化工基礎知識概述

化工基礎Elementary

Chemical

Engineering化工基礎——化學工程基礎什么是化學工程？

化學過程——是指物質(zhì)發(fā)生化學變化的反應過程，如柴油的催化裂化制備高辛烷值汽油是一個化學反應過程。

物理過程——系指物質(zhì)不經(jīng)化學反應而發(fā)生的組成、性質(zhì)、狀態(tài)、能量變化過程，如原油經(jīng)過蒸餾的分離而得到汽油、柴油、煤油等產(chǎn)品。實際上，化學過程往往和物理過程同時發(fā)生。例如催化裂化是一個典型的化學過程，但輔有加熱、冷卻和分離，并且在反應進行過程中，伴隨有流動、傳熱和傳質(zhì)。

化學工程學——研究化學工業(yè)和其他過程工業(yè)生產(chǎn)中所進行的化學過程和物理過程共同規(guī)律的一門工程學科。這些工業(yè)包括石油煉制工業(yè)、冶金工業(yè)、建筑材料工業(yè)、食品工業(yè)、造紙工業(yè)等。它們從石油、煤、天然氣、鹽、石灰石、其他礦石和糧食、木材、水、空氣等基本的原料出發(fā)，借助化學過程或物理過程，改變物質(zhì)的組成、性質(zhì)和狀態(tài)，使之成為多種價值較高的產(chǎn)品，如化肥、汽油、潤滑油、合成纖維、合成橡膠、塑料等等。通過化學工程的研究，認識和闡釋這些過程的規(guī)律性，并使之應用于生產(chǎn)過程和裝置的開發(fā)、設計、操作，以達到優(yōu)化和提高效率的目的。

化學過程與化學工程的區(qū)別化學工程：如何通過一系列的設備、工藝、操作來實現(xiàn)化學過程。注重過程、條件、影響因素。關(guān)注操作性、合理性、經(jīng)濟性?；瘜W過程：化學反應的原理、機理，過程進行的可行性。注重能否進行的問題?！魡栴}：?？平逃c本科教育的差異何在？◆專科教育以應用為目的，在理論學習上以夠用為度；而本科教育重在培養(yǎng)學生的理論體系?！衾樱汉缥F(xiàn)象。大家都知道水往低處流，但在虹吸中水先往高處流，越過一個高點后才往低處流。為什么呢？只有用流體動力學的理論才能作出解釋?！艚?jīng)驗只能解決現(xiàn)象問題，理論才能解決本質(zhì)問題。◆請珍惜本科教育機會，注重培養(yǎng)自己的理論體系，認真學好每門基礎理論課?！艋せA，是化工類各專業(yè)課的基礎理論課，也是化學工藝等專業(yè)考研的必考專業(yè)課。一.化學工業(yè)概述

