第1章化学工业与化学工程

1、课堂纪律: 不允许打、接电话、睡觉 不允许在上课过程中随意进出教室考核： 平时成绩（40%），考试（60%）2022-3-422022-3-43 化工原理化工原理. . 姚玉英主编姚玉英主编. . 天津科学技术出版社天津科学技术出版社 化学工程基础化学工程基础. . 林爱光编林爱光编. . 清华大学出版社清华大学出版社 化学工程基础化学工程基础. . 李德华编李德华编. . 化学工业出版社化学工业出版社 化学工程基础学习指引和习题解答化学工程基础学习指引和习题解答. . 林爱光编林爱光编. . 清华大学出版社清华大学出版社 化学工程基础学习指导化学工程基础学习指导. . 杨国泰等编杨国泰等编.

2、 . 化学工业化学工业出版社出版社工艺流程图 图图11 11 氯乙烯合成工艺流程氯乙烯合成工艺流程 1混合器； 2转化器；3水洗塔；4碱洗塔；5碱液槽；6气柜； 7预冷器；8冷凝器；9尾气冷凝器；10粗馏塔；11精馏塔； 12成品冷凝器；13氯乙烯贮槽；14受槽；15蒸出釜 化学工业化学工业是综合利用化学和物理方法将原是综合利用化学和物理方法将原料生产成化学产品的加工工业料生产成化学产品的加工工业，包括基本化学，包括基本化学工业、塑料、合成纤维、石油、橡胶、药剂和工业、塑料、合成纤维、石油、橡胶、药剂和染料工业等，染料工业等，是利用化学反应改变物质结构、是利用化学反应改变物质结构、成分、形态等

3、生产化学产品的部门成分、形态等生产化学产品的部门，如无机酸，如无机酸、碱、盐、稀有元素、合成纤维、塑料、合成、碱、盐、稀有元素、合成纤维、塑料、合成橡胶、染料、油漆、化肥、农药等。橡胶、染料、油漆、化肥、农药等。 化学工程是工程学科之一，以物理学、化化学工程是工程学科之一，以物理学、化学和数学为基础，结合工业经济基本法则，学和数学为基础，结合工业经济基本法则，研研究化学工业中具有共同特点的物理和化学变化究化学工业中具有共同特点的物理和化学变化过程及其有关的机理和设备过程及其有关的机理和设备。1-1 化学工业发展概况18世纪初，路布兰纯碱制造工艺成为近代化学工业的里程碑。现代化学工业从美国开始，

4、是美国产生以“单元操作”为主要标志。曼哈顿工程的成功促进了单元操作在化学工业中的应用。20世纪50年代中期提出了传递过程原理，把化学工业中的单元操作进一步解析为三种基本操作过程：动量传递、热量传递和质量传递。2022-3-48单元操作：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的总称。2022-3-410化工工业成果标志（始于化工工业成果标志（始于18 世纪工业革命）世纪工业革命）无机化无机化学工业学工业1746 年年 英国人罗巴克英国人罗巴克 铅室法制硫酸铅室法制硫酸1791 年年 法国人路布兰法国人路布兰 制碱制碱1861

5、 年年 比利时人索尔维比利时人索尔维 氨碱法氨碱法1905 年年 德国人哈伯德国人哈伯 合成氨合成氨1941 年年 中国人中国人侯德榜侯德榜 联碱法联碱法有机化有机化学工业学工业1826 年年 从氰酸铵合成尿素从氰酸铵合成尿素19 C 中叶、中叶、20 C 初利用煤、农副产品初利用煤、农副产品20 C 30 年代开始石油、天然气的开发年代开始石油、天然气的开发2022-3-4111-2 我国化学工业的发展我国化学工业的发展 产品名称产品名称 产量（万吨）产量（万吨） 世界排名世界排名 化肥化肥 2955 1 染料染料 23.8 1 农药农药 38.2 2 合成橡胶合成橡胶 60 4 乙烯乙烯

6、383.48 5三废三废占排放总量份额占排放总量份额排名排名废渣废渣8-108-109 9废水废水20-3020-302 2 废气废气5-75-73 3按产物组成分：无机化学工业和有机化学工业；按原料资源分：煤炭化学工业、石油化学工业、农产化学工业等。我国两种分类法： 按行业分（20类） 按产品划分（19类）2022-3-412化学工业的重要性化学工业的重要性为农业提供化肥、农药等农用生产资料；为农业提供化肥、农药等农用生产资料；为轻纺、建材、冶金、国防、军工及其他行业为轻纺、建材、冶金、国防、军工及其他行业提供各种配套原材料；提供各种配套原材料；为微电子、信息、生物工程等高科技产业提供为微电

