典型化工产品工艺学

第1章绪论1.1化学工业概况1.2化工生产过程概述1.3化学工程学简介

1.1化学工业概况

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化学工业的作用：

机械工业电子工业

国防工业

农业

日用品

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。

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。

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：c．按产品分类（25类）：如：工业、农业、天然产品、生活用品等

①通用化学品：以煤、石油、天然气、农副产品为原料经简单加工而成的三烯三苯一炔一萘、三酸二碱等。d．按技术密集程度和附加值大小分类：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。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。

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。

(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

(6)化学工业是易污染、重污染的工业部门

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、揉革等行业。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

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。

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。(2)我国的化学工业

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。

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表1一3全国工业及化工系统总产值增长速度（％）

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38.1452.7221.7024.0832.6826.980.261.2化工生产过程概述

生产中，原料预处理和产物分离，缺一不可。化学反应这一步是整个化工生产过程的核心，起主导作用，其要求和结果决定着原料预处理的程度和产物分离的任务，直接影响到其它两部分的设备投资和操作费用。

1．化工生产过程分析化学工业产品种类繁多，生产流程千差万别，共同之处是都有原料预处理、化学反应和产物的分离三部分。化工生产腥过程可视信为物理过尘程和化学待过程组成眠。由于被统加工物料走的相态不若同、过程压原理和采涉用方法的驰差异，将详物理过程粪可进一步泰细分为一披系列遵循祥不同物理唤定律，有武某种功用香的基本操皆作过程，煮称之为单元操摧作，如生座产硫酸.见表1一5忘所示每一种单谅元操作都炼概括了化蜘工生产中鸭一类有共野性的操作，从本质扣上归纳半为动量传递扎、热量传晨递和质量昨传递三种传递递过程。化学反遍应类似伏于单元羞操作，采按其反忠应的特基点，寻降求共性全，提炼樱出诸多俩单元操沉作。三种传递桶过程和反厨应工程，胆即“三传巩一反”构奋成化学工主程学科研勇究的一条践主线。表1-5单元操具作单元操愈作拣目的偏物态院原理斗传绝递过程搅拌混合或分离气-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2．化工凭生产过程锁的工业特桥征(5)化袜工生产涉邪及经济问军题.如原料供累应、设备普投资、能畏耗、销售当、投入、哄工时及生功产管理等峡。经济效剖益是评价透化工生产查过程是否抓能实施的庸重要指标。(1)化污工过程是仙大规模的副工业生产梦，物料处附理量大，欠与实验研映究相差悬起殊。(2)羡化工生杂产多为刚连续化搭生产过屠程。(3)化偿工生产处识理的物料袖从原料的证纯度到产灶品的收率户都与化学径实验研究蛙不尽相同采。(4)券化工生恰产需要令设置专项用供水献、供电架、动力猴、贮存牺、运输舌等设施住。3．化工裁生产过程糕的检测与茅控制在任何化脊工生产过篇程中，需膀要检测和群控制的指呆标有温度陡、压力、求流量、液牧面、组成肤等几类。4．化舍工生产屑过程的赛研究与辟开发任何一个决新的化工扒生产过程谣，都是从筹最初的创资意或设想愉开始，经唱过实验室研这究、中间丘试验、工堆业化试验爷、放大设卡计、技术饺经济评价等诸多趣环节，灾最后建协成工业席生产装胜置，实领现规模旧生产。在放大设啦计过程中添,大小切装置之间垮会产生工珍艺结果的乡丰差别，归繁结于“放越大效应”对，寻求其袜产生因由干和改善的摔方法是过摸程开发一营项中心任笋务。5．化较工生产神过程的吉技术经辈济分析化工生产蛇过程的工返艺技术经膝济指标主遭要有：①物料束和能量偿的综合殿利用。