化学工艺基础

2.1 原料资源及加工利用 2.1.1 无机化学矿及其加工 2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.1石油的组成 石油的物理特征 颜色：棕黑色或黄褐色 状态：粘稠液体 相对密度：0.75～ 1.0 沸点：常温～ 500℃ 以上 元素组成：主要是C和H

2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.1石油的组成 石油的组成 链式饱和烃 烃类 环烷烃 芳香烃 硫化物 石油的组成 非烃类 氮化物 含氧化物 金属有机化合物 胶质和沥青 稠环环烷烃 稠环芳香烃

2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.2石油的常压蒸馏和减压蒸馏 石油蒸馏工艺的类型 燃料型 燃料-润滑油型 燃料-化工型 燃料-化工-润滑油型

2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.2石油的常压蒸馏和减压蒸馏 石脑油（Naphtha）：成分为低沸程的汽油，C5 –C10，含烷烃、环烷烃及少量芳烃 沸程：在一定外压下，加热汽化石油馏 分时，其残液的蒸汽压随汽化率增加而不断下降，所以其沸点表现为一定宽度的温度范围，称为沸程。

2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.3馏分油的化学加工 馏分油二次加工的类别： 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

2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.3馏分油的化学加工 催化重整（Catalytic Reforming） 定义：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过程 原料：石脑油 主要化学反应： 环烷烃脱氢； 烷烃脱氢环化生成芳烃； 烷烃的异构化； 烷烃的加氢裂化。 重整产物：高辛烷值汽油；苯、甲苯、二甲苯等芳烃原料等

2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.3馏分油的化学加工 催化裂化（catalytic cracking） 定义 ：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：直馏柴油、重柴油、减压柴油、润滑油 主要化学反应 大分子烷烃C-C链断裂成小分子的烷烃和烯烃； 直链烷烃脱氢生成烯烃和氢气； 正烷烃异构化为异烷烃； 支链烷烃脱氢环化生成芳烃； 环烷烃脱氢生成芳烃； 烯烃脱氢环化或聚合结焦； 芳烃脱氢缩合结焦等 裂化产物：高质量的汽油、副产柴油、锅炉燃油

2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.3馏分油的化学加工 催化加氢裂化（Catalytic hydrocracking） 原料：重柴油，减压柴油，甚至减压渣油；氢气 主要反应： 大分子烷烃加氢裂解成较小分子烷烃 环烷烃加氢开环生成链烷烃 芳烃加氢生成环烷烃 有机含硫化合物加氢生成烷烃和硫化氢 有机含氮化合物加氢生成烷烃和氨 有机含氧化合物加氢生成烃和水 有机金属化合物加氢分解释出金属及烃类 裂化产物：优质的航煤、柴油

2.1.2石油及其加工利用 2.1.2.3馏分油的化学加工 烃类热裂解 定义：非催化；高温750-900 ℃ 原料：较好的为乙烷、丙烷和石脑油；也可用煤油、柴油和常、减压瓦斯油 主要反应：C-C键断裂；C-H键断裂；芳构化；结焦 裂解产物：三烯、三苯、乙炔、萘、丁烯、丁二烯等

2.1.3天然气及其加工利用 天然气的分类 根据CH4的含量不同分为: 根据其不同的来源分为: 干气：V CH4>90% 常规天然气 煤层气 油田伴生气 天然气水合物

2.1.3天然气及其加工利用 天然气的加工利用 能源 化工原料 天然气制H2和合成氨 水合反应: CH4+H2OCO+3H2(合成气） 氧化反应: CH4+ 0.5 O2CO+2H2 (合成气） 合成氨反应：H2+3N2 2NH3

2.1.3天然气及其加工利用 天然气经合成气路线的催化转化制燃料和化工产品 CH4CO+H2（合成气） 天然气直接催化转化成化工产品 CO+2H2 CH3OH 2CO+4H2 C2 H4+2H2O 2CO+3H2 HO-CH2-CH2-OH +H2O 天然气直接催化转化成化工产品 CH4 +O2 CH3OH CH4 +O2 HCHO

