陜師大化工基礎一課件

第1章緒論1.1化學工業(yè)概況1.2化工生產過程概述1.3化學工程學簡介

1.1化學工業(yè)概況

化學工業(yè)是國民經濟的重要部門之一，在各國經濟發(fā)展中有舉足輕重的地位。一般占GDP的5—7%，占工業(yè)產值的7—10%甚至更高。在過去的十年，世界化學工業(yè)以高于世界經濟增長率的20%—30％的速度發(fā)展。我國化工產業(yè)占GDP的12—15%左右。

化學工業(yè)的發(fā)展反映了人類對化工產品日益增加的需求，顯示出其在人類社會生活中的作用愈來愈重要。

1．化學工業(yè)在國民經濟中的地位與作用化學工業(yè)的作用：

機械工業(yè)電子工業(yè)

國防工業(yè)

農業(yè)

日用品

機械制造、汽車工業(yè)

切割用的電石、成型劑、粘合劑、表面處理、化學鍍、防銹涂料、合成纖維、合成樹脂、橡膠、涂料、石棉、玻璃、建材等。

電子工業(yè)

超高強材料、超導材料；如氣體、試劑、半導體、熒光屏及其他溶劑。

國防工業(yè)

炸藥、助推劑、復合材料、陶瓷、核燃料等。

農業(yè)

合成纖維代替棉花、合成橡膠代替天然橡膠；如，生產1萬t合成纖維相當于200km2棉田所產棉花，制造1萬t合成橡膠相當于166.5km2橡膠園產的天然橡膠。農藥、化肥、農用地膜、人工降雨等。日用品

衣、食、住、行、醫(yī)療及文體用品等。

2．化學工業(yè)行業(yè)范疇與產品分類化學工業(yè)門類復雜，是一個包含多個行業(yè)的工業(yè)部門。按4類分：原料工業(yè)（煤、石油、天然氣等）基本無機化工（酸、堿、鹽）基本有機化工（合成材料、加工業(yè)）合成工業(yè)（制藥、精細化工）

石油煉制和裂解工業(yè)、煤焦化及煤焦油工業(yè)、基本有機合成工業(yè)、合成高分子工業(yè)、氯堿工業(yè)、制酸工業(yè)、肥料工業(yè)以及精細化學工業(yè)。

b．按8類分：c．按產品分類（25類）：如：工業(yè)、農業(yè)、天然產品、生活用品等

①通用化學品：以煤、石油、天然氣、農副產品為原料經簡單加工而成的三烯三苯一炔一萘、三酸二堿等。d．按技術密集程度和附加值大小分類：②精細化工品：以通用化學品為原料，深加工，高附加值，小批量，高利潤，高純度的產品。3．化學工業(yè)的原料及選擇原則

根據物質來源分：無機原料和有機原料兩大類。前者主要有空氣、水和化學礦物；后者主要是煤、石油、天然氣和生物物質。

空氣經液化和精餾為化工生產提供氧氣和氮氣。氧氣與諸多化工原料反應生成含氧產品；氮氣既可作為原料，也可用于洗滌、分離氣體混合物。水主要用做原料、溶劑、冷卻劑、蒸汽(熱源或動力)?；瘜W礦物有制硫酸的黃鐵礦和硫，制磷酸鹽的磷灰石等。(1)無機化工原料a．煤煤焦油、焦炭、苯、焦爐氣(CH4)、硫等。(2)有機化工原料d．農林作物

油料、藥用、纖維作物、橡膠、染料等。

c．石油油品、煉廠氣、裂解、重整等。b．天然氣甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等。(3)原料選擇原則在選擇原料路線和技術路線時，應全面權衡技術、經濟、社會和環(huán)保等方面的利弊?？紤]原料的來源、種類，工藝路線是否可行，技術上是否合理，分析原料的經濟性。

