化学工业学——绪论

第1章绪论
1.1 化学工业概况
1．化学工业在国民经济中的地位与作用
化学工业是国民经济的重要部门之一，在经济发展中举足轻重。

化工生产总值一般占国民生产总值的5%-7%，占工业总产值的7%-10%，列于各工业部门的2-4位。

世界化学工业的发展速度超前于工业平均增长速度。

化学工业的发展反映了人类对化工产品的需求日益增加，化学工业在人类社会生活中的作用愈来愈重要。

为机械工业提供电石、模型浇铸用成型剂、粘合剂及酸洗、电镀等。

为汽车制造业合成纤维、合成树脂、橡胶、涂料、石棉、玻璃等。

为冶金工业提供基本无机化工原料酸和碱；金属表面活性剂等，化学试剂以及各种橡胶制品。

为电子工业提供的化学品有焊接剂、超高纯试剂、特种气体、封装材料以及显像管用的碳酸锶、硅烷、高分子凝聚剂等；为国防工业提供的同位素、推进剂、密封材料、特种涂料、高性能复合材料等；为建筑业提供轻质建材，如塑料门窗、聚氯乙烯管道及卫生间塑料制品等。

在农业方面，能补充天然物质的不足并替代天然物质，从而节省了大面积的耕地。

例如，生产1万吨合成纤维相当于200 km2棉田所产棉花，制造1万吨合成橡胶相当于166.5 km2的天然橡胶。

20世纪90年代世界化肥以年平均增率2％左右的速度增长，2000年世界化肥需求接近2亿吨。

我国化肥产量从1949年的2.7万吨增加到1999年的2 350万吨，增产近1000倍，为农业提供了农膜及灌溉用材、土壤改良、水土保持、农业机械、水利建设、人工降雨、农副产品深加工等。

化工产品渗透到人类衣、食、住、行的各个领域，从化纤服装到塑料制品；从性能各异的食品添加剂、果蔬保鲜剂到用途广泛的卫生用品及医用高分子材料；从室内装饰材料到新型轻质的建筑材料；从家用商品到海、陆、空各种交通工具使用的轮胎、板材、管类等橡胶制品，都是由化工提供的原料制成。

2．化学工业行业范畴与产品分类
门类复杂，包含多个行业的工业部门。

化学工业包括石油炼制和裂解工业、煤焦化及煤焦油工业、基本有机合成工业、合成高分子工业、氯碱工业、制酸工业、肥料工业以及精细化学工业等行业。

化工产品可分为25类。

第1类：氨、电石、硫酸、化学肥料；第2类：碱工业产品；第3类：无机化工产品；第4类：高压气体；第5类：火药；第6类：芳香族及焦油产品；第7类：有机化工产品；第8类：石油化工和石油炼制产品；第9类：塑料；第10类：增塑剂及稳定剂；第11类：
合成橡胶；第12类：橡胶助剂及炭黑；第13类：人造纤维及合成纤维；第14类：医药和染料中间体；第15类：合成染料；第16类：颜料（无机和有机）；第17类：油脂及油剂；第18类：涂料及粘合剂；第19类：香料及食品添加剂；第20类：生活化学产品；第21类：催化剂；第22类：照相药品和拔染剂；第23类：农药；第24类：天然药品及天然产物；第25类：各种不同用途的药剂。

