化学工艺学.ppt

主讲教师:范天博范天博联系方式:.课程考核方法：作业+课堂出席情况+期末考试1.化工概论的内容第一章第一章 化工的地位与化工的地位与发发展史展史第二章第二章 无机化工无机化工第三章第三章 石油石油炼炼制与石油化工制与石油化工第四章第四章 高分子合成材料高分子合成材料第五章第五章 天然气化工与煤化工天然气化工与煤化工第六章第六章 精精细细化工化工第七章第七章 生物化工生物化工 2.学习化工概论的目的和意义化学工化学工艺艺学是化学工程学的一个重要分支，学是化学工程学的一个重要分支，与各主要与各主要课课程程课课程关系密切。程关系密切。主要主要讲讲述在不同分述在不同分类类的化工工的化工工业业中化工中化工过过程分程分析，化学反析，化学反应应器、分离装置和器、分离装置和过过程控制的基本程控制的基本方法和技方法和技术术等，它是化工等，它是化工过过程研究、开程研究、开发发与与设设计计的理的理论总结论总结，是一，是一门门理理论论性与性与应应用性均用性均较较强强的的课课程。程。对对于非化工于非化工专业专业，可将化学工，可将化学工艺艺学的原理和方学的原理和方法与本法与本专业专业知知识识相相结结合，合，应应用于与其用于与其专业专业相关相关的的经济经济核算、工程分析等核算、工程分析等实实践践问题问题中。中。3.基本要求基本要求(1)(1)正确理解化学工正确理解化学工艺艺学的有关基本概念学的有关基本概念和理和理论论；(2)(2)理解各个概念之理解各个概念之间间的的联联系和系和应应用；用；(3)(3)掌握化学工掌握化学工艺艺学的基本思路和方法；学的基本思路和方法；(4)(4)能理能理论联论联系系实际实际，灵活分析和解决，灵活分析和解决实实际际化工生化工生产产和和设计设计中的有关中的有关问题问题。(5)(5)能能为为后后续课续课程提供程提供专业专业知知识识的基的基础础。4.第一章第一章 化工的地位与化工的地位与发发展史展史 5.1.1 化工概述化工概述化工的含义：化学工业、化学工程和化学工艺的总称或其单一部分都可称为化工。化工的范畴：随着科学和国民经济的发展，“化工”的范围也在不断扩大，例如自动化技术过程控制及优化、环境问题、经济问题、生产安全，只要涉及上述化学工业、化学工程和化学工艺的，也可列入“化工”的范畴中 6.1.1.2 化学工业化学工业的含义：化学工化学工业业又称化学加工工又称化学加工工业业。1.广义地说，泛指生产过程中化学方法占主要地位的制造工业，即经过反应过程实现原料向产品的转换的生产部门，2.而通常采用狭义的定义，把冶金、石油产品、建筑材料、纸张、皮革、食糖和食用化学品等的生产均列为其他工业部门。7.化学工业分类方法(1)按原料分可分为石油化学工业、煤化学工业、生物化学工业和农林化学工业。(2)按产品吨位分可分为大吨位产品和精细化学品两类：前者指产量大、对国民经济影响大的一些产品，如氨、乙烯、甲醇；后者指产量小、品种多，但价值高的产品，如药品、染料等。8.化学工业分类方法(3)按化学特性分粗略地可分为无机化学工业和有机化学工业。前者又可分为基本无机工业、硅酸盐工业、无机精细化学品等；后者包括石油炼制、石油化学工业、基本有机化学工业、高分子化学工业、有机精细化学品工业、生物化学制品工业、油脂工业等。9.化学工业分类方法 1.合成氨及肥料工业2.硫酸工业3.制碱工业4.无机物工业5.基本有机原料工业6.染料及中间体工业7.产业用炸药工业8.化学农药工业9.医药药品工业10.合成树脂与塑料工业(4)我国我国统计统计的方法化学工的方法化学工业业划分划分为为下列各种工下列各种工业业 ：11.合成纤维工业12.合成橡胶工业13.橡胶制品工业14.涂料及颜料工业15.信息记录材料工业16.化学试剂工业17.军用化学品工业18.以及化学矿开采业19.