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但是,一个化工生产过程,一般都包括:
原料的净化和预处理、化学反应过程、产品的分离与提纯、三废处理及综合利用等。
1.生产原料的准备(原料工序)。
包括反应所需的各种原、辅料的贮存、净化、干燥、加压和配制等操作。
2.反应过程(反应工序)
以化学反应为主,同时还包括反应条件的准备如原料的混合、预热、气化,产物的冷凝或冷却以及输送等操作。
3.产品的分离与提纯(分离工序)
反应后的物料是由主、副产物和未反应的原料形成的混合物,该工序是将未反应的原料、溶剂、主、副产物分离,对目的产物进行提纯精制。
4.综合利用(回收工序)
对反应生成的副产物、未反应的原料、溶剂、催化剂等进行分离提纯、精制处理以利回收使用。
5.三废处理(辅助工序)
化工生产过程中产生的废气、废水和废渣的处理,废热的回收利用等。
化工生产过程的组成如图1-1所示。
为保证化工生产的正常运行,还需要动力供给、机械维修、仪器仪表、分析检验、安全和环境保护、管理等保障和辅助系统。
第二节化工生产原料准备过程
生产化工产品的起始物料称为化工原料。
化工原料的共同特点,就是原料的部分原子必须进入到化工产品当中。
一种原料经过不同的化学反应可以得到不同的产品;
不同的原料经过不同的化学反应也可以得到同一种产品。
这一点决定了化学工业的丰富多彩和强大的生命力。
原料在化工产品生产中是牵一毫而动全身的一环,在产品生产成本中原料费所占的比例很高,有时高达60~70%。
一、化工原料及产品
(一)化工原料
1、化工基础原料
基础原料是指用来加工化工基本原料和产品的天然资源。
通常是指石油、天然气、煤和生物质以及空气、水、盐、矿物质和金属矿等自然资源。
这些天然资源来源丰富,价格低廉,但经过一系列化学加工以后,就可得到很多、很有价值的、更方便利用的化工基本原料和化工产品。
石油、天然气、煤都是矿物能源,对化学工业有双重意义,既是原料,又是能源。
现代化学工业发展初期,基础原料以煤为基础,二次大战结束后,科学技术得到了空前的发展,化学反应技术也得到了很大的发展,自20世纪50年代中期以来,石油和天然气逐渐取代了煤,成为化学工业的主要基础原料。
想一想
在人类可持续发展中,化学工业面临的挑战和机遇
但随着人类技术的进步和生活水平的提高,人类对于自然的开采也日益无节制,到20世纪90年代,资源的枯竭问题已经成为威胁人类发展的重要问题,可持续发展成为21世纪人类发展的必由之路,化学工业也同样面临着一次新的革命,那就是如何利用有限的资源创造出更多的产品,为推动人类发展做出更多的贡献。
2、化工基本原料
查一查
石油、天然气、煤的用途和化工利用途径以及它们在现代人类生活中的重要性
基本原料是指自然界不存在,需经一定加工得到的原料。
通常是指低碳原子的烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃和合成气、三酸(盐酸、硫酸、硝酸)、二碱(氢氧化钠、碳酸钠)、无机盐等。
如常用的乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、乙炔、甲烷、一氧化碳、氢气、氯气、氨气等。
这些基本原料都是通过石油、天然气、煤等基础原料经过一定的途径生产而来。
由化工基本原料出发,可以合成一系列化工中间产品和最终产品。
3、辅助材料
在化工企业生产中,除必须消耗原料来生产目的产品外,还要消耗一些辅助材料,通常我们将这些材料与原料一起统称为原材料。
辅助材料是相对于原料而言的,它是反应过程中辅助原料的成分,可能在反应过程中进入产品,也可能不进入产品中,这是和原料的最本质区别。
化工生产中常用的辅助材料有助剂、添加剂、溶剂、催化剂等。
(二)化工产品
1.化工产品概念
原料经过化学变化和一系列加工过程所得到的目的产物称为化工产品。
化工产品中一般都含有原料中的部分原子。
一种物质是化工原料还是化工产品不是绝对的,要根据实际生产过程的需要具体确定。
有时是原料,有时又是产品。
化工生产过程中所得到的目的产物在很多情况下是作为下一个工序的原料,我们把这种产物称为中间产品。
中间产品一般不能直接应用,需经过进一步加工才能变成可直接利用的产品。
化工企业所生产的产品,大多属于中间产品。
一套生产装置在生产过程中可以同时得到两种或两种以上的目的产物,我们将这两种或两种以上的目的产物互称为联产品。
由于化学反应的多样性和复杂性,一个化工生产过程在得到目的产物的同时,往往会伴随着生成几种非目的产物,即副产物。
将这些副产物进行回收,提供给其他生产过程或部门,我们称这样的产品为化工副产品。
化工生产过程中副产物非常多而且复杂,如何进行有效回收,是降低产品成本和减少环境污染非常重要的问题,必须引起我们的重视。
观察与思考
看一看国民经济各个部门的发展,看一看人们的吃、穿、住、行,你能感受到化学化工的重要性吗?