④生产的忙投资费用壮。③生产杏强度。②产品阀的产率程及质量。6．化巴工生产吐过程的赞资源和栗能源综吊合利用生产规模证的大型化铅是化工生纪产过程资帆源和能源戚综合利用例的保障。生产规丛模扩大雾使单位祸产品的素原材料顾和能源痕消耗大稍大降低念；劳动笛效率高沾，产品体的总成辱本低，准因而在僵市场和榨资源条右件具备帮的情况经下，生映产规模挽大型化筝是化学涨工业的羞发展趋泛势。化工生侦产中，外物料循慌环和热道量回流，并达到逝多种产污品联合刻生产，萍是节能叶降耗的沾主要途驼径。7．化工允生产过程纺的优化按具体的朽生产任务剖，确定合泽理的工艺葛路线(原踏料、方法使)，选择因合适的反厘应器，配倾置相适宜饺的单元操激作及设备喇，适当组厚合构成一裳个化工生串产过程的渣整体，成申为化工过硬程系统，拨简称化工系统。化工稍系统的午诸多不矮确定性，决定了化鹿工生产过疲程的复杂耍性。化工生隶产过程具自身的果特点和堪复杂性络，使其散存在大乒量的过务程最优似化问题详，涉及档过程研桂究中的英开发和维设计及继过程运丽行中的判操作、扶管理和着控制等寸各个方动面。化工系统椒优化包含林三个层次喘：(1)润化工工骗艺路线柄的最优谁化。即系统仆总体方缺案的最戚优化设染计和选狸择。(2)流劣程结构的停最优化。即流程最裙优化设计山和选择。(3)流卖程工艺参膊数和操作捕参数的最虑优化。化工生殖产过程燃优化任现务分为含三个阶民段:(1)为评完成某类拳产品的生绣产任务，附将分散的别单元遵循算一定的法丝式则，组织龟成对给定悟的性能指茄标来说是盲最优的过水程系统，波这个阶段逐称为最优综合。(3）课在结构亩参数和谣设计参赔数都已泄固定的碰条件下茫，为避私免干扰,使生产过现程能在外剩界条件变韵化及各干摔扰因素出息现的情况运下，保证旁过程系统德的经济性素，对操作尚参数和控殃制参数进增行优化，微称为最优操作闻或最优控扫制。(2）抄在给定肉过程结慢构的条类件下，府确定各蜻单元及丢整个系狂统的最睁优参数续的优化阅计算，慰叫最优设计。过程优籍化涉及剂技术和酒经济两凤方面。技术优化随是使各项戴指标达到盐最优，经秒济优化是稻以最小费泰用获得最犹大利润,达到高的鸟经济效益而为目标。8．化价工生产庄过程的贪流程图为描述礼化工生键产过程巾，工程铜上通常船用形象踪蝶的图形亲、符号采和代号坡表示设节备，用俘箭头表帆示物料牢流动方胃向，将拌化工过影程从原裹料到最舅终产品真经过的窄所有设违备和相饼互关系成以及物叮料流动读顺序，筹以图示雷的方式锄表达出预来，这勤种表示隔整个化填工生产摧过程全屈貌的图千形称为工艺流鹊程图。工艺流精程图是盾工厂设想计的基或础，也蓬是操作肌和检修亡的指南狼。一般分口为生产工艺亚流程图、蚕物料流程逃图和带控拥制点的工许艺流程图。工艺流摊程图中抖的设备维的图形拖和符号挠已标准弟化。生产工衡艺流程满图常将叨设备的颗大致几魄何形状育画出，仗或以方休框表示剑。无论采用捎那种流程完图表达工菜艺流程，眨从左向右卡展开，有击必要的文耍字进行说恭明，如设险备名称(1.3歌化学工帝程学简葱介1．化户学工程亿学及其盗研究对哄象和任灾务化学反应肿是它的核晶心，化学棵学科是它诉的基础。浴化学工业色在大型设傅备中大批族量连续化码的生产所写提出的技小术间题，吵仅靠化学妥学科的知服识是远不词够的，它着需要机械条、电气、柄仪表、控抬制等工程柿学科的理病论支持和著技术上的非应用，因叮此便诞生鉴了一门源吗自化学、设又不同于赵化学，综鹊合了诸多亲工程技术傍学科的新卷学科—化学工程廉学。化学工程执学始于1泉9世纪末匆。20世劈燕纪初，明借确认识到子各行各业薪通用的物竞理操作的孔共性，提灯出了单元伶操作的概江念，形成茅化工过程由与设备课民程，后多蝴称为化工遗原理。5拼0年代形责成了化学姜反应工程诞分支。7煎0年代以稻后，化工拔生产日趋令大型化、女连续化以胀及计算机忽技术的迅昌速发展，斜化学工程送学的研究胖已不再局星限于单个臣单元操作跪或化学反创应过程，胳形成了化齐学系统工刚程，主要饺是研究系尚统的设计筑、控制和偏管理。2．化学邮工程学的柜研究方法数学模穷型法是将复杂垮的研究对两象合理地录简化为某鞭个模型，乓简化的模读型与原过卧程近似而懒等效。化日学方面的颜问题归纳热为研究反乒应对象，软提出反应准动力学模略型；传递忽方面的问女题归纳为特研究不同点类型反应琴器，提出芬反应器的间传递模型慰；而两者筝的结合方物面的问题膝，则是将兽各种反应偏模型和各喘种传递模睬型相结合芬的问题。在化学工幼程学的申历史发探展中形售成了两锹种基本伸的研究蛾方法经验归括纳法和容数学模胆型法。经验归纳丸法，借助腐物理学骗的相似参论和因根次分析逼法的指赶导。例热交换中趣的传热系怜数，通过脸实验测定勒归纳成量倘纲为一的早相似特征悦数的关系辫式确定。3．化学社工程学的冤几个基本王概念在从事化补学工程研石究、进行斜化工过程宗开发及设扬备的设计询、操作时袭，经常运消用物料衡烟算、能量床衡算、平属衡关系和旁过程速率沙等概念(1)物料馋衡算物料衡算钳基于物质纲守恒定律联，是对任笨一化工生帽产过程的劝进入物料蕉量、排出朵物料量和卧累积物料搞量进行衡迹算，其衡燥算式为：输入物理料量-融输出物钩料量＝理累积物注料量物料衡带算是化闸工计算帅的最基话本、最团重要的割计算，穴也是化砖工计算烟的基础。(2)可能量衡悄算