化工工艺学教学提纲.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流化工工艺学教学提纲.精品文档.化学工艺学教学内容纲要绪论1 化学工艺学的研究范畴化学工业又称化学加工工业，指生产过程中化学方法占主要地位的制造工业。化学工艺即化工生产技术，指将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程。化学工艺学是根据化学、物理和其他科学的成就，来研究综合利用各种原料生产化工产品的方法原理、操作条件、流程和设备，以创立技术上先进、经济上合理、生产上安全的化工生产工艺的学科。化学工艺学所涉及的范畴：原料的选择和预处理；生产方法的选择及方法原理；设备（反应器和其他）的作用、结构和操作；催化剂的选择和使用；其他物料的影响；操作

2、条件的影响和选定；流程组织；生产控制；产品规格和副产物的分离与利用；能量的回收和利用；对不同工艺路线和流程的技术经济评比等。化学工业有二十个主要行业：即化学肥料工业、化学矿山工业、硫酸工业、纯碱工业、氯碱工业、无机盐工业、煤化学工业、石油化工和有机原料工业、合成橡胶工业、合成纤维工业、合成树脂和塑料工业、农药工业、染料工业、涂料工业、橡胶工业、医药工业、国防化工、感光材料和磁性记录材料、化学试剂工业、精细化学品工业。 有机化工是利用自然界中大量存在的煤、石油、天然气及生物质等资源，通过化学加工的方法，制成一系列重要的基本有机化工产品。 石油化工是以石油和天然气为原料，通过裂解（化学加工）和分离

3、（物理加工）等化学工艺，生产甲烷、乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、乙炔等化工基础原料的工业。石油化工是国民经济的四大支柱产业。（其它三个为机械电子、汽车制造和建筑业） 有机原料工业是用上述的基础原料再经进一步加工，制得醇、酸、酮、醛等有机原料的工业。煤化工是以煤为原料，经一系列加工，得到石油化工较难得到的如萘、苯酚类、喹啉、吡啶、噻吩等化工产品的工业。2 化学工业的发展历史及其在人类社会中的作用化工与其他工业有着紧密的联系，如三大合成材料：合成橡胶、合成纤维、合成树脂和塑料。塑料具有价廉、化学稳定性好、易于加工等特点，随着优良助剂的不断开发应用，塑料性能更加完善，可代替木材、水泥、

4、有色金属、钢铁等。合成树脂和塑料主要产品：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、ABS合成纤维：通用型合成纤维和特种合成纤维。纤维：涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、维伦合成橡胶，分为通用型合成橡胶和特种合成橡胶。五大橡胶产品 ：顺丁胶、丁苯胶、丁腈胶、氯丁胶、异戊二烯胶。特种橡胶硅丁橡胶和氟橡胶主要用于国防、军工、尖端科学技术。有机化工的基础原料主要有：即乙炔（炔烃）、乙烯、丙烯、丁二烯（烯烃）、苯、甲苯、二甲苯、萘、合成气（CO+H2）。基本有机原料，常用的有十四种:即，甲醇、甲醛、乙醇、乙醛、乙酸、环氧乙烷、环氧氯丙烷、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、辛醇、苯酚、苯酐。在基础原料中，乙烯吨位（产量）最大。

5、 国外往往把一个国家的乙烯产量大小作为衡量该国基本有机化工发展水平的重要标志。 3 现代化学工业的特点和发展方向一 现代化学工业的特点（1）原料、生产方法和产品的多样性与复杂性（2）向大型化、综合化发展，精细化率不断提高（3）是多学科合作、生产技术密集型的生产部门（4）重视能量合理利用，积极采用节能工艺和方法（5）资金密集，投资回收速度快，利润高（6）化工生产中易燃、易爆、有毒是现代化工企业首要解决的问题二、我国化学工业的现状化学工业已成为国民经济的四大支柱产业之一。我国是世界上化学工业增长速度最快的国家之一。2001年世界乙烯生产能力及分布状况地区北美亚太西欧东欧/前苏联中东/非洲南美总计生

6、产能力（万吨）3374.22552.22178.3706.5858.2391.810059.9国家美国日本沙特加拿大德国韩国中国生产能力（万吨）2875.9684.5565527.1527.1492479 2010年乙烯产量预计达800-1000万吨截至2004年底，中国原油一次加工能力达到3.15亿吨/年（居世界第二位）；乙烯生产能力达到608.5万吨/年（居世界第三位）；合成树脂生产能力达到1950万吨/年（居世界第二位）；合成纤维生产能力达到1310万吨/年（居世界第一位）；合成橡胶生产能力达到139万吨/年（居世界第四）。我国是一个人口众多的国家，化工产品人均产量与世界人均值相比差距很