按生产技术密集度的高低、附加值和利润的大小、品种类型和产量的多少、更新速度的快慢以及应用范围，将化工产品分为两大类。

一类是通用化学品，利用煤、石油、天然气、农副产品等天然资源为原料，经过简单、初步化学加工，得到的大吨位产品，其附加价值与利润低，但应用范围较广。

如基本有机化工原料乙烯、乙炔、甲醇、乙醇和乙酸及苯、甲苯、二甲苯、萘和蒽等，基本无机化工产品三酸两碱及合成氨和肥料。

另一类为精细化学品，或称专用化学品，以通用化学品为原料，经深加工，得到的技术密集度高，附加值和利润大，具有某种特殊性能的小批量、多品种、高纯度的化工产品。

如农药、染料、涂料、颜料、试剂和高纯物、信息化学品、粘合剂、催化剂和各种助剂、日用化学品、功能高分子材料等。

3．化学工业的原料及选择原则
化工产品种类繁多，制取这些产品的化工原料有限，有无机原料和有机原料两大类。

前者有空气、水和化学矿物；后者是煤、石油、天然气和生物物质。

(1)无机化工原料
空气经液化和分离可提供氧气和氮气。

氧气与诸多化工原料反应生成含氧的产品；氮气既可作为原料，也可用于洗涤、分离气体混合物。

水是化工生产必需的物质，它可作原料，可作溶剂，还用作冷却剂，亦能生产水蒸气作热源或动力。

化学工业是用水大户，如生产1吨烧碱需要100吨水，生产1吨人造纤维需水1000吨。

工业上通常将水循环使用，如生产1吨合成氨耗用一次水150—450吨，二次水达到600—1850吨。

重要的化学矿物有制硫酸的黄铁矿和硫，制磷酸盐的磷灰石等。

(2)有机化工原料
煤气化获得的合成气进一步催化转化可得到液态或气态烃和甲醇；煤热分解，除了生成焦炭外，还可得到各种芳烃。

石油和天然气组分稳定、氢碳比高，且几乎全部转化为化工产品的有效成份。

石油经蒸馏、热裂解、催化裂化工艺可得到各种烯烃、苯烃以及乙炔，进一步加工得到醇、醛、酸、酯、醚、睛、酚等产品，再合成可获得塑料、合成纤维、合成橡胶及医药、农药、炸药、涂料、染料、香料以及各种试剂。

以石油和天然气为原料生产某产品比从煤获得该产品的投资少、能耗小，有很大的优越性。

石油
和天然气只是产量的一部分，大部分作为燃料消耗了。

世界消耗的能源50％以上依赖于石油和天然气。

世界矿物原料的估计储量相当于120 000亿吨标准煤，有经济开采价值的储量约9 000亿吨标准煤。

从充分利用地球煤炭资源讲，应重新把煤作为化工的主要原料，但要使煤化工达到能代替石油化工的规模和效益，还受很多技术、经济因素制约。

煤化工投资大、能耗高、污染控制难度大，大多数有机化工产品的生产技术还有待于开发。

农林作物如油料作物、药用作物、纤维作物、橡胶作物、染料作物等亦可作为化工原料，其主要成分为单糖、多糖、淀粉、油脂、蛋白质、纤维素、木质素等，它们的特点是可再生，是一种更新快、取之不尽的天然原料，又称生物质。

据统计，每年获取的生物质可达2000亿吨，相当于750亿吨石油。

利用化学或生物化学方法，如萃取、裂解、气化、催化加氢、化学水解、酶水解、微生物水解等可将生物质分解为基础化学品（如戊糖、己糖、芳烃等），再进一步加工制得化工产品（如乙醇、甘油、糠醛、香草醛等）。

通过物理方法也可直接提取生物质中固有的化学成分。

(3)原料选择原则
同一化工产品可采用不同的路线。

原料不同、技术路线自然不会相同，产品的技术经济指标会有明显差别。

在选择原料路线和技术路线时，应当全面地权衡技术、经济、社会和环保等方面的利弊。

首先，要考虑原料，分析原料的经济性。

原料价格与品位有直接关系，高品位原料的价格自然较高。

但选用低品位原料，虽然原料费用少，而生产中净化任务重，产品收率低，三废排放量大，总体上未必经济。

要从综合利用原料的角度考察原料，兼顾联合生产、副产品回收及三废处理等，提高原料利用率
4．化学工业的特点
(1)化学工业是独特的、不可取代的工业部门
化学工业以化学加工为主，是创造新物质的工业。

