第一章 化工开发.ppt

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1、化工过程分析与开发 chemical processes development教师教师:乐乐 清清 华华 Le Le QinghuaQinghua第一章：第一章：概概论论 主要内容主要内容第一节：化学工业的基本特征第一节：化学工业的基本特征第二节：化工过程开发研究的意义第二节：化工过程开发研究的意义第三节：化工过程开发研究的部署第三节：化工过程开发研究的部署一、化工的构成化工的构成二、化工的地位和作用二、化工的地位和作用三、化工的基本特征三、化工的基本特征第一节：化学工业的基本特征第一节：化学工业的基本特征化工领域的构成化工领域的构成化学工艺的研究内容化学工艺的研究内容研究内容：研究内容：以

2、化学反应为手段，以创造新产以化学反应为手段，以创造新产品为目的生产技术和过程品为目的生产技术和过程。研究重点：研究重点：原料路线，催化技术、反应机理，原料路线，催化技术、反应机理，工艺路线。针对的是个性问题。工艺路线。针对的是个性问题。化学工程的研究内容化学工程的研究内容研究内容研究内容：以探求以探求“三传一反三传一反”的共同规律的共同规律为手段，以创造新设备、新技术，优化设为手段，以创造新设备、新技术，优化设计、强化生产为目的工程研究。计、强化生产为目的工程研究。研究重点：研究重点：传递过程，热力学，反应工程，传递过程，热力学，反应工程，分离工程。针对的是共性问题。分离工程。针对的是共性问题

3、。9090年代各国工业增长率的比较年代各国工业增长率的比较二、化学工业的地位和作用二、化学工业的地位和作用国际国际GDP 1990 1999GDP 1990 1999平均增长率的比较平均增长率的比较20002000年化工人均销售额对比年化工人均销售额对比注注:2000年美国化工总销售额年美国化工总销售额3400亿亿(24.3%)人均人均1360元元/年年 2000年世界化工总销售年世界化工总销售 14000亿亿 人均人均$283元元/年年 2000年中国化工总销售年中国化工总销售 约约800亿亿(5.7%)人均人均 67元元/年年 发展潜力巨大发展潜力巨大化学反应化学反应 创造新物质、新材料的

4、源泉创造新物质、新材料的源泉渗透力强大渗透力强大推进相关产业迅速发展推进相关产业迅速发展。增长速度领先增长速度领先化工与国民经济化工与国民经济 支柱产业支柱产业化工在国民经济中的地位化工在国民经济中的地位 从全球化工行业的发展状况来看，根据英从全球化工行业的发展状况来看，根据英国化工协会对全球化学品的统计和预测，国化工协会对全球化学品的统计和预测，20002000年世界化学工业的市场总值为年世界化学工业的市场总值为1.71.7万亿美元，万亿美元，20102010年将达到年将达到2.42.4万亿美元。万亿美元。1991-20001991-2000年全球年全球化工行业产值增长率是全球生产增长率的化

5、工行业产值增长率是全球生产增长率的2.682.68倍。倍。美国美国30%日本日本14%亚洲亚洲13%欧共体欧共体 29%（欧洲共（欧洲共35%）世界化学工业生产能力分布世界化学工业生产能力分布化工化工信息信息航天航天生命生命 轻工轻工食品食品能源能源环境环境建筑建筑医药医药材料材料石油、煤、天然气、生物、岩石油、煤、天然气、生物、岩盐、磷酸盐、硫、空气、水盐、磷酸盐、硫、空气、水精细化学品、消费品精细化学品、消费品中间体中间体基本产品基本产品Sectoral breakdown of the EU chemical industry production(*)法国蓬皮杜艺术中心化工与可持续发展

6、化工与可持续发展保护环境保护环境节约能源节约能源可持续发展的两个立足点可持续发展的两个立足点化工化工 节约能源节约能源一次能源一次能源：煤、石油、天然气、太阳能、煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热。风能、水能、地热。二次能源二次能源：电、燃油、燃气、核能等电、燃油、燃气、核能等。能能 耗耗原油价原油价格格欧共体化工产业能源消耗指标持续降低欧共体化工产业能源消耗指标持续降低我国能源状况分析我国能源状况分析能源利用率很低：能源利用率很低：目前目前 我国的能源强度为：我国的能源强度为：2.0412.041吨标准煤吨标准煤/千美千美元国内生产总值，是日本的元国内生产总值，是日本的13.713.

