化工基础(全套课件549P).ppt

1、化工基础化工基础第第1 1章章 绪绪 论论 1.11.1化学工业概况化学工业概况 1.21.2化工生产过程概述化工生产过程概述 1.31.3化学工程学简介化学工程学简介 1.11.1化学工业概况化学工业概况 化学工业是国民经济的重要部门之一，在各国经济发展化学工业是国民经济的重要部门之一，在各国经济发展中有举足轻重的地位。中有举足轻重的地位。一般占一般占GDPGDP的的5 57%7%，占工业产值的，占工业产值的7 710%10%甚至更高。甚至更高。在过去的十年，世界化学工业以高于世界经济增长率的在过去的十年，世界化学工业以高于世界经济增长率的20%20%3030的速度发展。的速度发展。我国化工

2、产业占我国化工产业占GDPGDP的的121215%15%左右左右。化学工业的发展反映了人类对化工产品日益增加的需求，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。显示出其在人类社会生活中的作用愈来愈重要。1 1化学工业在国民经济中的地位与作用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 机械制造、汽车工业机械制造、汽车工业 切割用的电石、成型剂、粘合剂、表面处理、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、化学镀、防

3、锈涂料、合成纤维、合成树脂、橡胶、涂料、石棉、玻璃、建材等。涂料、石棉、玻璃、建材等。电子工业电子工业 超高强材料、超导材料；如气体、试剂、半导体、超高强材料、超导材料；如气体、试剂、半导体、荧光屏及其他溶剂。荧光屏及其他溶剂。国防工业国防工业 炸药、助推剂、复合材料、陶瓷、核燃料等。炸药、助推剂、复合材料、陶瓷、核燃料等。农业农业 合成纤维代替棉花、合成橡胶代替天然橡胶；合成纤维代替棉花、合成橡胶代替天然橡胶；如，生产如，生产1 1万万t t合成纤维相当于合成纤维相当于200 200 kmkm2 2棉田所产棉棉田所产棉花，制造花，制造1 1万万t t合成橡胶相当于合成橡胶相当于166.5 1

4、66.5 kmkm2 2橡胶园产橡胶园产的天然橡胶。农药、化肥、农用地膜、人工降雨的天然橡胶。农药、化肥、农用地膜、人工降雨等。等。日用品日用品 衣、食、住、行、医疗及文体用品等衣、食、住、行、医疗及文体用品等。2 2化学工业行业范畴与产品分类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。化学工业门类复杂，是一个包含多个行业的工业部门。a.a.按按4 4类分：类分：原料工业原料工业 （煤、石油、天然气等）（煤、石油、天然气等）基本无机化工基本无机化工 （酸、碱、盐）（酸、碱、盐）基本有机化工基本有机化工 （合成材料、加工业）（合成材料、加工业）合成工业合成工业 （制

5、药、精细化工）（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工业、肥料工业以及精细化学工业。b b按按8 8类分类分：c c按产品分类（按产品分类（2525类）类）：如：工业、农业、天然产品、生活用品等如：工业、农业、天然产品、生活用品等 通用化学品通用化学品：以煤、石油、天然气、农副产品：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、三酸为原料经简单加工而成的三烯三苯一炔一萘、三酸二碱等。二碱等

6、。d d按技术密集程度和附加值大小分类：按技术密集程度和附加值大小分类：精细化工品精细化工品：以通用化学品为原料，深加工，：以通用化学品为原料，深加工，高附加值，小批量，高利润，高纯度的产品高附加值，小批量，高利润，高纯度的产品。3 3化学工业的原料及选择原则化学工业的原料及选择原则 根据物质来源分：根据物质来源分：无机原料无机原料和和有机原料有机原料两大类。两大类。前者主要有前者主要有空气、水和化学矿物空气、水和化学矿物；后者主要是；后者主要是煤、石煤、石油、天然气和生物物质油、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。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