涉及面广，具有极强的渗透性，几乎找不到与它无关的行业部门。

(2)化工产品品种繁多，工艺复杂
品种繁多导致生产工艺的多样。

同一原料生产多种产品，同一产品又可利用多种原料生产，技术难度大。

合理的资源配置和原料路线，恰当工艺技术的选择和组合，产品结构和产业结构的优化，是化工中要解决的问题。

(3)化学工业是装置型工业，具有规模经济性
化工生产的主要设备大多是塔、罐、槽、器及管道生产能力与容积（即其线性尺寸的三次方）呈正比，制造费与容器表面积（即其线性尺寸的二次方）呈正比。

装置的投资费用与其生产能力的2/3次方呈正比（所谓的0.6次方法则），即装置规模愈大，单位生产能力的投资愈省，成本越低，
化学工业大型化还可大大提高劳动生产率，有利于开发副产品和能源的综合利用。

(4)化学工业是资金密集，技术密集的工业部门
工艺复杂性和装置大型化决定了它的这一特征。

如年产值30万吨合成氨,45万吨尿素的化肥厂，投资达到40-50亿元。

如年产30万吨的乙烯厂，需投资60-80亿元。

化工技术更新速度快，化工厂设备的寿命一般不超过15年。

技术密集表现在工艺流程长，从原料到产品，涉及化学、机械、电子、仪表等诸多领域，有高的知识密集度和很强的技术综合性。

如以机械工业的技术密集指数为100，化学工业达到2480。

化学工业的资金和技术密集还表现在化工研究和开发投入大。

由于工业技术发展加快、化工产品更新换代快及化学工业产业结构的调整，研发费用占工业总支出的1/6，仅次于电子和通讯业。

以新医药和农药为例，开发成功率为万分之一，完成一个新品种研制，在美国需10年左右时间，耗资6 000万美元。

(5)化学工业是能耗大户
化学工业以煤、石油、天然气等能源为原料，也作为生产的动力和燃料。

能源中约40％作为生产原料，60％作为动力和燃料，原料消耗费占产品成本的60%-70%。

(6)化学工业是易污染、重污染的工业部门
化工产品大多是易燃、易爆、有毒的，在生产、储存、运输、使用过程中，如果发生泄露，就会严重危害人的健康，污染环境。

生产中会产生废气、废水和固体废弃物，给大气、水、土壤带来危害。

1999年比利时等国的因二恶英污染导致畜禽类产品及乳制品含高浓度二恶英事件。

对产生的“三废”，力求实现生产过程内循环或综合利用；对最终排入环境的“三废”，必须进行无害化处理。

要治理污染、解决废弃物的处理和资源利用等问题，离不开化工过程和操作。

5．化学工业的发展与现状
(1)化学工业发展的历史
化学工业历史悠久，十分古老。

可追溯到公元前2000多年前，最早的化学工艺为制陶、冶炼、酿造、漂染、揉革等。

用天然资源和简陋的器具，凭经验判断化学过程，得到一些生活日用品，其规模小、技术简单，作坊式生产。

18世纪中期，纺织业实现机械化，使传统的漂白、染色工艺上升为主要矛盾，将制硫酸的方法放大，成为工业生产装置，铅室法就是在此背景下出现的。

纺织业需要碱，玻璃、造纸、肥皂、火药等行业也需要碱，就出现以食盐和硫酸为原料制纯碱的路布兰法。

19世纪中叶，出现了氨碱法制碱的索尔维法。

随后，电解法制碱问世，为造纸、染料、炸药等行业提供了比纯碱更强的苛性碱。

从此，以无机酸碱为主的无机化工得到不断发展。

20世纪初，合成氨技术的问世，标志着化学工业发展到一个新阶段。

近代有机化工是从煤加工开始。

19世纪，钢铁工业的发展促进了炼焦工业，从副产物煤焦油中提取芳香族化合物，制成染料、医药、香料、炸药等产品。

20世纪初，汽油的需求量增大，促进了炼油技术的发展。