化工机械制造业 10.1.1.3 化学与化工化学与化工的区化学与化工的区别别：化学：侧重于“理”，主要对合成新物质，发现新的化学反应，测定物质的化学结构和性质，以及新的机理、规律、理论感兴趣。化工：侧重于“工”，着眼于将在实验室合成的化学物质或化学反应放大到在工业上的运用和实现。11.1.1.4 化学工程与工艺 化学工程：化学工程：研究以化学工业为代表的过程工业中有关化学过程和物理过程的一般原理和共性规律，解决过程及装置的开发、设计、操作及优化的理论和方法问题。其研究内容与方向包括化工热力学、传递过程原理、分离工程、化学反应工程、过程系统工程及其他学科分支。12.化学工程发展过程早期：只限于研究物料的物理加工过程，基本上只是数学、物理、化学和机电诸基础学科的综合应用。20世纪初：引入各种单元操作，“单元操作”被看作是传热、传质和动量传递的特殊情况或特定的组合。20世纪中叶以来，进入了以“传递工程”和“反应工程”为中心的所谓“三传一反”阶段。13.化学工艺 化学工艺即化工技术或化学生产技术。它是指将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，包括实现这一转变的全部措施。化学工艺学是以产品为目标，研究化工生产过程的学科，目的是为化学工业提供技术上最先进、经济上最合理的方法、原理、设备和流程。14.化学工艺化学工艺一般可概括为三个主要步骤：原料处理，使原料符合进行化学反应所要求的状态和规格；化学反应，使其获得目的产物或其混合物；产品精制，将由化学反应得到的混合物进行分离，除去副产物或杂质，以获得符合组成规格的产品。15.1.1.5 化工原料 化学工化学工业业起始原料是空气、水、起始原料是空气、水、矿矿物和生物。物和生物。对无机化学工业而言，矿物常常是最重要的原料；而对氨的合成而言，关键的原料是氮和氢，因而常用煤、油、天然气等有机原料。.化学工业的基本原料，即大部分产品的原料中，起主要作用的原料是石油(或加工后的各种馏分)、天然气、煤。利用生物质资源(如含纤维素、半纤维素、淀粉、糖类和油脂等的农林副产物和农业废物)获取有机原料或产品已有悠久历史。与石油、天然气、煤等化石燃料不同，生物质资源是可再生资源。空气和水是化工生产必不可少的原料。16.1.1.6 化工的特点(1)品种多(2)原料、生产方法和产品的多样性和复杂性(3)化学工业是耗能大户(4)化工生产过程条件变化大(5)知识密集、技术密集和资金密集(6)实验与计算并重(7)使用外语多 17.1.1.6 化工的特点(1)品种多 这是最大特点，与其他行业只涉及几十个品种不同，化学工业所涉及的品种远远超过万种。不同化合物各有特点，有不同的物理和化学性质、不同的制备方法和用途，所以必须进行更多的实验及更多的计算。18.1.1.6 化工的特点(2)原料、生产方法和产品的多样性和复杂性 可以从不同原料出发制造同一产品，也可从同一原料出发制造许多不同产品，同一原料制造同一产品还可采用许多不同生产路线。一个产品一般有不同用途，不同产品有时却可有同一用途。一种产品往往又是生产别种产品的原料、辅助材料或中间体。这种关系错综复杂，因而原料来源、技术、设备有很大选择余地，又在经常变化之中，化学工业是少有的灵活性最大的工业之一。19.1.1.6 化工的特点(3)化学工业是耗能大户 在大吨位产品中，除了靠提高得率外，节能也常常是企业竞争中获胜的保证。20.1.1.6 化工的特点(4)化工生产过程条件变化大 高温可达1000以上，低温可达-200以下，高压可达几百兆帕，低压可至几个帕，经常要处理强腐蚀性化合物，这种严峻的条件不但对设备的设计增加难度，更因为物质的物理化学性质的极端变化，需要掌握更多的规律性。