7、7倍，美国的倍，美国的4.64.6倍，印度的倍，印度的1.91.9倍，世界平均水平的倍，世界平均水平的4.714.71倍。倍。我国能源状况分析我国能源状况分析环境污染严重：环境污染严重：酸雨占国土面积的酸雨占国土面积的1/31/3，二氧化碳排放量，二氧化碳排放量大于大于8 8亿吨，仅次于美国。亿吨，仅次于美国。我国能源状况分析我国能源状况分析任务艰巨：任务艰巨：专家预测专家预测20502050年我国可获得的一次能源总量为年我国可获得的一次能源总量为31.0831.08亿亿吨标准煤，如果吨标准煤，如果20502050年我国进入中等发达国家，人均年我国进入中等发达国家，人均国内生产总值将达国内生产

8、总值将达5000-60005000-6000美元，按美元，按1515亿人口计，则亿人口计，则能源强度必须降为：能源强度必须降为：0.410.41吨标准煤吨标准煤/千美元。千美元。预期预期20502050年我国一次能源状况年我国一次能源状况化工化工 节约能源节约能源化化工工 能源转换的桥梁能源转换的桥梁。化化 工工 节约能源的手段。节约能源的手段。洁净煤技术洁净煤技术洁净煤处理技术洁净煤处理技术：选煤、脱灰、脱硫：选煤、脱灰、脱硫洁净煤转化技术洁净煤转化技术：煤的汽化、液化。：煤的汽化、液化。洁净煤燃烧技术洁净煤燃烧技术：烟气净化（脱硫、脱硝）循：烟气净化（脱硫、脱硝）循环流化床。环流化床。IG

9、CC联合循环发电技术。联合循环发电技术。节约能源的化工技术节约能源的化工技术节约能源的化工技术节约能源的化工技术高效洁净发电技术高效洁净发电技术IGCCIGCC联合循环发电：联合循环发电：将高温区工作的燃气轮机组与将高温区工作的燃气轮机组与低温区工作的蒸汽轮机组联合起来，实现热能的梯级低温区工作的蒸汽轮机组联合起来，实现热能的梯级利用，提高发电效率。利用，提高发电效率。燃料电池：燃料电池：洁净、高效、实用方便的能源洁净、高效、实用方便的能源。传统火力发电技术传统火力发电技术 煤煤 锅炉燃烧锅炉燃烧高压蒸汽高压蒸汽蒸汽轮机蒸汽轮机 电电 废气废气SO2IGCC 联合循环发电技术联合循环发电技术煤

10、煤 气化气化净化净化燃气轮机燃气轮机 废热锅炉废热锅炉高压蒸汽高压蒸汽蒸汽轮机蒸汽轮机 电电电电化工原料化工原料硫磺硫磺IGCC 联合循环发电技术联合循环发电技术 IGCC 发电技术的优点发电技术的优点：大幅度提高了电厂的供电效率大幅度提高了电厂的供电效率。传统发电效率：传统发电效率：34%，IGCC IGCC 发电效率：发电效率：40-43%大幅度降低了气体污染物的排放。大幅度降低了气体污染物的排放。煤气中煤气中99%以上的硫被脱除，使排放烟气对大气的污以上的硫被脱除，使排放烟气对大气的污染降至最低。染降至最低。IGCC 联合循环发电技术的优点联合循环发电技术的优点 耗煤减少耗煤减少8%，废

11、渣排放降低，废渣排放降低40%，副产纯硫磺。，副产纯硫磺。耗水量减少耗水量减少30-50%，可在缺水地区发展。，可在缺水地区发展。洁净煤气可作为化工原料用于生产化工产品。洁净煤气可作为化工原料用于生产化工产品。化工化工 环境保护环境保护触目惊心的环境污染！触目惊心的环境污染！沙尘暴沙尘暴SO2，CO2排放排放蓝藻蓝藻固体废弃物固体废弃物 2003年我国生活垃圾清运量达年我国生活垃圾清运量达1.5亿吨，年均增长亿吨，年均增长7-10，处理率，处理率远远达不达标，垃圾围城现象普遍远远达不达标，垃圾围城现象普遍化工化工 环境保护环境保护我国人均水资源不足世界平均值的我国人均水资源不足世界平均值的1/

12、4，而且水质受到较严重的污染。目前，全国，而且水质受到较严重的污染。目前，全国60%的城的城市存在不同程度的缺水，市存在不同程度的缺水，108个城市严重缺水，饮用水源地水质较差，约有个城市严重缺水，饮用水源地水质较差，约有30%人口得不到人口得不到安全饮用水。安全饮用水。我国我国七大水系各种水质类别所占比例七大水系各种水质类别所占比例全国环境污染指数分布情况全国环境污染指数分布情况化工化工 环境保护环境保护被动环保：被动环保：罚款、关闭、禁捕、伐、转移。罚款、关闭、禁捕、伐、转移。积极环保积极环保：清洁生产，消除污染源、开发替代品，植树造林、清洁生产，消除污染源、开发替代品，植树造林、人工养殖

13、人工养殖,开发开发绿色绿色化工产品化工产品。绿色化学的十二条原则绿色化学的十二条原则摘自摘自PoliakoffPoliakoff M M et.alet.al.ScienceScience,2002,2002,297297,607-810.,607-810.1.1.应优先从应优先从源头防止废弃物产生源头防止废弃物产生，而非，而非废弃物产生后再处理；废弃物产生后再处理；2.2.设计的合成方法应使反应所用物料最大限度地转化为设计的合成方法应使反应所用物料最大限度地转化为目标目标产物；产物；3.3.在任何可行的情况下，设计的合成方法都应当采用和产出那些在任何可行的情况下，设计的合成方法都应当采用和产