7、工原料反应生成含氧产品；氮气既可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。作为原料，也可用于洗涤、分离气体混合物。水水主要主要用做原料、溶剂、冷却剂、蒸汽用做原料、溶剂、冷却剂、蒸汽(热源或动力热源或动力)。化学。化学 矿物有制硫酸的黄铁矿和硫，制磷酸盐的磷灰石等。矿物有制硫酸的黄铁矿和硫，制磷酸盐的磷灰石等。(1)(1)无机化工原料无机化工原料a a煤煤 煤焦油、焦炭、苯、焦炉气煤焦油、焦炭、苯、焦炉气(CH(CH4 4)、硫等。、硫等。(2)(2)有机化工原料有机化工原料d d农林作物农林作物 油料、药用、纤维作物、橡胶、染油料、药用、纤维作物、

8、橡胶、染料等。料等。c c石油石油 油品、炼厂气、裂解、重整等。油品、炼厂气、裂解、重整等。b b天然气天然气 甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等。甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等。(3)(3)原料选择原则原料选择原则 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。考虑原料的术、经济、社会和环保等方面的利弊。考虑原料的来源、种类，来源、种类，工艺路线是否可行，技术上是否合理，工艺路线是否可行，技术上是否合理，分析原料的经济性分析原料的经济性。4 4化学工业的特点化学工业的特点(1)1)化学工业是独特的、不可取代的工业部门化学工业是独特的、不可取

9、代的工业部门 化学工业以化学加工为主要特征，是创造新物质化学工业以化学加工为主要特征，是创造新物质的工业。的工业。(2)(2)化工产品品种繁多，工艺复杂化工产品品种繁多，工艺复杂(3)(3)化学工业是装置型工业，具有规模经济性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道，一般装置的投资费用与其生产能力的2/32/3次方呈次方呈正比。正比。(4)(4)化学工业是资金密集，技术密集的工业化学工业是资金密集，技术密集的工业 以机械工业的技术密集指数为以机械工业的技术密集指数为10010

10、0，化学工业则达到，化学工业则达到248248。以医药和农药新品种开发为例，开发成功率为万。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，在美国需分之一，完成一个新品种研制，在美国需1010年左右时年左右时间，耗资间，耗资60006000万美元。开发成功率低。万美元。开发成功率低。(5)(5)化学工业是能源消耗的大户化学工业是能源消耗的大户(6)(6)化学工业是易污染、重污染的工业化学工业是易污染、重污染的工业 5 5化学工业的发展与现状化学工业的发展与现状 化学工业历史悠久，最早的化工可追溯到公元化学工业历史悠久，最早的化工可追溯到公元前前20002000多年前的制陶

11、、冶炼、酿造、漂染、揉革等多年前的制陶、冶炼、酿造、漂染、揉革等行业。自行业。自1818世纪中期工业革命兴起，机器的出现使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。制碱法出现。1919世纪中叶，出现了氨碱法制碱的索世纪中叶，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。料、炸药等行业提供了比纯碱更强的苛性碱。(1)(1)化学工业发展的历史化学工业发展的历史 1919世纪，世纪，钢铁工业的发展促进了炼焦工

12、业，从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，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，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。形成了以煤焦油为基础的有机合成工业。20 20世纪初世纪初，美国标准石油公司采用裂化方法将，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。石油化工的发展。20 20世纪中叶世纪中叶，有机化工产品，有机化工产品80%-90%80%-90%是以石油或是以石油或天然气

13、为原料生产的，三大合成材料的原料几乎全部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。业产业结构的变革，带动精细化工的发展。自自2020世纪世纪4040年代年代以来，化工已经成为世界各国以来，化工已经成为世界各国工业发展的重点。工业发展的重点。8080年代年代以来，随社会的发展、生以来，随社会的发展、生产工艺技术的改进，提高人民生活水平，化工产品产工艺技术的改进，提高人民生活水平，化工产品出现出现多样化、功能化、精细化多样化、功能化、精细化的特点。的特点。其成为化学