2.1.3天然气及其加工利用 CH4 → C2H2+C 天然气热裂解制化工产品 甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化制甲烷的各种衍生物 C2H2 → CHCl=CHCl C2H2 → CH3-CHO 甲烷的氯化、硝化、氨氧化和硫化制甲烷的各种衍生物 湿气中C2和C4的利用 C2 ～ C4 → 乙烯、丙烯

2.1.4煤及其加工利用 煤的组成 煤的加工利用 煤的元素组成：C、H和少量金属和非金属矿物 煤的化合物组成：缩合程度不同的芳香环、饱和环、杂原子环等 煤的加工利用 能源 冶金 化工原料

2.1.4煤及其加工利用 煤生产化工原料的主要途径：

2.1.4煤及其加工利用 煤的干馏 定义：是在隔绝空气条件下加热媒，使其分解生成焦碳、煤焦油、粗苯及焦炉气的过程 分类 高温干馏 低温干馏

2.1.4煤及其加工利用 煤的气化 煤、焦碳、半焦 合成气（H2、 CO ）

2.1.4煤及其加工利用 煤的液化 直接液化： 间接液化： 煤 液态烃 煤 合成气 烃类燃料、含氧化合物燃料

2.1.5生物质及其加工利用 糠醛的生产： 原料来源：玉米芯、麦麸、棉籽皮、向日葵籽壳、甘蔗皮、稻壳、花生壳等 乙醇的生产 丙二醇的生产

2.1.6再生资源的开发利用 废旧塑料 废旧塑料 液体燃料

2.1.6 空气和水 空气 纯O2、纯N2的生产方法 水的应用 O2 N2 稀有气体 深度冷冻分离法 分子筛变压吸附法 膜分离法 溶剂 反应物 载体 高压蒸汽

2.2化工过程的主要效率指标 生产能力 生产强度 指设备的单位几何量的生产能力，通常设备的单位体积或单位面积的生产能力。 指一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量。 生产强度 指设备的单位几何量的生产能力，通常设备的单位体积或单位面积的生产能力。

2.2化工过程的主要效率指标 转化率 定义式：  BB + CC → RR+ SS 关键反应物： 3H2+N2 2NH3

2.2化工过程的主要效率指标 转化率 转化率的计算 间歇过程 连续过程 循环流程 单程转化率XB= 全程转化率XB，tot= 弛放物料 新鲜原料 循环物料 混合 反应 分离 产品 单程转化率XB= 全程转化率XB，tot=

2.2化工过程的主要效率指标 选择性（Selectivity）

2.2化工过程的主要效率指标 收率 根据转化率、选择性和收率的定义： Y=S·X

2.2化工过程的主要效率指标 质量收率 Ym=

2.2化工过程的主要效率指标 平衡转化率和平衡产率  A A+  B B   R R+  S S [概念] 标准化学平衡常数Kp（KC） 若为气相反应体系为理想气体，或压力<3MP和温度200℃以上 ，则标准平衡常数为

2.2化工过程的主要效率指标 平衡转化率和平衡产率 若气相反应体系为高压，则标准平衡常数为 其中

2.2化工过程的主要效率指标 平衡转化率和平衡产率 若反应体系为理想液相体系，或溶液浓度很稀时，则标准平衡常数为

2.2化工过程的主要效率指标 示例说明 设某气相反应A+2B R，反应前A有a mol，B有b mol，无R组分。求基于A、B的平衡产率和平衡转化率。 解：根据Y=SX，S=1 得Y A =X A， Y B =X B A + 2B  R 总物料 反应前 a b 0 a+ b 反应平衡时 a- aX A b- 2aX A aX A a+ b - 2aX A YA=XA，YB=XB=

2.2化工过程的主要效率指标 把yA， yB， yR带入Kp表达式得 已知P，查得KP，可得XA

2.2化工过程的主要效率指标 示例说明 讨论 如果投放物料按化学反应计量系数比投放即 a:b=1:2 那么 即各反应物的转化率相同 那么 即各反应物的转化率相同 那么 即各反应物的产率相同 如果投放物料不按化学反应计量系数比投放，那么，各反应物的转化率不相同，各反应物的产率也不相同

2.3反应条件对化学平衡和反应速率的影响 影响化学平衡和反应速率的因素

2.3反应条件对化学平衡和反应速率的影响 2.3.1 温度的影响 温度对化学平衡的影响 bB+cC=rR+sS+H  对于吸热反应，H  >0， T有利于产物产率 对于放热反应，H <0， T有利于产物产率

