蚂蚁私塾-艾尘-化工工艺学拆解

化工概论

化工即化学工业，是指物质转化和分离的过程，是国民经济的基础性和支柱性产业，主要包括无机化工，有机化工，精细化工，生物化工，能源化工，资源化工，材料化工等，。
化学工业虽然是一门古老的传统工业，但随着现代工业的发展，它仍是一门新兴的工业。
化工工艺是指由原料到化工产品的转化工艺，其研究对象为具体化工产品的生产。我们从这本书开始对化工的初步印象，开始本专业的学习。

下面，本篇将分为5个部分对这本书进行拆解和简化，分别是第一章 化工工艺学概论；第二章 典型无机化工产品生产工艺；第三章 石油炼制过程及产品生产工艺；第四章 基本有机化工典型产品生产工艺；第五章 合成气的生产工艺。

第一章 化工工艺学概论

化工工艺学的具体内容：

1. 原料的选择与预处理
2. 生产原理和生产方法的选择
3. 设备（反应器及其他）的作用，结构和操作*
4. 催化剂的选择，成分和使用*
5. 其他物料的影响
6. 操作条件的影响分析和选定
7. 流程控制*
8. 产品规格和副产品的分离与利用
9. 能量的回收和利用
10. 不同工艺路线和流程的技术经济评比*
    以上十条可能对非化工人来说很陌生，里面的一半内容会在其他书内详细说明。

第二章 典型无机化工产品生产工艺

一· 硫酸的生产工艺

1. 硫酸简介
   硫酸（H2SO4）是一种无色透明油状液体，分子量为98.078，一般将质量分数大于75%的硫酸称为浓硫酸，小于75%的称为稀硫酸。
   硫酸是重要的无机化学工业产品的生产原料，主要是生产化肥，以及石油钢铁工业的生产中会用到的，例如，石油行业中汽油，润滑油的精制（增加品质），钢铁加工过程的预处理（稀硫酸可以去除表面的氧化膜）等等。
   ps，如果遇到有关硫酸的危险，特别是浓硫酸，最优方法是大量冷水冲，最好是自来水管直接喷，因为硫酸的强氧化性和溶解放出大量热，冷水可以快速稀释并带走大量热量。

2. 硫酸的生产工艺——基于硫铁矿为原料
   1831年，英国人P.Philps提出接触法制硫酸，用铂做催化剂，将SO2氧化为SO3，再用水吸收三氧化硫制成硫酸，方程式如下：
   以硫磺为原料：
   S+O2→SO2
   2SO2+O2→2SO3
   以硫铁矿为原料
   2FeS2→2FeS+S2
   S2+2O2→2SO2
   SO3+H2O=H2SO4

2.1 硫磺生产以硫磺（硫单质）和硫铁矿（硫化铁矿物）为主要原料
一般的生产工序有以下四步：

1. 炉气制取工艺：含硫原料焙烧后制取二氧化硫气体，获得原料气
2. 炉气净化工序：净化原料气——即除去原料气中的杂质
3. 转化工序：将二氧化硫转化为三氧化硫
4. 吸收工序：将三氧化硫气体用硫酸吸收，实现三氧化硫与水结合制成硫酸。

2.2 硫铁矿为主要原料制取工艺具体为：
（1）硫铁矿加工粉碎后筛分，浮选后获得硫精沙，干燥处理，干燥沙在沸腾床焙烧得炉气。
（2）炉气除杂，除尘后湿法净化，先经过冷却塔，洗涤塔，后用稀硫酸洗涤除去砷氟等杂质，经过电除雾器除去酸雾，再经过干燥塔用93%的硫酸脱除水分。
（3）转化工段通过三段催化转化使得二氧化硫转化为三氧化硫。
（4）三段转化后的转化气在第一吸收塔中吸收后经过第四段转化后进入第二吸收塔后得浓硫酸。

2.3 焙烧过程影响因素和炉气净化
焙烧过程的影响因素：a焙烧温度b粒度c氧含量d空气与颗粒的相对运动速度
净化过程：1砷，硒，氟；2矿尘；3. 酸雾；4. 水分。

