1、化學(xué)工藝學(xué)Chemical Technology,化學(xué)工程與工藝專業(yè),1.1 化學(xué)工程與化學(xué)工藝 1.2 化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷史及其作用 1.3 現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)特點(diǎn)和發(fā)展方向 1.4 化學(xué)工業(yè)的原料和主要產(chǎn)品 1.5 化學(xué)工藝的共性知識,第一章 緒論,1.1 化學(xué)工程與化學(xué)工藝,化學(xué)工業(yè) Chemical Industry 化學(xué)工藝 化學(xué)工程 Chemical Chemical Technology Engineering,1.1 化學(xué)工程與化學(xué)工藝,化學(xué)工藝 個性 研究具體過程 從原料到產(chǎn)品,化學(xué)工程 共性 單元操作 工程因素尤其是放大,兩者相輔相成，密不可分,1.1.1 什么是化學(xué)工藝學(xué)?,化學(xué)

2、工藝 也稱化工生產(chǎn)技術(shù)或化工技術(shù)，系指將原料物質(zhì)主要經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的方法和過程，包括實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的全部化學(xué)的和物理的措施。 化學(xué)工藝學(xué) 是根據(jù)化學(xué)、物理和其他科學(xué)的成就，來研究綜合利用各種原料生產(chǎn)化工產(chǎn)品的方法原理、操作條件、流程和設(shè)備，以創(chuàng)立技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、生產(chǎn)上安全的化工生產(chǎn)工藝的學(xué)科。,1.1.2 化學(xué)工藝學(xué)的研究范疇,原料的選擇和預(yù)處理； 生產(chǎn)方法的選擇及方法原理； 設(shè)備(反應(yīng)器和其他)的作用、結(jié)構(gòu)和操作； 催化劑的選擇和使用； 其他物料（雜質(zhì)）的影響； 操作條件（溫度、壓力等）的影響和選定； 流程組織；生產(chǎn)控制； 產(chǎn)品規(guī)格和副產(chǎn)物的分離與利用； 能量的回收和利用； 對

3、不同工藝路線和流程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評比等。,1.1.3 什么是化學(xué)工程學(xué),化學(xué)過程是指物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化的反應(yīng)過程。 物理過程系指物質(zhì)不經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生的組成、性質(zhì)、狀態(tài)、能量變化過程。 化學(xué)過程往往和物理過程同時發(fā)生。所有這些過程，都可通過化學(xué)工程的研究，認(rèn)識和解釋其規(guī)律性，并使之應(yīng)用于生產(chǎn)過程和裝置的開發(fā)、設(shè)計、操作，以達(dá)到優(yōu)化和提高效率的目的。,1.1.3 什么是化學(xué)工程學(xué),研究化學(xué)工業(yè)和其他過程工業(yè)生產(chǎn)中所進(jìn)行的化學(xué)過程和物理過程共同規(guī)律的一門工程學(xué)科。 其他過程工業(yè)：石油煉制工業(yè)、冶金工業(yè)、建筑材料工業(yè)、食品工業(yè)、造紙工業(yè)等。 它們從石油、煤、天然氣、鹽、石灰石、其他礦石和糧食、木材、水、空

4、氣等基本的原料出發(fā)，借助化學(xué)過程或物理過程，改變物質(zhì)的組成、性質(zhì)和狀態(tài)，使之成為多種價值較高的產(chǎn)品。,1.1.3 什么是化學(xué)工程學(xué),工業(yè)生產(chǎn)的共同特點(diǎn)：生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)效益提高的重要途徑：裝置的放大，以節(jié)省投資，降低消耗，減少占地, 節(jié)約人力。,1.1.3 什么是化學(xué)工程學(xué),在大裝置上所能達(dá)到的某些指標(biāo)，通常低于小型試驗(yàn)結(jié)果，原因是隨著裝置的放大，物料的流動、傳熱、傳質(zhì)等物理過程的因素和條件發(fā)生了變化。這種起源于放大過程的效應(yīng)，長期以來被籠統(tǒng)地稱作“放大效應(yīng)”，它包含了很多已查明或未查明的物理因素（或稱工程因素）的影響。,1.1.4 化學(xué)工程學(xué)的研究內(nèi)容,單元操作：流體輸送、換熱、蒸餾、吸收