14、工业的起点，化学工业由发展基础其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。达到了一个新的历史时期。(2)(2)我国的化学工业我国的化学工业 旧中国的化学工业基础十分薄弱，仅有沿海、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、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、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山东齐鲁、上海金山、南京扬子等一大批石油化工

15、联合企业联合企业。8.5万亿万亿，合成氨合成氨1亿吨。亿吨。表表1 1我国与部分国家主要化工产品产量比较我国与部分国家主要化工产品产量比较(19971997年年)表表 表表2 2为我国化工产值变化情况为我国化工产值变化情况表表3 3为我国化工工业与其它工业的比较情况为我国化工工业与其它工业的比较情况表表1 1一一3 3全国工业及化工系统总产值增长速度（）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美国是当今世界上最发达的国家,也是世界上最也是世界上最大的化学品生产国，大的化学品生产国，19971997年化工总产值年化工总产值39173917亿美元，亿美元，居世界第一位居世界

16、第一位.表表1 1一一4 4列举了列举了19971997年我国与世界几个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化学工业发达国家的劳动生产率比较情况.(3)(3)世界化学工业世界化学工业表表1 1一一4 4化学工业劳动生产率化学工业劳动生产率 (万元人年万元人年)美国美国 日本日本 德德 国国 英国英国 法国法国 意大利意大利 中国中国 38.14 52.72 21.70 24.08 32.68 26.98 0.26 38.14 52.72 21.70 24.08 32.68 26.98 0.26我国石油化工的有关数据我国石油化工的有关数据1.2 1.2 化工生产过程概述化工生产过

17、程概述 生产中，原料预处理和产物分离，缺一不可。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资和操作费用。1 1化工生产过程分析化工生产过程分析 化学工业产品种类繁多，生产流程千差万别，化学工业产品种类繁多，生产流程千差万别，共同之处是都有共同之处是都有原料预处理、化学反应和产物的原料预处理、化学反应和产物的分离分离三部分。三

18、部分。化工生产过程可视为物理过程和化学过程组成。化工生产过程可视为物理过程和化学过程组成。因被加工物料的相态不同、过程原理和采用方法的差因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，称之为定律，有某种功用的基本操作过程，称之为单元操作单元操作，如硫酸的生产如硫酸的生产.见见表表5 5所示所示 每一种单元操作都概括了化工生产中一类有共每一种单元操作都概括了化工生产中一类有共性的操作性的操作，从本质上归纳为从本质上归纳为动量传递、热量传递和动量传递、热量传递和质量传递质量传递

19、三种传递过程三种传递过程。化学反应类似于单元操作，按其反应的特点，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。寻求共性，提炼出诸多单元操作。三种传递过程和反应工程，即三种传递过程和反应工程，即“三传一反三传一反”构构成化学工程学科研究的一条主线。成化学工程学科研究的一条主线。表表5 5 单元操作单元操作单元操作单元操作 目的目的 物态物态 原理原理 传递过程传递过程流体输送流体输送 输送输送 液或气液或气 输入机械能输入机械能 动量传递动量传递 搅拌搅拌 混合或分离混合或分离 气气-液液 输入机械能输入机械能 动量传递动量传递 液液-液液,固固-液液 过滤过滤 非均相

20、混合物分离非均相混合物分离 气气-固固,固固-液液 尺度不同的截留尺度不同的截留 动量传递动量传递 沉降沉降 非均相混合物分离非均相混合物分离 气气-固固,固固-液液 密度差引起的密度差引起的 动量传递动量传递 沉降运动沉降运动加热加热,冷却冷却 升温升温,降温降温,改变改变 气或液气或液 利用温差传入利用温差传入 热量传递热量传递 相态相态 或移出热量或移出热量 蒸发蒸发 溶剂与不挥发性溶剂与不挥发性 液液 供热汽化溶剂供热汽化溶剂 热量传递热量传递 溶质的分离溶质的分离单元操作单元操作 目的目的 物态物态 原理原理 传递过程传递过程气体吸收气体吸收 均相混合物分离均相混合物分离 气气 各组