化學工業(yè)（chemicalindustry）又稱化學加工工業(yè)，是綜合運用化學和物理方法將原料加工成化學產(chǎn)品的加工工業(yè)。也泛指生產(chǎn)過程中化學方法占主要地位的過程工業(yè)。1.化學工業(yè)的重要性及其發(fā)展化學工業(yè)是國民經(jīng)濟重要的基礎工業(yè)，是最具活力、最具競爭力、可發(fā)展前景極強的產(chǎn)業(yè)。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，化學工業(yè)從50年代起進入高速發(fā)展期，已成為世界經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。2.化學工業(yè)的分類化工生產(chǎn)裝置實例——70萬噸乙烯裝置化工生產(chǎn)裝置實例——甲醇回收裝置化工生產(chǎn)裝置實例——合成氨裝置化工生產(chǎn)產(chǎn)過程實實例濕法磷酸酸生產(chǎn)工工藝流程程磷礦石破碎球磨酸解反應應過濾濃縮精制磷酸（化化肥、飼飼料用））磷酸（醫(yī)醫(yī)藥、食食品用））硫酸HF氣體（回回收）過濾水濾渣石膏膏洗液加工成鹽鹽3.化學學工業(yè)的的特點(1)化化學工業(yè)業(yè)與人類類的生存存和發(fā)展展息息相相關(guān)當今世界界面臨的的三大挑戰(zhàn)戰(zhàn)：A.人口口增長：1804年10億人人→1927年20億人人→1960年30億人人→1974年年40億億人→1987年50億人→→1999年60億人人，每年年7800萬人人的增長長速度，，預計2013年70億，實實際2010年年64.64億億人?！燥埓蟠髥栴}??！B.環(huán)境境污染：人口增增長→工工業(yè)發(fā)展展→大氣氣和水污污染。每每年流入入海洋的的石油達達1000多萬萬噸，排排入大氣氣的CO2達230億噸，，水土流流失240億噸噸。C.能源源短缺：以現(xiàn)有有速度，，全世界界的石油油只夠用用60年年，煤炭炭300年左右右?；瘜W工業(yè)業(yè)已擔負負起迎接接三大挑挑戰(zhàn)的歷歷史重任任：可提提供充足足的化肥肥、農(nóng)藥藥、化學學纖維、、合成醫(yī)醫(yī)藥及各各種新型型合成材材料，滿滿足人口口增長帶帶來的衣衣、食、、住、行行的需要要；在化化工生產(chǎn)產(chǎn)中合理理使用能能源和開開發(fā)新能能源，可可有效解解決能源源緊缺問問題（如如生物能能源、核核能等））；“三三廢”的的治理更更是化學學工業(yè)義義不容辭辭的責任任，其作作用是其其他工業(yè)業(yè)無法替替代的。。(2)化化工產(chǎn)品品品種繁繁多，工工藝復雜雜品種繁多多導致生生產(chǎn)工藝藝的多樣樣性。同同一原料料可生產(chǎn)產(chǎn)多種產(chǎn)產(chǎn)品，同同一產(chǎn)品品又可利利用多種種原料生生產(chǎn)，所所以技術(shù)術(shù)難度大大。合理理的資源源配置和和原料路路線，恰恰當工藝藝技術(shù)的的選擇和和組合，，產(chǎn)品結(jié)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)構(gòu)的優(yōu)化化，是化化工中要要解決的的主要問問題。(3)化化學工業(yè)業(yè)是裝置置型工業(yè)業(yè)，具有有規(guī)模經(jīng)經(jīng)濟性化工生產(chǎn)產(chǎn)的主要要設備大大多是塔塔、罐、、槽、器器及管道道，生產(chǎn)產(chǎn)能力與與容積（（即其線線性尺寸寸的三次次方）呈呈正比，，制造費費與容器器表面積積（即其其線性尺尺寸的二二次方））呈正比比。裝置置的投資資費用T與其生生產(chǎn)能力力M的2/3次次方呈正正比（所所謂的0.6次次方法則則）：T=M0.6~0.7如：M=10萬元/年，則則T=40~50萬元元，4~5倍M=100萬元元/年，，則T=1600~2500萬元，，16~25倍倍M=1000萬萬元/年年，則T=6.3~12.6億元，，63~126倍(4)化化學工業(yè)業(yè)是資金金密集型型、技術(shù)術(shù)密集型型工業(yè)工藝復雜雜性和裝裝置大型型化決定定了它的的這一特特征。如如年產(chǎn)值值30萬萬噸合成成氨,45萬噸噸尿素的的化肥廠廠，投資資達到40-50億元元；年產(chǎn)產(chǎn)30萬萬噸的乙乙烯廠，，需投資資60-80億億元。