14、出那些对人类健康和环境毒性很小甚至是无毒的物质；对人类健康和环境毒性很小甚至是无毒的物质；绿色化学的十二条原则绿色化学的十二条原则摘自摘自PoliakoffPoliakoff M M et.alet.al.ScienceScience,2002,2002,297297,607-810.,607-810.4.4.化学产品的设计要考虑到维持高效并减少毒性；化学产品的设计要考虑到维持高效并减少毒性；5.5.尽可能不使用辅助物质（如溶剂、析出剂等），在不得不使尽可能不使用辅助物质（如溶剂、析出剂等），在不得不使用时，也尽量使用无害物质；用时，也尽量使用无害物质；6.6.充分充分认识能量需求对环境及经济

15、的影响，并应使之降到最认识能量需求对环境及经济的影响，并应使之降到最低。低。使使合成合成反应反应在常温常压下进行；在常温常压下进行；绿色化学的十二条原则绿色化学的十二条原则摘自摘自PoliakoffPoliakoff M M et.alet.al.ScienceScience,2002,2002,297297,607-810.,607-810.7.7.只只要要在在技技术术和和经经济济上上可可行行，所所用用未未加加工工材材料料或或原原料料都都应应当当是是可回收而不是纯消耗的；可回收而不是纯消耗的；8.8.尽尽量量避避免免产产生生不不必必要要的的化化学学衍衍生生物物（如如基基团团封封闭闭、保保护护

16、/去去保保护、在化学护、在化学/物理过程中暂时修饰）；物理过程中暂时修饰）；9.9.催化剂（尽可能具有选择性）更优于符合化学计量的试剂；催化剂（尽可能具有选择性）更优于符合化学计量的试剂；绿色化学的十二条原则绿色化学的十二条原则摘自摘自PoliakoffPoliakoff M M et.alet.al.ScienceScience,2002,2002,297297,607-810.,607-810.10.10.设设计计出出的的化化学学产产品品在在完完成成其其效效用用后后不不应应持持续续残残留留于于环环境境，而而应分解为无害的降解产物；应分解为无害的降解产物；11.11.开开发发新新的的分分析析

17、方方法法，以以便便在在危危险险物物质质形形成成以以前前进进行行实实时时检检测测与控制；与控制；12.12.合合理理选选择择化化学学过过程程中中所所使使用用的的物物质质及及其其形形态态，避避免免或或尽尽量量减减少发生包括泄露、爆炸及火灾等化学事故。少发生包括泄露、爆炸及火灾等化学事故。化工化工 环境保护环境保护化工催化剂技术的重心转移：化工催化剂技术的重心转移：以获取有用产品为目的以获取有用产品为目的 化工催化化工催化 以消灭有害物质为目的以消灭有害物质为目的 环保催化环保催化化工化工 环境保护环境保护世界市场催化剂用途分布世界市场催化剂用途分布：WithCFDtool(savingproces

18、sdevelopmenttime)WithoutCFDtoolImprovedcashflowCashflowTimeShorterpaybacktimeReducedtimetomarketReducedprocessdevelopmenttimeq缩短开发周期缩短开发周期q减少投资减少投资q环境友好环境友好q改善产品质量改善产品质量q迅速抢占市场迅速抢占市场化工研发目标化工研发目标,向多尺度集成研究向多尺度集成研究(时间及空间尺度时间及空间尺度)发展发展现代的集约型流程（现代的集约型流程（1 1个装置）个装置）传统的常规型流程（传统的常规型流程（1111个装置设备）个装置设备）乙酸甲醇催化

19、剂乙酸甲酯溶剂共沸物水溶剂共沸物水较重组分蒸馏萃取蒸馏反应蒸馏反应反应蒸馏蒸馏乙酸催化剂甲醇乙酸甲酯3R绿色化学与化工：绿色化学与化工：由传统流程向集约型耦合过程发展由传统流程向集约型耦合过程发展三、化工的基本特征三、化工的基本特征1、化工原料，工艺，产品的多方案性化工原料，工艺，产品的多方案性 P1A1 AP2APA2P P3A3三、化工的基本特征三、化工的基本特征2 2、化工技术的强烈渗透性、化工技术的强烈渗透性 化工化工生物生物 生物化工生物化工 化工化工材料材料 材料、微电子化工材料、微电子化工 化工化工能源能源 能源化工能源化工 化工化工食品食品 食品化工食品化工 化工化工环境环境

20、环境化工环境化工化工原料，工艺，产品的多方案性化工原料，工艺，产品的多方案性案例一案例一：对二氯苯对二氯苯（PDCB）的生产）的生产苯苯+Cl2混合混合氯氯苯苯 精馏精馏 （氯苯、（氯苯、二氯苯二氯苯、三氯苯）、三氯苯）二氯苯二氯苯 结晶分离结晶分离 晶体晶体 +母液母液 （77%PDCB，33%ODCB）（96-98%PDCB）（）（含含80%ODCB的母液）的母液）传统工艺：传统工艺：催化剂催化剂FeO化工原料，工艺，产品的多方案性化工原料，工艺，产品的多方案性反应反应:苯苯 +Cl2 混合二氯苯混合二氯苯混合二氯苯混合二氯苯 结晶分离结晶分离 晶体晶体(99.5%PDCB)新工艺革除了精