21、分的溶解度各组分的溶解度 质量传递质量传递液体精馏液体精馏 均相混合物分离均相混合物分离 液液 各组分的挥发度各组分的挥发度 质量传递质量传递 萃取萃取 均相混合物分离均相混合物分离 液液 各组分的溶解度各组分的溶解度 质量传递质量传递 吸附吸附 均相混合物分离均相混合物分离 气或液气或液 吸附能力不同吸附能力不同 质量传递质量传递 沉降运动沉降运动干燥干燥 去湿去湿 固体固体 供热汽化利用温差传入供热汽化利用温差传入 热量热量 质量传递质量传递2 2化工生产过程的工业特征化工生产过程的工业特征(5)(5)化工生产涉及经济问题化工生产涉及经济问题.如原料供应、设备投资、如原料供应、设备投资、能

22、耗、销售、投入、工时及生产管理等。经济效益能耗、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是评价化工生产过程是否能实施的重要指标。(1)(1)化工过程是大规模的工业生产，物料处理量大，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与实验研究相差悬殊。(2)(2)化工生产多为连续化生产过程。化工生产多为连续化生产过程。(3)(3)化工生产处理的物料从原料的纯度到产品的收率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。都与化学实验研究不尽相同。(4)(4)化工生产需要设置专用供水、供电、动力、贮存、化工生产需要设置专用供水、供电

23、、动力、贮存、运输等设施。运输等设施。3 3化工生产过程的检测与控制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。标有温度、压力、流量、液面、组成等几类。4 4化工生产过程的研究与开发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，经过意或设想开始，经过实验室研究、中间试验、工业实验室研究、中间试验、工业化试验、放大设计、技术经济评价化试验、放大设计、技术经济评价等诸多环节，最等诸多环节，最后建成工业生产装置，实现规模生产。

24、后建成工业生产装置，实现规模生产。在放大设计过程中在放大设计过程中,大小装置之间会产生工艺大小装置之间会产生工艺结果的差别，归结于结果的差别，归结于“放大效应放大效应”，寻求其产生因，寻求其产生因由和改善的方法是过程开发一项中心任务。由和改善的方法是过程开发一项中心任务。5 5化工生产过程的技术经济分析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：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物料和能量的综合利用。生产的投资费用。生产的投资费用。生产强度生产强度。产品的产率及质量产品的产率及质量。6 6化工生产过程的资源和能源综合利用化工生产过程的资源和能源综合

25、利用 生产规模的大型化是化工生产过程资源和能源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，在市场大大降低；劳动效率高，产品的总成本低，在市场和资源条件具备的情况下，和资源条件具备的情况下，生产规模大型化生产规模大型化是化学是化学工业的发展趋势。工业的发展趋势。化工生产中，物料循环和热量回流化工生产中，物料循环和热量回流，并达到多并达到多种产品联合生产，是节能降耗的主要途径。种产品联合生产，是节能降耗的主要途径。7 7化工生产过程的优化化工生产过程的优化

26、 按具体的生产任务，确定合理的工艺路线按具体的生产任务，确定合理的工艺路线(原原料、方法料、方法)，选择合适的反应器，配置相适宜的单元，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，简称体，成为化工过程系统，简称化工系统化工系统。化工系统。化工系统的诸多不确定性的诸多不确定性，决定了化工生产过程的复杂性。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大量的过程最优化问题，涉及过程研究中的开发和

