化工基础绪论191905

化工基础绪论191905第一页，共60页。一、改善专业知识结构的需要

作为化学专业的学生，学习一些“三传”及反应器的基本知识，了解几个典型的化工工艺，对改善自己的知识结构，拓宽知识面，无疑是有益的。二、科技发展和经济建设的需要

21世纪的中学教师必须是“全能型”或“完整型”的教师。即21世纪的中学教师既能教学，又会科研，还要懂生产的多面手，否则难以适应科技发展和经济建设的需要。因此，化学专业的学生具备必要的技术经济观点和一定的工业生产知识，就是必须的了。学习化工基础的重要性第二页，共60页。三、中等教育结构改革的需要高等师范化学专业将会有更多的毕业生从事中等职业技术教育。为适应这一新的需要，很有必要对化学专业学生和在职中学教师加强化工方面的教育，使他们不仅有坚实的基础理论知识，较宽的知识视野，还要有一定的解决实际问题的能力。四、对科研起到一定的指导作用学习本课程，将有助于指导化学科研工作。学习化工基础，有助于改进实验室的装置及组合，改进实验的操作方式、方法和条件，或者对实验的优化提供指导性建议，使科研取得更好的成果。第三页，共60页。本课程的性质

化工基础是是高等师范院校化学专业唯一的一门工程技术类课程，这是一门紧密联系化工生产实际的技术基础课。是一门探讨化工类型生产过程的基本规律，并应用这些规律来分析和解决化工类型生产实际问题的学科。

该课程兼有“科学”与“技术”的特点，它综合运用数学、物理、化学等基础知识，来分析和解决化工类型生产过程中的各种问题，在化学、化工类专业人才培养中，它承担着工程科学与工程技术的双重教育任务，所以它起到理论学科与应用学科的搭桥作用。

第四页，共60页。化学工业是国民经济重要支柱产业，包括以煤、石油和天然气等资源作为原材料加工的石油化工、煤化工、盐化工、天然气化工、生物化工及精细化工等领域。1.1化学工业概况

第1章绪论什么是化学工业：化学工业又称化学加工工业，泛指生产过程中化学方法占主要地位的过程工业。因为这些工业都是经过反应过程实现原料向产品的转换的生产部门，也称过程工业。第五页，共60页。化学工业是国民经济的重要部门之一，在各国经济发展中举足轻重。一般占GDP的5-7%，占工业产值的7-10%甚至更高。过去十年，世界化学工业以高于世界经济增长率的20%-30％的速度发展。我国化工产业占GDP的12-15%左右。

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

1．化学工业在国民经济中的地位与作用第六页，共60页。2004年以来，我国化学工业在国内经济持续增长、国际化工市场全面复苏的良好环境下，不仅产值规模迅速扩大，经济效益也大幅提升，全年累计实现现价工业总产值12908.9亿元，同比增长33.2%；实现产品销售收入12550.73亿元，同比增长33.92%；实现利润总额802.30亿元，同比增长89.93%，且各类化工产品产量稳步提高，产品结构也得到进一步改善。在市场需求方面，由于汽车、电子、房地产、轻纺、农业生产等相关行业的稳定快速发展，化工产品的市场需求持续旺盛，其中增幅较快的有化肥、涂料、硫酸、烧碱、甲醇，分别比2003年增长了13.6%、18.6%、16.7%、14.2%、24.1%。在需求和国际油价猛涨等多种因素的推动下，国内化工产品价格也大幅上涨，在中国石化协会重点监测的148种化工产品中，价格上涨的有131种，占88.5%。第七页，共60页。化学工业的作用：

机械工业电子工业

国防工业

农业

日用品

第八页，共60页。机械工业

切割用的电石、成型剂、粘合剂、表面处理、化学镀、防锈涂料、合成纤维、合成树脂、橡胶、涂料、石棉、玻璃、建材等。

电子工业

超高材料、超导材料；如气体、试剂、半导体、荧光屏及其他溶剂。国防工业

炸药、助推剂、复合材料、陶瓷、核燃料等。

第九页，共60页。农业

合成纤维代替棉花、合成橡胶代替天然橡胶；如，生产1万t合成纤维相当于200km2棉田所产棉花，制造1万t合成橡胶相当于166.5km2橡胶园所产的天然橡胶。农药、化肥、农用地膜、人工降雨等。日用品

衣、食、住、行、医疗及文体用品等。

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。

第十页，共60页。2．化学工业行业范畴与产品分类化学工业门类复杂，是一个包含多个行业的工业部门。按4类分：原料工业（煤、石油、天然气等）基本无机化工（酸、碱、盐）基本有机化工（合成材料、加工业）合成工业（制药、精细化工）

