2化学工艺基础2.1原料资源及加工利用一化学工业1.化学工业的分类化学工业是指利用化学反应改变物质结构、成分、形态而生产化学品的制造工业。广义的化学加工工业包括加工过程主要表现为化学反应过程的所有生产部门。由于生产的发展，有的生产过程虽然表现为化学反应过程，但却已独立成为单独的工业部门，如：治金工业、建筑材料工业、造纸工业、制革工业、陶瓷工业和食品工业等。在中国，一种工业往往被狭义理解为某个工业部门所管辖的那部分行业和企业的整体。狭义的化学工业则是指化学工业部"所管辖的那部分行业和企业的整体。随着行政管理体制的变更，化学工业部所管辖的范围时大时小，那么这样划分是不科学的。一般认为化学工业应介于上述广义和狭义的定义之间。化学工业按产品的元素构成大体可分为两大类：无机物化学工业和有机物化学工业，简称无机化工和有机化工。虽然组成有机化合物的元素品种并不多，但有机化合物的数量却十分庞大。1989年有机化合物已达到1000万种，到2000年就增至2000万种，但目前无机化合物只有几十万种。这说明有机化工产品的数量和品种在整个化学工业中占有重要地位。有机化工涉及的范围较广，如石油炼制工业、石油化学工业、有机精细化工、高分子化工、食品化工等等。如果考虑原料的来源和加工特点，化学工业则可分为石油化工、煤化工、天然气化工、生物化工等。在化学工业各部门之间，由于原料与产品的关系，而存在着相互依存和相互交叉的关系。例如：合成气是燃料化工的产品，又是无机化工（如合成氨）和有机化工（如甲醇）的原料：乙烯、丙烯等大量石油化学品，都是有机化工原料，也分别是聚乙烯、聚丙烯等聚合物的单体；二氧化钛既是无机盐工业的产品，又是颜料工业的产品；硝酸铵既可用作化肥，也可用作炸药；聚丙烯酰胺既是高分子化工的产品，又是一种油田化学品、水处理剂，后者属于精细化学品等等，不胜枚举。这说明化学工业所属部门的划分不是绝对的，它依划分的角度而异，也随1
1 2 化学工艺基础 2.1 原料资源及加工利用 一 化学工业 1．化学工业的分类 化学工业是指利用化学反应改变物质结构、成分、形态而生产化学品的制造 工业。 广义的化学加工工业包括加工过程主要表现为化学反应过程的所有生产部 门。由于生产的发展，有的生产过程虽然表现为化学反应过程，但却已独立成为 单独的工业部门，如：冶金工业、建筑材料工业、造纸工业、制革工业、陶瓷工 业和食品工业等。在中国，一种工业往往被狭义理解为某个工业部门所管辖的那 部分行业和企业的整体。狭义的化学工业则是指“化学工业部”所管辖的那部分行 业和企业的整体。随着行政管理体制的变更，化学工业部所管辖的范围时大时小， 那么这样划分是不科学的。一般认为化学工业应介于上述广义和狭义的定义之 间。 化学工业按产品的元素构成大体可分为两大类：无机物化学工业和有机物化 学工业，简称无机化工和有机化工。虽然组成有机化合物的元素品种并不多，但 有机化合物的数量却十分庞大。1989 年有机化合物已达到 1000 万种，到 2000 年就增至 2000 万种，但目前无机化合物只有几十万种。这说明有机化工产品的 数量和品种在整个化学工业中占有重要地位。 有机化工涉及的范围较广，如石油炼制工业、石油化学工业、有机精细化工、 高分子化工、食品化工等等。 如果考虑原料的来源和加工特点，化学工业则可分为石油化工、煤化工、天 然气化工、生物化工等。 在化学工业各部门之间,由于原料与产品的关系,而存在着相互依存和相互交 叉的关系。例如：合成气是燃料化工的产品，又是无机化工（如合成氨）和有机 化工（如甲醇）的原料；乙烯、丙烯等大量石油化学品，都是有机化工原料，也 分别是聚乙烯、聚丙烯等聚合物的单体；二氧化钛既是无机盐工业的产品，又是 颜料工业的产品；硝酸铵既可用作化肥，也可用作炸药；聚丙烯酰胺既是高分子 化工的产品，又是一种油田化学品、水处理剂，后者属于精细化学品等等，不胜 枚举。这说明化学工业所属部门的划分不是绝对的，它依划分的角度而异，也随
