工業(yè)化學-第一章20140316 王慶鋒

思考與練習1.1化學工業(yè)是如何定義的？常分為哪兩大類？1.2工業(yè)化學是如何定義的？1.3何謂原料？哪四種原料稱基本原料？1.4何謂產(chǎn)品？原料和產(chǎn)品有何區(qū)別？1.5何謂化工生產(chǎn)過程？化工生產(chǎn)過程分哪兩種？其三個主要步驟是什么？1.6何謂工藝流程圖？其作用是什么？1.7生產(chǎn)過程的主要指標有哪些？1.8現(xiàn)代化學工業(yè)的特點和發(fā)展方向是什么？思考與練習1.9化工生產(chǎn)中的主要操作變量和常用單位有哪些？1.10化學反應常分哪幾類？1.11化學反應速度是如何定義的？其意義是什么？如何提高反應速度？1.12化學平衡的條件是什么？氣相反應系統(tǒng)中化學平衡時各組分分壓的關(guān)系如何？平衡常數(shù)的物理意義是什么？1.13何謂相平衡？什么條件下能達到三相共存狀態(tài)？1.14化工單元操作常分哪五類？各單元操作所對應的主要設備與機械是什么？

化學工業(yè)1.1

化學工業(yè)的定義：

化學工業(yè)是以天然物質(zhì)或其它物質(zhì)為原料，通過化學和物理的方法使其性質(zhì)和形態(tài)發(fā)生變化，而成為生產(chǎn)資料或生活消費品的一種工業(yè)?；瘜W工業(yè)是國民經(jīng)濟中的一個重要組成部分，他既為農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)、重工業(yè)和國防工業(yè)等提供生產(chǎn)資料，也為人類提供衣、食、住、行各方面必不可少的化工產(chǎn)品。因此，它對國民經(jīng)濟發(fā)展和人民物質(zhì)生活的提高起著十分重要的作用。第章

緒論1化學工業(yè)1化學工業(yè)1化學工業(yè)1化學工業(yè)化學工業(yè)1化學工業(yè)化學工業(yè)

化學工業(yè)的分類方法較多。按原料資源可分為：煤炭化學工業(yè)、石油化學工業(yè)、農(nóng)副產(chǎn)品化學工業(yè)；按產(chǎn)品噸位可分為：基本化學工業(yè)、精細化學工業(yè)等；按產(chǎn)品用途又可分為肥料、燃料、醫(yī)藥、涂料、合成洗滌劑、食品、農(nóng)藥、試劑、助劑、合成纖維、塑料、橡膠等。

習慣上，一般將化學工業(yè)分為無機化學工業(yè)和有機化學工業(yè)?；瘜W工業(yè)1.1第章

緒論1化學工業(yè)1.1

化學工業(yè)的分類：按產(chǎn)品性質(zhì)和加工過程相似的原則化學工業(yè)可分為兩大類共17個分支：

第一類：重化學工業(yè)（基礎化學工業(yè)）對資源和能源依賴程度高，生產(chǎn)規(guī)模大，產(chǎn)品為其它行業(yè)原材料。

1）化學肥料工業(yè)：包括合成氨、氮肥、磷肥、鉀肥、復合肥料、微量元素肥料等產(chǎn)品；

2）硫酸工業(yè)；

3）制堿工業(yè)：包括純堿和燒堿等產(chǎn)品；第章

緒論1化學工業(yè)1.1

第一類：重化學工業(yè)（基礎化學工業(yè)）

4）無機鹽工業(yè)：包括各種無機鹽，金屬鈉等單質(zhì)，以及除硫酸、純堿和燒堿以外的各種無機酸、無機堿等產(chǎn)品；

5）燃料化學工業(yè)：包括煤的氣化、干餾、液化及其副產(chǎn)品加工，電石，石油煉制等；

6）石油化工及有機原料工業(yè)：包括石油和其他油品的裂解、產(chǎn)物的分離及有機產(chǎn)品的合成，重要有機原料如有機酸、酯、醚、酮和醛等的生產(chǎn)；

7）橡膠工業(yè)：包括天然橡膠的加工及產(chǎn)品制造，合成橡膠的生產(chǎn)及產(chǎn)品制造；第章

緒論1化學工業(yè)1.1

第一類：重化學工業(yè)（基礎化學工業(yè)）

8）合成纖維工業(yè)：包括聚酯類的滌綸、聚酰胺類的錦綸、聚乙烯醇類的維尼綸等產(chǎn)品；

9）合成樹脂和塑料工業(yè)：包括多種高分子聚合物，以及各種日用和工程塑料制品，離子交換樹脂等產(chǎn)品；

第二類：輕化學工業(yè)對資源和能源依賴程度小，生產(chǎn)批量較小，品種多，產(chǎn)品附加價值高。

10）染料工業(yè)：含紡織、輕工、食品等多種用處的染料；第章

緒論1化學工業(yè)1.1

第二類：輕化學工業(yè)

11）國防化工：包括各種炸藥，為核工業(yè)、航天航空工業(yè)、武器工業(yè)配套的化工產(chǎn)品，如同位素、推進劑、強氧化劑、密封材料、特種涂料、高性能復合材料等產(chǎn)品；

12）農(nóng)藥工業(yè)：包括殺蟲劑、殺菌劑、殺螨劑、殺鼠劑、除草劑、植物生長調(diào)節(jié)劑等產(chǎn)品；

13）涂料和顏料工業(yè)：包括顏料、油料、填充劑、溶劑、油漆、建筑物內(nèi)外墻面涂料等；

14）醫(yī)藥工業(yè)：包括各種天然藥物和合成藥物的生產(chǎn)；第章

緒論1化學工業(yè)1.1

第二類：輕化學工業(yè)