21、馏过程新工艺革除了精馏过程新工艺新工艺:催化剂催化剂:分子筛分子筛80-90%PDCB 10-20%ODCB化工原料，工艺，产品的多方案性化工原料，工艺，产品的多方案性案例二：醋酸生产案例二：醋酸生产反应：反应：乙烯乙烯 +O+O 2 2 乙醛乙醛 醋酸醋酸主要原料：主要原料：乙烯乙烯传统工艺：传统工艺：乙烯氧化法乙烯氧化法化工原料，工艺，产品的多方案性化工原料，工艺，产品的多方案性反应路线：反应路线：H2 +CO甲醇甲醇甲醇甲醇+CO醋酸醋酸主要原料：主要原料：合成气合成气CO、H 2，（合成气可由天然气、煤、石脑油转化而来）（合成气可由天然气、煤、石脑油转化而来）新工艺：新工艺：羰基合成法

22、羰基合成法化工原料，工艺，产品的多方案性化工原料，工艺，产品的多方案性乙炔乙炔乙烯乙烯醋酸醋酸CH4 合成气（合成气（CO，H2，CO2）甲醛甲醛 甲醇甲醇化工技术的强烈渗透性化工技术的强烈渗透性生物反应器的设计放大生物反应器的设计放大大规模微生物和细胞培养技术（反应器内的搅拌、供大规模微生物和细胞培养技术（反应器内的搅拌、供O2、酶、酶固定化技术固定化技术 )生物产品的分离提纯技术生物产品的分离提纯技术生物分离的特点：产品浓度低，生物分离的特点：产品浓度低，1-3%1-3%；产品对温度敏感，；产品对温度敏感，易失活；共存的蛋白质易失活；共存的蛋白质化工技术在化工技术在生物领域渗透生物领域渗透

23、生物产品萃取技术的进步生物产品萃取技术的进步双水相萃取：双水相萃取：利用水溶性高分子物质作为萃取剂，用盐利用水溶性高分子物质作为萃取剂，用盐作为分相剂，提高萃取率，克服乳化。作为分相剂，提高萃取率，克服乳化。固定床萃取固定床萃取：萃取液固定于多孔介质中，控制乳化现象。萃取液固定于多孔介质中，控制乳化现象。生物产品萃取技术的进步生物产品萃取技术的进步相转移萃取相转移萃取：利用具有临界互溶点的体系，通过调控温度，组成来利用具有临界互溶点的体系，通过调控温度，组成来改变相态，实施萃取。改变相态，实施萃取。预分散萃取：预分散萃取：将萃取剂制成高度分散的水包油型的乳液，将此乳液将萃取剂制成高度分散的水包

24、油型的乳液，将此乳液负载在皂膜包覆的微小气泡上，随气泡上浮，穿过发负载在皂膜包覆的微小气泡上，随气泡上浮，穿过发酵液完成萃取。酵液完成萃取。材料的功能化材料的功能化 生物降解，超强吸水，电流变，导电高分子等。生物降解，超强吸水，电流变，导电高分子等。材料的超细、超纯化材料的超细、超纯化 超纯硅，超细钛白粉、碳酸钙，硫酸钡。超纯硅，超细钛白粉、碳酸钙，硫酸钡。材料的特殊加工材料的特殊加工 化学气相沉积技术实现了微电子元件的化学气相沉积技术实现了微电子元件的“裁剪裁剪”，光，光纤的高速拉伸涂敷。纤的高速拉伸涂敷。化工技术在化工技术在材料领域渗透材料领域渗透第二节：化工过程开发的意义第二节：化工过程

25、开发的意义一、过程开发的必要性一、过程开发的必要性二、选题的基本原则二、选题的基本原则三、案例分析及启示三、案例分析及启示一、过程开发的必要性一、过程开发的必要性过程开发过程开发：为促进化工新技术、新设备的工业化而进行为促进化工新技术、新设备的工业化而进行的技术活动。的技术活动。开发目标开发目标：实验室成果实验室成果 工业化的生产装置工业化的生产装置开发路线开发路线：立项立项 研究研究 设计设计 建设建设 投产投产过程开发在过程开发在技术上技术上的必要性的必要性规模与操作状态的差异规模与操作状态的差异实验室装置：实验室装置：小型、间歇，孤立运行，受小型、间歇，孤立运行，受设备与环境因素的影响小