着生产的发展阶段和各国情况的不同而有所变化。2.有机化工产品从石油、天然气、煤等自然资源出发，经过化学加工得到的以碳氢化合物及其衍生物为主的基本有机化工产品，如乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、甲醇（乙炔、萘）等产品，此类产品是有机化工的基础原料，产量很大。由这些烃类产品经过各种化学合成过程可以生产出种类繁多、品种各异、用途广泛的有机化工产品，如由乙烯为原料进一步合成生产氯乙烯、环氧乙烷，由丙烯为原料生产丙烯睛等产品。本教材的内容也是根据这一思路进行编排，即前五章讲解乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、甲醇等基本有机原料的生产，后五章则是介绍以这些产品为原料进一步生产其它有机化工产品的生产技术。二有机化工的原料来源有机化工的原料来源也在发生变化，最早是采用农林副产品，后来主要使用煤，第二次世界大战后，石油和天然气所占比例逐渐增加，在发达国家，以石油和天然气为原料的有机化工产品已占93%以上。由于农林副产品由于收购和储存困难，品种单调，难以建设规模较大的工业生产装置。因此，人们把天然气、煤、石油称为有机化工的三大原料资源。1、煤及其利用煤是古代的植物埋在地下，在几乎没有空气的情况下，经过长期的煤化作用而形成的固体燃料。煤的结构极其复杂，但都含有芳核结构，所以煤是由含碳、氢的多种结构的大分子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无机矿物组成。煤与大多数工业上重要的有机化工产品相比，含氢太少，而且有稠环结构，所以转化为有用的化学产品，需要进行深度加工。其加工方法主要有：（1）煤的焦化（或高温干馏）在隔绝空气的条件下加热煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和焦炉气。其中在煤焦油中可获得，在粗苯中可得到苯、甲苯、二甲苯等。（2）煤的气化煤气化是以煤或煤焦为原料，以氧气、水蒸汽等做气化剂在高温下通过化学反应把煤或煤焦油转化为含氢、一氧化碳等气体的过程。由氢和一氧化碳等气体组成的混合物称为合成气。合成气是一种重要的化工原料，除用于生产合成氨外，2
2 着生产的发展阶段和各国情况的不同而有所变化。 2．有机化工产品 从石油、天然气、煤等自然资源出发，经过化学加工得到的以碳氢化合物及 其衍生物为主的基本有机化工产品，如乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、 甲醇（乙炔、萘）等产品，此类产品是有机化工的基础原料，产量很大。由这些 烃类产品经过各种化学合成过程可以生产出种类繁多、品种各异、用途广泛的有 机化工产品，如由乙烯为原料进一步合成生产氯乙烯、环氧乙烷，由丙烯为原料 生产丙烯腈等产品。本教材的内容也是根据这一思路进行编排，即前五章讲解乙 烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、甲醇等基本有机原料的生产，后五章则 是介绍以这些产品为原料进一步生产其它有机化工产品的生产技术。 二 有机化工的原料来源 有机化工的原料来源也在发生变化，最早是采用农林副产品，后来主要使用 煤，第二次世界大战后，石油和天然气所占比例逐渐增加，在发达国家，以石油 和天然气为原料的有机化工产品已占 93%以上。由于农林副产品由于收购和储存 困难，品种单调，难以建设规模较大的工业生产装置。因此，人们把天然气、煤、 石油称为有机化工的三大原料资源。 1、煤及其利用 煤是古代的植物埋在地下，在几乎没有空气的情况下，经过长期的煤化作用 而形成的固体燃料。 煤的结构极其复杂，但都含有芳核结构，所以煤是由含碳、氢的多种结构的 大分子有机物和少量硅、铝、铁、钙、镁的无机矿物组成。