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。

b．按8类分：第十一页，共60页。c．按产品分类（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。

第十二页，共60页。①通用化学品：以煤、石油、天然气、农副产品等天然资源为原料经简单初步加工而得到大吨位的产品，其附加价值较低，但应用范围较广。如基本有机化工原料乙烯、乙醇及苯等。d．按技术密集程度和附加值大小等分类：②精细化工品：以通用化学品为原料，深加工，高附加值，小批量，大利润，高纯度的产品。如：农药、化妆品、颜料等。第十三页，共60页。3．化学工业的原料及选择原则

根据物质来源分，有无机原料和有机原料两大类。前者主要有空气、水和化学矿物；后者主要是煤、石油、天然气和生物质。

空气经液化和精馏为化工生产提供氧气和氮气。氧气与诸多化工原料反应生成含氧产品；氮气既可作为原料，也可用于洗涤、分离气体混合物。水主要用做原料、溶剂、冷却剂、蒸汽(热源或动力)。化学矿物有制硫酸的黄铁矿和硫，制磷酸盐的磷灰石等。(1)无机化工原料第十四页，共60页。a．煤煤焦油、焦碳、苯、焦炉气（CH4）、硫等。(2)有机化工原料d．农林作物

油料、药用、纤维作物、橡胶、染料等。

c．石油油品、炼厂气、裂解、重整。b．天然气甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。(3)原料选择原则在选择原料路线和技术路线时，应全面权衡技术、经济、社会和环保等方面的利弊。要考虑原料的来源、种类，路线是否可行，技术上是否合理，分析原料的经济性、从综合利用原料资源的角度考察原料的合理性。第十五页，共60页。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要特征，是创造新物质的工业。

(2)化工产品品种繁多，工艺复杂

(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，一般装置的投资费用与其生产能力的2/3次方呈正比。

即装置规模越大，单位生产能力的投资越省，成本越低，这就是化工装置的规模性。第十六页，共60页。(4)化学工业是资金密集，技术密集的工业部门

以机械工业的技术密集指数为100，化学工业则达到2480。以医药和农药新品种开发为例，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6000万美元。(5)化学工业是能源消耗的大户

现代化工生产中能源消费总量中约40%作为生产原料，60%作为动力和燃料，而原料消耗的费用占到成本的60%—70%。(6)化学工业是易污染、重污染的工业部门

化工产品许多是易燃、易爆、有毒的化学物质，在生产、运输、储存中，如果发生泄漏，就会严重危害人的健康，污染环境。第十七页，共60页。5．化学工业的发展与现状

化学工业历史悠久，最初的化工可追溯到公元前2000多年前的制陶、冶炼、酿造、漂染等行业。自18世纪中期工业革命兴起，机器的出现使棉纺织业实现机械化，硫酸的铅室法出现，路布兰制碱法出现。19世纪中叶，出现了氨碱法制碱的索尔维法。随后，电解法制碱技术问世，为造纸、染料、炸药等行业提供了比纯碱更强的苛性碱。(1)化学工业发展的历史第十八页，共60页。

19世纪，钢铁工业的发展促进了炼焦工业，从炼焦副产品煤焦油中提取多种有机芳香族化合物，并以其为原料制染料、医药、香料、炸药等产品，形成了以煤焦油为基础的有机合成工业。20世纪初，美国标准石油公司采用裂化方法将重质油加热转化为相当汽油馏分的轻质油。促进了石油化工的发展。20世纪中叶，有机化工产品80%-90%是以石油或天然气为原料生产的，三大合成材料的原料几乎全部来自石油化工。由于化工原料的变化，引发了化学工业产业结构的变革，带动精细化工的发展。第十九页，共60页。

自20世纪40年代以来，化工已经成为世界各国工业发展的重点。80年代以来，随社会的发展、生产工艺技术的改进，提高人民生活水平，化工产品出现多样化、功能化、精细化的特点。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学工业，使化学工业发展达到了一个新的历史时期。第二十页，共60页。中国近代化学工业的初创时期

（19世纪末-1949年前）

1876年，清天津机械局建成我国第一家铅室法硫酸厂，日产硫酸约2吨1924年，天津塘沽成立永利碱厂1934年，南京成立永利宁厂这一阶段的代表人物有范旭东、吴蕴初、侯德榜至1949年，我国化学工业总产值为1.77亿元，占当时全国工业总产值的1.6%。

旧中国的化学工业基础十分薄弱，仅有沿海、沿江的几个小化工企业。新中国成立后，先后吉化、太化和兰化三大化工基地；相继又建成了北京燕山、山东齐鲁、上海金山、南京扬子等一大批石油化工联合企业。