2.化工生产主要产品
化工产品是原料经化学反应转变而来,化学反应的多样性,决定了化工产品的多样性。
化工产品种类繁多,这里根据化工产品的类属给出化工生产的主要产品。
1.无机化工主要产品
无机酸主要有硫酸、硝酸、盐酸等;
常用碱类主要有“两碱(纯碱、烧碱)”;
化学肥料,主要有氮肥、磷肥、钾肥和复混肥等;
即“三酸、两碱”与化学肥料。
无机盐其种类很多,主要有碳酸钙、硫酸铝、硝酸锌、硅酸钠、高氯酸钾、重铬酸钾等。
工业气体包括氧、氮、氢、氯、氨、氩、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等。
元素化合物主要有氧化物、过氧化物、卤化物、硫化物、碳化物、氰化物等;
单质主要有氧、硅、铝、铁、钾、钠、镁、磷、氟、溴、碘等。
2.基本有机化工主要产品
以碳氢化合物及其衍生物为主的通用型化工产品,如乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、乙炔、萘(即“三烯、三苯、乙炔、萘”)、合成气等。
这些产品是以石油、煤、天然气等为原料,经过初步化学加工制造的有机化工基本产品。
由这些基本产品出发,经过进一步的化学加工,可生产出种类繁多、品种各异、用途广泛的有机化工产品。
例如,醇、酚、醚、醛、酮、酸、酯、酐、酰胺、腈以及胺等重要的基本有机化工产品。
基本有机化工产品主要用于生产制造塑料、合成橡胶、合成纤维、涂料、粘合剂、精细化工产品及其中间体的原料,也可以直接作为溶剂、吸收剂、萃取剂、冷冻剂、麻醉剂、消毒剂等。
基本有机化工产品的用量和生产能力都很大。
例如乙烯,2000年中国年产量达470.0万t,消费量为1115.0万t。
3.高分子化工主要产品
高分子化工产品是通过聚合反应获得的相对分子质量高达104~106的高分子化合物。
按用途分,高分子化工产品有塑料、合成橡胶以及橡胶制品、合成纤维、涂料和粘合剂等;
按功能分,有通用、特种高分子化工产品。
通用高分子化工产品产量较大、应用广泛,如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯,涤纶、腈纶、锦纶,丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶等。
特种高分子化工产品具有耐高温特性,如在苛刻条件下作为结构材料的聚碳酸酯、聚芳醚、聚砜、聚芳酰胺、有机硅树脂以及氟树脂等,具有光电、磁等物理性能的功能高分子产品,如感光高分子材料、光导纤维以及光、电或热致变色的高分子材料、高分子分离膜、高分子液晶、仿生高分子、生物降解高分子材料、催化剂、试剂以及医用高分子化工产品等。
高分子化工产品是一类发展迅速、用途广泛的新型材料。
4.精细化工的主要产品
精细化工产品是一类加工程度深、纯度高、生产批量小、附加值高,其自身具有某种特定功能或能增进(赋予)产品特定功能的化学品,也称作精细化学品或专用化学品。