27、设计及过程运行中的操作、管理和控制等各个方面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：化工系统优化包含三个层次：(1)(1)化工工艺路线的最优化。化工工艺路线的最优化。即系统总体方案的即系统总体方案的最优化设计和选择。最优化设计和选择。(2)(2)流程结构的最优化。流程结构的最优化。即流程最优化设计和选即流程最优化设计和选择。择。(3)(3)流程工艺参数和操作参数的最优化。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化工生产过程优化任务分为三个阶段:(1)(1)为完成某类产品的生产任务，将分散的单元遵为完成某类产品的生产任务，将分散的单元遵循一

28、定的法则，组织成对给定的性能指标来说是循一定的法则，组织成对给定的性能指标来说是最优的过程系统，这个阶段称为最优的过程系统，这个阶段称为最优综合最优综合。(3(3）在结构参数和设计参数都已固定的条件下，）在结构参数和设计参数都已固定的条件下，为避免干扰为避免干扰,使生产过程能在外界条件变化及各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，称为作参数和控制参数进行优化，称为最优操作或最优最优操作或最优控制控制。(2 (2）在给定过程结构的条件下，确定各单元及）在给定过程结构的条件下，确定各单

29、元及整个系统的最优参数的优化计算，叫整个系统的最优参数的优化计算，叫最优设计最优设计。过程优化涉及技术和经济两方面。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最小费用获得最大利润,达到高的经济效益为目标。达到高的经济效益为目标。8 8化工生产过程的流程图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、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，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将化工过程从

30、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，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这种表示整个化工生产过程全貌的图形称为工艺流工艺流程图程图。工艺流程图是工厂设计的基础，也是操作和检工艺流程图是工厂设计的基础，也是操作和检修的指南。修的指南。一般分为一般分为生产工艺流程图、物料流程图生产工艺流程图、物料流程图和带控制点的工艺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。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，或生产工艺流程图常将设备的大致几何形状画出

31、，或以方框表示。以方框表示。无论采用那种流程图表达工艺流程，从左向右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，如设备名称展开，有必要的文字进行说明，如设备名称(符号符号代号代号)、物料流向、物料名称、图名、图号、设计、物料流向、物料名称、图名、图号、设计阶段等。阶段等。1.31.3化学工程学简介化学工程学简介 1 1化学工程学及其研究对象和任务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问题，仅靠化学学科的知识

32、是远不够的，它的技术问题，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、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又不同于化学，综合了诸多工程技术学科的新学科科化学工程学化学工程学。化学工程学始于化学工程学始于1919世纪末。世纪末。2020世纪初，明确认世纪初，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，后多称为操作的概念，形成化工过程与设备课程，

33、后多称为化工原理化工原理。5050年代形成了化学反应工程分支。年代形成了化学反应工程分支。70 70年代以后，化工生产日趋大型化、连续化以年代以后，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。学系统工程，主要是研究系统的设计、控制和管理。2 2化学工程学的研究方法化学工程学的研究方法 数学模型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，是将复杂的研究对象合理地简化为某个模型，简化的模

34、型与原过程近似而等效。化学方面的问题归纳为研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。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和数学模型法。经验归纳法经验归纳法 借助物理学的

35、相似论和因次分析法的指导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。似特征数的关系式确定。3 3化学工程学的几个基本概念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，经常运用备的设计、操作时，经常运用物料衡算、能量衡算、物料衡算、能量衡算、平衡关系和过程速率平衡关系和过程速率等概念等概念(1)(1)物料衡算物料衡算 物料衡算基于物质守恒定律，是对任一化工生产物料衡算基于物质守恒定律，是对任一化工生产过

36、程的进入物料量、排出物料量和累积物料量进行过程的进入物料量、排出物料量和累积物料量进行衡算，其衡算式为：衡算，其衡算式为：输入物料量输入物料量-输出物料量累积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，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也是化工计算的基础。(2)(2)能量衡算能量衡算 能量衡算依据于能量守恒定律能量衡算依据于能量守恒定律。指出指出进入系统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递设