(2)我国的化学工业

第二十一页，共60页。侯德榜中国著名化工专家，中国化学工业的先驱者之一。1890年8月生于福建闽侯。1974年8月卒于北京。早年入清华留美预备学堂高等科学习，毕业后进美国麻省理工学院学习化工。1921年获美国哥伦比亚大学哲学博士学位。同年任塘沽永利制碱公司技师长。侯德榜于1922年回国，经长期潜心钻研，永利碱厂终于冲破封锁，1926年6月生产出洁白的纯碱,产品在美国费城万国博览会上获金质奖章，被誉为中国近代工业进步的象征。1941年，联合生产纯碱与氯化铵的新工艺初步获得成功。同年3月15日新工艺命名为“侯氏碱法”。1949年以后，侯德磅历任中央财政经济委员会委员，重工业部化工技术最高顾问，化学工业部副部长等职。第二十二页，共60页。范旭东中国化工实业家。1883年10月24日生于湖南长沙东乡。1908年考入日本京都帝国大学应用化学科。1912年归国。1920年在塘沽兴建永利碱厂，1926年8月,以红三角牌纯碱获得美国费城万国博览会金质奖章。1934年改组永利制碱公司为永利化学工业公司，在江苏省六合县创办硫酸铵厂，即永利化学工业公司宁厂。1937年该厂建成，生产合成氨、硫酸、硫酸铵及硝酸，为当时具有世界水平的大型化工厂。。1937年7月,日本进一步入侵中国，沽、宁两厂先后沦陷。1945年8月抗战胜利后,从日本拆回全套硝酸设备，恢复了沽、宁两厂生产。曾于1924年当选为中华化学工业会副会长，1945年当选为中国化学学会理事长。1945年10月4日因患黄胆病在重庆沙坪坝逝世。毛泽东同志在挽幛中誉为“工业先导，功在中华”。第二十三页，共60页。吴蕴初中国化工实业家。1891年9月29日生于上海市嘉定县。1953年10月15日卒于上海。1911年毕业于上海兵工学堂化学专业。1921年试制调味剂──味精成功后，于1923年与张崇新合资创办天厨味精厂，生产的味精畅销国内以及东南亚各国，与日本产的“味の素”（味之素）竞争并远销至美国，1926-1927年先后向美、英、法等国申请专利。担任中华化学工业会理事长，为支持该会活动捐赠会所。1939年举办清寒学生奖学金，支持和帮助浙江大学、上海交通大学、清华大学等校培养化工人才。创办蕴初公益基金，后将此基金全部赠给上海市图书馆。1949年后，任华东军政委员会委员，上海市人民政府委员，等职。第二十四页，共60页。建国以来我国化学工业的概况1953-1957年，“一五”重点建设1958-1962年，“大跃进”化肥普遍建设1964-1972年，三线建设1973-1980年，石化企业为主1981-1990年，以大型石化企业为依托，发展外向型精细化工、医药化工、橡塑加工等。1991-1995年，主要提高重要化工产品的生产能力和技术装备水平。1996-2000年，继续建成大中型项目，重点在石油化工、精细化工、日用化工和化工高技术产业上。第二十五页，共60页。表1—1为我国与部分发达国家主要化工产品产量比较(1997年)表

表1—2为我国化工产值变化情况表1—3为我国化工工业与其它工业的比较情况第二十六页，共60页。第二十七页，共60页。表1一3全国工业及化工系统总产值增长速度（％）

第二十八页，共60页。我国化学工业的现状我国化工生产的布局沿海沿江→西移→东回→机构改革→南北分制→走向世界

我国化工企业的技术水平与国外企业相比有较大的差距。主要特点是技术落后、设备陈旧、技术经济指标差、原料能耗大、成本高。我国化学工业的技术水平第二十九页，共60页。

自从1746年英国出现世界第一座硫酸厂，现代世界化学工业经过250多年的发展，已经形成一个技术成熟、规模宏大和品种繁多的生产部门。美国是当今世界上最发达的国家,也是世界上最大的化学品生产国，1997年化工总产值3917亿美元，居世界第一位.表1一4列举了1997年我国与世界几个化学工业发达国家的劳动生产率比较情况.