5、、蒸發(fā)、萃取、結(jié)晶、干燥等。 化學(xué)反應(yīng)工程：化學(xué)反應(yīng)是化工生產(chǎn)的核心部分，它決定著產(chǎn)品的收率，對生產(chǎn)成本有著重要影響。 傳遞過程：動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。著重研究上述三種傳遞的速率及相互關(guān)系，連貫起一些本質(zhì)類同但表現(xiàn)形式各異的現(xiàn)象。 化工熱力學(xué)：研究傳遞過程的方向和極限，提供過程分析和設(shè)計所需的有關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 化工系統(tǒng)工程：化工過程中，各個過程單元相互影響，相互制約，因此很有必要將化工過程看作一個綜合系統(tǒng)，并建立起整體優(yōu)化的概念。,1.1.5 化學(xué)工程與化學(xué)工藝的關(guān)系,化學(xué)生產(chǎn)過程一般可概括為三個主要步驟： 原料處理。 化學(xué)反應(yīng)。 產(chǎn)品精制。 以上每一步都需在特定的設(shè)備中，在一定的操作條

6、件下完成所要求的化學(xué)的和物理的轉(zhuǎn)變。,化學(xué)工程與工藝核心課程基本框架,化學(xué)工程和化學(xué)工藝密不可分，它們相配合，可解決化工過程中的各種問題。,1.2 化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷史及其作用1.2.1 化學(xué)工業(yè)的發(fā)展史,制陶、釀造、冶煉,制堿、制酸、煤化學(xué)、合成氨,石油化工,高分子化工：合成材料,新興的化學(xué)工業(yè),1.2 化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷史及其作用1.2.1 化學(xué)工業(yè)的發(fā)展史,18世紀(jì)前：作坊式手工工藝，例如釀造、玻璃、冶金和染色等工業(yè)。 18世紀(jì)初：鉛室法制硫酸，到了19世紀(jì)中，原料由硫黃改為黃鐵礦，并建立了蓋呂薩克塔，改革了原料的經(jīng)濟(jì)利用以及硫酸應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，因而使生產(chǎn)量急劇增加。由于兩方面相互促進(jìn)的

7、結(jié)果，而使硫酸工業(yè)發(fā)展成為化學(xué)工業(yè)的心臟，強(qiáng)而有力地影響著整個化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。 19世紀(jì)中葉，硝酸開始工業(yè)化，19世紀(jì)后期，以純堿為中心而發(fā)展起來的大規(guī)模生產(chǎn)開始。從中生產(chǎn)出了重要副產(chǎn)品鹽酸。隨著制堿法的不斷發(fā)展，其它如鹽酸、芒硝、氯、漂白粉、碳酸氫鈉和氫氧化鈉等工業(yè)生產(chǎn)也逐漸隨著發(fā)展起來。,1.2 化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷史及其作用1.2.1 化學(xué)工業(yè)的發(fā)展史,煤干餾工業(yè)是從19世紀(jì)初期開始的。最初是為了照明。后從煤焦油中制出了苯，又從苯中衍生出來苯胺染料和其它的芳香族化合物；還發(fā)現(xiàn)了煤焦油是氨的豐富原料。 1913年，世界上第一個合成氨廠建立，有力的促進(jìn)了無機(jī)和有機(jī)化工的發(fā)展 20世紀(jì)40年代，管

8、式爐裂解烴開發(fā)成功。60年代后，石油化工突飛猛進(jìn)的發(fā)展。 20世紀(jì)50年代后，三大合成材料（合成塑料、合成橡膠、合成纖維）工業(yè)開始發(fā)展。,1.2 化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷史及其作用1.2.2 化學(xué)工業(yè)的重要作用,人類的生存離不開化學(xué)工業(yè)，糧食的增產(chǎn)需要化肥和農(nóng)藥，人們的健康需要藥物。 人類的日常生活（衣、食、住、行）離不開化學(xué)工業(yè)。 化工是二次能源的主要供應(yīng)者，也是未來能源的開拓者。 國防、軍工、航天離不開化工。 高新技術(shù)的發(fā)展離不開化工。 化工是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),2010中國企業(yè)100強(qiáng)名單(1-100),1.3 現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)特點(diǎn)和發(fā)展方向1.3.1 現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)特點(diǎn),原料、方法和產(chǎn)品多樣性與復(fù)雜