1986年,我国暂定农药、染料、颜料、涂料(含油漆和油墨)、粘合剂、食品和饲料添加剂、催化剂和各种助剂、化学原药和日用化学品、试剂和高纯物、功能高分子材料(包括功能膜、偏光材料等)、信息用化学品(包括感光材料、磁性材料等能接收电磁波的化学品)等11类产品为精细化工产品。
香精和香料、精细陶瓷、医药制剂、酶制剂、功能高分子材料、电子信息材料、生物医药、生物农药等也属精细化学品的范畴。
5.生物化工的主要产品
做一做
请你选择某一地区,对其化工原料资源作一调查,分析其与当地的产业结构有没有关系。
生物化工产品是指采用生物技术生产的化工产品。
主要有乙醇、丁醇、丙酮、柠檬酸、乳酸、葡萄糖酸、维生素、抗生素、生物农药、饲料蛋白、酶制剂等。
二、原料预处理的原则
原料预处理或原料准备过程是工艺流程的一个组成部分。
因此原料预处理应符合以下原则:
1.必须满足工艺要求
主要是满足反应的要求,比如通常气固相反应,为了增大接触面积,固相的粒度应尽量小,但太小可能夹带严重,所以在工程上要寻找一个最佳的范围以满足工艺要求。
2.简便可靠的预处理工艺
通常对于原料的某一种预处理要求,有不止一种可供选用的方案,一般不主张搞得太繁杂,步骤不宜多,应简练实用可靠,不主张使用复杂的大型的化工单元过程。
因为毕竟是原料的预处理,不必小题大作。
3.充分利用反应和分离过程的余热及能量
许多反应往往是放热的,一般分离过程常有精馏,塔顶冷凝器需要换热冷却,这些能量的充分利用,是原料预处理的一个可资利用的环节。
4.尽量不要产生新的污染,不要造成损失
原料预处理,有的可能出现一些废弃物,在方案研究时,应尽量减少在原料过程中的“三废”,一旦有不可避免的“三废”应研究处理方案,不要留尾巴,并防止泄漏,防止被破坏,防止不必要的损失。
5.尽量研究和采用先进技术
任何原料能不处理而直接使用当然最好,在研究中,应尽量采用先进技术,淘汰落后的处理工艺,提高处理能力。
6.投资节省,设备维护简便
原料处理的设备台件数应尽量少,流程应尽量短,在满足工艺要求的前提下,设备应尽量简化,通用化,落实到装置的投资上,要尽量节省。
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,产品在生产过程中加以精制、净化。
大多数情况下,生产原料的厂家可以从源头上和过程中加以控制,比使用厂家另砌炉灶进行精制净化要省事。
三、原料预处理方案的制定
了解反应对原料的物理的和化学的要求,提出相当具体的指标,是确定原料预处理方案的依据,原料预处理方案确定的另一个重要资料是原料本身的情况。
如果供应厂商提供的原料指标已经合乎反应要求,那么剩下的问题只有储存输送和投料的问题,无需做更多的处理,但这种情况下,可能原料价格较贵。
因此要比较各种原料情况,制定需要处理哪些问题的方案。
通常如果要处理的问题头绪比较多的话,往往先解决化学上纯度的问题,用物理的方法或化学的方法率先制成在化学上即纯度杂质含量上合乎要求的物料,再去解决其它问题,既可以节省能量,又可以减少所含杂质在流程中的循环时间,减少一些副作用。
况且脱除杂质可能是用一些化学反应来实现,就有可能产生水或其它需要物理方法处理的物质。
原料路线方案方框图如图1-2大致如下:
催化剂在现代化工生产中的重要性表现在哪些方面?