2.4三废处理方案
废气吸收：有氨法吸收和碱法吸收
废水处理：一般为先中和酸性，再沉淀分离有毒的砷氟等，一般是处理两轮，即二级处理标准。
废渣利用：先回收铁资源，再回收其他金属资源。

二 硝酸生产工艺简介

1. 硝酸的用途和性质
   首先简单介绍一下无机化工的老朋友——硝酸，HNO3 是它的化学式，在所有酸类中它的生产规模仅次于硫酸，一般来讲，硝酸多用于农业（如硝酸和氨制得硝酸铵为氮肥），国防工业（硝酸铵可生产无烟火药和混合炸药），印染制造业（浓硝酸与有机物反应制得各种有机染料中间体），还有医药，照相材料塑料等等。

纯硝酸为无色液体，具有窒息性和刺激性，可以任意比例互溶于水并放热，常温下可以分解。特别的是，它氧化性极强，与盐酸体积比为 1:3 混合得到的王水可以溶解金和铂。工业硝酸分为浓硝酸（96%-98%）和稀硝酸（45%-70%）

2. 硝酸生产方法和原料
   目前工业应用广泛的是氨接触氧化法得到氮氧化物，然后制得稀硝酸，方程式如下：
   4NH3+5O2=4NO+6H2O
   2NO+O2=2NO2
   3NO2+H2O=2HNO3+NO
   总方程式：NH3+2O2=HNO3+H2O

浓硝酸一般采用直接法和间接法
直接法：液态的氮氧化物与一定比例的水混合后 加压 通氧 制得。
方程式：2N2O4(液)+O2(气)+2H2O=4HNO3
间接法：稀硝酸 精馏 脱水（用浓硫酸或者浓硝酸镁）后得到浓硝酸。

3. 工艺流程
   实际工业上硝酸的生产方式有十几种，我们按操作压力分三类：常压法、全压法、综合法。
   （1） 常压法
   顾名思义，就是在常压下进行氨气的氧化和酸吸收，这样氨的氧化效率高，催化剂消耗低，设备结构简单。但是同时酸浓度低，尾气中氮氧化物含量高，需要进一步处理。
   （2） 全压法
   氨氧化和酸吸收都在加压条件下进行，中压吸收的压力在0.2-0.5 MPa，高压吸收的压力在0.7-1.0 MPa，与常压法优缺点正好相反。
   （3） 综合法
   综合两种方法的优点后，综合法工艺流程一般为常压氨氧化，中压酸吸收。或者中压氨氧化，高压酸吸收。

4. 工艺条件
   催化剂：铂系催化剂，用纯铂丝或含1%-3%铑的合金丝做成网状，增加接触面积，会高温活化处理，增加接触面积提高活性，但是，如果氨气中还有其他杂质气体或灰尘都会使催化剂活性降低，故反应前需要做好除杂。
   温度，压力接触时间都是根据催化剂的性能和温度来确定的。

第三章 石油炼制过程及产品生产工艺

最新的中国500强企业中，中石油中石化分别占了前十的两席，石油作为工业的血液，几乎所有地方都有需要它的地方，生活中方方面面都是石油及下游产品。
今天来揭开石油的黑色面纱。

1 概述

所谓石油炼制过程即石油加工过程，世界能源总需求的40% 依赖于石油产品，当然也可以从三桶油（中石油，中石化，中海油）每年的盈利和上税的情况可以看出石油工业的重要性。

石油是什么？
石油即原油，是一种复杂的碳氢化合物（此处是碳氢不是碳氢氧化合物），成分复杂含碳氢硫氮氧等，非碳氢元素约占 1-4 %，一般为流动或半流动黏稠液体，相对密度小于1（相对于水而言），是不可以直接使用的，必须经过后期的加工处理（石油炼制）才能用作燃料油，润滑油及石油产品等等。