美国标准石油公司用裂化方法将重质油转化为轻质油，扩大了汽油来源。

重整、裂解等工艺的开发，提供了丰富的基本有机化工原料。

20世纪中叶，塑料、合成纤维、合成橡胶三大合成材料的原料几乎全部来自石油化工。

引发了化工产业结构的变革，带动了精细化工的发展。

20世纪80年代以来，化工产品品种多样化、功能化、精细化成为化学工业的起点，化学工业由发展基础化工转向重点发展精细化工。

(2)我国的化学工业
旧中国的化学工业十分薄弱。

1876年在天津建立的一个2t/d铅室法硫酸厂，只有沿海、沿江城市有化工企业，生产油漆、染料、橡胶制品、医药制剂等加工产品。

1949年，国内化工产品仅100种左右，主要产品产量为：化肥0.6万吨，硫酸11万吨，烧碱1.5万吨，纯碱8.8万吨。

全部化工总产值仅1.77亿元，占全国工业总产值的1.6％。

新中国成立后， 50年代初，以发展基本化工原料和化肥为重点，恢复和扩建了天津、南京、大连、锦西几个老厂，建设了吉林、兰州、太原三个化工基地。

70年代以来，从美国、日本、法国、意大利、荷兰等国引进数套30万吨乙烯工程及配套聚乙烯、聚丙烯装置和多套30万吨大型化肥厂，建成了北京燕山、山东齐鲁、上海金山、南京扬子等石油化工企业。

经过50年的建设，我国的化学工业已形成分布合理、多种原料并举、门类比较齐全、品种繁多的生产体系。

1997年，化工企业有5501个，大型企业536个，生产各种规格产品达37000种，主要产品产量如表1—1所示，表1—2给出了50年来化工增长情况。

我国化学工业的发展存在一些问题，一是产业结构、产品结构和规模结构严重失衡。

将过半数投资用于发展化肥，造成化工工业内部重化工、轻化工和精细化工比例失调，基本化工原料和高附加值产品没有得到应有的发展。

使化肥品种氮：磷：钾的比例停留在1:0.27:0.004，离农业部门要求的1:0.5：0.2相差甚远。

除新近引进的具有七八十年代水平外，大多数停留在五六十年代水平，经济指标差，原材料、燃料、动力消耗大、产品成本高。

以氮肥为例，我国合成氨生产的吨氨能耗普遍比国外高40%-50%。

二是对化学工业投入不足。

如1981-1985年间，化工及石油化工基建总投资只占全国工业总投资的7.5%，比“四五”期间的13％和“五五”期间的12.1％低得多。

直接影响到化工总产值的增长速度及在整个工业的比重(表1—3)。

(3) 世界化学工业
自1746年在英国出现世界第一座硫酸厂以来，化学工业经过250多年的发展，已形成一个技术成熟、规模宏大和品种繁多的部门。

从世界化学工业布局看，主要集中在北美、日本、西欧和苏联与东欧四个地区。

20世纪90年代以来，亚洲化学工业异军突起，发展势头引人注目。

美国是世界上最大的化学品生产国，1997年化工总产值3 917亿美元，居世界第一位。

产品销售总额为3 922亿美元。

如果说煤化工起源于德国，美国则是石油化工的发源地。

从1920年美孚石油公司以炼厂气中丙烯为原料合成异丙烯开始，迅速成长。

主要化工产品产量均处于世界第一位。

劳动生产率较高，仅次于日本（表 1—4）
表1—4 1997年化学工业劳动生产率（万元／人年）
美国日本德国英国法国意大利中国
38.14 52.72 21.70 24.08 32.68 26.98 0.26
日本化工在二战期间已略具规模，20世纪50年代后，化学工业曾以平均年增长17.9%(50年代)和14.6%(60年代）的速度发展，1997年总产值2025亿美元，仅次于美国。