化工技技術(shù)更更新速速度快快，化化工廠廠設備備的壽壽命一一般不不超過過15年流動資資金占占固定定投資資的12-20%，每年年的設設備維維修費費5-10%。如：：M=100萬元元/年年，T=2000萬萬元，，流動動資金金300-400萬萬元，，維修修費100-200萬元元/年年。技術(shù)密密集表表現(xiàn)在在工藝藝流程程長，，從原原料到到產(chǎn)品品，涉涉及化化學、、機械械、電電子、、儀表表等諸諸多領(lǐng)領(lǐng)域，，有很很高的的知識識密集集度和和很強強的技技術(shù)綜綜合性性。若以機機械工工業(yè)的的技術(shù)術(shù)密集集指數(shù)數(shù)為100，則則化學學工業(yè)業(yè)達到到2480。(5)化學學工業(yè)業(yè)是能能耗大大戶化學工工業(yè)以以煤、、石油油、天天然氣氣等能能源為為原料料，也也作為為生產(chǎn)產(chǎn)的動動力和和燃料料。能能源中中約40％％作為為生產(chǎn)產(chǎn)原料料，60％％作為為動力力和燃燃料，，原料消消耗費費占產(chǎn)產(chǎn)品成成本的的60%-70%。(6)化學學工業(yè)業(yè)是易易污染染、重重污染染的工工業(yè)部部門化工產(chǎn)產(chǎn)品大大多是是易燃燃、易易爆、、有毒毒的，，在生生產(chǎn)、、儲存存、運運輸、、使用用過程程中，，如果果發(fā)生生泄露露，就就會嚴嚴重危危害人人的健健康，，污染染環(huán)境境。例例如廣廣西廣廣維集集團爆爆炸事事件。。2008年年8月月26日6時45分分，廣廣維化化工股股份有有限公公司有有機車車間發(fā)發(fā)生爆爆炸事事故，爆炸炸引發(fā)發(fā)的火火災導導致車車間內(nèi)內(nèi)裝有有甲醇醇、乙乙炔、、醋酸酸乙烯烯等易易燃易易爆物物品的的儲罐罐發(fā)生生爆炸炸，共共造成成20人死死亡。。事故故還造造成周周圍3公里里范圍圍內(nèi)18個個村屯屯和廣廣維集集團生生活區(qū)區(qū)的11500名群群眾緊緊急疏疏散。。二.化化學工工程概概述課程特特點：理論與與經(jīng)驗驗相結(jié)結(jié)合的的工程程研究究方法法經(jīng)驗方方法———實實驗方方法理論方方法——數(shù)學模模型法法相似準準則：：利用用經(jīng)驗驗公式式和實實驗曲曲線對對設計計和工工程進進行相相似性性放大大因次分分析：：利用用實驗驗來確確定變變量關(guān)關(guān)系，，用無無因次次數(shù)群群構(gòu)成成關(guān)系系式利用基基本定定律對對過程程的微微觀機機理進進行相相應的的數(shù)學學描述述（數(shù)數(shù)學模模型））注：該該方法法著眼眼于過過程參參數(shù)的的整體體變化化，不不究其其微觀觀機理理，得得到的的結(jié)果果帶有有局限限性，，不不可任任意推推而廣廣之。。“化工原原理”半理論論、半半經(jīng)驗驗的方方法特特點實際工工程復復雜問問題理論與與經(jīng)驗驗是化化工工工程技技術(shù)人人員邁邁向成成功的的兩條條腿分析并并抓住住描述述過程物物理本本質(zhì)的的基本本規(guī)律律實驗數(shù)數(shù)據(jù)回回歸確確定待待定模模型參參數(shù)對次要要因素素作出出合理理假設設（簡簡化））建立數(shù)數(shù)學模模型通過實實驗或或工程程實踐踐檢驗驗模型型的可可靠性性核心部部分：：化學反反應過過程及及其設設備（（反應應器））前處理理過程程：又稱預預處理理過程程，在在進行行化學學反應應之前前，對對原料料進行行各種種預處處理，，以便便為反反應過過程創(chuàng)創(chuàng)造最最適宜宜的工工藝條條件，，如適適宜的的物料料狀態(tài)態(tài)、純純度以以及它它應具具有的的溫度度、壓壓強等等。后處理理過程程：化學反反應后后，對對產(chǎn)物物或中中間產(chǎn)產(chǎn)物需需要進進行必必要的的后處處理，，以便便獲得得合格格的最最終產(chǎn)產(chǎn)品或或中間間產(chǎn)物物。~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~（核心部分）（輔助部分）三.化化工生生產(chǎn)過過程原料→→前處處理→→化學學處理理（核核心））→后后處理理→產(chǎn)產(chǎn)品（（或或中間間產(chǎn)品品）例如，，高壓壓法生生產(chǎn)聚聚乙烯烯，上上述過過程可可圖示示如下下：壓縮機加熱器聚合反應器分離器粒化器