汽油是干嘛的？
汽油是主要用于点燃式发动机（汽油机），如汽车，摩托车，快艇，小型发电机和螺旋桨式飞机的燃料，质量要求有：1. 良好的蒸发性（取决于合适的轻重组分比例）；2. 良好的抗爆性（即辛烷值，辛烷值越高，抗爆性越好）；3. 良好的安定性（即化学稳定性，也就是抗氧化的能力，不饱和烃越少，化学稳定性越好）；4. 无腐蚀性（非烃杂质要少）

柴油是什么？
柴油是压燃式发动机（柴油机）的燃料，其热工效率高，燃料比消耗低，经济型强主要用于大客，货车等等。质量指标有：1. 抗爆性（十六烷值表示，越高越好）；2. 蒸发性；3. 低温性能；4. 黏度适中。

石油的其他产品有：润滑油、溶剂油、石蜡、石油沥青、石油焦等。

原油的加工方案主要有三种：（1）燃料型（2）燃料-润滑油型（3）燃料化工型。

2 石油的物理加工过程

首先是原油的脱盐脱水，用破乳剂（水包油型表面活性剂）使油水形成的稳定的乳化液不稳定，水沉降分出后，由于盐溶于水，故可以同时分出，一般采用破乳剂和高压电场的共同作用，经过一次脱盐脱水后加入洗涤剂再进行二次脱盐脱水，就可以送去后续的蒸馏装置了。

蒸馏有三种基本类型：闪蒸，简单蒸馏和精馏。（这个会在《化工原理》上讲）
通过一系列的蒸馏后会得到不同沸点的多种馏分，最重的组分为渣油，渣油也会用丙烷溶剂脱除沥青和沥青质得到我们需要的成分。

第四章．基本有机化工典型产品生产工艺
本章结束后，可能大家也算是对化工初窥门径了。
今天我们会详细说明烃类热裂解的工艺，从机理到工艺流程到设备，这样会有一个整体的纵深的印象。其他的典型过程，1. 芳烃转化，2. 加氢和脱氢，3. 烃类的催化氧化，4. 羰基化反应，5. 烃类氯化，这五部分只做反应和机理的介绍。

1. 概述
   化工行业内常常讲一些重要的基础产品：三烯三苯一炔一萘一气。它们分别是乙烯丙烯丁二烯，苯甲苯二甲苯，乙炔，萘和合成气。
   基本有机化学工业的特点：①生产装置规模大型化，产品种类多；②炼油-化工一体化；③加工技术综合化，先进化；④环境友好型石油化工装置。
   基本有机化工的原料：石油、煤、天然气、生物质。

2. 烃类热裂解

什么是烃类热裂解？是指石油或者其他原料在 高温 和 隔绝空气 的条件下，原料中的烃分子发生脱碳或者碳链断裂反应，生成小分子的烯烃（乙烯，丙烯等）和烷烃或者是其他C5以上有机化工产品。

烃类热裂解会发生一次反应和二次反应，一次反应有：烷烃烯烃的脱氧a和断链反应b，歧化反应c，烯合成反应d，芳构化反应e，环烷烃裂解反应f，芳烃的裂解反应g。具体反应如下：
a ：R-CH2-CH3 → R-CH=CH2+H2
b ：R-CH2-CH2-R1 → R-CH=CH2+R1H
c ：2C3H6 → C2H6+C4H6
d ：CH2=CH-CH=CH2+CH2=CH2 → 环己烯 →苯
e ：环己二烯脱氢生成苯
f ：环己烷→环己烯→环己二烯→苯
g ：苯乙烷 → 苯+乙烯

原料一次反应生成的烃有一部分是不稳定的，可能在该裂解温度下继续反应，即二次反应，典型的有：
1） 裂解成更小分子的烃 2）聚合缩合甚至转化为焦 3）烯烃加氢和脱氢 4）烃分解生成碳。
结焦和生碳有本质区别：结焦是低温（<1200K）下芳烃缩合而成；生碳是高温下乙炔脱氢形成的稠和的碳原子