德国在19世纪的世界化学工业中曾处于领先地位。

如合成染料靛蓝、合成解热药阿司匹林、空气固氮等。

本世纪初至二战期间，建立了具有自己特点的煤化工、哈伯法合成氨、铂催化剂接触法制硫酸及电石乙炔化学产品，发展了高压和催化技术，生产合成汽油、橡胶等。

1997年增长达6.1%。

总产值位于世界第三位，1997年为1 087亿美元。

英国是现代化学工业的发源地，1950年化工产值占世界的10.9%，仅次于美国。

苏联有丰富的石油、天然气、煤炭和矿资源， 60-70年代，增长速度一直保持在10％以上。

政局剧变，带来了空前的衰退。

90年代后亚洲化学工业则发展迅速。

韩国化学工业增长速度为10%，高于制造业7％的增长率。

1997年韩国乙烯生产能力达492万吨／年，成为世界第四大乙烯生产国。

此外，新加坡、印度尼西亚、泰国、沙特阿拉伯等国化学工业均有较大的发展。

80年代通过调整经营结构，使生产规模进一步优化，产品结构变化由单一产品向系列产品发展，由通用产品向高技术化、精细化、专用化发展。

以美国为例，1997年用于化学工业研究的费用为187.25亿美元，比1992年的153.81亿美元增长了21.7%.
1.2化工生产过程概述
1．化工生产过程分析
化工产品种类繁多，流程千差万别，生产有共同之处。

从工业原料经过化学反应获得有用产品的任一化工生产过程都可概括为原料预处理、化学反应和产物的分离三部分。

第一步依据化学反应要求对原料进行处理，多为物理过程。

例如，固体原料破碎、磨细和筛分；原料提纯，除去有害杂质。

化学反应的不完全及某些反应物的过量，副反应的存在，生产过程的反应产物实际为未反应物、副产品和产品的混合物。

要得到符合规格的产品，需要对产物进行分离和精制。

这一步主要也是物理过程，如蒸馏、吸收、萃取、结晶等。

生产中，原料预处理和产物分离，缺一不可。

化学反应这一步却是整个化工生产过程的核心，起着主导作用，它决定着原料预处理的程度和产物分离的任务，影响其它两部分的设备投资和操作费用。

化工生产也可视为由物理过程和化学过程两类过程组成。

物理过程按其操作目的分为物料的增（减）压、输送、混合与分散、加热与冷却以及非均相和均相混合分离等几种。

考虑到被加工物料的不同相态、过程原理和采用方法的差异，还可将物理过程进一步细分为一系列的遵循不同物理定律，具有某种功用的基本操作过程，称之为单元操作，如表1—5所示。

每一种单元操作都概括了化工生产过程中一类具有共性的操作，如硫酸中SO2炉气杂质湿法净化、S03的吸收、合成氨中半水煤气的湿法脱硫及水洗脱CO2等，都是分离气体混合物的单元操作，共同遵循吸收的原理，使用同类型的设备。

化工生产过程是由若干个单元操作和化学反应过程构成的一个整体。

单元操作中所涉及的原理虽然各异，但是它们所遵循的物理规律，从本质上可归纳为动量传递、热量传递和质量传递三种传递过程。

传递过程是联系单元操作的一条线索，成为化工学科研究的主要对象之一。

三种传递过程和反应工程，所谓的“三传一反”构成了贯穿于化学工程学科研究的一条主线。

化学反应亦可类似于单元操作，按其反应的特点，寻求共性，提炼出诸多单元作业。

工业规模下的化学反应过程具有设备大型化、生产连续化、处理物料量大的特点，在进行化学反应的同时，伴随着反应物料的混合、反应组分的传递和大量反应热的吸入与放出等物理过程。