7、子、信息、生物工程等高科技产业提供新型化工材料和新产品；新型化工材料和新产品；为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品。2022-3-413国民经济的重要基础产业国民经济的重要基础产业2022-3-414开源节流开源节流2022-3-415化学不断发现和创造的新物质化学不断发现和创造的新物质产品产品化工过程化工过程化学反应化学反应有经济价值的商业产品有经济价值的商业产品化学工程化学工程化学工业化学工业国民经济的支柱产业国民经济的支柱产业世界化工产品的总销售额世界化工产品的总销售额( (年年) ) - - 几千亿美元几千亿美元2022-3-4161、与人类的生

8、存和发展息息相关、与人类的生存和发展息息相关 世界面临着三大挑战：世界面临着三大挑战：人口增长、环境污染和能源短人口增长、环境污染和能源短缺。缺。2、原料路线、工艺路线和产品品种的多样性、原料路线、工艺路线和产品品种的多样性3、化学工业属于技术密集型和能源密集型产、化学工业属于技术密集型和能源密集型产业业322.NHHNgecat 提倡采用新工艺、新设备，提高物料的综合提倡采用新工艺、新设备，提高物料的综合利用，降低能耗。利用，降低能耗。1、生产规模大型化2、原料和生产方法的多样化3、产品的精细化和专用化4、生产过程的节能与绿色化2022-3-417 明天明天（发展方向）（发展方向）2022-

9、3-418以以信息技术信息技术为先导为先导以以新材料技术新材料技术为基础为基础以以新能源技术新能源技术为支柱为支柱微观尺度向微观尺度向生物技术生物技术开拓开拓宏观尺度向宏观尺度向空间空间和和海洋海洋扩展扩展化学工业不再局限于传统的化工领域，与这化学工业不再局限于传统的化工领域，与这六大技术渗透结合。六大技术渗透结合。材料工程材料工程 高分子功能材料、陶瓷、纳米材料、富勒碳高分子功能材料、陶瓷、纳米材料、富勒碳能源化工能源化工 发展煤化工（洁净煤技术发展煤化工（洁净煤技术）环境化工环境化工 CO2 化学化学 环境工程环境工程 清洁生产清洁生产 2022-3-419OHCaClEOOHCaOHCl

10、CHCHHClOHClCHCHClOHHC2222222224222)(2 EOOHC 2425 .0直接氧化法直接氧化法:氯乙氯乙醇法醇法l 发展趋势发展趋势2022-3-420二二. . 研究方法研究方法实验研究法实验研究法测试技术测试技术实验规划实验规划数据处理数据处理数学模型法数学模型法过程分析过程分析数学描述数学描述2022-3-421e.g. a. 搅拌搅拌 b. 放大效应放大效应c. 加料加料D 10 DV（容积）（容积）? S（传热器壁面积）（传热器壁面积）?2022-3-4222022-3-423项目项目化学实验化学实验化工生产化工生产 原料原料数量少、纯度高、配比严格、数量

11、少、纯度高、配比严格、易储存、无需预处理易储存、无需预处理量大，因来源不同、价格不一、纯量大，因来源不同、价格不一、纯度不同，故使用前需预处理度不同，故使用前需预处理 工艺工艺操作简单、变更容易、可以精操作简单、变更容易、可以精密控制反应条件，无物料返回密控制反应条件，无物料返回利用问题利用问题操作复杂，不易随意变更，单元操操作复杂，不易随意变更，单元操作控制难度大，杂质易积累，中间作控制难度大，杂质易积累，中间检测多检测多 设备设备以玻璃器皿为主，防腐，易清以玻璃器皿为主，防腐，易清洗洗要求设备强度高、耐腐蚀，结构复要求设备强度高、耐腐蚀，结构复杂，清洗、操作难杂，清洗、操作难 产品产品量少