催化剂是反应过程中一类特殊的“原料”。
现代的许多大型化工生产,如合成氨、石油裂解、高分子材料的合成、油脂加氯、脱氧、药物的合成等等无不使用催化剂。
因而在原料准备过程中催化剂准备过程是必不可少的。
第三节化工生产反应过程
化工生产过程包括物理过程和化学反应过程,其中化学反应过程往往是生产过程的关键。
反应过程进行的条件对原料的预处理提出了一定的要求,反应进行的结果决定了反应产物的分离与提纯任务和未反应物的回收利用。
一个产品的反应过程的改变将引起整个生产流程的改变。
因此,反应过程是化工生产全局中起关键作用的部分。
反应过程的分类情况如表1-1:
表1-1反应过程的分类情况
分类依据
类别
特点
反应的特性
反应机理
简单反应
同一组反应物只生成一种特定生成物的反应,它不存在反应选择性问题
复杂反应
由一组特定反应物同时或接连进行几个反应的反应过程。
复杂反应的形式很多,主要有平行反应、连串反应、平行一连串反应和共轭反应等。
反应可逆
与否
可逆反应
受化学平衡的限制,反应只能进行到一定的程度,反应产物需要分离和提纯,未反应物应该回收和循环使用。
不可逆反应
能进行到底,反应物几乎全部转变为产物。
反应分子数
动力学角度分为单分子反应、双分子反应和个别的三分子反应
反应级数
动力学角度分为零级反应、一级反应、二级反应和分数级反应等
反应热效应
吸热反应
两类反应的热特性不同,所以,反应过程要求的温度条件完全不同,使用的反应器类型也不同。
放热反应
反应物系
相态
均相反应
反应组分(包括反应物、产物和催化剂)反应过程中始终处于同一相态
非均相反应
反应组分在反应过程中处于两相或三相状态的反应
反应条件
温度条件
等温过程、绝热过程和非绝热变温过程
某些场合又分为低温、常温和高温过程。
反应过程总是伴随一定热量变化,并且反应器和外界常有热交换和热损失,所以严格的等温过程和绝热过程都是不存在的。
如果装置在保温良好的情况下操作,那么过程接近绝热。
压力状况
常压、负压和加压过程。
加压过程根据压力的高低又分为高压、中压和低压过程。
操
作
方
式
间歇过程
分批处理物料,周期操作。
设备中的物料浓度等操作参数随时间变化,是一种非稳态操作过程。
连续过程
与间歇过程相反,连续过程是均匀加入原料,连续取出产品,设备内各处的物系参数不随时间而变,是一种稳态的操作过程。
半连续过程
半连续或半间歇过程介于前两种之间,或是间歇加入物料连续取出产品,或是连续加入物料分批取出产品,仍然是一种非稳态操作过程
在以上分类方法中按操作方式的分类方法是最常用和最重要的一种。
在化工产品生产中,反应过程使用的主要设备有哪些?
在反应器内进行的反应过程,除化学反应外,还伴随着动量传递、热量传递和质量传递(简称“三传”)等物理现象。
因此,反应过程不仅涉及化学反应的理论和规律,而且还要涉及到对反应的进程有直接影响的传递过程的理论和规律。
判断在规定的条件下反应过程可能达到的最高产率,需要借助于热力学化学平衡的理论;
而为了判断在适当尺寸的反应器中实际能达到的产率,则必须依赖于化学反应的速度,即化学动力学的知识。
第四节产物分离和提纯过程
产物是指从反应器中出来的物料。
大多数反应产物都是混合物,它包括未反应掉的原料和反应生成物。
气相反应器和气固相反应器的产物主要是气体产物和夹带的催化剂粉尘;
液相反应器的产物主要是液体产物与液固混合物;
气液相和气液固三相反应器的产物则有气体产物、液体产物和液固混合物。
产物的分离和提纯是化工生产中的重要环节,它不仅可以由产物中分离出所需要的产品,并进一步提纯至一定产品的规格,还可以使未反应的物料得以循环利用。