9、性 大型化、綜合化、精細(xì)化率提高 多學(xué)科、生產(chǎn)技術(shù)密集型的生產(chǎn)部門 能量合理利用，節(jié)能工藝和方法 資金密集，投資回收速度快，利潤高 安全與環(huán)境保護(hù) （化工生產(chǎn)中易燃、易爆、有毒是現(xiàn)代化工企業(yè)首要解決的問題）,1.3 現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)特點(diǎn)和發(fā)展方向1.3.2 現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展方向,高新技術(shù)，縮短新技術(shù)、新工藝工業(yè)化的周期，加快產(chǎn)品更新和升級的速度 最充分、最徹底地利用原料 大力發(fā)展綠色化工 化工過程要高效、節(jié)能和智能化 實(shí)施廢棄物再生利用工程,1.4 化學(xué)工業(yè)的原料和主要產(chǎn)品,化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品有很多:化學(xué)原料、化學(xué)肥料、三大合成材料、染料、香料、涂料、感光材料、橡膠材料、新型材料、醫(yī)藥、農(nóng)藥、炸藥、各種試劑

10、、助劑、日用化學(xué)品等等. 通?；瘜W(xué)工業(yè)可分為無機(jī)化學(xué)工業(yè)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)即無機(jī)化工和有機(jī)化工.,一、無機(jī)化工,基本無機(jī)化工 三酸、兩堿、合成氨、化學(xué)肥料 精細(xì)無機(jī)化工 各種試劑、藥劑、日化品、稀有元素等 電化學(xué)工業(yè) 氯堿工業(yè)、濕法電冶金、電石生產(chǎn)等 硅酸鹽工業(yè) 玻璃、陶瓷、水泥、耐火材料等 礦物涂料和顏料的生產(chǎn),硫酸、硝酸、鹽酸,1.4 化學(xué)工業(yè)的原料和主要產(chǎn)品1.4.1 化學(xué)工業(yè)的原料資源及加工利用,A、無機(jī)化學(xué)礦： (1)鹽礦; (2)硫礦;(3)磷礦；(4)鉀鹽礦；(5)鋁土礦；(6)硼礦；(7)錳礦；(8)鈦礦；(9)鋅礦；(10)鋇礦；(11)天然沸石；(12)硅藻土、膨潤土。 此外，

11、還有鉻鐵礦；赤鐵礦；黃銅礦；方鉛礦；鎳黃鐵礦；輝鉬礦；天青石；鈮鐵礦等，是冶煉各種金屬的原料。,1.4 化學(xué)工業(yè)的原料和主要產(chǎn)品1.4.1 化學(xué)工業(yè)的原料資源及加工利用,A、無機(jī)化學(xué)礦： 其中磷礦和硫鐵礦是化學(xué)礦山產(chǎn)量最大的兩個產(chǎn)品。 磷礦是生產(chǎn)磷肥、磷酸、單質(zhì)磷、磷化物和磷酸鹽的原料。 硫鐵礦用于制硫酸，世界上硫酸總產(chǎn)量的一半以上用于生產(chǎn)磷肥和氮肥。,合成塑料、合成橡膠、合成纖維,二、有機(jī)化工,基本有機(jī)化工 三烯三苯一炔一萘;甲醇、甲醛、乙烯系、丙烯系和芳香烴產(chǎn)品等 精細(xì)有機(jī)化工 各種試劑、藥劑、香料和殺蟲劑、染料工業(yè)和各種中間體(醫(yī)藥、農(nóng)藥、顏料)等 高分子化學(xué)工業(yè) 三大合成、成膜材料等的

12、生產(chǎn) 燃料化學(xué)工業(yè) 石油、天然氣、煤的化學(xué)加工等 食品工業(yè) 糖、油脂、飲料、生化產(chǎn)品等 其它 造紙、制革、橡膠等的加工,乙烯、丙烯、丁二烯,苯、甲苯、二甲苯,1.4 化學(xué)工業(yè)的原料和主要產(chǎn)品1.4.1 化學(xué)工業(yè)的原料資源及加工利用,B、石油：,1.4 化學(xué)工業(yè)的原料和主要產(chǎn)品1.4.1 化學(xué)工業(yè)的原料資源及加工利用,C、天然氣：,1.4 化學(xué)工業(yè)的原料和主要產(chǎn)品1.4.1 化學(xué)工業(yè)的原料資源及加工利用,D、煤：,1.4 化學(xué)工業(yè)的原料和主要產(chǎn)品1.4.1 化學(xué)工業(yè)的原料資源及加工利用,E、生物資源：,農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)的產(chǎn)品及其廢棄物(殼、芯、稈、糠、渣)等生物質(zhì)通過化學(xué)或生物化學(xué)方法可以轉(zhuǎn)

