化工基础绪论

第一章 1.1 化学工业概况
绪论
化学工业（chemical industry）又称化学加工工业，泛指生产过程中化学方 法占主要地位的过程工业。包括基本化学工业和塑料、合成纤维、石油、橡胶、 药剂、染料工业等。 化学工业是利用化学反应改变物质结构、 成分、 形态等生产化学产品的部门。 如：无机酸、碱、盐、合成纤维、塑料、合成橡胶、染料、油漆、化肥、农药等。 利用化学反应改变物质结构、成份、形态来生产化学产品的工业部门。 1、化学工业在国民经济中国的地位与作用 发展化学工业，对于改进工业生产工艺（如以化学工艺代替繁重的机 械工艺） ，发展农业生产，扩大工业原料，巩固国防，发展尖端科学技术 , 改善人民生活以及开展综合利用都有很大作用 , 它是国民经济中的一个重要 组成部分。 1)国民经济发展的支柱产业 化学工业提供了数以万计的化工产品，包括生产资料和生活资料，设计工农 业生产、国防建设和人民生活各个方面，及大满足了国民经济发展的需要。 2)高新技术产业的支撑与保障（生物、航天、信息、材料） 航天—能源、高能燃料的研究 信息—芯片、集成电路的生产、电子气体等 中国化学工业的历史和现状 1949 年以前，中国的化学工业基础非常薄弱， 只在上海、南京、天津、青岛、大连等沿海城市，有少量的化工厂和一些手工作 坊。只能生产为数不多的硫酸、纯咸、化肥、橡胶制品和医药制剂，基本没有有 机化学工业。 中华人民共和国建立以后， 化学工业发展很快， 已逐步形成化学矿、 化学肥料、 酸、 碱、 无机盐、 合成橡胶、合成纤维、合成树脂和塑料、有机原料、 农药、染料、涂料、感光材料、橡胶制品、溶剂、助剂和化学试剂、催化剂等门 类比较齐全的行业。 2、化学工业行业范畴与产品分类 它的内部分类比较复杂， 过去把化学工业部门分为无机化学和有机化学工业两 大类，前者主要有酸、碱、盐、硅盐酸、稀有元素、电化学工业等；后者主要有 合成纤维、塑料、合成橡胶、化肥、农药等工业。随着化学工业的发展,跨类的 部门层出不穷,逐步形成酸、碱、化肥、农药、有机原料、塑料、合成橡胶、合 成纤维、染料、涂料、医药、感光材料、合成洗涤剂、炸药、橡胶等门类繁多的
对给定的性能指标来说是最优的过程系统，这个阶段称为最优综合。 2）在给定过程结构的条件下，确定各单元及整个系统的最优参数的优化计 算，叫最优设计。 (3） 在结构参数和设计参数都已固定的条件下， 为避免干扰,使生产过程能在 外界条件变化及各干扰因素出现的情况下，保证过程系统的经济性，对操作参数 和控制参数进行优化，称为最优操作或最优控制。 过程优化涉及技术和经济两方面 技术优化是使各项指标达到最优， 经济优化是以最小费用获得最大利润, 达到高的经济效益为目标。 8、化工生产过程的流程图 为描述化工生产过程，工程上通常用形象的图形、符号和代号表示设备，用 箭头表示物料流动方向， 将化工过程从原料到最终产品经过的所有设备和相互关 系以及物料流动顺序， 以图示的方式表达出来，这种表示整个化工生产过程全貌
1）信息研究：市场对产品需求量、前景、收益估算，科研水平及环境污染 情况。
2）实验性研究：工艺方法；工艺条件：物料衡算、能量衡算，生产成本估 算，对原料、半成品和产品质量、产品用途的研究 目的： 对可能的方案进行楚轩，力求用最少的原料以经济的手段或的最多的 合格产品。 3）第一次可行性研究 在信息研究与实验研究的基础上对技术、经济、环境综合的可能性研究。 4）小试：为小型模拟实验的简称，应完成以下任务： ①实验开发方案的可行性和完整行，确定影响因素 ②物理、化学数据 ③产品分析和过程检测 ④三废
5）概念设计：又称方案设计，设计人员把自己的工作经验与小试结果结合 起来，进行生产规模的原则流程设计，主要内容如下： 以投产 2 年后市场的需求为依据，提出建立工业化规模生产的方案。 讨论实现工业化得可能性 提出对将来进行基础设计的意见 6）第二次可行性研究：有时称作方案论证。其内容与第一次可行性研究产 不多，进一步估算工厂规模、投资费用、成本及经济效益。 7）模型试验：对工业生产中某些重要过程做放大的工业模拟试验 8）中试：中间试验的简称，介于小试和生产之间的试验 作用：使问题进一步暴露。 9）基础设计：有时称作初步设计或者扩大初步设计。是根据中试结果而进 行的生产规模的全面设计。 （研究是单位的工程开发部门或设计院进行） 10）第三次可行性研究：有时称作初步设计或者扩大初审设计审定，在中试 总结报告的基础上进行，着重在工程投资和紧急效益方面做出详细评价。 11）工程设计：依据基础设计等技术文件，参照国家建设标准进行的施工设 计。主要有设计院进行。 12）施工：准备、厂房施工、试车、试生产、正式投产。 5、化工生产过程的技术经济分析 化工生产过程的工艺技术经济指标主要有： ① 物料和能量的综合利用。 ② 产品的产率及质量。 ③ 生产强度。 ④ 生产的投资费用。