聚乙烯

乙烯回收乙烯

粒狀聚乙烯乙烯的的壓縮縮與預預熱為為預處處理過過程；；聚合合反應應后，，物料料的分分離與與聚乙乙烯的的粒化化，則則為產(chǎn)產(chǎn)物的的后處處理過過程。。人們在在長期期從事事化工工生產(chǎn)產(chǎn)實踐踐中，，自然然而然然地把把組成不同化化工行業(yè)生生產(chǎn)過程所所共有的基基本的物理理操作過程程抽提出來，，研究其各各自內(nèi)在的的規(guī)律性，，并在理論論上加以總總結(jié)和提高高，再應用用到生產(chǎn)實實踐中去，，這些基本本的物理操操作過程就就稱為單元操作。。單元操作定定義：指在各種化化工產(chǎn)品的的生產(chǎn)過程程中，具有有共同的物物理變化，，遵循共同同的物理學學定律和具具有共同作作用的基本本操作。如：流體的的輸送與壓壓縮、沉降降、過濾、、傳熱、蒸蒸發(fā)、結(jié)晶晶、吸收、、蒸餾、萃萃取、冷凍凍等。以“三傳”為物理內(nèi)核核的單元操操作四.化學學工程中的的一些基本本規(guī)律1.質(zhì)量守恒（（物料衡算算）：它反映一個個過程中原原料、產(chǎn)物物、副產(chǎn)物物等之間的的關(guān)系，即即進入的物物料量必等等于排出的的物料量和和過程中的的積累量。。積累或損失M∑M入∑M出系統(tǒng)物料衡算式式：∑M入＝∑M出＋M累或損對連續(xù)穩(wěn)定定流動：∑M入＝∑M出進行物料衡衡算時，必必須明確下下面幾點：：1.首先要確定定衡算的系系統(tǒng)，即衡衡算對象包包括的范圍圍。2.其次要確定定衡算的基基準。3.然然后確定衡衡算的對象象（指標、、參數(shù)）。。4.最后還要確確定衡算對對象的物理理量及單位位。例1-1每小時有10噸5％的乙醇醇水溶液進進入精餾塔塔，塔頂餾餾出的產(chǎn)品品中含乙醇醇95％，塔底底排出的的廢水中中含乙醇醇0.1％。求每每小時可可得產(chǎn)品品多少噸噸？若廢廢水全部部排放，，每年（（按操作作7200小時計計）損失失的乙醇醇多少噸噸？精餾塔原料液含乙醇5％10噸/時乙醇產(chǎn)品含乙醇95％含乙醇0.1％

廢水

解：已知：原料液流流量及其其中乙醇醇含量產(chǎn)品和廢廢水中乙乙醇含量量確定：衡算范圍圍：衡算對象象：衡算基準準：設：產(chǎn)品品流量為為X噸/時、廢水水流量為為Y噸/時。由物料衡衡算式：∑M入＝∑M出對物流的的量進行行衡算：：10＝＝X+Y(1)對乙醇的的量進行行衡算：：10××5％＝X×95％+Y×0.1％(2)解得：X＝＝0.516噸噸/時時，，Y＝9.484噸噸/時時每年損失失乙醇：：9.484××0.1％×7200＝68.28噸/年2.能量守恒恒（能量量衡算））：目的：計算單位位產(chǎn)品的的能耗，，了解過程程中能量量的利用用和損失失情況，，確定生生產(chǎn)過程程中需要要輸入、、輸出的的熱量，，設計換換熱設備備積累或損失Q∑Q入∑Q出系統(tǒng)熱量衡算算式：∑Q入＝∑Q出＋Q累或損穩(wěn)定的連連續(xù)性操操作：∑Q入＝∑Q出3.平衡關(guān)系系平衡決定定過程進進行的方方向各可可能夠達達到的極極限可以確定定當時條條件下物物料或能能量能夠夠利用的的極限，，從而確確定加工工方案4.過程速率率過程速率率決定裝裝置和設設備的生生產(chǎn)能力力，過程程速率越越高，設設備生產(chǎn)產(chǎn)能力越越大，或或設備的的尺寸越越小?！?/p>

過程速率率（r）5.從實驗室室研究到到工廠生生產(chǎn)將實驗室室研究擴擴大為生生產(chǎn)規(guī)模模，使新新產(chǎn)品、、新工藝藝或新技技術(shù)在工工業(yè)裝置置中運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)變變?yōu)樯a(chǎn)產(chǎn)的全過過程稱為為化工過程程開發(fā)。實驗室與與化工生生產(chǎn)過程程的區(qū)別別：（1）原料數(shù)數(shù)量、質(zhì)量上上的不同（2）工藝方方法、工藝條條件、工藝要要求、操作手手段的不同（3）設備大大小、結(jié)構(gòu)、、材質(zhì)的不同同如：邊長為1m的正方體體容器，V=1m3，S=6m2，若將每條邊邊長擴大10倍為10m，則V′=1000m3，S′=600m2，體積擴大1000倍而表表面積只擴大大100倍，，不同步，則必然造成成散熱不均。。故必須采用用其他措施，，如水冷、風風冷等，否則則反應結(jié)果必必然改變。（4）產(chǎn)品數(shù)數(shù)量、質(zhì)量不不同，分離要要求及分離設設備也不同（5）附屬設設施：生產(chǎn)上上須設置水、、電、氣、動動力、安全、、運輸、貯存存等設施（6）廢水、、廢氣、廢渣渣的排放量不不同，治理要要求和設施也也不同開發(fā)步驟：實驗室研究究（小試）→可行性研究（（技術(shù)經(jīng)濟評評價）→中間試驗（中中試）→基礎設計（技技術(shù)經(jīng)濟評價價）→工業(yè)