7、大，因此我国化学工业继续壮大任务是艰巨的。 化工重点是做大总量，加快产品结构调整，增加高附加值产品比例。 三、我国化学工业发展的重点和方向支农产品、石油化工（高分子合成材料在内）和精细化工产品。面向市场竞争激烈的形势，积极开发高新技术，缩短新技术、新工艺工业化的周期，加快产品更新和升级的速度。最充分、最彻底地利用原料。原子经济性：在反应中应该使原料中每一个原子都结合到目标分子即所需产物中，不需要用保护基团或离去基团，因而不会有副产物或废物生成。大力发展绿色化工绿色化学工艺是指在绿色化学基础上开发的从源头上阻止环境污染的化学工艺。该类工艺的建立和开发的指导思想是采用“原子经济”反应，即原子中的每

8、一个原子都转化成产品，不产生任何废物和副产品，实现废物的“零排放”，也不采用有毒有害的原料、催化剂和溶剂，并生产环境友好的产品。化工过程要高效、节能和智能化实施废弃物再生利用工程四、宁波化工发展的现状及展望我市石化工业经过近50年的发展，现已成为宁波临港工业中产值比重最大的产业，已形成以石油加工、高分子合成材料、基本化工原料等行业为主的石化工业体系，并已基本形成以宁波石化工业区、北仑经济技术开发区、大榭经济技术开发区为主区域的石化基地。 截至2004年底，宁波市拥有规模以上石化企业179家，其资产达279亿元，完成当年工业总产值577亿元。 宁波市的石化产品在国内市场中占有重要地位的有：高标汽

9、油、低硫柴油、航空煤油、石油焦、芳烃、聚丙烯、ABS、EPS、硫酸、烧碱、液氯、盐酸、合成氨、尿素、染料、涂料等。 宁波的化工企业分布：宁波石化工业区（含镇海石化厂、蟹浦化学工业区、镇海后海塘工业区）大榭经济技术开发区 、北仑经济技术开发区、台塑化工区。 从产值角度讲，2004年浙江省石油和化工行业销售收入为1574亿元，在全国排名为第6位，宁波市石化行业销售收入为565亿元，占浙江石化省产品销售收入的35.9%，宁波市的石化产业在国内同行中具有一定的地位。 4 化学工业的原料资源和主要产品一、化学工业的原料资源自然资源有矿物（煤、石油、天然气）、植物和动物，包括空气和水。二、化学工业的主要产

10、品无机化工产品：主要是三酸二碱和合成氨。 硫酸、硝酸、盐酸、纯碱和烧碱。有机化工产品：主要基础原料。乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、乙炔、萘和合成气。基本有机原料及中间体。高分子化工产品：主要是三大合成材料。合成橡胶、合成纤维、合成塑料和树脂。按功能分：通用高分子和特种高分子。精细化工产品：11类。农药、染料、涂料（包括油漆及油墨）、颜料、试剂和高纯物、信息用化学品（包括感光材料、磁性材料等能接受电磁波的化学品）、食品和饲料添加剂、粘合剂、催化剂和各种助剂、化工系统生产的药品（原药）和日用化学品、功能高分子材料（包括功能膜、偏光材料等）。生物化工产品：通过生物催化剂催化的发酵过程、酶反应

11、过程或动植物细胞大量培养过程获得的产品。5、授课主要内容（1）化学工业概貌和化学工艺有关基本概念（2）化工原料资源及其加工利用途径（3）化工基础原料的典型生产过程（4）基本有机、无机化工中的典型反应过程的原理和工艺（5）三废处理和绿色化工概念（6）反应过程的物料衡算和热量衡算基础要点：（1）原料来源（2）生产原理、反应类型（3）工艺路线选择（4）工艺条件确定（5）反应器选择及确定（6）工艺流程组织（7）典型产品（主要副产物）质量要求及产品介绍思考练习题1. 何谓化学工艺学？化学工艺学的范畴？ 2. 有机化工和石油化工的任务？3. 有机化工的主要基础原料有哪些？4. 现代化学工业的特点？5. 何