13、變?yōu)榛A(chǔ)化學(xué)品或中間產(chǎn)品，例如葡萄糖、乳酸、檸檬酸、乙醇、丙酮、高級脂肪酸(月桂酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、肉豆蔻酸)等。其中比較重要的有糠醛的生產(chǎn)、乙醇的生產(chǎn)、丙二醇的生產(chǎn)等,1.4 化學(xué)工業(yè)的原料和主要產(chǎn)品1.4.1 化學(xué)工業(yè)的原料資源及加工利用,F、再生資源：,工農(nóng)業(yè)和生活廢料在原則上都可以回收處理、加工成有用的產(chǎn)品，這些再生資源的利用不僅可以節(jié)約自然資源，而且是治理污染、保護(hù)環(huán)境的有效措施之一。 廢塑料重新煉制成液體燃料 含碳的廢料也可通過部分氧化法轉(zhuǎn)化為小分子氣體化合物，然后再加工利用。,1.4 化學(xué)工業(yè)的原料和主要產(chǎn)品1.4.1 化學(xué)工業(yè)的原料資源及加工利用,G、空氣和水：,空氣中的

14、O2和N2是重要化工原料； 從空氣中提取的高純度氬、氦、氖、氪等氣體，廣泛應(yīng)用于高精尖科技領(lǐng)域。 水在化工中應(yīng)用更普遍,可作為原料、溶劑、冷熱載體等。,化工生產(chǎn)基本原料簡介,石油、煤、天然氣、農(nóng)林副產(chǎn)品，各種礦物質(zhì)。 世界能源消耗量： 石油40%、煤27%、天然氣23%、核能7%、水3%。 2004年世界石油產(chǎn)量前五位：俄羅斯、沙特、美國、伊朗、中國。中國石油產(chǎn)量1.75億噸，探明儲量25億噸，探明天然氣儲量1.51億噸。 2004年中國煤炭產(chǎn)量19.8億噸,居世界第一位。,1.5 化學(xué)工藝的共性知識1.5.1化工過程的主要效率指標(biāo),生產(chǎn)能力系指一個設(shè)備、一套裝置或一個工廠在單位時間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)

15、品量，或在單位時間內(nèi)處理的原料量。 生產(chǎn)強(qiáng)度為設(shè)備的單位特征幾何量的生產(chǎn)能力。即設(shè)備的單位體積的生產(chǎn)能力，或單位面積的生產(chǎn)能力。用于比較那些相同反應(yīng)過程或物理加工過程的設(shè)備或裝置的優(yōu)劣。設(shè)備中進(jìn)行的過程速率高，其生產(chǎn)強(qiáng)度就高。,轉(zhuǎn)化率是指某一反應(yīng)物參加反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的數(shù)量占該反應(yīng)物起始量的分率或百分率，用符號X表示。 其定義式為 轉(zhuǎn)化率表征原料的轉(zhuǎn)化程度，反映了反應(yīng)進(jìn)度。,1.5 化學(xué)工藝的共性知識1.5.1化工過程的主要效率指標(biāo),1.5 化學(xué)工藝的共性知識1.5.1化工過程的主要效率指標(biāo),選擇性系指體系中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的某反應(yīng)物量與參加所有反應(yīng)而轉(zhuǎn)化的該反應(yīng)物總量之比。用符號S表示，其定義式如下