37、备的热负荷，确定传热面积以及加热和冷却载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。节能和综合利用热量的途径。(3(3）平衡关系）平衡关系 平衡是在一定条件下物系变化可能达到的极限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后，最终均能达到平衡状态。(4(4）过程速率）过程速率 动量传递过程的推动力是压力差，阻力为摩擦阻动量传递过程的推动力是压力差，阻力为摩擦阻力力;热量传递过程的推动力是

38、温度差，阻力为热阻；热量传递过程的推动力是温度差，阻力为热阻；质量传递过程质量传递过程(传质过程传质过程)的推动力是浓度差，阻力的推动力是浓度差，阻力则为扩散阻力则为扩散阻力。自然界任何过程的速率都可表示为：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。过程速率是决定设备尺寸的重要因素。2.1 2.1 硫酸生产硫酸生产2.2.2 2 合成氨生产合成氨生产2.12.1硫酸生产硫酸生产 1 1概述概述 硫酸是重要的化工产品之一，在工农业生产中硫酸是重要的化工产品之一，在工农业生产中应用十分广泛。大量用于生产磷肥应用十分广泛。大

39、量用于生产磷肥(过磷酸钙过磷酸钙)和氮和氮肥肥(硫酸铵硫酸铵),),其消耗量占硫酸产量的一半以上；在有其消耗量占硫酸产量的一半以上；在有机化工、纤维、塑料、染料及农药生产，都用硫酸；机化工、纤维、塑料、染料及农药生产，都用硫酸；无机化工中硫酸盐、磷酸盐、铬酸盐等无机盐的生无机化工中硫酸盐、磷酸盐、铬酸盐等无机盐的生产，也需要用硫酸；国防和原子能工业中制造各种产，也需要用硫酸；国防和原子能工业中制造各种无烟炸药、从铀矿中萃取铀；冶金工业中金属精炼、无烟炸药、从铀矿中萃取铀；冶金工业中金属精炼、石油工业产品精制等。石油工业产品精制等。(1)(1)硫酸的用途和产品规格硫酸的用途和产品规格硫酸生产的主

40、要设备硫酸生产的主要设备 工业硫酸是指工业硫酸是指S0S03 3与与H H2 2O O以一定比例混合而成的以一定比例混合而成的化合物，分为稀硫酸化合物，分为稀硫酸(H H2 2S0S04 4含量含量6565和和75%)75%)、浓硫、浓硫酸酸(含量含量92.592.5和和98%)98%)和发烟硫酸和发烟硫酸(游离游离S0S03 3含量含量20%)20%)。国标国标(GB534-89)GB534-89)规定硫酸产品规格如下：规定硫酸产品规格如下：指标指标发烟硫酸发烟硫酸浓硫酸浓硫酸%/42SOHw%/3SOw游离%/灰分w%/Few92.5 980.10 0.10200.100.03（2 2）硫

41、酸生产的原料）硫酸生产的原料 硫铁矿硫铁矿按来源分：按来源分：有有普通硫铁矿普通硫铁矿、浮选硫铁矿浮选硫铁矿和和含煤硫铁矿含煤硫铁矿。普通硫铁矿中含硫普通硫铁矿中含硫25%-52%25%-52%，含铁，含铁35%-44%35%-44%。浮。浮选硫铁矿又称尾砂，含硫量为选硫铁矿又称尾砂，含硫量为30%-40%30%-40%。含煤硫铁。含煤硫铁矿含硫矿含硫3535一一40%40%，含碳，含碳1010一一20%20%。原料主要有原料主要有硫磺、硫铁矿、硫酸盐及含硫工业废物硫磺、硫铁矿、硫酸盐及含硫工业废物。硫磺硫磺含硫含硫99.5%99.5%，该工艺流程简单、投资费用少、，该工艺流程简单、投资费用少