12、谓绿色化学工艺？化学工艺的共性知识一 化学工业原料资源及其加工利用世界化学工业大致经历了焦油化工、无机化工、电石乙炔化工，直至最近几十年的石油化工几个阶段。 二十世纪初，主要是以煤为基础； 五十年代，以煤和石油为原料比例占半； 六十年代以后，主要（90%）以石油、天然气为原料； 约10%左右化工产品用煤和农副产品为主要原料。1 石油及其加工产品从地下开采出来的未经加工处理的石油称为原油，其是一种有气味的呈褐色的粘稠液体，是多种碳氢化合物的混合物。也称“黑色金子”。石油组成： 烃组成：烷烃、环烷烃、芳烃 分类：烷基石油（石蜡基石油）、环烷基石油（沥青基石油）、(中间)混合基石油 元素组成：、及其

13、它元素馏程：当油品加热蒸馏时，滴出第一滴油品时的气相温度，称为“初馏点”，蒸馏到最后达到的最高气相温度称为“终馏点”，初馏点到终馏点的温度范围成为该油品的馏程。在馏程之间蒸馏的蒸出物称为“馏分”。原油一般不直接利用，须经过加工制成各类石油产品方可利用。 常减压蒸馏是石油加工第一道加工方法（龙头），按沸点不同分出各种馏分油。原油预处理（脱盐、脱水、脱硫化物）-常压蒸馏-减压蒸馏指标：含盐量50mg/L，含H2O量0.2%。 常减压蒸馏流程见图1所示(P5)。先经初馏塔 可得到 拔顶气-作燃料、裂解原料轻汽油-（石脑油）作重整原料、裂解原料 再经常压塔 可得到轻汽油-作催化重整原料、作裂解原料 煤

14、油 -作裂解原料 轻柴油-作裂解原料 重柴油-作催化裂化原料、作裂解原料 然后再经减压塔 可得到 减压柴油-作裂解原料及催化裂化原料 减压馏分油 减压渣油-生产石油焦或石油沥青 催化裂化通过裂化，即发生芳构化、异构化、环烷化，使重质燃料裂化成轻质燃料，同时使轻质燃料的组分发生变化，汽油质量提高。催化裂化工艺流程见图2所示(P6)。催化裂化产物经分馏塔分离，可得“二次加工”汽油、轻柴油、副产裂化气即液化气，可从中分离得到C3=、n-C4=、i-C4=用于生产各种基本有机化工产品。二次油质量好。（3）催化重整催化重整是使石油馏分油经过化学加工转变为富含芳烃的高辛烷值汽油。(催化剂 Pt/Al2O3

15、)原料是轻汽油、直馏汽油、二次加工汽油。催化重整工艺流程见图3所示(P7)。催化重整汽油占总汽油产量的50%以上。催化重整也是生产芳烃的重要方法之一。提取芳烃流程：预处理（脱砷、脱硫）和催化重整-抽提（抽余油 （C6C9高辛烷值汽油）-精馏（得到苯、甲苯、二甲苯）(4)加氢裂化（加氢催化裂化、缓和加氢催化裂化）加轻裂化是在氢存在下进行的催化裂化反应，可得到优质的汽、煤、柴油，如航空喷气燃料和优质轻柴油。特点：原料用重质馏分油等，选择范围广；裂化后，产生低级烷烃作化工原料； 加氢减压油可作生产乙烯的裂解原料。表7从石油加工可获得的基本有机化学工业原料（P9）2 天然气及其加工产品天然气是埋藏在地

16、下，自然喷出或人工开采出来的可燃性气体的总称。组成：CH4,H2,C2（以下所指的均为烷烃）,C3,C4,少量C5,CO2,N2,H2S等天然气的分类有两种： 化学组成不同： 干性天然气 C10含量90% 不可液化 湿性天然气 C10含量90% 可压缩液化 气井气（气田） 干性天然气 简称干气 矿藏不同： 油田气（油田伴生气） 湿性天然气 简称湿气 凝析井气天然气利用：民用作燃料，工业用主要利用其中的甲烷和其他烷烃。甲烷的化工利用主要有三个途径： 经蒸汽催化转化制成合成气CO+H2，然后进一步合成甲醇、高级醇、氨、 尿素以及碳一化学品。 经部分氧化制造乙炔，发展乙炔化学工业。 直接用于生产各种

17、化工产品，如，炭黑、氢氰酸、氯甲烷、硝基甲烷等。(从湿气中分离得到的C2+烷烃作为裂解原料)天然气的化工利用途径见表3（P4）天然气利用要注意的问题爆炸极限（516%）：可燃性气体与空气（氧气）混合达到一定比例时，再遇明火时能发生爆炸的极限范围。最高浓度成为爆炸上限，最低浓度成为爆炸下限3 煤及其加工产物煤结构很复杂，以芳香核结构为主，具有烷基侧链和含杂原子（氧、氮、硫）基团的高分子化合物（M2000）以煤作化工原料，可得到石油化工较难得到的产品。煤的化学加工方法： 煤的干馏：常用高温干馏（也称炼焦）将煤隔绝空气加热，随着温度的升高，煤中有机物逐渐开始分解，其中挥发性物质呈气态逸出，残留的不挥