21.1.1.6 化工的特点(5)知识密集、技术密集和资金密集 由于化学工业的复杂性，往往需要多学科的合作，成为知识密集型的生产部门，进而又导致资金密集，技术复杂更新又快，投资多，其中研究费用多，开发人员多。例如，发达国家化学公司的科研和开发(R&D)人员会占公司人员的一半以上。22.1.1.6 化工的特点(6)实验与计算并重 100年前化学、化工都是经验性学科，随着化学、化工各种规律被掌握，微观的定量关系已深入到原子和分子级别，分子设计概念已被提出；宏观定量关系就用得更多了。化工计算愈来愈广泛和深入，许多情况已和实验一样，是不可缺少的。23.1.1.6 化工的特点(7)使用外语多 由于品种多，涉及化合物多，涉及化合物物理化学性质、制备方法的论文多，为进行科学研究或开展技术革新，查阅国内外文献是必不可少的。24.1.2 化工在国民经济中的地位地位：地位：化工对人类的贡献及对国民经济的作用是多方面的。化学工业从它形成时起就为其他工业部门提供必需的物质基础。概括而言，化学工业在国民经济中是工业革命的助手、发展农业的支持、战胜疾病的武器及改善生活的手段，与衣、食、住、行息息相关。25.1.2 化工在国民经济中的地位化工与农业化工与医药化工与能源化工与人类生活化工与国防26.1.2.1 化工与农业化肥：对农作物的增产作用。农药：对农作物的保护作用。植物激素和生长调节剂对农业发展的物资支持27.1.2.2 化工与医药1.2.2.1 制药工业古代中药抗生素生物技术制药1.2.2.2 制药工业与人类健康 28.1.2.3 化工与能源1.2.3.1 一次能源与二次能源 一次能源：是指从自然界获得且可直接加以利用的热源和动力源，包括煤、石油、天然气、油田气等；林木秸秆等植物燃料，沼气，核燃料，还有水能、风能、地热能、海洋能和太阳能等29.世界和中国能源消耗构成世界和中国能源消耗构成30.二次能源：是指从一次能源加工得到的便于利用的能量形式，除火电外，主要是指化学加工得到的汽油、柴油、煤油、重油、渣油和人造汽油等液体燃料；煤气、液化石油气等气体燃料。31.1.2.3.2 化工与能源的关系 化学工业所用基本原料中大部分都可用作于能源，因此化学工业的原料与能源有重叠性，相应地也有一个选择性，即可以选择最合适的原料作化工用，再用剩余的物料作为能源用，这样的选择可大大降低成本。32.1.2.3.3 我国能源的开源节流 我国是能源生产和消费大国。我国原油储量不大，已探明的地质储量近200亿吨。中国煤炭的储量极大，但污染严重，使用受到限制。与化石燃料情况相反，我国可再生能源资源丰富。节能也是我国解决能源问题的关键之一。对化工的要求。33.1.2.4 化工与人类生活(1)衣(2)食(3)住(4)行(5)用 34.1.2.5 化工与国防化工与国防的关系可以追溯到黑火药的发明。火炸药工业是广义化学加工工业的重要组成部分。除了炸药是化学工业的直接产品外，与国防有关的化工产品还很多。35.综上所述 化学工业是重要的工业部门，它上接炼油、炼焦等基础工业，一系列下游产品广泛应用于各类工业部门，特别是通过高分子产品向一系列轻工产业、交通部门、服装产业等提供必不可少的原料及加工产品。因此要发展工业、发展制造业是离不开化学工业的发展。36.1.3 化学工业发展史 1.3.1 世界化学工业发展史 1.3.1.1 古代的化学加工在公元前50世纪左右已有陶器。制酒的历史也很久远，即利用生化反应作化学加工。公元前21世纪中国就已进入青铜器时代公元前20世纪的中国的夏禹已把酒用于祭祀 公元前5世纪进入铁器时代 公元前后，中国和欧洲进入炼丹术、炼金术时期 37.1.3.1.2 近代的化学工业 无机盐工业煤化工硅酸盐工业石油炼制制药工业38.1.3.1.3 现代化学工业20世纪是化学工业飞速发展时期，至6070年代是化学工业真正成为大规模生产的主要阶段，在此阶段合成氨(包括化肥)和石油化工得到了飞速发展，高分子化工从无到有，品种基本配齐，形成了很大规模，精细化工逐渐兴起。