15）感光材料和磁性記錄材料工業(yè)：包括片基、感光乳劑、磁性材料等的生產(chǎn)；

16）化學試劑工業(yè)：包括各種等級的化學試劑的生產(chǎn)；

17）精細化學品工業(yè)：催化劑、助劑、粘合劑、添加劑、表面活性劑、水處理劑、香料、及皮革與造紙等工業(yè)用化學品。另外，還有許多生產(chǎn)過程與化學工業(yè)相似，但由于產(chǎn)品的產(chǎn)量大，產(chǎn)值高，在國民經(jīng)濟中地位重要，已經(jīng)從化學工業(yè)中分離出來的工業(yè)部門，如冶金（包括鋼鐵、有色金屬和稀有金屬的冶煉）、硅酸鹽（包括玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料等）、造紙和制糖工業(yè)等。這些都可以認為是“廣義化學工業(yè)”。第章

緒論1化學工業(yè)1.1

再者，化學工業(yè)或廣義化學工業(yè)又可以看成是屬于范圍和內(nèi)容都更為廣泛的“過程工業(yè)”。過程工業(yè)除包括廣義化學工業(yè)之外，還包括火電和核電等能源工業(yè)，以及某些食品加工和飲料制造等工業(yè)。過程工業(yè)的特點是這類工業(yè)生產(chǎn)是由一系列化學和物理加工過程組成的生產(chǎn)流程來實現(xiàn)的。

過程裝備與控制工程專業(yè)就是為廣泛的過程工業(yè)培養(yǎng)其裝備的開發(fā)研究、設計、操作和維護的高級技術(shù)人才。本專業(yè)的人才有著強大的社會需求和寬廣的就業(yè)范圍。第章

緒論1工業(yè)化學1.21、工業(yè)化學的定義工業(yè)化學是研究原料經(jīng)過化學和物理變化生成產(chǎn)品的方法、過程，以及實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的全部措施的學科。

2、工業(yè)化學學科產(chǎn)生的背景

——20世紀化學工業(yè)的飛速發(fā)展；

——化工生產(chǎn)基礎理論和應用科學的發(fā)展；

——工業(yè)化學學科的產(chǎn)生是化工生產(chǎn)進一步發(fā)展的需要；

——工業(yè)化學學科屬于應用科學的范疇。第章

緒論1工業(yè)化學1.23、工業(yè)化學的具體研究內(nèi)容

——化工生產(chǎn)中原料和生產(chǎn)方法的選擇；

——生產(chǎn)流程的設計；

——所用設備的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和操作；

——催化劑及其它物料的影響；

——操作條件的確立；

——生產(chǎn)過程的控制；

——產(chǎn)品的規(guī)格及副產(chǎn)品的分離和利用；

——生產(chǎn)流程的安全技術(shù)措施；

——產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟指標；

——生產(chǎn)流程的環(huán)境保護措施等。其研究內(nèi)容與“化學工藝學”、“化工生產(chǎn)技術(shù)”等學科類似。第章

緒論1生產(chǎn)烯烴工藝路線50萬噸甲醇制烯烴工業(yè)流程50萬噸甲醇制烯烴工業(yè)流程煤制油-日本新能源機構(gòu)工藝航天煤氣發(fā)生爐煤制氣工藝流程工業(yè)化學1.24、工業(yè)化學作為一門學科具有的特點

——從整體上說，工業(yè)化學屬于應用科學的范疇；是以實際化工生產(chǎn)過程為依托的學科；

——以工業(yè)規(guī)模的具體產(chǎn)品的生產(chǎn)過程為主要研究內(nèi)容，側(cè)重于分析研究產(chǎn)品生產(chǎn)過程的“特性”，并在研究多種生產(chǎn)過程的特性中體現(xiàn)化工生產(chǎn)的“共性”；

——化工生產(chǎn)過程中一般具有化學反應，這也是與其它生產(chǎn)過程的最大不同點。因而，化學反應過程必然是工業(yè)化學的研究重點之一。第章

緒論1工業(yè)化學1.25、為什么要學習工業(yè)化學課程？化學工業(yè)是典型的過程工業(yè)（processindustry）。學習工業(yè)化學可以了解化工生產(chǎn)的概貌和特點，從而了解一般過程工業(yè)生產(chǎn)的概貌和特點，為學習過程裝備與控制工程專業(yè)的有關(guān)課程作好必要的準備。第章

緒論1工業(yè)化學1.26、工業(yè)化學課程的教學方式與教學要求

1）教學方式：

——采用“解剖麻雀”的方式，選擇具有典型化工過程及設備的幾種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)流程作為教學內(nèi)容；

——每種產(chǎn)品大體按生產(chǎn)流程的順序進行介紹；

——著重說明主要工藝過程和設備的特點，使之對這些典型的化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程有系統(tǒng)和清晰的概念

2）教學要求：通過幾種典型化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程的綜述與比較，了解化學工業(yè)（以及一般過程工業(yè)）生產(chǎn)的概貌和特點。第章

緒論1化工原料及產(chǎn)品1.31.3.1

原料

原料是指化工生產(chǎn)中能全部或部分轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的物質(zhì)。當應用兩種以上原料時，能構(gòu)成產(chǎn)品主體的原料為主要原料，如氯苯為生產(chǎn)苯酚的主要原料。而在合成氨中氫和氮就難分主次。有時原料與產(chǎn)品的地位也可以互換，如乙烯水合生成乙醇，則乙烯為原料，乙醇為產(chǎn)品；而乙醇脫水生產(chǎn)乙烯，恰好相反。有時，某一生產(chǎn)過程的產(chǎn)品，也可能是后一生產(chǎn)過程的原料，如氨是合成氨工業(yè)的產(chǎn)品，同時也是生產(chǎn)硝酸的原料。第章