18、发物质就是焦或半焦。这种加工方法称为煤的干馏。我国1983年作了统计，纯苯产量的54.6%和全部的萘、蒽、咔唑等多环芳烃和杂环化合物都来自煤焦油。粗苯主要由苯、甲苯、二甲苯、三甲苯所组成。焦炉煤气经分离可得氢气、甲烷、乙烯等。 煤的汽化煤、焦或半焦在高温常压或加压条件下，与气化剂反应转化为一氧化碳、氢等可燃性气体的过程。产物可用作合成气、城市煤气、工业用燃料气。（3）煤的液化煤的高温加氢，称为煤的液化 。加氢、热解、脱灰（4） 煤与石灰熔融生产电石CaO + C CaC2 C2H2 化工原料。（如，C2H3Cl等）表14 从煤获取基本有机化学工业原料的途径(P13)4 生物质的利用（1）农林副

19、产品玉米芯-糠醛（萃取剂）纤维素含多缩己糖，半纤维素则含多缩己糖和多缩戊糖。多缩戊糖 戊糖 + 3H2O（C5H8O4）n C5H10O5 （ 糠醛）此法是工业上生产糠醛的唯一方法。糠醛是有机化工的一种重要原料，可用来生产糠醛苯酚树脂、糠醇树脂、顺丁烯二酸酐、合成纤维及医药产品。提取色素（辣椒-红色素）植物花-香精、松节油（2）动植物油-硬化油、硬脂酸、甘油（3）海洋化工-天然气、烃类水和物目前，生物质的利用，这项工作做得越来越多，如稻杆等利用生产羧甲基纤维素等。二 化工生产过程及流程1 化工生产过程化工生产过程由三个步骤组成：原料预处理；化学反应；产品分离及精制。2 化工生产工艺流程原料经过

20、包括物质和能量转换的一系列加工，转变成所需产品，实施转换需要有相应的功能单元来完成，按物料加工顺序将这些功能单元有机地组合起来，构筑成工艺流程。将原料转变成化工产品的工艺流程称为化工生产工艺流程。用图示来表达工艺流程的图称为工艺流程图。化工生产工艺流程的组织：三种方法：推论分析法；功能分析法；形态分析法。三 化工过程的主要效率指标1 生产能力和生产强度生产能力：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。其单位为kg/h，t/d或kt/a，万t/a等。设计能力：设备或装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力，称为设计能力。生产强度为设备的单位特征几何量的生

21、产能力。即设备的单位体积的生产能力，或单位面积的生产能力。其单位为kg/(hm3)，t/(dm3)，或kg/(hm2)，或t/(dm2)等。生产强度指标主要用于比较相同反应过程或物理加工过程的设备或装置的优劣。设备中进行的过程速率高，其生产强度就高。2 转化率、选择性和收率（1）转化率转化率表征原料的转化程度，反映了反应进程。转化率越大，参加反应的原料愈多。使用时，注意单位要统一，可用摩尔（mol）；质量（kg）；体积（L）。（2）单程转化率（用于循环过程）X单 X总(3)选择性S（selectivity） 也可用目的产物需消耗的某反应物量与实际转化掉的该反应物量之比。（4）收率和质量收率 反

22、应物的量单位：摩尔单位或质量单位。有循环时： 反应物的量单位：摩尔单位或质量单位。3 平衡转化率和平衡产率的计算可逆反应达到平衡时的转化率称为平衡转化率。达平衡时所得产物的产率为平衡产率。平衡转化率和平衡产率是可逆反应所能达到的极限值（最大值）。平衡转化率和平衡产率与化学平衡常数有关。如：CO+H2O H2+CO2反应压力不高低于3MPa，反应温度较高，200以上的条件，可按理想气体处理。水蒸汽过量，计算CO的平衡转化率。设CO的平衡转化率为x，反应前CO有amol，H2O有bmol，无H2和CO2。H2的产率=Note:非理想气体，其压力要校正。四 反应条件对化学平衡和反应速率的影响反应条件