3. 其他典型过程有1. 芳烃转化，2. 加氢和脱氢，3. 烃类的催化氧化，4. 羰基化反应，5. 烃类氯化。在此不详述。

第五章 合成气及重要衍生物的生产工艺
上一章提到一个概念叫三烯三苯一炔一萘一气，最后这个就是合成气，下面来看一下这个大家比较陌生的化工原料。

1. 概述

合成气是氢气和一氧化碳的混合物，合成气是碳一化工的重要组成部分，碳一化工主要包括甲烷转化和合成气转化，具体应用途径如下：
（1）合成氨：用作氮肥原料和其他化工原料。
（2）费托合成：生产液体烃类燃料后进一步分离加工得到汽油柴油和蜡等。
（3）合成甲醇和二甲醚：甲醇作为重要的化工原料，用于生产醋酸，甲醛，甲基叔丁基醚，甲酸甲酯等产品，同时，甲醇脱水或H2/CO比为2的合成气可催化制备二甲醚。
（4）合成乙烯等低碳烯烃（未工业化）
（5）合成乙二醇
（6）烯烃的氢甲酰化产品：如：与合成气反应生成正丁醛。
（7）合成低碳混合醇：可做汽油的掺烧燃料或脱水生成低碳烯烃。
（8）甲烷化：生成甲烷，即合成天然气。

合成气的生产方法有三种：1. 天然气脱硫转化；2. 煤，气化，除尘，脱硫；3. 重油部分氧化，除碳，脱硫。只详述第一个。

2. 天然气转化制备合成气
   一般的天然气分为气田气和油田气，通常人们所说天然气是指气田气，成分为九成以上的甲烷和一成不到的低碳烃类气体和杂质气体（多为含硫气体）。
   主要技术有三种：
   （1） 蒸汽转化法：催化剂和高温条件下，甲烷与水蒸气反应生成H2和CO
   反应式：CH4+H2O=CO+3H2 焓值=206.4 kJ/mol
   焓值大于0可以看出此反应为强吸热反应，需要大量供热。
   （2） 部分氧化法：甲烷等烃类与氧气进行不完全氧化生成合成气。
   CH4+0.5O2=CO+2H2 焓值=-35.7 kJ/mol
   该反应可以自热进行，热效率高。非催化部分氧化已经工业化，催化部分氧化还在开发当中。
   （3） 自热转化法：前两种结合生成合成气的自热转化技术。

具体工艺条件如下：压力3 MPa左右；温度，一段转化炉800℃以内，二段转化炉1000℃以上，防止积炭；水碳比为3.5左右；空速（单位时间通过单位催化剂的气体体积）1000-2000 h-1

天然气制合成气工艺过程：天然气——脱硫——＋水蒸气一段转化——+氧气或空气二段转化——脱碳——（变换）——合成气。
煤制合成气工艺流程：
煤+水蒸气——气化——水煤气——脱硫——（变换）——脱碳——合成气。

不难发现，每一个工段都有脱硫和脱碳过程，还有一个可能存下的变换的过程，这就涉及到一个问题“净化”下面简单介绍一下脱硫，脱碳和净化。

脱硫是石油和天然气化工中极为重要的一个部分，我国进口的石油多为高硫原油，如果处理不好会对环境造成很大危害。
脱硫主要有两种，一是干法脱硫，净化度高，但费用高且间歇操作，又分吸附法和催化转化法，二是湿法脱硫，

吸附法有氧化锌法，即氧化锌和硫化氢生成硫化锌固体，但只能脱除硫化氢气体，有机硫需要催化加氢生成硫化氢后脱除，
活性炭法，可以脱除有机硫和硫化氢，有吸附，氧化，催化三种形式，吸附法可以使活性炭再生。氧化铁法和钴钼加氢脱硫法。

湿法有，化学吸收法，物理吸收法，物理化学吸收法和湿式氧化法。湿法脱硫会回收硫化氢，多用克劳斯反应生成硫单质。脱碳是指脱除二氧化碳，一般有化学吸收和物理吸收两种方法。

变换反应：CO+H2O=CO2+H2
此反应可以调节氢气和一氧化碳的比例。

以上全书结束。
内容会再修改，先投稿。