42、、生产成本低。但是天然硫矿在世界上并不丰富，绝生产成本低。但是天然硫矿在世界上并不丰富，绝大部分硫是从石油、天然气生产中回收的。大部分硫是从石油、天然气生产中回收的。含硫工业废物含硫工业废物主要是有色冶金厂、石油炼制副主要是有色冶金厂、石油炼制副产气及低品位燃料燃烧废气中的产气及低品位燃料燃烧废气中的SO2，炼焦工业的，炼焦工业的焦炉气和合成氨厂的半水煤气中的焦炉气和合成氨厂的半水煤气中的H2S，以及金属，以及金属加工厂酸洗液、石油炼厂的加工厂酸洗液、石油炼厂的废酸与废渣废酸与废渣。硫酸盐硫酸盐有有石膏（石膏（CaSO4）,芒硝（芒硝（Na2SO4）和和明明矾石矾石KA13(OH)6(SO4)

43、2等。等。我国我国97和和03年生产硫酸以硫铁矿制酸的占年生产硫酸以硫铁矿制酸的占71.52%（38.7，1303.4万万t），），冶炼烟气占制酸冶炼烟气占制酸21.53%（22.3，752.1万万t），硫磺制酸占，硫磺制酸占5.44%（37.4，1260.9万万t），石膏制，石膏制酸占酸占1.2%（1.3，54.7万万t）.采用何种原料生产，取决于原料的来源和价格。采用何种原料生产，取决于原料的来源和价格。(3(3）硫酸生产的方法硫酸生产的方法 制造硫酸始于制造硫酸始于10世纪的阿拉伯炼金术者世纪的阿拉伯炼金术者,干馏绿干馏绿矾矾(FeSO4.7H2O),得到的硫酸称为矾油。得到的硫酸称为矾

44、油。15世纪，世纪，用硫磺和硝石混合燃烧用硫磺和硝石混合燃烧,将二氧化硫氧化成酸的方法将二氧化硫氧化成酸的方法(硝化法硝化法)出现。出现。18世纪世纪,英国实现批量生产英国实现批量生产;又推出又推出铅室法铅室法;20世纪开发成功塔式法。世纪开发成功塔式法。KNO3 借助固体催化剂的表面活性将二氧化硫氧化生借助固体催化剂的表面活性将二氧化硫氧化生产硫酸的方法叫产硫酸的方法叫接触法制硫酸接触法制硫酸。20世纪世纪40年代，钒年代，钒催化剂的出现，促进了接触法的发展。接触法产品催化剂的出现，促进了接触法的发展。接触法产品质量纯质量纯(不含氮氧化物不含氮氧化物)、生产强度大，已取代了硝化、生产强度大，

45、已取代了硝化法。目前法。目前98以上的硫酸由该法生产。以上的硫酸由该法生产。接触法制硫酸基本反应如下：接触法制硫酸基本反应如下：生产中一般用生产中一般用98.3的浓硫酸吸收的浓硫酸吸收SO3制硫酸制硫酸。SO2的制取的制取 将硫铁矿焙烧，制取将硫铁矿焙烧，制取SO2(S)+O2=SO2+QSO2 的转化的转化 SO2在固体催化剂上接触氧化为在固体催化剂上接触氧化为SO3SO3 的吸收的吸收 SO3与水结合生成硫酸与水结合生成硫酸SO2+0.5O2=SO3+QSO3+H2O=H2SO4+Q 工业上由于原料的差异和净化方法的不同，流工业上由于原料的差异和净化方法的不同，流程有长有短，其原则流程如图

46、所示。程有长有短，其原则流程如图所示。2二氧化硫炉气的制造二氧化硫炉气的制造 硫铁矿除主要成分硫铁矿除主要成分FeS2外，还含有铜、锌、铅、外，还含有铜、锌、铅、砷、镍、钴、硒、碲等元素的硫化物和氟、钙、镁砷、镍、钴、硒、碲等元素的硫化物和氟、钙、镁的碳酸盐和硫酸盐以及少量的银、金等杂质。硫铁的碳酸盐和硫酸盐以及少量的银、金等杂质。硫铁矿含硫量一般为矿含硫量一般为30-50%，25以下则为贫矿。硫以下则为贫矿。硫铁矿的粒度影响焙烧反应速率和脱硫程度，还关系铁矿的粒度影响焙烧反应速率和脱硫程度，还关系到焙烧的操作状态。破碎操作一般是先将大块矿石到焙烧的操作状态。破碎操作一般是先将大块矿石粗碎至粗