23、：反应温度、压力、浓度、反应时间、原料纯度和配比、进料量等。1 温度的影响（1）温度对化学平衡的影响（可逆反应适用）吸热反应H0，TK产物的平衡产率放热反应H0，TK产物的平衡产率 TK产物的平衡产率 （2）温度对反应速率的影响反应速率指单位时间、单位体积某反应物组分的消耗量或某产物的生成量。aA + bB dD 可逆反应反应速率：任何反应有Tk不可逆反应，Tkr;可逆吸热反应，Tr。可逆放热反应，随T增加，r有三种变化情况：T较低时，TT=TOP， TTOP，r达到极大值时即 ，所对应的温度称为最佳反应温度，亦称最适宜温度。最佳反应温度的计算公式：对于不同的组成或转化率X，TOP值是不同的，

24、随转化率的升高，TOP下降。实际操作温度须随反应的进行，逐渐降低。活化能不同，TOP值也不同。即不同的可逆放热反应，有不同的TOP值。2 浓度的影响反应物浓度愈高，反应速率愈快。反应初期，反应物浓度高，反应速率大，随着反应的进行，反应物不断消耗，反应速率逐渐下降。对于可逆反应，为了使平衡向产物方向移动，可采用增加反应物浓度或不断移走产物的办法，最终可增加产物的产率。有两种以上反应物参加，一般价高难得的反应物不过量，其他反应物过量。 若某一反应物过量对反应或设备有影响，则不选择过量。3 压力的影响压力对液相和固相反应的平衡影响小。压力对气相和气固相反应的平衡影响大。 对分子数增加的反应（0）降低

25、压力可以提高平衡产率。 对分子数减少的反应（ 0） 压力升高，产物的平衡产率增大。 对分子数没有变化的反应（ =0） 压力对平衡产率无影响。压力增加可减少反应气体体积，增加浓度，提高反应速率，从而提高设备的生产能力，但压力过高，能耗增大，对设备密封及耐压要求高，成本增加，反而不经济。对于增分子反应，降低压力（减压、真空）操作不安全，往往采用添加惰性组分的办法以降低反应物的分压，但添加量是有限的，太多也不利。五 催化剂的性能及使用催化剂：在一个反应系统中因加入了某种物质而使化学反应速率明显加快，但该物质在反应前后的数量和化学性质不变，称这种物质为催化剂。催化剂作用：（1）提高反应速率和选择性。（

26、2）改进操作条件。采用或改进催化剂可以降低反应温度和操作压力、可以提高化学加工过程的效率。（3）催化剂有助于开发新的反应过程，发展新的化工技术。（4）催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用。1 催化剂的基本特征催化剂是参与了反应的，但反应终了时，催化剂本身未发生化学性质和数量的变化。催化剂只能缩短达到化学平衡的时间（即加速作用），但不能改变平衡。催化剂不能使热力学上不可能进行的反应发生。催化剂是以同样的倍率提高正、逆反应速率的，能加速正反应速率的催化剂，也必然能加速逆反应。催化剂具有明显的选择性，特定的催化剂只能催化特定的反应。2 催化剂的分类（略） 3 工业催化剂使用中的有关问题（1）工

27、业催化剂的使用性能活性。催化剂应具有足够高的活性。活性越高则原料的转化率愈高。催化剂活性愈高则需要的反应温度愈低。选择性。催化剂应具有较高的选择性。当催化剂的活性与选择性难以两全其美时，若反应原料昂贵或产物分离很困难，宜选用选择性高的催化剂；若原料价廉易得活产物易分离，则可选用活性高的催化剂。寿命。使用寿命越长越好。催化剂的寿命受以下几方面性能影响。化学稳定性。指催化剂的化学组成和化学状态在使用条件下发生变化的难易。热稳定性。指催化剂在反应条件下对热破坏的耐受力。机械稳定性。指催化剂在反应条件下的强度是否足够。耐毒性。指催化剂对有毒物质的抵抗力或耐受力。为了使催化剂保持良好性能及较长寿命，生产

28、中必须正确操作和控制反应参数，防止损害催化剂。（2）催化剂的活化（3）催化剂的失活和再生（4）催化剂的运输、贮存和装卸思考练习题1.甲烷的化工利用主要途径有哪些？2.原油加工有哪些方法，可得到哪些产品及其这些产品的用途？3.煤的化学加工方法有哪些？4.何谓化工生产工艺流程？ 5.何谓转化率、平衡转化率？何谓选择性、收率？6.何谓催化剂？催化剂的作用；催化剂有哪些基本特征；催化剂的性能包含哪些方面？7.反应条件包含哪几方面？温度、压力和浓度对各类反应的影响规律。氯碱工业第一节 概述 一、 生产现状 我国氯碱工业是在本世纪20年代才开始创建的。第一家氯碱厂是上海天原电化厂（现在的上海天原化工厂前身