12、，易采集，通常无需分离量少，易采集，通常无需分离量大，需专门的分离与精制过程量大，需专门的分离与精制过程公用工程公用工程 简单易行，无需专门设施简单易行，无需专门设施需供水、供气、供电、动力等设施需供水、供气、供电、动力等设施环境保护环境保护 三废排放量少，易于处理，无三废排放量少，易于处理，无需专用设施需专用设施三废排放量大，必须通过专用设施三废排放量大，必须通过专用设施予以治理予以治理化学实验与化工生产过程比较化学实验与化工生产过程比较2022-3-424举例说明：举例说明：萘萘邻苯二甲酸酐邻苯二甲酸酐 + Q催化剂催化剂氧化氧化实验室实验室化工生产化工生产催化剂升催化剂升温活化温活化电加

13、热电加热空气预热至活化温度，空气预热至活化温度，通入少量反应物通入少量反应物量量催催萘萘反应温反应温度控制度控制外加热外加热冷却冷却即：即：1.量上量上少少多多2.传质、传热及材质上的差别传质、传热及材质上的差别3.能源、动力及技术与经济上的差别能源、动力及技术与经济上的差别1 - 20 g0.04 - 0.8 gh-110 - 30 吨吨400 - 1200 kgh-12022-3-425萘萘O邻苯二甲酸酐邻苯二甲酸酐 + Q533.53 10Vm621.06 10Sm71.52 10QW反62.78 10QW移335.34Vm22.36Sm0.157QW反0.0296QW移2022-3-4

14、26 从实验室研究到工业生产从实验室研究到工业生产实验室成果能否进行工业化的四个要求实验室成果能否进行工业化的四个要求: :对环境无危害对环境无危害 技术上可靠技术上可靠 经济上可行经济上可行生产上安全生产上安全1887 年，英国人年，英国人David. G. E . 在曼彻斯特工在曼彻斯特工学院做了一系列化学工程问题的讲演；学院做了一系列化学工程问题的讲演；1888 年，美国麻省理工学院，世界上第一次年，美国麻省理工学院，世界上第一次讲授讲授“化学工程化学工程”这门课程；这门课程；1915 年，利特尔年，利特尔Little. A. D. 提出了单元操作提出了单元操作（Unit Operati

15、on）的概念；）的概念；1923 年，第一本化学工程教科书年，第一本化学工程教科书Principles of Chemical Engineering；2022-3-4271957 年，正式提出了年，正式提出了“化学反应工程化学反应工程”（Chemical Reaction Engineering）20 世纪世纪 60 年代后期，计算机用于化学工程以年代后期，计算机用于化学工程以解决最优规划，最优设计解决最优规划，最优设计“化工系统工程化工系统工程”1983 年在美国化学工程师学会（年在美国化学工程师学会（AICHE）第）第 75 周年年会上，把化学工程定义为周年年会上，把化学工程定义为“经济

16、地开经济地开发利用物质和能量的方法为人类造福的工学发利用物质和能量的方法为人类造福的工学”。2022-3-4282022-3-429化化工工生生产产写实写实19 世纪世纪90 年代年代化学工艺学化学工艺学或工业化学或工业化学单元操作单元操作（物理过程）（物理过程）抽象抽象1923 年年化学反应工程化学反应工程单元过程单元过程（化学过程）（化学过程）化工系统工程化工系统工程传递过程传递过程1960 年年抽象抽象计算机计算机20 世纪世纪 60 年代年代l 学科的发展学科的发展 化学工程学科的内容化学工程学科的内容单元操作单元操作 固体和流体物料输送、加热和冷却、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、固体和流体

17、物料输送、加热和冷却、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、干燥等基本操作的总称。干燥等基本操作的总称。传递过程传递过程 “三传三传”： 动量传递、热量传递、质量传递动量传递、热量传递、质量传递化学反应工程化学反应工程 研究理想反应器内化学反应的一些共同规律研究理想反应器内化学反应的一些共同规律化工热力学化工热力学 研究化工过程中各种形式能量之间的相互转换规律和过程趋于研究化工过程中各种形式能量之间的相互转换规律和过程趋于平衡的条件平衡的条件化工系统工程化工系统工程 以化工系统为研究对象，从整体目标出发确定最优决策以化工系统为研究对象，从整体目标出发确定最优决策2022-3-4302022-3-431生产的