緒論1化工原料及產(chǎn)品1.31.3.1

原料

由此可見，就生產(chǎn)程序來說，有起始原料、基本原料和中間原料。起始原料是人類開采、種植、收集等得到的原料；基本原料是從起始原料經(jīng)過加工制得的原料；中間體原料是從基本原料加工得到的原料。值得指出的是這種區(qū)分方法不是絕對。第章

緒論1化工原料及產(chǎn)品1.31.3.1

原料

起始原料又稱基本原料，主要有：

1）空氣：空氣是工業(yè)用氮氣、氧氣及惰性氣體的來源。

2）水：水是最便宜和最豐富的溶劑，廣泛應用于洗滌、冷卻介質(zhì)及鍋爐給水，也可以作為制取氫氣的原料。水約占地球表面積的70％，但可供使用的淡水只有0.3%，因此如何提高水的利用率也是當前十分緊迫的問題。第章

緒論1化工原料及產(chǎn)品1.31.3.1

原料

起始原料主要有：

3）礦物資源：礦物包括煤、石油、天然氣及無機化學礦、煤是氨、染料、煤化學產(chǎn)品和有機合成的原料，隨著石油化工的發(fā)展，石油和天然氣已成為化學工業(yè)的主要原料。無機化學礦是無機化工生產(chǎn)的主要原料。除了上述礦物外，還有各種金屬礦物，如金、銀、銅、汞、鋅、鎂、鋁、鉛、錫、釩、鉻、錳、鎳等礦物。金屬礦物可分別為金屬、金屬氧化物或化合物，如鈦鐵礦、滑石、高嶺土、纖維硼鎂石、菱鎂礦等。第章

緒論1化工原料及產(chǎn)品1.31.3.1

原料

起始原料主要有：

4）生物原料：糧食、農(nóng)產(chǎn)廢料及林業(yè)中木材加工副產(chǎn)品，可用于生產(chǎn)有機產(chǎn)品，如糧食發(fā)酵生產(chǎn)乙醇、丙酮、丁醇、檸檬酸等。隨時石油化工發(fā)展，生物原料已逐步被石油原料代替了。因而，就目前整個化學工業(yè)而言，除生產(chǎn)少量生物制品外，其所占比例是很小。第章

緒論1化工原料及產(chǎn)品1.31.3.1

原料

原料按其形態(tài)可分為：

1）氣體：如空氣、天然氣、油田伴生氣等；

2）液體：如水、海水、鹽湖水、石油等；

3）固體：如煤、食鹽、石灰石、含不同化學成分的各種礦石、糧食和農(nóng)產(chǎn)品廢料，及木材加工中的副產(chǎn)品等。第章

緒論1化工原料及產(chǎn)品1.31.3.1

原料

基礎化工原料是由原始原料（基本原料）大量生產(chǎn)出的。如硫酸、純堿、燒堿、合成氨、電石、乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等。進一步加工，可生產(chǎn)出各種化學制品，如化學肥料、塑料、合成纖維、合成橡膠，以及各種生活消費品?，F(xiàn)在的化工產(chǎn)品已超過60000種。第章

緒論1

化工企業(yè)使化工原料經(jīng)過單元過程和單元操作而制得的可作為生產(chǎn)資料和生活資料的成品，都是化工產(chǎn)品。但是習慣上往往把不再供生產(chǎn)其他化學品的成品，如化學肥料、農(nóng)藥、塑料、合成纖維、合成橡膠等成為化工產(chǎn)品。而把再生產(chǎn)其他化學品的成品，如酸、堿、鹽等無機產(chǎn)品和烴類、中間體等有機產(chǎn)品稱為化工原料。因此，有些成品在不同場合，根據(jù)使用的目的，稱為化工原料或化工產(chǎn)品?；ぴ霞爱a(chǎn)品1.31.3.2

產(chǎn)品第章

緒論1

在生產(chǎn)目的的產(chǎn)品中，有時先得到某階段產(chǎn)物，常稱為半成品和中間體。如一個尿素工廠，合成氨車間的產(chǎn)品為液氨，若液氨出售則為產(chǎn)品；若將液氨全部加工為尿素，則液氨又成為半成品。在有機化合物中，如硝基苯、苯胺、氯苯、苯酚等可用于各種化工產(chǎn)品的制備，故稱為中間體。再生產(chǎn)主要產(chǎn)品的同時，也生產(chǎn)次要的但有一定價值的產(chǎn)品，稱為副產(chǎn)品。如裂解柴油鎦分生產(chǎn)乙烯的過程中，也生產(chǎn)裂解汽油等副產(chǎn)品?；ぴ霞爱a(chǎn)品1.31.3.2

產(chǎn)品第章

緒論1化工原料及產(chǎn)品1.31.3.2

產(chǎn)品

化工產(chǎn)品應符合生產(chǎn)要求的各項指標，如外觀、顏色、粒度、晶形、粘度、雜質(zhì)含量等，產(chǎn)品質(zhì)量通常以純度和濃度來表示。根據(jù)其質(zhì)量好壞可分為不同等級，各有一定的規(guī)格和指標。主要化工產(chǎn)品有化學肥料、農(nóng)藥、合成樹脂、塑料、合成橡膠、化學纖維、染料、顏料、涂料、藥物等。第章

緒論1

1、化工過程化工生產(chǎn)過程是將原料物經(jīng)過化學反應轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的工藝過程，其一般可概括為三個主要步驟：

1）原料處理：使原料達到符合進行化學反應所要求的狀態(tài)和規(guī)格，對原料進行預處理，如凈化、提濃、粉碎（對固體原料）等?；み^程分析1.41.4.1