因此,产物的分离和提纯操作对保证产品质量和生产过程的经济效益起着重要作用。
一、分离方法
l.气体产物的分离
(1)气体的净制气体的净制是指除去气体产物中的固体颗粒和雾滴。
按照净制原理不同,将气体净制方法分成以下四类(如表1-2):
表1-2气体净制方法分类
气体净制方法
典型设备
机械净制
利用重力、惯性力和离心力等机械力的作用使微粒从气体中分离出来
重力沉降室、惯性除尘器和旋风分离器
湿法净制
使气体与液体接触,用液体洗去气体中的微粒,从而使气体净化,
各种湿式洗涤器等
过滤净制
气体通过过滤介质时微粒被截留而使气体净化
袋式过滤器等
电净制
使气体通过高压电场,其中的微粒在电场的作用下沉降,从而使气体净化
电除尘器等
(2)从气体产物中分离出要用的物质当气体产物含有两种或两种以上气体组分时,称为气相均一体系。
气相均一系的分离方法为冷凝、吸收和吸附。
冷凝是将压缩气体或饱和蒸汽冷却降温,使气体或蒸汽转变为液体的过程。
掌握一定的温度和压力,可将气体中的某些组分冷凝成液体而另一些组分仍为气体,可使气体产物分为不同的部分。
吸收是用适当的液体与气体产物相接触,使气体进入液体变为溶液的过程。
选择不同的吸收剂和不同的操作条件,可使气体产物中某组分被吸收而进入溶液,从而使气体产物中不同组分分离。
吸附是某些分子在多孔性固体吸附剂表面上浓集的过程。
选择适当的吸附剂就可以吸附气体或液体产物中的某些组分而不吸附其余的组分,从而使气体产物得以分离。
2.液体产物的分离
液体产物通常含有两种以上的液体组分,往往也会带有少量固体杂质或结晶。
液体本身
既有完全互溶的溶液,又有互不溶解的液体混合物,还有溶质分散在液相主体中的乳液。
(1)从液体产物中除去固体颗粒当液体产物中含有的固体颗粒很少时,这些固体颗粒如果是杂质,则必须予以除去。
如果这些固体颗粒是有用的结晶,而这些结晶又不妨碍液体在管道中的流动和液体的其它加工.则不必对这些液体进行处理,待这些结晶物大量生成后,按照加工固液混合物的方法进行加工。
如果这些有用的结晶颗粒会妨碍液体在管道中的流动或妨碍进行下一步加工,则须除去这些结晶颗粒。
除去液体产物中少量固体颗粒的方法包括过滤和澄清、结晶和重结晶、吸附和吸收、膜透析和超滤等净制方法。
(2)从不互溶的液体中除去其中一种液体当液体产物由两种不互溶的液体组成时,一般均用沉降法进行分离。
对于要求分离很彻底,而沉降法又达不到分离要求的少量不溶性液体杂质,可以采取吸附法进行处理。
例如产品的脱色和除臭就是从液体产物中除去少量的有机物杂质。
另外,也可以用吸附法从水溶液中除去少量油,或从油中脱除少量的水。
(3)溶液增浓当液体产物为稀溶液,而希望得到较浓的溶液时,用蒸发的方法。
即通过加热使溶液在沸腾情况下气化,使其中部分溶剂由于气化而除去,从而使溶液浓度增大。
例如将稀烧碱溶液变为浓溶液就用蒸发的方法。
(4)将互溶的液体分离成不同组分如果液体产物是互溶的两种液体或多种液体,若要将它们分成单独的或几组物质,需要用精馏、萃取等方法。
对于不同组分在相同温度下具有不同挥发度的溶液,可采用使溶液蒸发,汽液平衡,再将蒸汽冷凝,使溶液中的组分分离的精馏方法。
萃取是利用不同物质在溶剂中具有不同溶解度,使液体产物中的不同组分分离的方法。
(5)将液体产物全部或部分变为固体将液体产物全部变为固体,称做凝固,是固体熔化的逆过程,通常都用冷却和冷冻的方法降低液体的温度以使液体全部变为固体。
将溶液中的固体溶质分离出来的方法称为结晶。
结晶可以看做固体溶解的逆过程,通常用降低温度、减少溶剂和进行盐析等方法来实现。
将乳液中的固体溶质分离出来的办法称为凝聚,在乳液中加进凝聚剂破坏乳化状态,就能将颗粒状的固体物质分离出来。