(3)世界化学工业表1一4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38.1452.7221.7024.0832.6826.980.26第三十页，共60页。

在20世纪前的几百年时间里，出现了不少化学工业，如制糖工业、制碱工业、造纸工业等。介绍每一种工业从原料到成品的生产过程，作为一种特殊的知识讲解，这是最早的化学工程学。

20世纪初，人们逐渐发现，许多门化学工业中存在共同的操作原理。例如，无论是制糖业还是制碱业，从溶液蒸发得到固体糖和固体碱的原理是相同的，于是，蒸发成为最早提出的单元操作之一。经不断总结，被称为单元操作的有：流体流动与输送、沉降与过滤、固体流态化、传热、蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等。1.2化工生产过程概述

1．化工生产过程分析第三十一页，共60页。

到20世纪50年代，人们又发现，各单元操作之间还存在着共性。例如，传热和蒸发都是热量传递的形式，蒸馏、吸附、吸收、萃取都是质量传递的形式。于是，把单元操作归纳为动量传递、热量传递和质量传递。

20世纪50年代中期，化学工程中出现了“化学反应工程学”这一新的分支。对化学反应器的研究，不仅要运用化学动力学和热力学原理，而且要运用动量、热量和质量传递原理。于是“传递过程”与“反应工程”成为当今化学工程学的两大支柱。简称“三传一反”阶段。第三十二页，共60页。硫酸生产：矿石粉碎→焙烧制SO2→除尘→精制→转化→吸收→H2SO4。合成氨：以煤（石油或天然气）→造气→精制→合成→分离→氨。★原料→前处理→化学处理（核心）→后处理→产品（或中间产品）第三十三页，共60页。

化工生产过程可视为物理过程和化学过程组成。由于被加工物料的相态不同、过程原理和采用方法的差异，将物理过程可进一步细分为一系列遵循不同物理定律，具有某种功用的基本操作过程，称之为单元操作，见表1一5所示

每一种单元操作都概括了化工生产中一类有共性的操作，从本质上归纳为动量传递、热量传递和质量传递三种传递过程。

化学反应类似于单元操作，按其反应的特点，寻求共性，提炼出诸多单元操作。三种传递过程和反应工程，即“三传一反”构成化学工程学科研究的一条主线。

第三十四页，共60页。表1-5单元操作单元操作目的物态原理传递过程流体输送输送液或气输入机械能动量传递搅拌混合或分离气-液输入机械能动量传递液-液,固-液过滤非均相混合物分离气-固,固-液尺度不同的截留动量传递沉降非均相混合物分离气-固,固-液密度差引起的动量传递沉降运动加热,冷却升温,降温,改变气或液利用温差传入热量传递相态或移出热量蒸发溶剂与不挥发性液供热汽化溶剂热量传递溶质的分离第三十五页，共60页。第三十六页，共60页。2．化工生产过程的工业特征

(5)化工生产涉及经济问题。如原料供应、设备投资、能耗、销售、投入、工时及生产管理等。经济效益是评价化工生产过程是否能实施的重要指标。

(1)化工过程是大规模的工业生产，物料处理量大，与实验研究相差悬殊。(2)化工生产多为连续化生产过程。(3)化工生产处理的物料从原料的纯度到产品的收率都与化学实验研究不尽相同。(4)化工生产需要设置专用供水、供电、动力、贮存、运输等设施。第三十七页，共60页。3．化工生产过程的检测与控制

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。

第三十八页，共60页。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。在放大设计过程中,大小装置之间会产生工艺结果的差别，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。第三十九页，共60页。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。④生产的投资费用。③生产强度。②产品的产率及质量。第四十页，共60页。6．化工生产过程的资源和能源综合利用

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。

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。第四十一页，共60页。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。第四十二页，共60页。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。第四十三页，共60页。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。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。第四十四页，共60页。

(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。

第四十五页，共60页。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。第四十六页，共60页。

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。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。第四十七页，共60页。第四十八页，共60页。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。第四十九页，共60页。

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。

第五十页，共60页。化学工艺学：化学工艺学是在化学、物理和其他科学成就的基础上，研究综合利用各种原料生产化工产品的原理、方法、流程和设备的一门学科，目的是创立技术先进、经济合理、生产安全、环境无害的生产过程。化学工艺学研究的范畴：一般包括原料的选择和预处理；生产方法的选择及方法原理；设备的作用、结构和操作；催化剂的选择和使用；操作条件的影响和选定；流程组织；生产控制；产品规格和副产物的分离与利用；能量的回收和利用；对不同工艺路线和流程的技术经济评比等问题。第五十一页，共60页。化学系统工程：其主要任务是研究系统的设计、控制和管理。化学反应工程：研究反应器内传递过程和化学反应的相互关系和影响，以阐明工业反应器的实质，目的在于控制生产规模下的化学反应过程，实现反应器的最佳设计。第五十二页，共60页。2．化学工程学的研究方法

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；而两者的结合方面的问题，则是将各种反应模型和各种传递模型相结合的问题。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。第五十三页，共60页。