29、）。1930年正式投产，日产烧碱2吨。直到1949全国解放为止，全国仅有氯碱厂9家，年产量1.5万吨。九十年代后，我国烧碱产量居世界第3位，仅次于美国和日本。年产量逐渐递增，到1996年达520万吨，为世界烧碱第二生产大国。 目前全国有氯碱企业二百余家，宁波有两家企业生产氯碱产品，它们是宁波东港化学有限公司（前身宁波电化厂）和浙江善高化学有限公司。 二、氯与烧碱的性质及用途烧碱是一种白色不透明晶体，易溶于水，在空气中易潮解，且吸收二氧化碳，所以应密封保存。烧碱对许多物质都有强烈腐蚀性，能严重破坏有机组织，生产和使用时要注意防护，避免人身烧伤。烧碱主要用于造纸工业、化纤工业、铝工业，还用于油脂再

30、生、肥皂、农药、医药、有机合成等部门。 烧碱在棉纤维的纺织、印染中，主要用作棉布的退浆剂、煮炼剂和丝光剂。在生产粘胶纤维时，需用烧碱处理含纤维素的原料，将其中的半纤维素、木质素除去。每生产1吨粘胶纤维需要高纯烧碱1吨左右。生产1吨肥皂约需要烧碱180kg，1吨合成洗涤剂则需要烧碱150kg左右。烧碱还是生产多种化工原料的原料，例如苯酚、硼砂、草酸、甲酸、磷酸三钠、氰化钠、环氧树脂、离子交换膜等。 氯在常温下为黄绿色气体，当压力为1.01105Pa时，冷却到-34.6变为液氯，储于钢瓶中，以便于运输，继续冷却到-101，变为固态氯。氯气有毒，有强烈的刺激性，吸入少量氯气会引起胸痛和咳嗽，吸入大量

31、氯气会中毒死亡。氯气易溶于水，常温下1体积的水能溶解约2体积的氯气。氯气的水溶液叫做氯水。氯主要是用于合成氯乙烯，其次是用于造纸工业、合成有机氯溶剂、氯化工产品和生产盐酸，水处理也消耗大量的氯。液氯主要用于城市自来水的消毒，每吨水约需要液氯20克，现已开始出现代替品，二氧化氯、臭氧和双氧水代替氯气可作为水处理及漂白剂。盐酸是一种用途极为广泛的无机酸，除可以制造一系列无机氧化物外，在纺织工业上，可利用盐酸的酸性漂白高档棉织品和绒织物，并可用作印染助剂；在冶金工业上，盐酸可用作浸取剂把金属离子与矿石杂质分开，也可用作金属表面的清洗剂，在食品工业上，则可利用盐酸的酸性水解淀粉生产葡萄糖以及生产酱油、

32、味精等调味品。氯气主要用于制造氯乙烯系列产品如：nCH2CHCl CH2-CH Cln 甲烷氯化物系列如一氯甲烷、二氯甲烷、氯仿和四氯化碳。 环氧化合物系列，（氯醇 -HCl 环氧） 聚氨脂泡沫塑料。 制造某些高效低毒的有机含氯农药，如速灭威、含氯菊酯。 氢气的用途有：生产盐酸，用于加氢反应。三、产品规格及生产方法 （一）烧碱产品规格 有固体烧碱（简称固碱）、液体烧碱（简称液碱）及片状烧碱（片碱）三种形态。其规格如下表示：表1-1 烧碱国家标准（GB209-84）指标名称固体烧碱液体烧碱一级二级一级二级NaOH %97.096.045.042.0Na2CO3%1.72.51.11.5NaCl

33、%1.21.4 0.81.0Fe2O30.010.010.020.03颜色主体白色可带浅色光 (二)生产方法进展采用电解法制烧碱始于1890年，隔膜法和水银法几乎差不多同时发明。隔膜法于1890年在德国首先出现，第一台水银法电解槽是在1892年取得专利。食盐电解工业发展中的困难，首先是如何将阳极产生的氯气与阴极产生的氢气和氢氧化钠分开，不致发生爆炸和生成氯酸钠，以上两种方法都成功地解决了这个难题。 我国在70年代初成功地开发了金属阳极电解槽，1974年即在上海天原化工厂投入工业化生产，到1986年金属阳极电解槽的产量已占烧碱总产量的40%以上。我国第一台复极式离子膜电解槽是在1979年由上海天