26、，接近理想的状态。设备与环境因素的影响小，接近理想的状态。工业化装置：工业化装置：大型、连续、工序配合，工程大型、连续、工序配合，工程因素影响显著（传热、传质、混合、流动）因素影响显著（传热、传质、混合、流动）原料的差异原料的差异 实验室研究：实验室研究：物料纯净，组成稳定。物料纯净，组成稳定。工业化生产：工业化生产：原料来源原料来源,物料循环，杂质积累物料循环，杂质积累过程开发在过程开发在技术上技术上的必要性的必要性过程开发在过程开发在技术上技术上的必要性的必要性设备的差异设备的差异实验室：实验室：玻璃器皿，难以考察腐蚀的影响。玻璃器皿，难以考察腐蚀的影响。工业装置：工业装置：设备腐蚀往往是

27、致命伤设备腐蚀往往是致命伤。关注点的差异关注点的差异实验室：实验室：关注核心技术的创新和开发。关注核心技术的创新和开发。工业生产：工业生产：关注成本、能耗、环保。关注成本、能耗、环保。（三废（三废”治理和副治理和副 产物的综合利用问题）产物的综合利用问题）过程开发在过程开发在经济上经济上的必要性的必要性原材料的来源与技术路线的匹配原材料的来源与技术路线的匹配 产品的质量与用户要求的匹配产品的质量与用户要求的匹配 供货渠道与销售渠道的预测供货渠道与销售渠道的预测 能源状况与消耗定额的考量能源状况与消耗定额的考量化工过程开发的选题原则化工过程开发的选题原则关注国家发展战略关注国家发展战略关注企业的

28、技术需求关注企业的技术需求关注市场产品需求关注市场产品需求关注国家的远期或近期发展规划。关注国家的远期或近期发展规划。关注国际学术界的创新热点。关注国际学术界的创新热点。关注企业的核心技术和生产关注企业的核心技术和生产“瓶颈瓶颈”。关注环境保护、资源利用问题。关注环境保护、资源利用问题。需求之一：来自国家发展战略需求之一：来自国家发展战略1.销售人员发现某种新材料或新产品有潜在的市场，而目前尚销售人员发现某种新材料或新产品有潜在的市场，而目前尚无生产商无生产商.2.一种新的催化剂问世，可以有效的降低现有产品的生产成本，一种新的催化剂问世，可以有效的降低现有产品的生产成本，提高产品的市场竞争力。

29、提高产品的市场竞争力。3.企业的产品供需不平衡，需要消化多余的库存。企业的产品供需不平衡，需要消化多余的库存。4.企业因为产品效益不高，有生存危机，需要挖潜改造，企业因为产品效益不高，有生存危机，需要挖潜改造，寻求寻求新的出路。新的出路。需求之二：来自企业或市场需求之二：来自企业或市场化工过程开发的思维方法化工过程开发的思维方法运用一种反向的设计概念达到目的，即从分析客运用一种反向的设计概念达到目的，即从分析客户需要开始，首先是产品设计，进而过程设计，最后户需要开始，首先是产品设计，进而过程设计，最后回答需要开展什么样的研究。回答需要开展什么样的研究。用户用户研究人员研究人员思维、选择思维、选

30、择研究、开发研究、开发确定技术开发路线的基本原则确定技术开发路线的基本原则技术与经济相结合的原则技术与经济相结合的原则 由于技术的积累，针对一个课题，往往会有多由于技术的积累，针对一个课题，往往会有多种可供选择的研究方案，研究者必须根据研究种可供选择的研究方案，研究者必须根据研究对象的特征对象的特征，利用，利用技术和经济技术和经济这两大杠杆对方这两大杠杆对方案进行筛选和评价，以确定研究工作的最佳切案进行筛选和评价，以确定研究工作的最佳切入点入点。确定技术开发路线的基本原则确定技术开发路线的基本原则工艺与工程相结合的原则工艺与工程相结合的原则 将反应过程的将反应过程的工艺特性工艺特性与反应器的与

31、反应器的工程特性工程特性有机结合，可以帮助研究者找到行之有效的研究有机结合，可以帮助研究者找到行之有效的研究方法，得到有益的启发，产生新的技术路线。方法，得到有益的启发，产生新的技术路线。案例案例1：一个企业生存的问题：一个企业生存的问题 某个生产石灰的小企业，因为产品价值低，销售不畅某个生产石灰的小企业，因为产品价值低，销售不畅而频临倒闭，厂长求助于化工专家帮助寻求出路，而频临倒闭，厂长求助于化工专家帮助寻求出路，专家专家建议：建议：详细调查周边详细调查周边200200平方公里范围内的饮料、啤酒平方公里范围内的饮料、啤酒的市场需求及生产情况后再作决定，的市场需求及生产情况后再作决定，请问：请

32、问：专家想用什专家想用什么办法征求拯救这个小厂？么办法征求拯救这个小厂？为什么作此建议？为什么作此建议？专家的意图专家的意图 如果周边的有饮料和啤酒的市场需求和生产厂家，可以考虑回收石灰窑尾气中的CO2，制取高纯度的液体CO2出售给饮料啤酒的生产厂家来获利。专家意图得以实现的前提专家意图得以实现的前提1 1、周边有足够的饮料啤酒消费需求（周边有足够的饮料啤酒消费需求（确定产量确定产量）；）；2 2、周边有生产饮料啤酒的厂家，而没有生产液体、周边有生产饮料啤酒的厂家，而没有生产液体CO2的厂家（的厂家（确保销路确保销路）；）；3 3、有合适的技术回收并提纯石灰尾气中的、有合适的技术回收并提纯石灰