工藝過程的選擇與確定第章

緒論1

化工過程分析1.41.4.1

工藝過程的選擇與確定2）化學反應：生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟。經(jīng)過預處理的原料，在一定溫度、壓力以及催化劑等條件下進行反應，已達到所要求的反應轉(zhuǎn)化率和收率，獲得目的產(chǎn)品或其混合物。反應類型可以有氧化、還原、復分解、磺化、硝化、烷基化、異構(gòu)化、聚合、焙燒，并在相應的反應器中進行。

3）產(chǎn)品精制：將由化學反應得到的混合物進行分離，除去副產(chǎn)品或雜質(zhì)，以獲得符合組成規(guī)格的產(chǎn)品。第章

緒論1

由此可見，化工生產(chǎn)過程主要分為：

1）與化學變化有關(guān)的操作，稱為單元過程；

2）與物理變化有關(guān)的操作，稱為單元操作。從工程觀點看，將與傳質(zhì)有關(guān)的單元操作稱為分離工程，因為原料的純化及產(chǎn)品的提純在化工過程占相當比例，在基本有機化工中甚至達到50%～80%之多。所以，化工過程中的分離工程是十分重要的。此外，將單元操作中的流體輸送、傳熱、流體壓縮與減壓、能源供應、給排水均作為公共工程的范疇。因此，化工過程也可認為是由化學反應工程、分離工程及公共工程所組成。化工過程分析1.41.4.1

工藝過程的選擇與確定第章

緒論1

2、過程選擇在生產(chǎn)某一化工產(chǎn)品時，可能存在著不同的原料路線及化學加工方法。因此，工程師首先應對已有的和新開發(fā)的工藝路線進行選擇，已能進行工業(yè)生產(chǎn)。在工藝過程選擇中，必須符合技術(shù)上可行性和經(jīng)濟上合理性的要求。

1）技術(shù)上的可行性對于一個新開發(fā)的工藝路線，技術(shù)可行性尤為重要。

2）經(jīng)濟上的合理性除了國家急需的特殊產(chǎn)品外，一個過程能實現(xiàn)工業(yè)化的另一個條件是經(jīng)濟上的合理性，也即生產(chǎn)過程在經(jīng)濟上能過關(guān)，有利可圖，否則工廠很難接受這一過程。

化工過程分析1.41.4.1

工藝過程的選擇與確定第章

緒論1

3、過程的確立在建立生產(chǎn)裝置之前，除了要符合國家指令性文件和國家總體布局外，工藝過程的選擇尤為重要。工程技術(shù)人員主要應了解的內(nèi)容有：

1）生產(chǎn)裝置規(guī)模及工藝過程的先進性；

2）原材料來源及產(chǎn)品質(zhì)量；

3）裝置設計所需的化學工程數(shù)據(jù)；

4）技術(shù)經(jīng)濟指標（以噸產(chǎn)品計的水、電、蒸汽、煤等消耗量）；化工過程分析1.41.4.1

工藝過程的選擇與確定第章

緒論1

3、過程的確立

5）三廢排放量及治理方法；

6）腐蝕及設備材質(zhì)選擇；

7）反應所需的主要催化劑及其來源；

8）投資費用。然后在此基礎上，對照裝置建設單位的條件確定工業(yè)過程。實際上，工程項目能否進行是由多種因素決定的，其中以資金的籌集，生產(chǎn)方法或工藝過程的先進性，以及在所選地區(qū)建設是否適合最為重要?；み^程分析1.41.4.1

工藝過程的選擇與確定第章

緒論1化工過程分析1.41.4.2

工藝流程圖

原料經(jīng)化學加工制取產(chǎn)品的過程，是由單元過程和單元操作組合而成的。工藝流程就是按物料加工的先后順序?qū)⑦@些單元表達出來。如果以方框來表達各單元，則稱為流程圖框；如果以設備外形或簡圖表達的流程圖則稱為工藝流程圖。流程圖以簡明反映化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的主要加工步驟，了解各單元設備的作用，物流方向及能量供給情況。而工廠生產(chǎn)裝置的流程圖需表明物料流動量，副產(chǎn)品及三廢排放量，需供給或轉(zhuǎn)移的能量，工藝操作條件，測量及控制儀表及方法等。第章

緒論1化工過程分析1.41.4.3

生產(chǎn)過程的主要指標1、生產(chǎn)能力化工裝置在單位時間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和在單位時間內(nèi)處理的原料量，稱為生產(chǎn)能力。其單位為：kg/h（公斤/小時），t/d（噸/天），

kt/a（千噸/天）等?；ぱb置在最佳條件下可以達到的最大生產(chǎn)能力稱設計能力。第章

緒論1化工過程分析1.41.4.3

生產(chǎn)過程的主要指標2、轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率是原料中某一反應物轉(zhuǎn)化掉的量（摩爾）與初始反應物的量（摩爾）的比值，它是化學反應進行程度的一種標志。工業(yè)生產(chǎn)中有單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率。其表達式為：第章

緒論1

化工過程分析1.41.4.3

生產(chǎn)過程的主要指標2、轉(zhuǎn)化率簡化后可寫為：以數(shù)學式表達：

式中：原料中某反應物的初始量（摩爾）；反應后某反應物的量（摩爾）。第章

緒論1

化工過程分析1.41.4.3

生產(chǎn)過程的主要指標3、選擇性選擇性表示實際所得的產(chǎn)物量與按反應的原料計算的理論產(chǎn)物量之比，也即有一些原料被副反應消耗掉了。第章

緒論1

化工過程分析1.41.4.3

生產(chǎn)過程的主要指標3、選擇性以數(shù)學式表達：式中：為選擇性；為原料中產(chǎn)物C的量(摩爾)；為反應后產(chǎn)物C的量(摩爾)；為原料中產(chǎn)物A的量(摩爾)；為反應后產(chǎn)物A的量(摩爾)；為原料A及產(chǎn)物C的計量系數(shù)。第章