这些过程与反应器的尺寸和形状有关，影响反应物系的浓度和温度。

从工业反应实际出发，研究工业规模下化学反应的动力学规律—宏观力学，形成了化工学科研究的一个重要方面。

2．化工生产过程的工业特征
(1)大规模的工业生产，处理物料量大，与化学实验研究相差悬殊。

大规模的生产，要求大型化的设备和操作手段，由此带来的设备结构放大和操作方法改变，使工业装置中的热、质传递过程十分显著，影响着化学反应的结果，这是工业规模下的化学反应与小型化学实验的本质区别。

(2)连续化生产过程。

连续化涉及流程中各步骤的配合与协调、设备和机械的操作与控制以及工艺参数的测量与调节等诸多问题。

工艺问题在实验室是无法彻底了解和实施的。

(3)处理的物料从原料的纯度到产品的收率与实验研究不同。

化工生产中的原料纯度低、数量大，使用前要进行各种预处理；对产品要做专门的分离与精制，并要检测、分析。

实验研究很少考虑未反应物料的循环使用、副产品综合利用以及废弃物的处理等问题。

(4)化工生产需要设置专用供水、供电、动力、贮存、运输等设施。

(5)化工生产涉及经济问题，例如原料的供应、设备的投资、能源的消耗、产品的销售、工时的投入以及生产的管理等。

化工生产的经济效益是评价化工生产过程是否能实施的重要指标。

化工生产既不是化学实验的简单再现，也不是化学反应的直接放大。

化学实验研究成果，只能说明所研究的过程在理论上的可能性，而要开发于工业规模生产，形成工艺流程，除要考察实验室无法考虑的各种工程技术问题外，还需对过程进行经济评价，使化工生产过程技术上可行、经济上合理。

此外，还要考虑安全生产。

3．化工生产过程的检测与控制
在化工生产中，为保证安全、稳定生产，对各个工艺参数都要进行检测和控制。

例如，进入反应器物料组成必须保持平稳；精馏塔的塔顶和塔釜温度，不超过规定的范围，才能得到合格的产品。

这些变量对产品的数量、质量起着决定性的影响。

例如，中间容器的液位高度及储气柜的高度，应维持在容许的范围之内。

此外，有一些变量是决定生产安全的因素，不允许超出规定的限度。

按变量的类型划分，需要检测和控制的有温度、压力、流量、液面、成分等几类。

化工生产过程中工艺参数的检测，通过仪表的测量、显示和记录来完成；而实现控制的要求，可以采用人工控制和自动控制两种手段。

工艺参数的检测和控制在大规模、连续化的化工生产过程起着重要的作用。

如果说，检测仪表是化工生产操作中的眼睛，那么具有自动控制功能的调节仪表，则是化工生产的指挥系统。

4．化工生产过程的研究与开发
任何一个新的化工生产过程，都是从最初的创意或设想开始，经过实验室研究、中间试验、工业化试验、放大设计、技术经济评价等诸多环节，最后建成工业生产装置，实现规模生产。

这一过程是将潜在的生产力转化为直接的现实的生产力的过程，有许多科学和技术的规律需要在研究中进行挖掘和认识。

化工生产过程的开发涉及范围极广、综合性强。

它包括了研究、设计、建设和试生产等过程，涉及化学、化学工艺、化学工程、化工机械设备、检测与控制、经济分析及系统优化等多种学科。

开发是一个费时、费人和耗费资金的过程。

据报导，化工生产过程开发开发周期平均为三年左右。

以中试为例，耗资为实验室研究的100倍。

放大是化工生产过程开发的核心问题，从实验室到工业化的装置伴随着设备尺寸上的加大，但装置参数和过程的性质，例如面积、容量和搅拌强度、压力损耗、热传递等随设备尺寸变化的规律各异，以致化学反应设备因规模变化而造成工艺指标（例如转化率、选择性等）难以再现。

这种大小装置之间工艺结果的差别归结于“放大效应”，寻求其产生因由和改善的方法是过程开发一项中心任务。