39.1913年德国哈柏法合成氨投产1920年美国建立了用炼厂气中丙烯水合成异丙醇，这是第一个石油化学品1923年，美国联合碳化学公司在查尔斯顿建立了第一个以乙烷和丙烷裂解生产乙烯的石油化工厂，打开了乙烯为原料石油化工生产的序幕。40.1941年开始了从石油轻质馏分催化重整制取芳烃的新工艺。1941年，从烃类裂解气体中分离出合成橡胶的重要中间体丁二烯。1949年，石油馏分催化重整的工业化。在20世纪前期，乙烯是发展化学工业标志性产品，因此，人们把乙烯作为化学工业发展的标志。41.1928年生产了第一个无色树脂(脲醛树脂)，1922年人造纤维产量已超过真丝纤维。1939年美国杜邦公司实现了聚酰胺-66纤维的工业化生产。1941年、1946年德国分别进行聚酰胺-6纤维、聚氨乙烯纤维的工业化生产。42.20世纪50年代以后，聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维等合成纤维相继工业化，基本上配齐了合成纤维的品种。1931年美国杜邦公司小批量生产了氯丁橡胶，前苏联建成了万吨级丁钠橡胶生产装置同一时期德国也生产了丁钠橡胶，1935年德国法本公司开始生产丁腈橡胶43.1937年又建成了丁苯橡胶装置。1928年发现青霉素，开辟了抗菌素药物的新领域。在20世纪6070年代，化学工业更重视规模的大型化，1963年美国凯洛格公司设计建设第一套日产540t合成氨单系列装置，是化学工业生产装置大型化的标志。精细化率代表精细化学品的产值与整个化学工业产值的比例，发达国家的精细化率已超过50%。目前精细化率也可成为新的化学工业发展标志。44.1.3.2 中国的化学工业发展史 1.3.2.1 我国的近代化学工业 1876年在天津建成我国第一座铅室法硫酸厂。1889年在唐山建成我国第一座水泥厂。1905年在陕西延长兴办了我国第一座石油开采和炼制企业，1907年开钻出油。45.1.3.2 中国的化学工业发展史 1923年，吴蕴初在上海创办天厨味精厂，生产的味精畅销国内及远销海外。于1929年创办天原电化厂，生产盐酸、烧碱、漂白粉；又因盐酸容器的需要，于1934年创为天盛陶器厂，同年创办天利氮气厂，生产合成氨与硝酸。1914年，范旭东于天津塘沽集资创办久大精盐股份有限公司，1917年筹办永利制碱公司，聘侯德榜为技师长，于1926年生产出高质量的红三角牌纯碱。该产品扬名国内外，并于1937年在南京建成永利宁厂，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。46.1.3.2.2 新中国的化学工业 从第一个五年计划(19531957年)新建、扩建一大批化工企业，组建了一批化工研究、设计、施工队伍。1961年，我国在兰州建成了用炼厂气为原料裂解生产乙烯装置，开始了我国石油化学工业的生产。随着改革开放政策的实施，化学工业也像其他工业一样，飞速地发展，不但石油化学工业在世界地位飞速上升，精细化学品生产也从无到有。从我国化学工业当前情况看，也还有很大发展潜力看到巨大成绩的同时，也要承认我国化学工业与发达国家相比，尚有较大的差距。47.主要表现在：以人均计的产品产量仍比较低，大都还低于世界人均水平；化学工业结构仍不够合理，低档产品多，高产值产品、专用产品少，低档产品生产能力过剩，高档产品仍需进口；化学工业产品进口量大大高于产品出口量；企业组织规模小而散，专业化水平低，以炼油厂为例，国外最大的规模已达4000万吨，而国内最大的仅为1600万吨，还有一些100万吨规模的小厂；经济效益差，成本高，效益差；技术水平与装备水平落后，能耗高，劳动生产率低；由于化学工业所产生的环境问题严重。我国化学工我国化学工业业与与发发达国家的差距达国家的差距48.