緒論1化工過程分析1.41.4.3

生產(chǎn)過程的主要指標4、收率

以上工業(yè)上通常稱為單程收率。對于可逆反應，部分為反應的物料循環(huán)返回反應器進行反應。故其總收率為：第章

緒論1化工過程分析1.41.4.3

生產(chǎn)過程的主要指標5、化工計算在化工生產(chǎn)過程中，物料將發(fā)生一系列的物理和化學變化。物料的組成、各種組分的數(shù)量以及反應系統(tǒng)的溫度都將隨之變化。同時，由反應物料構(gòu)成的系統(tǒng)，還必然與外界存在能量的交換。在設計一個化工生產(chǎn)流程時，要事先定量地預測出正設計中的反應系統(tǒng)在各個階段中物料組成的變化、以及溫度和壓力的變化，就必須進行“化工計算”。因此，化工計算是整個化工設計的基礎部分。第章

緒論1化工過程分析1.41.4.3

生產(chǎn)過程的主要指標

5、化工計算化工計算的主要目的是：

1）取得設備設計所需要的基礎數(shù)據(jù)；

2）為生產(chǎn)過程中各種操作參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制提供定量的依據(jù)。正常生產(chǎn)中反應物的配比，各種物料的流量，均可通過化工計算確定。實際生產(chǎn)中，可以化工計算的結(jié)果為依據(jù)，規(guī)定某操作參數(shù)的允許變化范圍，使生產(chǎn)得以穩(wěn)定、均衡地進行。

3）提供工藝過程中原材料消耗量，中間產(chǎn)品和最終產(chǎn)品生成量的數(shù)據(jù)，估算能量（如電、水蒸氣、燃料等）的消耗量及冷卻水的需要量，并對生產(chǎn)過程進行一定的技術(shù)經(jīng)濟分析。第章

緒論1化工過程分析1.41.4.3

生產(chǎn)過程的主要指標5、化工計算化工計算的基本內(nèi)容有兩個：

1）物料衡算：以質(zhì)量守恒定律為基礎，結(jié)合化學反應、相變化等有關(guān)基本定律或關(guān)系進行的定量計算，用以確定工藝過程中的物料組成及各組分的量。

2）能量衡算：以能量守恒定律為基礎，結(jié)合化學反應、相變化中的能量變化關(guān)系進行的定量計算，用以確定工藝過程中系統(tǒng)與外界交換的能量及有關(guān)操作指標的變化。第章

緒論11）企業(yè)大型化在化工過程的經(jīng)濟分析中，生產(chǎn)規(guī)模是一個影響較大的影響，也就是說，對大部分化工過程，單位年生產(chǎn)能力的投資及生產(chǎn)成本，隨著生產(chǎn)規(guī)模的增加而減?。ㄔ谀骋粯O限的規(guī)模范圍內(nèi)）。因此，從２0世紀50年代起，生產(chǎn)規(guī)模明顯增大，如乙烯單系列規(guī)模，從50年代年產(chǎn)50千噸發(fā)展到80年代年產(chǎn)680千噸，二十一世紀初在上海新建的乙烯裝置最大生產(chǎn)能力達到年產(chǎn)900千噸?，F(xiàn)在最大已達到120萬噸/年。現(xiàn)代化學工業(yè)的特點和發(fā)展方向1.51.5.1現(xiàn)代化學工業(yè)的特點第章

緒論11）企業(yè)大型化

生產(chǎn)規(guī)模的大型化，使生產(chǎn)裝置也大型化，設備型式也發(fā)生變化。如合成氨單系列裝置，1963年，日產(chǎn)540噸，20世紀70年代發(fā)展到日產(chǎn)900～1300噸，80年代出現(xiàn)了日產(chǎn)1800～2700噸合成氨的設計。合成塔型式由軸向式發(fā)展為徑向式。壓縮機由活塞式變?yōu)殡x心式單機。裝置規(guī)模增大，經(jīng)濟效益顯著提高。我國乙烯裝置最初引進的115千噸/年，對于提高我國生產(chǎn)率，消化吸收外國先進技術(shù)是有利的。但近幾年來，為提高企業(yè)經(jīng)濟效益，以逐步將300千噸的乙烯裝置改造成450～700千噸/年的乙烯裝置。托普索最大的合成氨設計3500噸/日?，F(xiàn)代化學工業(yè)的特點和發(fā)展方向1.51.5.1現(xiàn)代化學工業(yè)的特點第章

緒論1

2）高度機械化、自動化連續(xù)生產(chǎn)化工生產(chǎn)一般是以一個或多個反應裝置為骨干，由一系列化工設備和管道組合起來，構(gòu)成相互銜接、緊密聯(lián)系的生產(chǎn)流程來實現(xiàn)的。這種特點使化學工業(yè)較易實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。大型化工廠的機械化和自動化程度高，通常采用計算機控制進行操作，一般投入的體力勞動人員較少。因此要求參加操作的工人具有較高的技術(shù)水平。同時還要在設計和生產(chǎn)中達到最佳化?，F(xiàn)代化學工業(yè)的特點和發(fā)展方向1.51.5.1現(xiàn)代化學工業(yè)的特點第章

緒論1

3）多功能、密集型化學工業(yè)是一種原料、生產(chǎn)方法和產(chǎn)品多樣性的工業(yè)，因而也是一種靈活性很強的多功能的工業(yè)?；瘜W工業(yè)是資金密集度和技術(shù)密集度均較高的工業(yè)?；A化學工業(yè)的工廠生產(chǎn)規(guī)模大，生產(chǎn)流程完善，生產(chǎn)裝置先進，資金與技術(shù)密集度均較高；輕化學工業(yè)產(chǎn)量雖較小，但品種繁多，不斷更新，以適應市場的需要，一般屬技術(shù)密集型工業(yè)?，F(xiàn)代化學工業(yè)的特點和發(fā)展方向1.51.5.1現(xiàn)代化學工業(yè)的特點第章