33、尾气中的CO2气体，气体，使之达到食用级液体使之达到食用级液体CO2的要求（的要求（技术开发技术开发）。）。寻求合适的寻求合适的CO2分离技术分离技术需要广泛地查阅文献，收集技术信息：需要广泛地查阅文献，收集技术信息：需要需要充分了解充分了解CO2气源的特征，即被分离对象的特征；气源的特征，即被分离对象的特征；需要根据对象的特征选择最适合的技术方法；需要根据对象的特征选择最适合的技术方法；需要设法改进技术水平，提高生产效率。需要设法改进技术水平，提高生产效率。涉及问题：工艺技术涉及问题：工艺技术 与与 生产设备生产设备常用的常用的CO2的分离回收技术的分离回收技术变压吸附技术变压吸附技术：其技

34、术特征是CO2在固体吸附剂上被加压吸附，减压再生。膜分离技术膜分离技术：其技术特征是借助于压差推动力和膜材料的选择性，使CO2气体与其他气体分离。物理吸收技术物理吸收技术：其技术特征是CO2在吸收剂中被加压溶解吸收，减压再生。化学吸收技术化学吸收技术：其技术特征是CO2在吸收剂中反应吸收，加热再生。化学吸收剂主要有两大系列，一是有机胺水溶液系列，二是热碱水溶液系列（碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钠）。本课题究竟应该从哪条技术路线入手呢？本课题究竟应该从哪条技术路线入手呢？思考？思考？结合被分离对象的特征和技术目标，从技术和经结合被分离对象的特征和技术目标，从技术和经济两方面加以考虑。济两方面加以考虑。

35、对象的特征对象的特征来自于石灰窑尾气中的CO2，气体中含有固体微尘；气源压力为常压；组成为CO2 20 35%，其余为N2、O2、和少量硫化物；技术目标技术目标分离要求分离要求要求达到年产要求达到年产200200吨液体吨液体CO2的生产能力的生产能力,窑窑气中气中CO2的回收率达到的回收率达到60%60%以上以上;液体液体CO2的纯度达到的纯度达到99.9%.99.9%.技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证 从经济角度分析：变压吸附和物从经济角度分析：变压吸附和物理吸收的方法是不可取的。理吸收的方法是不可取的。为什么？为什么？这两种方法都必须对气源加压才能保证这两种方法都必须对气源加压才能

36、保证CO2的回收率，而的回收率，而气体加压所消耗的能量气体加压所消耗的能量60 80%60 80%被用于非被用于非CO2气体的压气体的压缩，这部分能量随着吸收后尾气的排放而损耗，其能量损缩，这部分能量随着吸收后尾气的排放而损耗，其能量损失是相当可观的。失是相当可观的。技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证 从技术角度分析：膜分离的方从技术角度分析：膜分离的方法也不理想。法也不理想。为什么？为什么？因为气体中的固体微尘灰很容易造成膜污染，使膜因为气体中的固体微尘灰很容易造成膜污染，使膜通量和寿命下降，效率降低，存在工程隐患。通量和寿命下降，效率降低，存在工程隐患。可以考虑的方法只有化学吸收。在

37、化可以考虑的方法只有化学吸收。在化学吸收中，由于化学反应的存在，溶液学吸收中，由于化学反应的存在，溶液的吸收能力大，平衡分压低，即使在常的吸收能力大，平衡分压低，即使在常压下操作，也能维持足够的传质推动力，压下操作，也能维持足够的传质推动力，确保气体的回收率。确保气体的回收率。技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证 要考虑的问题是，选择要考虑的问题是，选择哪一种化学吸收剂更合理哪一种化学吸收剂更合理？有机胺？碱溶液？有机胺？碱溶液？技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证？技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证 如果选用如果选用有机胺水溶液有机胺水溶液，从技术上分析，存从技术上分析，存在潜

38、在的隐患，其一、因为气源中含氧，有机在潜在的隐患，其一、因为气源中含氧，有机胺长期与氧接触会氧化降解，使吸收剂性能恶胺长期与氧接触会氧化降解，使吸收剂性能恶化甚至失效，其二、有机胺有挥发性，会污染化甚至失效，其二、有机胺有挥发性，会污染产品，所以，也是不可取。产品，所以，也是不可取。现在，唯一可以考虑的就是采用热碱溶液吸现在，唯一可以考虑的就是采用热碱溶液吸收收CO2的方案。的方案。选用哪种碱溶液呢？选用哪种碱溶液呢？技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证？因为企业开发此项目的目的是希望获得高纯因为企业开发此项目的目的是希望获得高纯度的液体度的液体CO2，这意味着不仅要将，这意味着不仅要将C