4．化學工業(yè)的特點

(1)化學工業(yè)是獨特的、不可取代的工業(yè)部門化學工業(yè)以化學加工為主要特征，是創(chuàng)造新物質的工業(yè)。

(2)化工產品品種繁多，工藝復雜

(3)化學工業(yè)是裝置型工業(yè)，具有規(guī)模經濟性

化工生產的主要設備大多是塔、罐、槽、器及管道，一般裝置的投資費用與其生產能力的2/3次方呈正比。

(4)化學工業(yè)是資金密集，技術密集的工業(yè)

以機械工業(yè)的技術密集指數為100，化學工業(yè)則達到248。以醫(yī)藥和農藥新品種開發(fā)為例，開發(fā)成功率為萬分之一，完成一個新品種研制，在美國需10年左右時間，耗資6000萬美元。開發(fā)成功率低。(5)化學工業(yè)是能源消耗的大戶

(6)化學工業(yè)是易污染、重污染的工業(yè)

5．化學工業(yè)的發(fā)展與現狀

化學工業(yè)歷史悠久，最早的化工可追溯到公元前2000多年前的制陶、冶煉、釀造、漂染、揉革等行業(yè)。自18世紀中期工業(yè)革命興起，機器的出現使棉紡織業(yè)實現機械化，硫酸的鉛室法出現，路布蘭制堿法出現。19世紀中葉，出現了氨堿法制堿的索爾維法。隨后，電解法制堿技術問世，為造紙、染料、炸藥等行業(yè)提供了比純堿更強的苛性堿。(1)化學工業(yè)發(fā)展的歷史

19世紀，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展促進了煉焦工業(yè)，從煉焦副產品煤焦油中提取多種有機芳香族化合物，并以其為原料制染料、醫(yī)藥、香料、炸藥等產品，形成了以煤焦油為基礎的有機合成工業(yè)。20世紀初，美國標準石油公司采用裂化方法將重質油加熱轉化為相當汽油餾分的輕質油。促進了石油化工的發(fā)展。20世紀中葉，有機化工產品80%-90%是以石油或天然氣為原料生產的，三大合成材料的原料幾乎全部來自石油化工。由于化工原料的變化，引發(fā)了化學工業(yè)產業(yè)結構的變革，帶動精細化工的發(fā)展。

自20世紀40年代以來，化工已經成為世界各國工業(yè)發(fā)展的重點。80年代以來，隨社會的發(fā)展、生產工藝技術的改進，提高人民生活水平，化工產品出現多樣化、功能化、精細化的特點。其成為化學工業(yè)的起點，化學工業(yè)由發(fā)展基礎化工轉向重點發(fā)展精細化學工業(yè)，使化學工業(yè)發(fā)展達到了一個新的歷史時期。(2)我國的化學工業(yè)

舊中國的化學工業(yè)基礎十分薄弱，僅有沿海、沿江的幾個小化工企業(yè)。新中國成立后，先后吉化、太化和蘭化三大化工基地；相繼又建成了北京燕山、山東齊魯、上海金山、南京揚子等一大批石油化工聯合企業(yè)。~8.5萬億，合成氨>1億噸。表1我國與部分國家主要化工產品產量比較(1997年)表

表2為我國化工產值變化情況表3為我國化工工業(yè)與其它工業(yè)的比較情況表1一3全國工業(yè)及化工系統(tǒng)總產值增長速度（％）

美國是當今世界上最發(fā)達的國家,也是世界上最大的化學品生產國，1997年化工總產值3917億美元，居世界第一位.表1一4列舉了1997年我國與世界幾個化學工業(yè)發(fā)達國家的勞動生產率比較情況.