16、 在復(fù)雜反應(yīng)體系中，選擇性是個很重要的指標(biāo)，它表達(dá)了主、副反應(yīng)進(jìn)行程度的相對大小，能確切反映原料的利用是否合理。,1.5 化學(xué)工藝的共性知識1.5.1化工過程的主要效率指標(biāo),收率亦稱為產(chǎn)率，是從產(chǎn)物角度來描述反應(yīng)過程的效率。符號為y，其定義式為： 收率等于轉(zhuǎn)化率與選擇性的乘積。 當(dāng)物料有循環(huán)時，轉(zhuǎn)化率有單程轉(zhuǎn)化率及總轉(zhuǎn)化率之分，收率也有單程收率及總收率之分。,1.5 化學(xué)工藝的共性知識1.5.2 反應(yīng)條件對化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,溫度對化學(xué)平衡的影響：對于不可逆反應(yīng)不需考慮化學(xué)平衡，而對于可逆反應(yīng)，其平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系為： 吸熱反應(yīng)，H0，K值隨著溫度升高而增大，有利于反應(yīng)，產(chǎn)物的平衡產(chǎn)率

17、增加。 放熱反應(yīng)，H0，K值隨著溫度升高而減小，平衡產(chǎn)率降低。故只有降低溫度才能使平衡產(chǎn)率增高。,1.5 化學(xué)工藝的共性知識 1.5.2 反應(yīng)條件對化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,溫度對反應(yīng)速率的影響：反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系見阿累尼烏斯方程，即 對于不可逆反應(yīng)，逆反應(yīng)速率忽略不計，故產(chǎn)物生成速率總是隨溫度的升高而加快； 對于吸熱的可逆反應(yīng)，凈速率r總是隨著溫度的升高而增高的；,1.5 化學(xué)工藝的共性知識 1.5.2 反應(yīng)條件對化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,對于放熱的可逆反應(yīng)，凈速率隨溫度變化有三種可能性： 當(dāng)溫度較低時，凈反應(yīng)速率隨溫度的升高而增高； 當(dāng)溫度超過某一值后，凈反應(yīng)速率開始隨著溫度的升高而

18、下降。凈速率有一個極大值，此極大值對應(yīng)的溫度稱為最佳反應(yīng)溫度(TOP)，亦稱最適宜反應(yīng)溫度。,1.5 化學(xué)工藝的共性知識 1.5.2 反應(yīng)條件對化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,濃度對化學(xué)平衡的影響：反應(yīng)物濃度越高，越有利于平衡向產(chǎn)物方向移動。當(dāng)有多種反應(yīng)物參加反應(yīng)時，往往使價廉易得的反應(yīng)物過量，從而可以使價貴或難得的反應(yīng)物更多地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，提高其利用率。 濃度對反應(yīng)速率的影響：反應(yīng)物濃度愈高，反應(yīng)速率愈快。一般在反應(yīng)初期，反應(yīng)物濃度高，反應(yīng)速率大，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)物逐漸消耗，反應(yīng)速率逐漸下降。,1.5 化學(xué)工藝的共性知識 1.5.2 反應(yīng)條件對化學(xué)平衡和反應(yīng)速率的影響,壓力對液相和固相反應(yīng)的平衡

19、影響較小。 氣體的體積受壓力影響大，故壓力對有氣相物質(zhì)參加的反應(yīng)平衡影響很大，其規(guī)律為: 對分子數(shù)增加的反應(yīng)，降低壓力可以提高平衡產(chǎn)率； 對分子數(shù)減少的反應(yīng)，壓力升高，產(chǎn)物的平衡產(chǎn)率增大； 對分子數(shù)沒有變化的反應(yīng)，壓力對平衡產(chǎn)率無影響。 在一定的壓力范圍內(nèi)，加壓可減小氣體反應(yīng)體積，且對加快反應(yīng)速率有一定好處，但效果有限，壓力過高，能耗增大，對設(shè)備要求高，反而不經(jīng)濟(jì)。 惰性氣體的存在，可降低反應(yīng)物的分壓，對反應(yīng)速率不利，但有利于分子數(shù)增加的反應(yīng)的平衡。,1.5 化學(xué)工藝的共性知識 1.5.3 催化劑的性能及使用,催化劑的作用體現(xiàn)為： （1）、提高反應(yīng)速率和選擇性。 （2）、改進(jìn)操作條件。 （3）、催化劑有助于開發(fā)新的反應(yīng)過程.發(fā)展新的化工技術(shù)。 （4）、催化劑在能源開發(fā)和消除污染中可發(fā)揮重要作用。,1.5 化學(xué)工藝的共性知識 1.