3.固体产物的分离
(1)固液分离常用的以取得固体产物为目的固液分离方法是过滤,过滤的基本原理是利用多孔的过滤介质将悬浮液中的固体颗粒挡住,而让液体通过,从而使液体同固体分离。
过滤结束后,要用水或其它溶剂冲洗滤饼,以使附着在滤渣颗粒表面的滤液和滞留在滤饼内孔隙中的滤液溶到水中或其它溶剂中而被带走,洗涤后滤饼经加工后,可以得到较纯净的固体产物。
在化工产品生产中,产物的分离和提纯过程可能使用的设备和包括的化工生产工序
(2)固体的干燥工业生产中的固体干燥主要指从固体物料中除去少量水分,还包括从浆状物或溶液中除去大量水分而直接得到含水量很低的固体产物;
后者实质上包含了蒸发和干燥两个连续阶段,有时还包括结晶过程。
干燥过程中须将物料加热以促使水分更快气化,根据热能传给湿物料的方式可将干燥分为传导干燥、对流干燥、辐射干燥与介电加热干燥,其中对流干燥应用最广。
干燥过程中将汽化了的水蒸气带走的介质称为干燥介质,也称为载湿体。
工业上多用空气作干燥介质,有时也用烟道气或其它惰性气体作干燥介质。
二、分离流程方案选择
1.明确分离目标
在化工产品分离系统设计中,首先要确定产品的质量指标、纯度要求、对杂质含量的要求等。
一般而言,产品纯度是根据产品的使用目的来确定的。
而回收率或产品总收率则在很大程度上决定着分离过程的经济性,所以经济性最佳就成为确定回收率的主要依据。
2.确定可行的分离方法
充分了解被分离混合物中各组分在物理、化学以及生物学方面的性质,避免在分离过程中产物的分解、聚合、变质和被污染;
选择合适的分离方法;
热敏的产物不能过热;
易聚合还要添加阻聚剂;
万不得已不要在分离流程中逗留太长太久。
然后选择可以进行分离并且是最为经济的分离方法。
在选择分离方法时,还需要考虑分离规模和能量的消耗。
一般来说,建设工厂的投资与其规模的0.6次方成正比,但这只适用于大型工厂。
当规模小于某种程度后,与规模相关的投资就成为定值。
这是因为工艺过程所必需的管道、仪表、泵类、贮罐等的投资与规模大小无关,而这些却占据着工厂投资的较大部分。
此外,规模小与规模大同样要使用很多操作人员,规模变小所投入的劳动力却不会相应减少。
因此,对于较小规模,要尽量选择操作简单的,能够实现自动化操作的分离方法。
分析分离所需的能量消耗,最好能够利用自然的能量。
当规模比较大时,首先要考虑能否利用热能。
相对挥发度(分离系数)大于1.05,就应毫不犹豫地选择蒸馏法。
若相对挥发度小于1.05,则可采用萃取法等其它分离法与蒸馏法相互组合而构成的分离过程。
在热能无法利用时就只能选择速率差分离法。
3.确定分离流程经验规则和注意事项
(1)反应产物有固体物的,不论它们是目的产物还是废弃物,一般要率先分离出来,以免使管道设备堵塞,流程不顺。
(2)反应产物中对目的产物尤其有害的物质必须首先除去,甚至不惜能量的利用合理与否,这是工艺的要求。
通常产品的收率在经济上是最重的砝码,因为最终的产品利润最大。
不能因为考虑能量的“合理”,而牺牲了产品的收率。
(3)反应产物中对后续工艺有害的物质,首先分离。
比如精馏过程,从能量上考虑应当由挥发度从低到高逐级取出,但有时高沸点物质会聚合,会凝絮甚或较黑较脏,也要先把它分出。
然后再降温从低沸物到高沸物地分离。
这第一步似乎浪费了能量,但对流程和工艺有利。
(4)尽量优先把产物中未反应原料分出来,循环使用,如果原料宝贵更应如此。
(5)把最难分离的组分或要求特高的产物应从分离系统中先取出粗产物,再设计精制分离方案
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