煤与大多数工业上重 要的有机化工产品相比 ，含氢太少，而且有稠环结构，所以转化为有用的化学 产品，需要进行深度加工。其加工方法主要有： （1）煤的焦化（或高温干馏） 在隔绝空气的条件下加热煤，使其分解生成焦炭、煤焦油、粗苯和焦炉气。 其中在煤焦油中可获得萘，在粗苯中可得到苯、甲苯、二甲苯等。 （2）煤的气化 煤气化是以煤或煤焦为原料，以氧气、水蒸汽等做气化剂在高温下通过化学 反应把煤或煤焦油转化为含氢、一氧化碳等气体的过程。由氢和一氧化碳等气体 组成的混合物称为合成气。合成气是一种重要的化工原料，除用于生产合成氨外
还可生产有机化工产品，如甲醇等。（3）煤的液化煤液化是指煤经化学加工转化为液体燃料的过程。煤液化分为直接液化和间接液化。煤的直接液化是采用加氢的的方法，使煤转化为液态烃，液化产品也称为人造石油，可进一步加工成各种液体燃料。煤的间接液化是预先制成合成气，然后通过催化剂作用将合成气转化为烃类燃料、含氧化合物燃料。（4）生产电石在20世纪50年代，煤曾作为有机化工的主要原料。60年代后，由于石油化工的发展，使煤在化工原料中的位置下降。但由于石油及天然气储量有限，所以近年来煤化工又逐渐发展起来（具体内容请参考煤化工相关资料，本教材不再详述）。2、天然气及其利用天然气是埋藏在地下的主要含甲烷的可燃性气体。21世纪被人们称为天然气时代，天然气不仅作为一种清洁优质的能源，而且也是一种重要的化工原料。根据天然气的组成可将天然气分为干气和湿气。干气主要成分是甲烷，其次还有少量的乙烷、丙烷和丁烷及更重的烃烃，也会有CO2、N2、H2S和NH3等。对它稍加压缩不会有液体产生，故称为干气：湿气除甲烷和乙烷等低碳烷烃外，还含有少量轻汽油，对它稍加压缩就有称为凝析油的液态烃析出来，故称为湿气。于气是生产合成氨和甲醇的重要化工原料。湿气中C2以上烃类含量高，这些烃类都是热裂解制低级烯烃的优质原料（见第一章）。3、石油及其利用石油是化石燃料之一，从地下深处开采出来的黄色乃至黑色的可燃性粘稠液体，常与天然气并存。它是由远古海洋或湖泊中的生物在地下经过漫长的地球化学演化而形成的复杂混合物。石油不是一种单纯的化合物，而是由数百种碳氢化合物组成的混合物，成分非常复杂。按化学组成可分为烃类和非烃类两大类。烃类主要是烷烃、环烷烃和芳香烃，一般不含烯烃。非烃类主要是含硫化合物、含氮化合物、含氧化合物及胶质和沥青质等。3
3 还可生产有机化工产品，如甲醇等。 （3）煤的液化 煤液化是指煤经化学加工转化为液体燃料的过程。煤液化分为直接液化和间 接液化。 煤的直接液化是采用加氢的的方法，使煤转化为液态烃，液化产品也称为人 造石油，可进一步加工成各种液体燃料。 煤的间接液化是预先制成合成气，然后通过催化剂作用将合成气转化为烃类 燃料、含氧化合物燃料。 （4）生产电石 在 20 世纪 50 年代，煤曾作为有机化工的主要原料。60 年代后，由于石油 化工的发展，使煤在化工原料中的位置下降。但由于石油及天然气储量有限，所 以近年来煤化工又逐渐发展起来（具体内容请参考煤化工相关资料，本教材不再 详述）。 2、天然气及其利用 天然气是埋藏在地下的主要含甲烷的可燃性气体。21 世纪被人们称为天然 气时代，天然气不仅作为一种清洁优质的能源，而且也是一种重要的化工原料。 根据天然气的组成可将天然气分为干气和湿气。干气主要成分是甲烷，其次 还有少量的乙烷、丙烷和丁烷及更重的烃烃，也会有 CO2、N2、H2S 和 NH3 等。 对它稍加压缩不会有液体产生，故称为干气；湿气除甲烷和乙烷等低碳烷烃外， 还含有少量轻汽油，对它稍加压缩就有称为凝析油的液态烃析出来，故称为湿气。 干气是生产合成氨和甲醇的重要化工原料。湿气中 C2 以上烃类含量高，这 些烃类都是热裂解制低级烯烃的优质原料（见第一章）。 3、石油及其利用 石油是化石燃料之一，从地下深处开采出来的黄色乃至黑色的可燃性粘稠液 体，常与天然气并存。它是由远古海洋或湖泊中的生物在地下经过漫长的地球化 学演化而形成的复杂混合物。 石油不是一种单纯的化合物，而是由数百种碳氢化合物组成的混合物，成分 非常复杂。按化学组成可分为烃类和非烃类两大类。烃类主要是烷烃、环烷烃和 芳香烃，一般不含烯烃。非烃类主要是含硫化合物、含氮化合物、含氧化合物及 胶质和沥青质等