34、原化工厂自行设计并投入生产的，采用杜邦Nafion-227离子膜。1990年3月上海氯碱总厂电化厂引进日本旭肖子公司年产15万吨离子膜烧碱的装置并投入生产，成为远东地区最大的氯碱厂。 原宁波电化厂采用隔膜法电解食盐水生产烧碱，而善高化工采用离子膜法电解食盐水生产烧碱。 离子膜法节能，产品质量好，且无汞和石棉污染，逐渐替代老方法生产烧碱。 隔膜法生产的50%液碱含盐高达1%，不适合用于化纤工业。高纯氢氧化钠由水银法获得，其碱液含盐量可小于50mol/L。 四、氯碱工业特点 氯碱工业的特点除原料易得、生产流程较短外，主要还有三个突出问题。（1）能耗大 氯碱生产的耗电量仅次于电解法生产铝。因为每生产

35、1吨100%的烧碱耗电2580度，耗气5吨，总能耗折标准煤为1.815吨。1988年，我国氯碱工业用电量占全国总发电量的1.5%。因此，电力供应情况和电价对氯碱产品的生产成本影响很大。重视选用先进工艺，提高电解槽的电能耗率和碱液蒸发热能的利用率，以降低烧碱的电耗和蒸汽消耗，始终是氯碱生产企业的一项核心工作。 （2）氯与碱的平衡电解食盐水溶液时，同时产生烧碱和氯气两种产品。烧碱和氯气的质量比为1：0.85。在一个国家和地区，对烧碱和氯气的需求量不一定符合这一比例。因此就出现了烧碱和氯气的供需平衡问题。石油化工和基本有机原料工业发展较快的国家和地区，氯的用量就大，出现烧碱过剩。由于氯气不宜长途运输

36、，不发达地区出现氯过剩，只能以氯气的需要量来确定烧碱的产量，往往会出现烧碱短缺现象。总之，烧碱和氯气的平衡始终是氯碱工业发展中的一个恒定矛盾。 （3）腐蚀和污染 氯碱产品如烧碱、盐酸等具有强腐蚀性，在生产过程中使用的原材料如石棉、汞和所产生的含氯废气都可能对环境造成污染，因此防止腐蚀和三废处理也一直是氯碱工业的努力方向。 氯碱工业的技术始终围绕着提高质量、降低能耗和消除环境污染这永恒主题在不断进步。 第二节 离子膜法制碱一、离子膜法发展简介离子膜电解制碱技术是20世纪70年代中期出现的具有划时代意义的电解制碱技术，与隔膜法电解制碱和水银法电解制碱相比，已被公认为技术最先进和经济上最合理的氢氧化

37、钠生产方法，是当今电解制碱技术的发展方向。因此离子膜电解制碱及其技术在国内外发展极为迅速。1952年Bergsma提出采用具有离子透过性膜的离子膜法生产氯和碱，在20世纪50年代和60年代早期一些著名公司对这项崭新技术进行研究。由于所用的膜不耐电解产物，受氯侵蚀膜会降解，性能很快劣化，无法实现工业化。离子交换膜只是在电渗海水淡化和海水浓缩制盐上得到工业化应用。1966年美国杜邦（Du Pont）公司开发了化学稳定性较好用于宇宙燃料电池的全氟磺酸阳离子交换膜，即Nafion膜。这种膜能耐食盐水溶液电解时的苛刻条件，为离子膜法制碱奠定了基础，但初期的Nafion膜电流效率较低。1976年日本旭化成

38、公司开发了全氟磺酸、全氟羧酸膜。1985年世界上已有90家氯碱厂应用离子膜的工艺技术，烧碱总生产能力达到万t/d级。1987年3月全世界离子膜法制碱装置烧碱生产能力460万t/a占总能力的11%。1987年末，日本烧碱生产方法中隔膜法占29%，离子膜法占71%。1990年全世界离子膜法生产烧碱的能力已达860万t/a，约占总烧碱能力的18%。1990年初，日本旭硝子公司开发出FX-50阳离子交换膜，可直接从电解槽生产50%NaOH，采用这种膜的电解槽在电流密度3kA/m2和盐水浓度210g/L下，电流效率可达9395%，产品NaOH浓度50%，其含盐7.522.5mg/L，电解槽总能耗等于或略