18、原料路线生产的原料路线生产方法、技术生产方法、技术操作程序操作程序物料走向物料走向相关单元操作设备的相关单元操作设备的组合组合2022-3-432化学工艺：化学工艺： 生产过程或技术生产过程或技术原料原料制制 造造Chemical Technology化学工业：化学工业：原料原料化学工艺化学工艺化学品化学品生生 产产工厂企业形成的特定生产部门工厂企业形成的特定生产部门化学方法化学方法化学品化学品Chemical Industry2022-3-4332022-3-434化工过程化工过程化学反应化学反应物理过程物理过程流体输送、沉降、过滤、传热、流体输送、沉降、过滤、传热、吸收、蒸馏、萃取、干燥吸

19、收、蒸馏、萃取、干燥 单元操作单元操作 核心核心即：化工过程即：化工过程 化学反应化学反应 + 若干单元操作若干单元操作原料原料产品产品一系列加工处理步骤一系列加工处理步骤Chemical Process使物料发生所使物料发生所要求的物理变要求的物理变化的基本操作化的基本操作2022-3-4352022-3-4364-1 化工工艺流程及流程图化工工艺流程及流程图描述从描述从物料物料开始，经过一系列按一定顺序并相开始，经过一系列按一定顺序并相互衔接的互衔接的单元操作单元操作和和反应过程反应过程，生产合格，生产合格产品产品的生产工艺过程称为的生产工艺过程称为化工工艺流程化工工艺流程。用图表示。用图

20、表示的化工工艺流程称为化工工艺流程图。的化工工艺流程称为化工工艺流程图。工工艺流程框图艺流程框图、装置流程图装置流程图、管线图管线图、带控制点的流程图带控制点的流程图等。等。类型有：类型有：2022-3-437尿素生产工艺流程框图尿素生产工艺流程框图2022-3-438尿素生产流程简图尿素生产流程简图2022-3-439乙烯乙烯苯苯V101苯乙烯气相烷基化工艺流程图苯乙烯气相烷基化工艺流程图P101R101T101T102V103E101E103E104产品产品副产物副产物V101E102V102填料填料催化剂催化剂塔板塔板H1吸 水 井1#鼓风冷却塔 L1，21#调 节 池H1蒸氨废水其他废

21、水蒸气YY重油、轻油分离后外运H L1，22#调 节 池 L1，24#调 节 池 L1，23#调 节 池2#鼓风冷却塔3#鼓风冷却塔 L3，42#浮选吸水井 L3，41#浮选吸水井加压泵污水泵加压泵污水泵加压泵加压泵LT-012#溶气罐1#溶气罐F3,4浮选池 L5，6F3,41#缺 氧 池T1,2PH1,22#缺 氧 池T1,2PH1,2 L7，8缺氧吸水井F5,6H3，4T1，24#好 氧 池F7,8DO3，4T1，21#好 氧 池F7,8DO3，4T1，23#好 氧 池F7,8DO3，4T1，22#好 氧 池F7,8DO油渣分离池轻油分离池冷凝水蒸气3#二 沉 池1#二 沉 池2#二 沉

22、 池4#二 沉 池反 应 池混 合 12，13回流泥吸井 L L回流水吸水井10，11污水泵污水泵污水泵污泥泵污泥泵污泥泵2#混凝 沉淀池1#混凝 沉淀池2#污泥 浓缩池污泥反应池 L14，15Ni21#污泥 浓缩池Ni3气动控制箱1压滤机2压滤机污泥斗反冲洗管道泵处理后水吸水井H2送熄焦等药剂槽Na2C03药剂槽PAM9药剂槽溶液槽Na2C03药剂槽PFSPFS储槽鼓风机室空气过滤器GF缓冲罐工业水设计制图审核校核审定设计项目设计阶段黑龙江科技大学处理前废水管道（压力）处理后废水管道（压力）在处理中废水管道分离废水管道活性污泥回流管道剩余污泥管道混凝污泥管道H1排油管道生产消防给水管道压缩空气管道蒸汽管道药剂管道鼓风空气管道YSS4H3YHH2Ni3Ni2Ni1YJGF LnFTDOPHnnn液位测量仪表流量测量仪表温度测量仪表溶解氧值测量仪表PH值测量仪表闸阀水射器布水器减压阀电动碟阀图 例管 道阀门及仪表符号符号说明符号说明符号初步设计刘春颖刘春颖2006.62006.6工艺流程图2006年6月毕业设计物料衡算:根据质量守恒定律，在一个化工过程中，进入的物料必须等于物料量和过程的积累量，即： mi mo = mA mi为进入