39、O2从窑气从窑气中吸收分离出来，而且要让中吸收分离出来，而且要让CO2从吸收液中释从吸收液中释放（再生）出来，形成高纯度的气体，以便液放（再生）出来，形成高纯度的气体，以便液化。因此，所选择的碱液必须兼具良好的吸收化。因此，所选择的碱液必须兼具良好的吸收和再生性能，这就是选择吸收液的基本标准。和再生性能，这就是选择吸收液的基本标准。技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证吸收液性能的含义吸收液性能的含义吸收性能：吸收性能：吸收速率的快慢，吸收容量吸收速率的快慢，吸收容量的大小（平衡溶解度）；的大小（平衡溶解度）；再生性能：再生性能：解吸速率的快慢，再生后残解吸速率的快慢，再生后残余浓度的大小（

40、再生度余浓度的大小（再生度)；吸收速率吸收液性能与工业生产的关系吸收塔高度吸收容量解吸速率吸收液的循环量解吸塔高度、再生能耗解吸的再生度吸收塔的效率工业吸收装置的典型流程工业吸收装置的典型流程解解吸吸塔塔 吸吸收收塔塔石灰窑气体石灰窑气体尾气尾气放空放空富富液液泵泵水水冷冷器器贫富液换热器贫富液换热器冷凝器冷凝器再再沸沸器器贫贫液液泵泵水水冷冷器器纯纯CO2去压缩去压缩技术方法的选择与论证技术方法的选择与论证NaOH溶液溶液：吸收速率快，吸收能力强，吸收速率快，吸收能力强，再生困难；再生困难；Na2CO3溶液溶液：吸收能力较强，可再生，但吸收速率较吸收能力较强，可再生，但吸收速率较慢，再生能耗

41、较高，且反应形成的慢，再生能耗较高，且反应形成的NaHCO3溶解度较溶解度较低，容易析出堵塞管路，留下低，容易析出堵塞管路，留下工程隐患工程隐患 ；K2CO3溶液溶液：吸收能力较强，可再生，反应形成的吸收能力较强，可再生，反应形成的KHCO3溶解度高，没有工程隐患，溶解度高，没有工程隐患，但吸收速率较慢，但吸收速率较慢，再生能耗较高。再生能耗较高。确定研究开发工作的切入点确定研究开发工作的切入点 虽然相比之下，碳酸钾溶液比较理想，虽然相比之下，碳酸钾溶液比较理想，但仍需解决吸收速率慢，再生能耗高的问但仍需解决吸收速率慢，再生能耗高的问题，而这个问题可以通过添加合适的催化题，而这个问题可以通过添

42、加合适的催化剂来解决。剂来解决。这样，研究者即确定了合理的技术路线，又这样，研究者即确定了合理的技术路线，又找到了实验研究的找到了实验研究的最佳切入点最佳切入点。即实验研究工作应从筛选化学添加剂，改进即实验研究工作应从筛选化学添加剂，改进碳酸钾溶液的吸收和解吸性能入手，开发性能碳酸钾溶液的吸收和解吸性能入手，开发性能更加优良的复合吸收剂。更加优良的复合吸收剂。确定研究开发工作的切入点确定研究开发工作的切入点开发研究的成果开发研究的成果专家开发了一种由钒酸盐和硼酸盐组成的复合添加剂专家开发了一种由钒酸盐和硼酸盐组成的复合添加剂,具有三大作用具有三大作用:作为催化剂提高吸收、解吸速率；作为催化剂提

43、高吸收、解吸速率；作为吸收剂提高溶液的吸收能力；作为吸收剂提高溶液的吸收能力；作为缓蚀剂对塔设备具有作用保护作用作为缓蚀剂对塔设备具有作用保护作用。获国家科技进步二等奖，上海市科技进步一等奖企业坎坷的开发之路企业坎坷的开发之路第一坎：第一坎：投错了门，损失不小；投错了门，损失不小；第二坎：第二坎：找对了路，险些败于细节；找对了路，险些败于细节；第三坎：第三坎：操作不规范，险些断了销路。操作不规范，险些断了销路。案例案例2:2:氯乙烯生产路线的选择氯乙烯生产路线的选择C2H2+HClC2H3Cl乙炔乙炔盐酸盐酸 氯乙烯氯乙烯生产路线生产路线1 1案例案例2:2:氯乙烯生产路线的选择氯乙烯生产路线

44、的选择 C2H4+Cl2 C2H4Cl2 乙烯乙烯 氯气氯气 二氯乙烷二氯乙烷 C2H4Cl2 C2H3Cl+HCl 二氯乙烷二氯乙烷 氯乙烯氯乙烯 盐酸盐酸生产路线生产路线2 2案例案例2:2:氯乙烯生产路线的选择氯乙烯生产路线的选择C2H4+1/2O2+2HCl C2H4Cl2+H2O 乙烯乙烯 氧气氧气 盐酸盐酸 二氯乙烷二氯乙烷 水水C2H4Cl2C2H3Cl+HCl 二氯乙烷二氯乙烷 氯乙烯氯乙烯 盐酸盐酸生产路线生产路线 3 3案例案例2:2:氯乙烯生产路线的选择氯乙烯生产路线的选择2C2H4+1/2O2+Cl22C2H3Cl+H2O 乙烯乙烯 氧气氧气 氯气氯气 氯乙烯氯乙烯 水