39、小于生产50%（出电解槽NaOH浓度为35%）NaOH时的总能耗。这种膜在电价较为便宜的国家或地区会收到较高的经济效益。通过膜体结构的改进，电解槽和电解条件的合理设计等，从而使离子膜法的电流效率由原来的80%左右提高到目前的9597%，槽电压也有很大降低。电耗由70年代末2700kwh/t降到目前21002200kwh/t，电解槽NaOH浓度也由过去的23%提高到3035%。到2000年，离子膜法制碱能力约占总烧碱生产能力的30%37%。 二、离子膜法制碱原理 (一)制碱原理用于氯碱工业的离子交换膜，是一种能耐氯碱腐蚀的阳离子交换膜。膜体中有活性基团，它是由带负电荷的固定离子如SO3-、COO

40、-，和一个带正电荷的对离子Na+形成静电键。磺酸型阳离子交换膜的化学结构可用下式表示：RSO3-H+（Na+） 式中，R表示大分子结构固定离子 对离子 活性基团由于磺酸基团具有亲水性能，而使膜在溶液中溶胀，膜体结构变松，从而形成许多微细弯曲的通道，使活性基团中的对离子Na+可以与水溶液中的同电荷的Na+进行交换，并透过膜。而活性基团中的固定离子（SO3-），则具有排斥Cl- 和OH-的能力，使它们不能透过离子膜，从而获得高纯度的氢氧化钠溶液。离子膜电解制氢氧化钠的原理见图1-1、图1-2。 电解槽的阴极室和阳极室用阳离子交换膜隔开。饱和精制盐水进入阳极室，去离子水加入阴极室。导入直流电时，Cl

41、-在阳极表面放电产生Cl2逸出，H2O在阴极表面放电生成H2，Na+通过离子膜由阳极迁移到阴极室与OH-结合成NaOH。通过调节加入阴极室的去离子水量，可得到一定浓度的烧碱溶液。（二）电化学和化学反应1. 阳极反应 2Cl- - 2e Cl2 4OH-4e O2+2H2O6ClO-+3H2O-6e 2ClO3- +4Cl- + 6H+ 3/2O22. 阴极反应2H2O+2e H2 +2OH-3. 溶液中的反应（阳极室内）（1）生成的氯气在电解液中（阳极液）的物理溶解Cl2（g） Cl2（aq） （2）生成的氯气与阳极液中的水反应Cl2+2H2O HCl+HClO （3）溶解的氯气与从阴极室反渗

42、透过来的氢氧化钠的反应。 Cl2+2NaOH 1/3NaClO3+5/3NaCl+ H2O Cl2+2NaOH 1/2O2 + 2NaCl+ H2O HClO+ NaOH 1/2O2 + NaCl+ H2O三、盐水的二次精制盐水的质量是离子膜电解槽正常生产的一个关键。盐水的质量不仅影响离子膜的使用寿命，而且也是离子膜能否在高电流密度下运行得到高电流效率的至关重要的因素。电解槽所用的阳离子交换膜具有选择和透过溶液中阳离子的特性。因此它不仅能使Na+离子大量通过，而且也能让Ca2+、Mg2+、Fe2+、Ba2+等离子通过，当这些杂质阳离子透过膜时，就和从阴极室反渗过来的微量OH-离子形成难溶的氢氧

43、化物堵塞离子膜。这样一方面使隔膜的电阻增加，引起槽电压上升，另一方面会加剧OH-离子的反渗透而造成电流效率下降。在盐水中如果钡离子、铁离子含量高，还会破坏金属阳极的钛涂层和阴极涂层的活性，影响电极使用寿命。此外，盐水中氯酸根和悬浮物也能影响离子膜的正常运行。有的离子膜对盐水中I-离子含量还有要求，对盐水的纯度要求远远高于隔膜电槽和水银电槽，需进行二次精制。 （一）一次盐水精制 原盐是氯碱工业主要化学原料，最近几年增加了卤水，而盐水中的杂质主要由原盐和卤水带来，有Ca2+、Mg2+、Sr2+、Fe3+阳离子和重金属离子及F-、Br-、I-、SiO32-阴离子等；由于生产上的原因而带来的杂质有NaOH、Na2CO3、Ba2+、ClO- 、ClO3-等。 1.一次盐水精制原理在生产上，用添加过量NaOH和Na2CO3来除掉Ca2+、Mg2+其加入顺序及化学反应为： （先加入）Ca2+ + Na2CO3 CaCO3 + 2Na+ （后加入）Mg2+ + 2NaOH Mg(OH)2 + 2Na+生成的Mg（OH）2具有胶体性质，刚生成的Mg（OH）2能包住细微分散的CaCO3晶状物