除杂，混合)--->化学加工---->各种后处理(提取)---->化工产品 各个阶段要用到的化工设备如下： 原料：化工原材料各种前处理：粉碎设备，混合设备，压力设备，制冷设备 化学加工：反应设备，压力设备，制冷设备，传热设备 各种后处理：分离设备，浓缩结晶，干燥设备，环保设备， 化工产品：储运设备，成型设备，包装设备，朔料工业专用，橡胶工业 化工生产过程中经历的传递过程 传递过程（从物理本质上说又下列三种） (1)动量传递过程（单相或多相流动） ； (2)热量传递过程——传热 (3)质量传递过程——传质 传递过程成为统一的研究对象，也是联系各单元操作的一条主线。三传+一 反构成各种工艺制造过程。 从生产流程来分析主要有三部分：原料预处理、化学反应、产物的分离。 化工生产也可视为由物理过程和化学过程两类过程组成， 化学工业和其他过 程工业中进行的物料粉碎、输送、加热、冷却、混合和分离等一系列使物料发生 预期的物理变化的基本操作称为单元操作； 单元操作的意义在与他们中每一种都 概括了化工生产过程中一类具有共性的操作， 单元操作中所示及的原理表面上各 异，但是他们所遵循的物理规铝，从本质上课又可归纳为动量传递（流体流动及 输送、流体中悬浮物的沉降过程、物料的搅拌等） 、热量传递（加热、冷却、蒸 发、冷凝、热交换等）和质量传递（溶解、结晶、蒸馏、吸收、吸附等）三种传
递过程，化工生产实际上是由以上三种传递过程和化学反应过程构成一个整体。 以上这些过彻骨的基本理论，可以概括起来称为“三传一反” ，即动量传递、热 量传递、质量传递和化学反应工程。 2、化工生产过程的工业特征 1）规模大、处理物料量大、与化学实验研究相差悬殊。 2）多为连续化生产过程。化工生产主要是装置性生产，从原材料到产品加 工的各环节，都是通过管道输送，采取自动控制进行调节，形成一个首尾连贯、 各环节紧密衔接的生产系统。这样的生产装置，客观上要求生产长周期运转，连 续进行。任何一个环节发生故障，都有可能使生产过程中断。 3）化工生产处理的物料从原料的纯度到产品的说率都与化学实验研究不尽 相同。 4）化工生产需要设置专业供水供电、动力、贮存、运输、称量等设施。 5）化工生产涉及经济问题。其经济效益是评价化工生产过程是否能实施的 重要指标。 3、化工生产过程的检测与控制 为了保证安全、稳定地生产，对各个工艺参数都要进行检测和控制。 在任何化工生产过程中， 需要检测和控制的指标有温度、 压力、 流量、 液面、 组成等几类。 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。
化学工业。 在我国， 化学工业包括适于炼制和裂解工业、 煤焦化及煤焦油工业等。 化工产品归纳起来可分为 25 类，随着现代化学工业的发展，化工产品迅猛 增长。人们按其生产技术密集度得高低、附加值和利润的大小、品种类型和产量 的多少、 产品更新速度的快慢以及应用范围的不同又分为两大类：一类是通用化 学品，另一类是精细化学品 3、化学工业的原料及选择原则 1）无机原料（不可再生） ：氧气、氮气、水、矿石资源 2）有机原料：煤、石油农林作物 3）原料选择原则 首先：考虑原料的品味能否满足生产要求，它的供应是否充足和稳定可靠， 其次：要分析原料的经济性 最后要从综合利用原料资源的角度考残原料使用的和力性。 4、化学工业的特点 1）化工原料、工艺与产品的多样性 同一种原料制取不同产品，不同原料生产相同产品，相同原料经过不同加工路 线生产相同产品。 2）化学工业的大型化、集约化和精细化 规模经济性：规模大——成本低 循环经济：充分利用资源和能源，零排放或少排放。 精细化：技术含量高、附加产值高 3）知识密集、技术密集、资金密集 ①工艺复杂②高温、高压、催化③自动化控制④流程长、设备多、投资大⑤化 工产品产值高、成本低、利润高—可很快回收投资并获利 4）安全生产和环境保护 ①易燃、易爆 ②能源消耗大户、易污染、重污染的工业部门 第一，煤炭、石油、天然气既是化工生产的燃料动力，又是重要的原料；第 二，有些化工产品的生产，需要在高温或低温条件下进行，无论高温还是低温都 需要消耗大量能源。 ③绿色化工：清洁生产、采用无毒无害新工艺 完善“三废”治理，零排放或少排放。