2.3反应条件对化学平衡和反应速率的影响 2.3.1 温度的影响 温度对反应速率的影响 aA+bB dD 反应速率方程为 其中k与反应活化能和温度有关 k=Aexp（-E/RT）（阿累尼乌斯方程） 由此可见， T， k 

2.3反应条件对化学平衡和反应速率的影响 2.3.1 温度的影响 温度对反应速率的影响 对于不可逆反应，T，产物生成的速率  对于放热反应，（见图2-10）有一最佳反应温度

2.3反应条件对化学平衡和反应速率的影响 2.3.2浓度的影响 根据反应平衡移动原理，反应物浓度，平衡向生成产物的方向移动 浓度对反应平衡的影响 根据反应平衡移动原理，反应物浓度，平衡向生成产物的方向移动 浓度对反应速率的影响

2.3反应条件对化学平衡和反应速率的影响 2.3.3 压力的影响 压力对反应平衡的影响 压力对反应速率的影响 对分子数增加的反应，降低压力可以提高平衡产率； 对分子数减少的反应，压力升高，产物的平衡产率增大； 对分子数没有变化的反应，压力对平衡产率无影响。 压力对反应速率的影响

2.4 催化剂的性能及使用 一 催化剂的作用 提高反应速率和选择性 乙烯的氧化反应 CH2=CH2+O2

2.4 催化剂的性能及使用 改进操作条件 合成氨工艺 N2+3H22NH2（放热反应） 乙烯聚合反应 

2.4 催化剂的性能及使用 催化剂有助于开发新的反应过程 工业上乙酸的生产方法主要有 乙醛氧化法 丁烷和石脑油氧化法 甲醇羰基化法 19世纪初，三氟化硼、磷酸等催化剂，50-70MP，温度250-350℃ ； 1941年，Reppe 等人用铁、钴、镍等第八族金属羰基化合物和卤素为催化剂，20-45MP，温度250-270； 1960年联邦德国的BASF公司建厂投产，催化剂为羰基钴, 碘化物为助催化剂，仍高温高压； 1968年美国孟山都公司开发成功了用铑做催化剂，3MP低压，温度175℃ 的条件下合成乙酸

2.4 催化剂的性能及使用 4 .催化剂在能源开发和消除污染中发挥重要作用

2.4 催化剂的性能及使用 二 催化剂的特征 催化剂的作用机理 中间化合物（活性物种） 产物 催化剂 反应物 催化剂

2.4 催化剂的性能及使用 催化剂的特征 催化剂在反应中自身未发生化学性质和数量的变化 催化剂能加快反应速率，但不能使热力学上不能进行的反应发生 催化剂不能改变化学平衡 催化剂具有明显的选择性

2.4 催化剂的性能及使用 三 催化剂的分类 按催化剂反应体系的物相均一性分为 按催化剂反应机理分 均相催化剂（液） 非均相催化剂（固） 氧化还原型催化剂 酸碱催化剂

2.4 催化剂的性能及使用 按使用条件下的物态分 金属催化剂 氧化物催化剂 硫化物催化剂 酸催化剂 （固体催化剂） 碱催化剂 络合物催化剂 生物催化剂 （固体催化剂） （液体催化剂）

2.4 催化剂的性能及使用 四 工业催化剂使用中的有关问题 工业催化剂的使用性能 活性：活性转化能力 选择性 寿命 化学稳定性 热稳定性 机械稳定性 耐毒性：常见的中毒物，砷、硫、氯的化合物及重金属等

2.4 催化剂的性能及使用 五 催化剂的活化、失活与再生 催化剂的效能随时间的变化图 催化效能 C B AB：诱导期 BC：稳定期 使用时间t 催化效能 A B C D AB：诱导期 BC：稳定期 CD：衰退期

2.4 催化剂的性能及使用 五 催化剂的活化、失活与再生 催化剂的失活 络合物催化剂：超温 生物催化剂：过热、化学物质和杂菌的污染、PH值失调等 固体催化剂 超温过热 催化剂中毒 覆盖污垢

2.4 催化剂的性能及使用 六 催化剂的运输、贮存和装卸