等,有些还用到DNA技术。
1.2 石油及其加工利用
大型石油化工联合企业中的炼油厂蒸馏装置多采用燃料化工-润滑油型流程,见图2-1。
1.2 石油及其加工利用
1.2.3 馏分油的化学加工
常、减压蒸馏只能将原油切割成几个馏分,主 产的燃料量有限,不能满足需求,直接能用作化工 原Hale Waihona Puke Baidu的也仅是塔顶出来的气体。为了生产更多的燃 料和化工原料,需要对各个馏分油进行二次加工。 加工的方法很多,主要是化学加工方法,下面简介 主要的几种加工过程。
①煤的高温干馏(炼焦)。 ②煤的低温干馏。
1.4 煤及其加工利用
(2)煤的气化
煤气化( coal gasification)是指在高温 900~1300℃)下使煤、焦炭或半焦等固体燃料 与气化剂反应,转化成主要含有氢、一氧化碳等 气体的过程。生成的气体组成随固体燃料性质、 气化剂种类、气化方法、气化条件的不同而有差 别。气化剂主要是水蒸气、空气或氧气。
1.4 煤及其加工利用
1.4.1 煤(coal)
煤(coal)是由含碳、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。从煤中可以得到多种芳香族化合 物,它们是精细有机合成的主要原料。
1.4 煤及其加工利用
1.4.2 煤化工范畴内的几种煤加工路线
(1)煤的干馏 煤干馏(coal carbonization) 是在隔绝空气条件下加热煤,使其分解生成焦炭、 煤焦油、粗苯和焦炉气的过程。煤干榴过程又分以 下两类。
1.2 石油及其加工利用
(2)非烃化合物
含有碳、氢及其他杂原子的有机化合物。 ①硫化物。多为有机硫化物,例如硫醇(RSH)、硫醚(RSR)、二疏 化物(RSSR)、噻吩(C4H4S硫杂环化合物)及其衍生物等。硫醇拂点较 低,原油经蒸馏加工后,硫醇多存在于汽油、煤油产品中;硫醚和部分二硫化 物则在中等沸程馏分(如柴油)中;二硫化物、噻吩等则多留在高沸程的重 油、渣油和沥青中。 ②氮化物。多为吡啶、喹啉等不饱和氮杂环结构的有机物,它们的沸点较 高,石油加工后多留在沸点高于500℃的渣油中。 ③氧化合物。有环烷酸、酚类和很少量的脂肪酸,总称为石油酸。其中环 烷酸含量较多,在石油加工分离后,环烷酸多存在于250—400℃沸程的馏分 中。 ④金属有机化合物。含量甚微,主要以金属络合物的形式存在。
1.2 石油及其加工利用
1.2 石油及其加工利用
⑵ 催化裂化(catalytic cracking)
催化裂化是在催化剂作用下加热重质馏分油,使大 分子烃类化合物裂化而转化成高质量的汽油,并副产柴 油、锅炉燃油、液化气和气体等产品的加工过程。原料 可以是直馏柴油、重柴油、减压柴油或润滑油馏分,甚 至可以是渣油焦化制石油焦后的焦化馏分油。它们所含 烃类分子中的碳数大多在18个以上。
1.2 石油及其加工利用
1.2.1 石油的组成
石油是一种有气味的棕黑色或黄褐色粘稠状液体,密度与组成有关,相 对密度大约在0.75~1.0。有些油田常伴生油田气。石油是由分子量不同、 组成和结构不同、数量众多的化合物构成的混合物,其中化合物的沸点从常 温到500℃以上均有。石油中合量最大的两种元素是C和H,其质量含量分别 为碳83%~87%、氢11%~14%,两者主要以碳氢化合物形式存在。其他 元素的含量因产地不同而有较大的波动,硫含量0.02%-5.5%,氮含量0.021.7%,氧含量0.08%-1.82%。而Ni、V、Fe、Cu等金属元素只含微量,由 十亿分之几到百万分之几。在地下与石油共存的水相中溶有K、Na、Ca、 Mg等的氯化物,易于脱除。石油中的化合物可以分为烃类、非烃类以及胶 质和沥青三大类。
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1.4 煤及其加工利用
(3)煤的液化 煤液化(coal liquefaction)
是指煤经化学加工转化为液体燃料的过程。煤液化 可分为直接液化和间接液化两大类过程。
(4)生产电石 将煤与CaO在2000~2200℃
及电弧炉作用下反应生成 CaC2(电石)的过程。 电石水解可生成乙炔(此法占乙炔来源的一半以 上),由乙炔出发可生成一系列化工产品。
1.1.1 主要无机化学矿 1.1.2 磷矿和硫铁矿的加工利用
1.2 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,至 今,基 本有机化工、高分子化工、精细化工及氮肥工业等的产品 大约有90%来源于石油和天然气。90%左右有机化工产品 上游原料可归结为三烯(乙烯、丙烯、丁二烯)、三苯 (苯、甲苯、二甲苯)、乙炔和萘,还有甲醇。其中的三 烯主要由石油制取,三苯、萘和甲醇可由石油、天然气和 煤制取。
(2)乙醇的生产 将含淀粉的谷类、薯类、植
物果实经蒸煮糊化,加水冷却至60℃。加入淀粉酶
1.5 生物质及其加工利用
