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第第1 1章章 绪论绪论 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 1.4单位与单位制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：化学工业的作用：机械工业机械工业电子工业电子工业 国防工业国防工业 农业农业 日用品日用品 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200 km2棉田所产棉花，制造1万t合成橡胶相当于166.5 km2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。a.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 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：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11为我国与部分发达国家主要化工产品产量比较(1997年)表 表12为我国化工产值变化情况表13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 38.14 52.72 21.70 24.08 32.68 26.98 0.261.2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，有某种功用的基本操作过程，称之为单元操作，如生产硫酸.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。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。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。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。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：物料和能量的综合利用。生产的投资费用。生产强度。产品的产率及质量。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。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。(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。(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。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。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化学工程学的研究方法 数学模型法是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。3化学工程学的几个基本概念 在从事化学工程研究、进行化工过程开发及设备的设计、操作时，经常运用物料衡算、能量衡算、平衡关系和过程速率等概念(1)物料衡算 物料衡算基于物质守恒定律，是对任一化工生产过程的进入物料量、排出物料量和累积物料量进行衡算，其衡算式为：输入物料量-输出物料量累积物料量 物料衡算是化工计算的最基本、最重要的计算，也是化工计算的基础。(2)能量衡算 能量衡算依据于能量守恒定律。指出进入系统的能量与排出系统能量之差等于系统内积累能量。热量衡算以物料衡算为基础，它可确定有热传递设备的热负荷，确定传热面积以及加热和冷却载体的消耗量；还可以考察过程能量损耗情况，寻求节能和综合利用热量的途径。(3）平衡关系 平衡是在一定条件下物系变化可能达到的极限。不论传热、传质还是反应过程，在经过足够的时间后，最终均能达到平衡状态。(4）过程速率 动量传递过程的推动力是压力差，阻力为摩擦阻力;热量传递过程的推动力是温度差，阻力为热阻；质量传递过程(传质过程)的推动力是浓度差，阻力则为扩散阻力。自然界任何过程的速率都可表示为：过程速率过程推动力过程阻力过程速率是决定设备尺寸的重要因素。1.4 单位及单位制1.单位及单位制基本量：任意选定的几个独立的物理量(如长度,时间等)。基本单位：根据使用方便的原则制定的基本量的单位。导出量：根据物理量与基本量之间的关系来确定的量。导出单位：导出量的单位称为导出单位，均由基本单位相乘、除而构成的。单位制：基本单位与导出单位的总和。物理单位制：基本单位：长度cm 质量g 时间s工程单位制：基本单位：长度cm 力kgf 时间s SI单位制：基本单位有7个，化工中常用的有5个：长度m、质量kg、时间s、温度K、物质量mol2单位换算已知1atm=1.033kgf/cm2,将其换算成N/m2。按题意需将kgf/cm2中的kgf单位换算成N，cm2换算成m2,查附录1：换算关系为：1kgf=9.81N，1cm=0.01m上述关系代入，得：