化工原理绪论电子教案.ppt
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1、第第1 1章章 绪论绪论 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 1.41.4单位与单位制单位与单位制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。一般占济发展中举足轻重。一般占GDPGDP的的5-7%5-7%,占工业产值,占工业产值的的7-10%7-10%甚至更高。过去十年,世界化学工业以高于甚至更高。过去十年,世界化学工业以高于世界经济增长率的世界经济增长率的20%-3020%-30的速度发展。我国化工产的速度发
2、展。我国化工产业占业占GDPGDP的的12-15%12-15%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。需求,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 机械工业机械工业 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、防锈涂料、合成纤
3、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 超高材料、超导材料;如气体、试剂、半导体、超高材料、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166.5 166.5 kmkm
4、2 2橡胶园所橡胶园所产的天然橡胶。农药、化肥、农用地膜、人工降产的天然橡胶。农药、化肥、农用地膜、人工降雨等雨等。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 (制药、精细化工)(
5、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。d d按技术密
6、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,大利润,高纯度的产品高附加值,小批量,大利润,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,有根据物质来源分,有无机原料和有机原料无机原料和有机原料两大类。两大类。前者主要有空气、水和化学矿物;后者主要是煤、石前者主要有空气、水和化学矿物;后者主要是煤、石油、天然气和生物物质。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。氧气与诸多化工原料反应
7、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。水主要作为原料,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、焦碳、苯、焦炉气(煤焦油、焦碳、苯、焦炉气(CHCH4 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、橡胶、染
8、料等。料等。c c石油石油 油品、炼厂气、裂解、重整。油品、炼厂气、裂解、重整。b b天然气天然气 甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。(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。要考虑原料术、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,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。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、不可取代的工业部门 化学
9、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,技术密集的工业部门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以机械工业的技术密集指数为100100,化学工
10、业则达到,化学工业则达到24802480。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年左右时间年左右时间,耗资,耗资60006000万美元。万美元。(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、重污染的工业部门化学工业是易污染、重污染的工业部门 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,最初的化工可追溯到公元化学工业历史悠久,最初的化工可追溯到公元前前20002000多年前的制陶、冶炼、酿造、漂染、揉革等
11、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业,从钢铁工业的发展促进了
12、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为原料生产的,三大合成材料
13、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,化工产品出现多样化、功能化、精细化的特点。成为化学工出现多样化、功能化、精细化的特点。成为化学工业的起点,化学工
14、业由发展基础化工转向重点发展业的起点,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精细化学工业,使化学工业发展达到了一个新的历史时期。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联合企业联合企业。表表1 11
15、 1为为我国与部分发达国家主要化工产品产量比较我国与部分发达国家主要化工产品产量比较(19971997年年)表表 表表1 12 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1 13 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第一位.表表1 1一一4 4列举了列举了1
16、9971997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 0.261.21.2化工生产过程概述化工生产过程概述 生产中,原料预处理和产物分离,缺一不可。生产中,原料预处理和产物分离,缺一不可。化学反
17、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。由于
18、被加工物料的相态不同、过程原理和采用方法的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,称之为理定律,有某种功用的基本操作过程,称之为单元操单元操作作,如生产硫酸,如生产硫酸.见见表表1 1一一5 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
19、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1-5 1-5 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
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