45、水生产路线生产路线 4 4案例案例2:2:氯乙烯生产路线的选择氯乙烯生产路线的选择 原料与产品的市场价格原料与产品的市场价格物质物质分子量分子量价格价格$kg-1乙炔乙炔260.94氯气氯气710.21乙烯乙烯280.53盐酸盐酸360.35氯乙烯氯乙烯620.42案例案例2:2:氯乙烯生产路线的选择氯乙烯生产路线的选择经济效益的评价式：经济效益的评价式：EP=产品价值产品价值 -原料价值原料价值以经济效益为依据，选择技术路线以经济效益为依据，选择技术路线：案例案例2:2:氯乙烯生产路线的选择氯乙烯生产路线的选择生产路线生产路线1 1：EP=（620.42）-（260.94+360.35）=-

46、11.0$kmol-1氯乙乙烯以经济效益为依据，选择技术路线以经济效益为依据，选择技术路线：生产路线生产路线2：假设副产品假设副产品HClHCl可以出售，则：可以出售，则：EP=（620.42+360.35）-（280.53+710.21=8.89$kmol-1氯乙乙烯以经济效益为依据，选择技术路线以经济效益为依据，选择技术路线：案例案例2:2:氯乙烯生产路线的选择氯乙烯生产路线的选择生产路生产路线线2：假设副产品假设副产品HClHCl不能出售，则：不能出售，则：EP=EP=（62620.420.42）-（280.53+710.21280.53+710.21）=-3.71=-3.71$kmol

47、-1氯乙烯氯乙烯以经济效益为依据，选择技术路线以经济效益为依据，选择技术路线：案例案例2:2:氯乙烯生产路线的选择氯乙烯生产路线的选择路线路线3：EP=（620.42）-（280.53+360.35）=-1.40$kmol-1氯乙乙烯以经济效益为依据，选择技术路线以经济效益为依据，选择技术路线：案例案例2:2:氯乙烯生产路线的选择氯乙烯生产路线的选择路线路线4：EP=（620.42）-（280.53+1/2710.21）=3.75$kmol-1氯乙乙烯以经济效益为依据，选择技术路线以经济效益为依据，选择技术路线：案例案例2:2:氯乙烯生产路线的选择氯乙烯生产路线的选择结结论：论：就原料而言，应

48、选择相对便宜的乙烯和就原料而言，应选择相对便宜的乙烯和盐酸盐酸，而非乙炔和，而非乙炔和氯气氯气。就效益而言，只有路线就效益而言，只有路线4 4和副产盐酸可出售时的路线和副产盐酸可出售时的路线2 2是可取的。是可取的。就环保而言，路线就环保而言，路线4 4不产生有毒副产物，是比较理想的。不产生有毒副产物，是比较理想的。案例案例2:2:氯乙烯生产路线的选择氯乙烯生产路线的选择案例案例3：合成氨生产技术的开发：合成氨生产技术的开发偶然的发现：偶然的发现：17541754年年Priestley Priestley 在将卤砂在将卤砂(氯化铵氯化铵)和石灰共热的实验和石灰共热的实验中闻到刺鼻的气味中闻到刺

49、鼻的气味NH4Cl+Ca（OH）2=2NH3+CaCl2+H2O3030年后，伯托利年后，伯托利(BertholetBertholet)确定该气体成分为确定该气体成分为 NH3想象与尝试：想象与尝试：试图用催化法、电弧法促成试图用催化法、电弧法促成 N 2 和和H 2结合，均告失败，结合，均告失败，历时历时100100年。年。出现转机出现转机1850-19001850-1900年，化学动力学、热力学及催化理论的研年，化学动力学、热力学及催化理论的研究发展迅速。化学平衡及平衡移动的理论为合成氨的技究发展迅速。化学平衡及平衡移动的理论为合成氨的技术开发指明了方向。术开发指明了方向。案例案例3：合成

50、氨生产技术的开发：合成氨生产技术的开发案例案例3：合成氨生产技术的开发：合成氨生产技术的开发科学家考虑：科学家考虑：合成氨是否平衡反应合成氨是否平衡反应？可以采用哪些手段促成平衡移动？可以采用哪些手段促成平衡移动？N2+3H2=2NH3案例案例3 3：合成氨生产技术的开发：合成氨生产技术的开发化工天才化工天才-哈伯哈伯 弗里茨弗里茨哈伯哈伯18681868年年1212月月9 9日出生于德国一富商家庭。日出生于德国一富商家庭。他在读书期间就显现出巨大的化学天赋，他在读书期间就显现出巨大的化学天赋，2323岁那年，德国岁那年，德国皇家科学院破格授予他化学博士学位。皇家科学院破格授予他化学博士学位。