6、化工生产过程的资源和能源综合利用
化工生产中，物料循环和热量回流，并达到多种产品联合生产，是节能降耗 的主要途径。 生产规模的大型化是化工生产过程资源和能源综合利用的保障。 生产规模扩 大使单位产品的原材料和能源消耗大大降低；劳动效率高，产品的总成本低，因 而在市场和资源条件具备的情况下，生产规模大型化是化学工业的发展趋势。 7、化工生产过程的优化 按具体的生产任务， 确定合理的工艺路线(原料、 方法)， 选择合适的反应器， 配置相适宜的单元操作及设备， 适当组合构成一个化工生产过程的整体，成为化 工过程系统，简称化工系统。化工系统的诸多不确定性，决定了化工生产过程的 复杂性。 化工生产过程自身的特点和复杂性，使其存在大量的过程最优化问题，涉及 过程研究中的开发和设计及过程运行中的操作、管理和控制等各个方面。 化工系统优化包含三个层次： (1)化工工艺路线的最优化。即系统总体方案的最优化设计和选择。 (2)流程结构的最优化。即流程最优化设计和选择。 (3)流程工艺参数和操作参数的最优化。 化工生产过程优化任务分为三个阶段 (1) 为完成某类产品的生产任务，将分散的单元遵循一定的法则，组织成
的图形称为工艺流程图。 工艺流程图是工厂设计的基础，也是操作和检修的指南。一般分为生产工艺 流程图、物料流程图和带控制点的工艺流程图。 工艺流程图中的设备的图形和符号已标准化。 生产工艺流程图常将设备的大 致几何形状画出，或以方框表示。
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无论采用那种流程图表达工艺流程， 从左向右展开， 有必要的文字进行说明， 如设备名称(符号代号)、物料流向、物料名称、图名、图号、设计阶段等。 1.3 化学工程学简介 1、化学工程学及其研究对象和任务 化学反应是它的核心， 化学学科是它的基础。化学工业在大型设备中大批量 连续化的生产所提出的技术间题， 仅靠化学学科的知识是远不够的， 它需要机械、 电气、仪表、控制等工程学科的理论支持和技术上的应用，因此便诞生了一门源 自化学、又不同于化学，综合了诸多工程技术学科的新学科—化学工程学。 化学工程学始于 19 世纪末。20 世纪初，明确认识到各行各业通用的物理操 作的共性，提出了单元操作的概念，形成化工过程与设备课程，后多称为化工原 理。50 年代形成了化学反应工程分支。70 年代以后，化工生产日趋大型化、连 续化以及计算机技术的迅速发展， 化学工程学的研究已不再局限于单个单元操作 或化学反应过程，形成了化学系统工程，主要是研究系统的设计、控制和管理。 2、化学工程学得研究方法 在化学工程学的历史发展中形成了两种基本的研究方法经验归纳法和数学 模型法。 经验归纳法： 借助物理学的相似论和因次分析法的指导。例热交换中的传热 系数，通过实验测定归纳成量纲为一的相似特征数的关系式确定。 数学模型法： 将复杂的研究对象合理地简化为某个模型，简化的模型与原过 程近似而等效。化学方面的问题归纳为研究反应对象，提出反应动力学模型；传 递方面的问题归纳为研究不同类型反应器，提出反应器的传递模型；而两者的结
5、化学工业的发展于现状 1）化学工业发展的历史 2）我国的化学工业 3）世界化学工业 1.2 化工生产过程概述 化工生产过程：经过化学反应将原料转变成产品的工艺过程 化工过程是指化学工业的生产过程，它的特点之一是操作步骤多，原料在各步骤 中依次通过若干个或若干组设备，经历各种方式的处理之后才能成为产品。由于 不同的化学工业所用的原料与所得的产品不同，所以各种化工过程的差别很大。 化工生产的大致的过程可以总结为： 化工原料--->各种前处理(粉碎，