(3)世界化學工業(yè)表1一4化學工業(yè)勞動生產率

(萬元／人年)美國日本德國英國法國意大利中國38.1452.7221.7024.0832.6826.980.26我國石油化工的有關數據1.2化工生產過程概述

生產中，原料預處理和產物分離，缺一不可?；瘜W反應這一步是整個化工生產過程的核心，起主導作用，其要求和結果決定著原料預處理的程度和產物分離的任務，直接影響到其它兩部分的設備投資和操作費用。

1．化工生產過程分析化學工業(yè)產品種類繁多，生產流程千差萬別，共同之處是都有原料預處理、化學反應和產物的分離三部分。

化工生產過程可視為物理過程和化學過程組成。因被加工物料的相態(tài)不同、過程原理和采用方法的差異，將物理過程可進一步細分為一系列遵循不同物理定律，有某種功用的基本操作過程，稱之為單元操作，如硫酸的生產.見表5所示

每一種單元操作都概括了化工生產中一類有共性的操作，從本質上歸納為動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞三種傳遞過程。

化學反應類似于單元操作，按其反應的特點，尋求共性，提煉出諸多單元操作。

三種傳遞過程和反應工程，即“三傳一反”構成化學工程學科研究的一條主線。

表5單元操作單元操作目的物態(tài)原理傳遞過程流體輸送輸送液或氣輸入機械能動量傳遞攪拌混合或分離氣-液輸入機械能動量傳遞液-液,固-液過濾非均相混合物分離氣-固,固-液尺度不同的截留動量傳遞沉降非均相混合物分離氣-固,固-液密度差引起的動量傳遞沉降運動加熱,冷卻升溫,降溫,改變氣或液利用溫差傳入熱量傳遞相態(tài)或移出熱量蒸發(fā)溶劑與不揮發(fā)性液供熱汽化溶劑熱量傳遞溶質的分離單元操作目的物態(tài)原理傳遞過程氣體吸收均相混合物分離氣各組分的溶解度質量傳遞液體精餾均相混合物分離液各組分的揮發(fā)度

質量傳遞萃取均相混合物分離液各組分的溶解度質量傳遞吸附均相混合物分離氣或液吸附能力不同質量傳遞沉降運動干燥去濕固體供熱汽化利用溫差傳入熱量\質量傳遞2．化工生產過程的工業(yè)特征

(5)化工生產涉及經濟問題.如原料供應、設備投資、能耗、銷售、投入、工時及生產管理等。經濟效益是評價化工生產過程是否能實施的重要指標。

(1)化工過程是大規(guī)模的工業(yè)生產，物料處理量大，與實驗研究相差懸殊。(2)化工生產多為連續(xù)化生產過程。(3)化工生產處理的物料從原料的純度到產品的收率都與化學實驗研究不盡相同。(4)化工生產需要設置專用供水、供電、動力、貯存、運輸等設施。3．化工生產過程的檢測與控制

在任何化工生產過程中，需要檢測和控制的指標有溫度、壓力、流量、液面、組成等幾類。

4．化工生產過程的研究與開發(fā)

任何一個新的化工生產過程，都是從最初的創(chuàng)意或設想開始，經過實驗室研究、中間試驗、工業(yè)化試驗、放大設計、技術經濟評價等諸多環(huán)節(jié)，最后建成工業(yè)生產裝置，實現規(guī)模生產。在放大設計過程中,大小裝置之間會產生工藝結果的差別，歸結于“放大效應”，尋求其產生因由和改善的方法是過程開發(fā)一項中心任務。5．化工生產過程的技術經濟分析

化工生產過程的工藝技術經濟指標主要有：

①物料和能量的綜合利用。④生產的投資費用。③生產強度。②產品的產率及質量。6．化工生產過程的資源和能源綜合利用

生產規(guī)模的大型化是化工生產過程資源和能源綜合利用的保障。

生產規(guī)模擴大使單位產品的原材料和能源消耗大大降低；勞動效率高，產品的總成本低，在市場和資源條件具備的情況下，生產規(guī)模大型化是化學工業(yè)的發(fā)展趨勢。

化工生產中，物料循環(huán)和熱量回流，并達到多種產品聯合生產，是節(jié)能降耗的主要途徑。7．化工生產過程的優(yōu)化

按具體的生產任務，確定合理的工藝路線(原料、方法)，選擇合適的反應器，配置相適宜的單元操作及設備，適當組合構成一個化工生產過程的整體，成為化工過程系統(tǒng)，簡稱化工系統(tǒng)?；は到y(tǒng)的諸多不確定性，決定了化工生產過程的復雜性?；どa過程自身的特點和復雜性，使其存在大量的過程最優(yōu)化問題，涉及過程研究中的開發(fā)和設計及過程運行中的操作、管理和控制等各個方面。