緒論1現(xiàn)代化學工業(yè)的特點和發(fā)展方向1.51.5.1現(xiàn)代化學工業(yè)的特點4）綜合利用化工原料化學工業(yè)中的多種產(chǎn)業(yè)既是資源消耗大戶（煤、石油、天然氣、水等），又是能源消耗大戶。因此在化學工業(yè)中的節(jié)約資源和能源，綜合利用各種資源和能源，具有十分重要的意義。此外，回收由于副反應所產(chǎn)生的副產(chǎn)物，是化學工業(yè)中的一個重要課題。第章

緒論1

5）三廢治理在化工生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的廢氣、廢水、廢渣，這些物質(zhì)不少是有害的，不僅污染環(huán)境，影響人們健康，也危害了生態(tài)平衡。為了保護環(huán)境，造福人類，應嚴格控制三廢的排放量。我國已制定了環(huán)境保護法，規(guī)定凡新建的工廠都必須達到三廢治理的標準。三廢治理中雖然可以回收一些有價值的物質(zhì)，但由于要達到國家規(guī)定的排放標準，處理過程比較復雜，投資費和操作費都比較大。目前各國化工環(huán)境保護設備投資一般在化工總投資的3.6～10%，據(jù)日本報道，氯乙烯生產(chǎn)中，生產(chǎn)車間與三廢治理的費用基本相同。

現(xiàn)代化學工業(yè)的特點和發(fā)展方向1.51.5.1現(xiàn)代化學工業(yè)的特點第章

緒論1

5）三廢治理中國在三廢治理方面取得一定成效，如氯堿工業(yè)中所產(chǎn)生的鹽泥（主要成分為氯化鎂），通過一定的方法處理，可制得輕質(zhì)氯化鎂，產(chǎn)品質(zhì)量可達到特級品標準。此外，化學工業(yè)又是一個易于發(fā)生火災和爆炸的行業(yè)，因此化工安全技術(shù)是化工生產(chǎn)管理的重要內(nèi)容，從設備上、技術(shù)上、管理上對安全予以保證，對工作人員進行安全技術(shù)訓練和制定嚴格規(guī)章制度，是安全生產(chǎn)的重要措施。

現(xiàn)代化學工業(yè)的特點和發(fā)展方向1.51.5.1現(xiàn)代化學工業(yè)的特點第章

緒論1

6）節(jié)能世界上由于工業(yè)發(fā)展，資源及能源的需求日益增長，因此，1973年原油價格猛漲之后，各國都致力于節(jié)能方法的研究，如提高產(chǎn)品收率，改變工藝路線，采用新的催化劑體系，在換原料以及副產(chǎn)品的充分利用等方面，盡可能節(jié)約能源，提高經(jīng)濟效益。除此之外，在產(chǎn)品的規(guī)格、輸送及包裝合理等管理方面也進行了努力。現(xiàn)代化學工業(yè)的特點和發(fā)展方向1.51.5.1現(xiàn)代化學工業(yè)的特點第章

緒論1

6）節(jié)能化工生產(chǎn)是一個耗能的工業(yè)，如何在化工生產(chǎn)中加強熱能的合理利用和余熱的回收，使能量達到充分利用，以減少能耗，是工程師必須注意的問題。有關(guān)這方面的例子不少，如原油常減壓蒸餾系統(tǒng)，熱交換器的最佳化；采用熱泵蒸流系統(tǒng)；利用催化裂解裝置再生器出來的氣體回收熱量的工藝等。由此說明節(jié)能及節(jié)省資源日益成為社會的需要，所以在工業(yè)設計和應用方面，謀求能量的有效利用就成為重要課題。

現(xiàn)代化學工業(yè)的特點和發(fā)展方向1.51.5.1現(xiàn)代化學工業(yè)的特點第章

緒論11）大力發(fā)展綠色過程技術(shù)我國化學加工技術(shù)水平與發(fā)達國家相比，還有較大差距，化學加工工業(yè)工業(yè)中資源浪費較多，環(huán)境影響嚴重。例如液體燃料中有毒有害物質(zhì)的含量明顯高于發(fā)達國家標準的允許值；以煤作為一次能源及生產(chǎn)化學品的原料，污染十分嚴重；資源的有效利用率低；大量低品位資源未加利用等。近年來，發(fā)達國家正在大力發(fā)展綠色過程技術(shù)，已實現(xiàn)化學加工技術(shù)的更新?lián)Q代。因此，我國也將開展綠色單元技術(shù)的開發(fā)和系統(tǒng)集成，以促進經(jīng)濟與社會的持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)代化學工業(yè)的特點和發(fā)展方向1.51.5.2化學工業(yè)的發(fā)展方向第章

緒論12）大力發(fā)展資源開發(fā)利用我國將大力發(fā)展劣質(zhì)礦產(chǎn)資源、煤的轉(zhuǎn)化、動植物資源利用和廢棄物再生利用。從國情看，能源的安全性是十分重要的，我國的油氣資源有限，但煤炭資源豐富，將煤炭轉(zhuǎn)化為液體燃料的技術(shù)，是保障我國能源安全性的重要措施。因此，掌握以煤制油的現(xiàn)代技術(shù)，是一項戰(zhàn)略性的技術(shù)儲備。現(xiàn)代化學工業(yè)的特點和發(fā)展方向1.51.5.2化學工業(yè)的發(fā)展方向第章

緒論13）大力開發(fā)高新技術(shù)在精細化工、信息材料、納米材料、復合材料等方面開發(fā)高新技術(shù)，以是傳統(tǒng)產(chǎn)品升級換代，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和附加值。例如在乳膠漆生產(chǎn)中，采用超細硅酸鋁代替部分鈦白粉，具有明顯的經(jīng)濟效益?，F(xiàn)代化學工業(yè)的特點和發(fā)展方向1.51.5.2化學工業(yè)的發(fā)展方向第章