47、碎至3545mm以下，再细碎至碎粒小于以下，再细碎至碎粒小于3一一6mm，送入料仓或直接到焙烧炉。送入料仓或直接到焙烧炉。(1)硫铁矿的预处理硫铁矿的预处理(2)硫铁矿的焙烧硫铁矿的焙烧 2FeS2=2FeS+S2-QS2+2O2=2SO2+Q4FeS+7O2=2Fe2O3+4SO2+Q4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2+3411kJ3FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2+2435kJ焙烧原理焙烧原理硫铁矿在焙烧中发生化学反应，主要生成硫铁矿在焙烧中发生化学反应，主要生成SO2，分两，分两步进行，第一步步进行，第一步FeS2分解分解第二步是分解氧化第二步是分解氧化总反应方程为总反应

48、方程为当空气较少当空气较少,氧气刚好满足反应需要不过量氧气刚好满足反应需要不过量,生成生成Fe3O4 焙烧过程发生的副反应有：焙烧过程发生的副反应有：SOSO2 2与高温炉渣与高温炉渣(FeFe2 2O O3 3)接触被催化氧化为接触被催化氧化为SOSO3 3；矿石中钙、镁的碳酸盐分解；矿石中钙、镁的碳酸盐分解为相应的氧化物，与为相应的氧化物，与SOSO3 3作用生成硫酸盐；铜、锌、作用生成硫酸盐；铜、锌、钴、硒、砷等元素的硫化物氧化生成相应的氧化物钴、硒、砷等元素的硫化物氧化生成相应的氧化物。焙烧过程放出大量热，完全可以维持反应所需焙烧过程放出大量热，完全可以维持反应所需温度。放出的热量除高

49、温设备热损失外，主要消耗温度。放出的热量除高温设备热损失外，主要消耗在加热炉气和矿渣以及蒸发矿石中的水分。在加热炉气和矿渣以及蒸发矿石中的水分。在硫铁矿焙烧两步主反应中，在硫铁矿焙烧两步主反应中，FeS2的分解速率的分解速率大于大于FeS的燃烧速率，如下图。的燃烧速率，如下图。FeS的焙烧是一个气的焙烧是一个气固相反应，经历了空气中固相反应，经历了空气中 O2从气流主体向矿粒表从气流主体向矿粒表面扩散、面扩散、O2与固相与固相FeS发生化学反应、生成的发生化学反应、生成的SO2向气流主体扩散几个步骤。向气流主体扩散几个步骤。为得到硫铁矿中硫的高烧出率和焙烧反应速率，为得到硫铁矿中硫的高烧出率和

50、焙烧反应速率，设法提高设法提高FeS的焙烧速率。的焙烧速率。O2通过氧化层的扩散控通过氧化层的扩散控制着制着 FeS的燃烧速率，为提高整个反应速率，就得的燃烧速率，为提高整个反应速率，就得设法增大设法增大O2的扩散速率。的扩散速率。焙烧操作条件焙烧操作条件:a温度温度 提高温度有利于增大提高温度有利于增大O2通过氧化层的扩通过氧化层的扩散速率，从而加快散速率，从而加快FeS焙烧速率，提高焙烧速率，提高FeS2分解速分解速率。但温度太高，会使矿料熔融，引起炉内结疤，率。但温度太高，会使矿料熔融，引起炉内结疤，破坏了炉内正常操作。破坏了炉内正常操作。焙烧温度控制在焙烧温度控制在850950为宜。为