化工系統(tǒng)優(yōu)化包含三個層次：

(1)化工工藝路線的最優(yōu)化。即系統(tǒng)總體方案的最優(yōu)化設計和選擇。(2)流程結構的最優(yōu)化。即流程最優(yōu)化設計和選擇。(3)流程工藝參數和操作參數的最優(yōu)化?；どa過程優(yōu)化任務分為三個階段:

(1)為完成某類產品的生產任務，將分散的單元遵循一定的法則，組織成對給定的性能指標來說是最優(yōu)的過程系統(tǒng)，這個階段稱為最優(yōu)綜合。

(3）在結構參數和設計參數都已固定的條件下，為避免干擾,使生產過程能在外界條件變化及各干擾因素出現的情況下，保證過程系統(tǒng)的經濟性，對操作參數和控制參數進行優(yōu)化，稱為最優(yōu)操作或最優(yōu)控制。

(2）在給定過程結構的條件下，確定各單元及整個系統(tǒng)的最優(yōu)參數的優(yōu)化計算，叫最優(yōu)設計。

過程優(yōu)化涉及技術和經濟兩方面。

技術優(yōu)化是使各項指標達到最優(yōu)，經濟優(yōu)化是以最小費用獲得最大利潤,達到高的經濟效益為目標。

8．化工生產過程的流程圖

為描述化工生產過程，工程上通常用形象的圖形、符號和代號表示設備，用箭頭表示物料流動方向，將化工過程從原料到最終產品經過的所有設備和相互關系以及物料流動順序，以圖示的方式表達出來，這種表示整個化工生產過程全貌的圖形稱為工藝流程圖。

工藝流程圖是工廠設計的基礎，也是操作和檢修的指南。一般分為生產工藝流程圖、物料流程圖和帶控制點的工藝流程圖。

工藝流程圖中的設備的圖形和符號已標準化。生產工藝流程圖常將設備的大致幾何形狀畫出，或以方框表示。無論采用那種流程圖表達工藝流程，從左向右展開，有必要的文字進行說明，如設備名稱(符號代號)、物料流向、物料名稱、圖名、圖號、設計階段等。1.3化學工程學簡介

1．化學工程學及其研究對象和任務

化學反應是它的核心，化學學科是它的基礎。化學工業(yè)在大型設備中大批量連續(xù)化的生產所提出的技術問題，僅靠化學學科的知識是遠不夠的，它需要機械、電氣、儀表、控制等工程學科的理論支持和技術上的應用，因此便誕生了一門源自化學、又不同于化學，綜合了諸多工程技術學科的新學科—化學工程學。

化學工程學始于19世紀末。20世紀初，明確認識到各行各業(yè)通用的物理操作的共性，提出了單元操作的概念，形成化工過程與設備課程，后多稱為化工原理。50年代形成了化學反應工程分支。70年代以后，化工生產日趨大型化、連續(xù)化以及計算機技術的迅速發(fā)展，化學工程學的研究已不再局限于單個單元操作或化學反應過程，形成了化學系統(tǒng)工程，主要是研究系統(tǒng)的設計、控制和管理。

2．化學工程學的研究方法

數學模型法是將復雜的研究對象合理地簡化為某個模型，簡化的模型與原過程近似而等效?；瘜W方面的問題歸納為研究反應對象，提出反應動力學模型；傳遞方面的問題歸納為研究不同類型反應器，提出反應器的傳遞模型；而兩者的結合方面的問題，則是將各種反應模型和各種傳遞模型相結合的問題。

在化學工程學的歷史發(fā)展中形成了兩種基本的研究方法經驗歸納法和數學模型法。經驗歸納法借助物理學的相似論和因次分析法的指導。例熱交換中的傳熱系數，通過實驗測定歸