緒論1

為了確保化工生產(chǎn)穩(wěn)定、正常進行，必須嚴格控制生產(chǎn)過程中的各種操作變量。對化工生產(chǎn)具有重要影響的操作變量主要有：溫度、壓力、流量、流速、物料組成等?；どa(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.1化工生產(chǎn)中的主要操作變量第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.1化工生產(chǎn)中的主要操作變量1、溫度溫度的本質(zhì)是物質(zhì)內(nèi)部分子不規(guī)則運動強度的一種度量。常用的有三種溫標：攝氏溫標（t），單位為：

CSI單位制的熱力學溫標（絕對溫標）（T），單位為：KT=t+273.15

英制單位的華氏溫標，單位為：

FC=(F–32)/1.8;T=(F–32)/1.8+273.15第章

緒論1

2、壓力（壓強）壓力的定義是垂直地作用于單位面積上的力。壓力的單位：

SI單位制中的壓力單位：N/m2=Pa（帕斯卡）常用：MPa=106Pa（兆帕）過去中國在工程中常用的壓力單位還有：標準大氣壓（atm)、工程大氣壓（at）、巴（bar）、毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）英制單位制中的壓力單位：lbf/in2=psi化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.1化工生產(chǎn)中的主要操作變量第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.1化工生產(chǎn)中的主要操作變量2、壓力在化工生產(chǎn)中，還常用到下面幾種不同的壓力表示法：表壓力－pg；絕對壓力－pab

真空度－pv

；當?shù)卮髿鈮海璸at

不同的壓力表示法之間的關(guān)系如右圖所示。表壓力pg大氣壓力pat真空度pv絕對壓力pab絕對零壓力線第章

緒論1絕對壓力pab化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.1化工生產(chǎn)中的主要操作變量3.流量流量的定義：在單位時間內(nèi)通過生產(chǎn)線中某截面的物料輸送量稱為流量。分別稱為“質(zhì)量流量”（如kg/s、mol/s)和“體積流量”（如m3/s)。當物料為氣體時，其體積隨溫度和壓力而變化。故氣體的體積流量應指明所處的溫度、壓力條件。工程上為方便起見，將0C、0.101325MPa(1atm)時的體積稱為“標準狀態(tài)體積”，這時的體積流量稱為“標準體積流量”，單位為：m3(標)/s。第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.1化工生產(chǎn)中的主要操作變量4.流速流速的定義：液體或氣體在單位時間內(nèi)沿流動方向流過的距離稱為流速。單位為m/s。平均流速：若物料體積流量為V（m3/s），設備或管道的橫截面積為A（m2），則物料通過該橫截面積的平均流速為：1-1第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.1化工生產(chǎn)中的主要操作變量5.混合物組成的描述方法化工生產(chǎn)中，物料多為混合物。其組成或混合物中個組分的濃度可用下述幾種方法表示：

1）質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量百分數(shù)：或式中，為組分i的質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量百分數(shù)；為組分i的質(zhì)量；為混合物總質(zhì)量。1-2第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.1化工生產(chǎn)中的主要操作變量5.混合物組成的描述方法

2）體積分數(shù)或體積百分數(shù)：

或式中，

為組分i的體積分數(shù)或體積百分數(shù)；為組分i的體積；為混合物總體積。這種物料組成的表示法多用于描述氣體的組成。這是因為這種物料組成表示法對低壓氣體存在下述方便之處。1-3第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.1化工生產(chǎn)中的主要操作變量

低壓下氣體的P-V-T關(guān)系基本符合理想氣體定律，即

其中n為氣體的摩爾數(shù)；R為通用氣體常數(shù)R=8.314J/(mol.K)

將式(1-4)代入式(1-3)，可得

可見，混合氣體中某組分氣體的體積分數(shù)（或體積百分數(shù)）等于其該組分氣體的摩爾分數(shù)（或摩爾百分數(shù)）。1-41-5第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.1化工生產(chǎn)中的主要操作變量5.混合物組成的描述方法

3）(ppm)和(ppb)

物料中的微量雜質(zhì)含量常用(ppm)和(ppb)來表示。

1(ppm)為百萬分之一（氣體多指體積，液體、固體多指質(zhì)量）；

1(ppb)為十億分之一。第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.1化工生產(chǎn)中的主要操作變量5.混合物組成的描述方法

4）溶液中物質(zhì)的量濃度：

定義：溶液中組分i的量濃度為單位溶液體積中組分i的摩爾數(shù)，即

式中，為溶液中組分的量濃度；為溶液中組分的摩爾數(shù)；為溶液總體積；為溶液中組分的質(zhì)量；為溶液中組分的摩爾質(zhì)量。1-6第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.1化工生產(chǎn)中的主要操作變量5.混合物組成的描述方法

5）混合物中組分濃度的其它表示法：

g/l；kg/m3；g/m3

等。第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.2化學反應的分類

化學反應是一種或多種物質(zhì)在一定條件下發(fā)生組成與結(jié)構(gòu)變化而生成新物質(zhì)的過程。將化學反應根據(jù)反應特點進行分類，有利于了解反應條件及反應器結(jié)構(gòu)的選擇。

1、單相反應和多相反應單相反應：又稱均相反應，反應與生成物系統(tǒng)中，物料處于同一相態(tài)。實例：1）氯與氫合成氯化氫；

2）天然氣燃燒都是氣相反應。第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.2化學反應的分類

多相反應：又稱非均相反。反應與生成物系統(tǒng)中，物料處于不同相態(tài)。實例：1）堿液吸收CO2是氣-液相反應；

2）硫鐵礦與氧燃燒生成SO2是氣-固相反應；

3）氫與氮在固體催化劑存在的條件下合成氨是氣-固相反應。多相反應的反應器結(jié)構(gòu)和操作條件都比單相反應的反應器來得復雜。第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.2化學反應的分類