由油田开采出来未经加工处理的石油称为原油。将原油加工成各种石油产品的过程称为石油炼制。石油在开采和加工过程中，得到许多气体和液体产品，它们都是有机化工的原料。因此，有机化工原料的来源与石油炼制工业有密切的关系，必须对石油炼制工业有一个大概认识。石油炼制过程主要包括常减压蒸馏、催化裂化、催化重整、催化加氢、焦化和加氢精制等工艺生产过程。（1）原油的常减压蒸馏预处理过的原油经预热到200～240℃后进入初馏塔，初馏塔主要将原油中部分较轻的组分蒸出。蒸出的塔顶油气经冷凝冷却后进行气液分离，气体称为拔顶气，液体是轻汽油，初馏塔底馏出的称为拔头原油。拔头原油经常压炉加热到360370℃，进入常压蒸馏塔，在此轻质油料汽化蒸出。常压塔顶出汽油，常压塔侧线馏分分别进入汽提塔进行汽提蒸馏，然后用泵送经换热器冷却后做为煤油、轻柴油和重柴油去成品罐，塔底称为常压重油。常压重油再用泵送经减压炉加热到410℃左右进入减压塔进行减压蒸馏。采用减压操作是为了避免在高温下重组分的分解。减压塔顶油气经冷凝冷却后用二级蒸汽抽空器抽去不凝气，以保证在要求的真空度下操作，减压侧线的馏分油可作为催化裂化等二次加工的原料或生产润滑油的原料，减压塔底油称为减压渣油，经泵升压后与原油换热回收热量，再经适当冷却后送出装置。原油经常减压蒸馏后，得到拔顶气、汽油、煤油、柴油、催化裂化原料或润滑油原料等。拔顶气中乙烷占2～4%，内烷约占30%，丁烷约占50%，其余为Cs及Cs以上的组分，可用作燃料或作为生产烯烃的裂解原料；初馏塔顶和常压塔顶得到的轻汽油和（重）汽油，称为直馏汽油，也称为石脑油，它是有机化工中裂解生产低级烯烃的很好的原料，经过重整处理还可得制取石油芳烃和高质量汽油。原油直接蒸馏得到的煤油、柴油等也称为直馏煤油、直馏柴油，它们除进一步加工制取合格的燃料油外，都是重要的裂解原料。常压塔三、四线产品和减压塔侧线产品，并称为“常减压馏分油”，可作为炼油厂的裂化原料或生产润滑油的原料，也可作为化工厂生产烯烃的4
4 由油田开采出来未经加工处理的石油称为原油。将原油加工成各种石油产品 的过程称为石油炼制。石油在开采和加工过程中，得到许多气体和液体产品，它 们都是有机化工的原料。因此，有机化工原料的来源与石油炼制工业有密切的关 系，必须对石油炼制工业有一个大概认识。 石油炼制过程主要包括常减压蒸馏、催化裂化、催化重整、催化加氢、焦化 和加氢精制等工艺生产过程。 （1）原油的常减压蒸馏 预处理过的原油经预热到 200～240℃后进入初馏塔，初馏塔主要将原油中 部分较轻的组分蒸出。蒸出的塔顶油气经冷凝冷却后进行气液分离，气体称为拔 顶气，液体是轻汽油，初馏塔底馏出的称为拔头原油。拔头原油经常压炉加热到 360～370℃，进入常压蒸馏塔，在此轻质油料汽化蒸出。常压塔顶出汽油，常压 塔侧线馏分分别进入汽提塔进行汽提蒸馏，然后用泵送经换热器冷却后做为煤 油、轻柴油和重柴油去成品罐，塔底称为常压重油。常压重油再用泵送经减压炉 加热到 410℃左右进入减压塔进行减压蒸馏。采用减压操作是为了避免在高温下 重组分的分解。减压塔顶油气经冷凝冷却后用二级蒸汽抽空器抽去不凝气，以保 证在要求的真空度下操作，减压侧线的馏分油可作为催化裂化等二次加工的原料 或生产润滑油的原料，减压塔底油称为减压渣油，经泵升压后与原油换热回收热 量，再经适当冷却后送出装置。 原油经常减压蒸馏后，得到拔顶气、汽油、煤油、柴油、催化裂化原料或润 滑油原料等。