使淀粉依次水解为麦芽糖和葡萄糖,再加入酵母使 之发酵则转变成乙醇(食用酒精)。
(3)丙二醇的生产 1,3一丙二醇(PDO)
是生产聚对苯二甲酸丙二酯(PPT)的原料, PPT具有许多类似尼龙的特性.如果其原料 PDO的成本较低,则可与PET聚酯竟争。
1.5 生物质及其加工利用
利用生物质生产化学品 举例: (1)糠醛的生产 农副产品废渣的水解是工业
生产糠醛的唯一路线。其生产过程是:将含多缩戌 糖的玉米芯、棉子壳、花生壳、甘蔗渣等投人反应 釜内,用含量为6%的稀硫酸作催化剂并通入蒸汽 加热,控制温度在 180℃左右、压力 0.6~1.0 MPa,反应5~8 h。
1.2 石油及其加工利用
⑴ 催化重整(catalytic reforming)
催化重整是在含铂的催化剂作用下加热汽油馏 分(石脑油),使其中的烃类分子重新排列形成新 分子的工艺过程。催化重整装置能提供高辛烷值汽 油,还为化纤、橡胶、塑料和精细化工提供苯、甲 苯、二甲苯等芳烃原料以及提供液化气和溶剂油,并 副产氢气。固定床催化重整工艺流程见图2-2。
1.2 石油及其加工利用
1.2 石油及其加工利用
1.2.5 烃类热裂解(pyrolysis of hydrocarbons)
烃类热裂解的主要目的是为了制取乙烯和丙烯,同时副 产丁烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、乙苯等芳烃及其他化 工原料。它是每个石油化工厂必不可少的首要过程。
烃类热裂解不用催化剂,将烃类加热到750~900℃使其 发生热裂解,反应相当复杂,主要是高碳烷烃裂解生成低碳 烯烃和二烯烃同时伴有脱氢、芳构化和结焦等许多反应。热 裂解的原料较优者是乙烷、丙烷和石脑油,因为碳数少的烷 烃分子裂解后产生的乙烯产率高。
1.3 天然气及其加工利用
1.3.1 天然气(natural gas)
自地下自然喷出或人工开采出的可燃性气体 的总称。其主要成分是甲烷,另外还有少量的乙 烷、丙烷、丁烷等及微量的硫化氢、水、氮气 等。
天然气按组成可分为干气(甲烷体积含量在 90%以上)和湿气(甲烷体积含量在90%以下)。
1.3 天然气及其加工利用
1.2 石油及其加工利用
1.2 石油及其加工利用
1.2 石油及其加工利用
1.2.4 催化加氢裂化(catalytic hydrocracking)
催化加氢裂化系指在催化剂存在及高氢压下,加热重质 油使其发生各类加氢和裂化反应,转变成航空煤油、柴油、 汽油(或重整原料)和气体等产品的加工过程。加氧裂化的 原料油可以是重柴油、减压柴油,甚至减压渣油,另一原料 是氢气。按操作压力分有高压法和中压法。高压法的操作压 力高于10 MPa,反应温度370一450℃;中压法压力 5~10 MPa,反应温度 370~380℃。加氢裂化过程的方框图见图 2-5。
1.6 再生资源的开发利用
工农业和生活废料在原则上都可以回收处 理、加工成有用的产品,这些再生资源的利用不 仅可以节约自然资源,而且是治理污染、保护环 境的有效措施之一。例如废塑料重新炼制成液体 燃料的方法已经有工业装置建成。
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1.3.2 天然气按储存方式可分为:
气井气:由气井采出的天然气;气井只出气 而不出油的井,来自纯气藏(一般属于干气);
油田气:伴随采油采出的天然气,来自油气 藏(属于湿气);
凝析气气井气:来自凝析气藏(一般属于湿 气)。
1.3 天然气及其加工利用
1.3.3 天然气加工利用主要有以下几方面
(1)天然气制氢气和合成氨 ; (2)天然气经合成气路线的催化转化制燃料和 化工产品; (3)天然气直接催化转化成化工产品 ; (4)天然气热裂解制化工产品; (5)甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化制化工 产品 ; (6)湿性天然气中C2一C4烷烃的利用
1.2 石油及其加工利用
(1)烃类化合物
烃类即碳氢化合物,在石油中占绝大部分约几万种。 ①链式饱和烃。含量最多,有正构烷烃和异构烷烃,两者在石油中约占50 %-70%(质量),仅有极少数油田的石油中链烷烃低于10%-15%。C1-C4烷烃 是溶解在石油中的气态烃,C5-C16烷烃为液态,C17及以上烷烃为溶解在液态 烃中的固态烃。 ②环烷烃。含量仅次于链烷烃,具饱和环状结构,多为五员环和六员环的 单环结构,例如环戊烷和环己烷及其带侧基的衍生物,此外还有少量双环和三 环结构的环烷烃。 ③芳香烃。具不饱和环状结构,有单环的苯系芳烃(苯、甲苯、二甲苯、 乙苯及其他苯的衍生物)、双环的萘及其衍生物(例如甲基萘、其他烷基萘) 和联苯系芳烃,以及三个或三个以上苯环叠合在一起的稠环芳烃。
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