2、放熱反應和吸熱反應放熱反應的反應器要能及時導出多余的反應熱，使反應溫度控制在適宜的范圍內(nèi)。吸熱反應的反應器要能及時提供熱量給反應物。因此，化學反應的熱效應及其大小對反應器的結(jié)構(gòu)及操作條件具有明顯的影響。第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.2化學反應的分類3、可逆反應和不可逆反應

可逆反應：在進行正反應的同時伴隨有逆反應，最后達到動態(tài)平衡而不能進行到底的反應。對此類反應，關(guān)鍵在于選擇有利于平衡偏向目標產(chǎn)物最適宜的操作條件，以提高原料的利用率。

不可逆反應：可按反應式進行到底的反應。對此類反應，重點在于選擇有利于生成目標產(chǎn)物的操作條件，抑制其它副反應的發(fā)生，以提高原料的利用率。第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.2化學反應的分類4、體積增大、不變或減小的反應反應生成物中的氣相摩爾數(shù)之和大于、等于或小于反應物中的氣相摩爾數(shù)之和的反應，分別屬于體積增大、不變或減小的反應。實例：CH4+H2OCO+3H2

CO+H2OCO2+H2SO2+O2SO3

第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.2化學反應的分類4、體積增大、不變或減小的反應由于反應的體積效應不同，某些操作條件的選擇也將有所不同，以有利于平衡偏向目標產(chǎn)物。實際上，每一個具體的化學反應都可按上述幾種分類方法進行分類。例如，CH4+H2OCO+3H2

這一用天然氣加水蒸氣轉(zhuǎn)化制氫的化學反應是在有固體催化劑的條件下進行的，因而是一種氣-固相間的多相反應（非均相反應），它又是吸熱反應、可逆反應和體積增大的反應。1-7第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.3化學反應速度與化學平衡1、化學反應速度定義：化學反應速度的大小通常用單位時間內(nèi)單位反應區(qū)體積中反應物的減少量或生成物的增加量來表示。某一瞬間的反應速度稱為瞬時速度，其定義得數(shù)學表達式為：

i=(1/V)(dNi/d)式中，i為以反應物或生成物i為基準的瞬時反應速度，單位為mol/(m3·s)；V為反應區(qū)的體積，m3

；Ni為反應物或生成物i的瞬時量，mol。若i為反應物，上式取負號；若i為生成物，上式取正號；為反應時間。1-8第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.3化學反應速度與化學平衡1、化學反應速度令Ni/V=Ci

為反應物或生成物i的瞬時濃度，（mol/m3）則式（1-8）又可寫成：

i=dCi/d

反應速度不但與系統(tǒng)的濃度有關(guān)，且與系統(tǒng)的溫度也有關(guān)。一般來說，提高溫度，增加反應物濃度或降低生成物濃度，都可提高反應速度。反應速度是影響反應器尺寸和生產(chǎn)經(jīng)濟效益的重要因素。1-9第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.3化學反應速度與化學平衡2、化學平衡

1）化學平衡的概念大多數(shù)化學反應同時存在正向反應和逆向反應的可逆反應?？赡娣磻姆磻偹俣仁钦蚍磻俣群湍嫦蚍磻俣戎睿?/p>

=正

-逆當達到正

=逆時，反應總速度

=0。此時，在表觀上反應不再進行，各組分濃度不隨時間改變，這種狀態(tài)稱為反應的化學平衡狀態(tài)。1-10第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.3化學反應速度與化學平衡2、化學平衡

1）化學平衡的概念如果改變處于平衡狀態(tài)系統(tǒng)的溫度、壓力或組分等條件，則該平衡狀態(tài)即被破壞。然后在新的條件下，經(jīng)過足夠長的時間，反應又將達到新的平衡狀態(tài)。第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.3化學反應速度與化學平衡2、化學平衡

2）化學平衡的條件當某一特定反應系統(tǒng)處于化學平衡狀態(tài)時，其反應物和生成物的濃度存在著特定的定量關(guān)系。這種特定關(guān)系也就是該特定反應系統(tǒng)的化學平衡的條件?；瘜W平衡條件的具體表達形式與反應類型有關(guān)，通常用下列三種形式來表達：氣相反應系統(tǒng)，設反應通式為

1-11第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.3化學反應速度與化學平衡2、化學平衡平衡時各組分分壓存在下列關(guān)系：

式中，、、、：分別為平衡時各反應物和生成物的分壓，簡稱“平衡分壓”。組分的分壓

與該組分的摩爾分數(shù)

成正比(

)，因而可用來表示組分的濃度。式中，、

、、：分別為反應式中的計量系數(shù)；1-12第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.3化學反應速度與化學平衡2、化學平衡式中，：為平衡常數(shù)，對一具體的反應來說，平衡常數(shù)的數(shù)值只與反應溫度有關(guān)，而與反應開始時各各組分的濃度以及催化劑的存在與否無關(guān)。壓力對平衡常數(shù)數(shù)值的影響較小，僅在高壓下才予以考慮。平衡常數(shù)的物理意義：表示平衡時正向反應完全的程度，值越大，正向反應進行得越完全。注意：平衡常數(shù)的數(shù)值不能表示反應速度的大小。第章

緒論1化工生產(chǎn)中的一些基本概念1.61.6.3化學反應速度與化學平衡2、化學平衡氣-固相反應系統(tǒng)，在平衡常數(shù)

的表達式中，將不包含固相組分的分壓。例如，碳的燃燒反應C+O2=CO2

其平衡常數(shù)

的表達式簡化為：液相反應系統(tǒng)，設反應通式為：第