拔顶气中乙烷占 2～4%，丙烷约占 30%，丁烷约占 50%，其余为 C5 及 C5 以上的组分，可用作燃料或作为生产烯烃的裂解原料；初馏塔顶和常压 塔顶得到的轻汽油和（重）汽油，称为直馏汽油，也称为石脑油，它是有机化工 中裂解生产低级烯烃的很好的原料，经过重整处理还可得制取石油芳烃和高质量 汽油。原油直接蒸馏得到的煤油、柴油等也称为直馏煤油、直馏柴油，它们除进 一步加工制取合格的燃料油外，都是重要的裂解原料。常压塔三、四线产品和减 压塔侧线产品，并称为“常减压馏分油”，可作为炼油厂的裂化原料或生产润滑油 的原料，也可作为化工厂生产烯烃的
保鞋柴油双缩油及水质货一减压一规78二线A一一一成四线原油减乐清油ove冰三线图0一1常减压工艺流程图裂解原料。减压渣油可作锅炉燃料，也可进一步分离出高粘度润滑油和地蜡，或氧化得石油沥青，焦化得石油焦，并副产气态烃、汽油和柴油等。原油的常减压蒸馏过程只是物理过程，并不发生化学变化，所以得到的轻质燃料无论是数量和质量都不能满足要求，例如：汽油的收率一般不足25%，辛烷值只有30～40。原油的常压蒸馏和减压蒸馏称为原油的一次加工，为了生产更多的燃料和化工原料需对各个馏分进行二次加工，即常减压馏分油需经进一步化学加工过程，如催化裂化、催化重整、催化加氢、延迟焦化等。（2）催化裂化催化裂化是炼油厂中提高原油加工深度，生产汽油、柴油和液化气的最重要的一种重油轻质化的工艺过程。催化裂化是重质油在酸性催化剂存在下，在500℃左右、1×105～3×105Pa下发生裂解，生成气态烃、汽油、柴油和焦炭的过程。Ci～C2的气体称为干气，约占10～20%，其余C3C4气体被冷凝为液态烃，称为液化气。干气中含有10～20%的乙烯，液化气中丙烯和丁烯含量可达50%左右，它们都是基本有机化工原料。液化气中还含有丙烷和丁烷可作为生产烯烃的裂解原料。催化裂化生产的汽油和柴油产品中因含有较多的烯烃，不宜做裂解的原料。（3）催化重整催化重整是生产石油芳烃和高辛烷值汽油组分的主要工艺过程，是炼油和石油化工的重要生产工艺之一。催化重整是以C6～Cll石脑油为原料，在一定的操作条件和催化剂的作用下，使轻质原料油（石脑油）的烃类分子结构重新排列整理，转变成富含芳烃的高辛烷值汽油（重整汽油），并副产液化石油气和氢气的5
5 图 0－1 常减压工艺流程图 裂解原料。减压渣油可作锅炉燃料，也可进一步分离出高粘度润滑油和地蜡，或 氧化得石油沥青，焦化得石油焦，并副产气态烃、汽油和柴油等。 原油的常减压蒸馏过程只是物理过程，并不发生化学变化，所以得到的轻质 燃料无论是数量和质量都不能满足要求，例如：汽油的收率一般不足 25%，辛烷 值只有 30～40。原油的常压蒸馏和减压蒸馏称为原油的一次加工，为了生产更 多的燃料和化工原料需对各个馏分进行二次加工，即常减压馏分油需经进一步化 学加工过程，如催化裂化、催化重整、催化加氢、延迟焦化等。 （2）催化裂化 催化裂化是炼油厂中提高原油加工深度，生产汽油、柴油和液化气的最重要 的一种重油轻质化的工艺过程。 催化裂化是重质油在酸性催化剂存在下，在 500℃左右、1×105～3×105Pa 下 发生裂解，生成气态烃、汽油、柴油和焦炭的过程。 C1～C2 的气体称为干气，约占 10～20%，其余 C3～C4 气体被冷凝为液态烃， 称为液化气。干气中含有 10～20%的乙烯，液化气中丙烯和丁烯含量可达 50% 左右，它们都是基本有机化工原料。液化气中还含有丙烷和丁烷可作为生产烯烃 的裂解原料。催化裂化生产的汽油和柴油产品中因含有较多的烯烃，不宜做裂解 的原料。 （3）催化重整 催化重整是生产石油芳烃和高辛烷值汽油组分的主要工艺过程，是炼油和石 油化工的重要生产工艺之一。催化重整是以 C6～C11 石脑油为原料，在一定的操 作条件和催化剂的作用下，使轻质原料油（石脑油）的烃类分子结构重新排列整 理，转变成富含芳烃的高辛烷值汽油（重整汽油），并副产液化石油气和氢气的