化工基礎(chǔ)張四方緒論

化工基礎(chǔ)Elementary

Chemical

Engineering化工基礎(chǔ)——化學(xué)工程基礎(chǔ)什么是化學(xué)工程？

化學(xué)過程——是指物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化的反應(yīng)過程，如柴油的催化裂化制備高辛烷值汽油是一個化學(xué)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，如原油經(jīng)過蒸餾的分離而得到汽油、柴油、煤油等產(chǎn)品。實際上，化學(xué)過程往往和物理過程同時發(fā)生。例如催化裂化是一個典型的化學(xué)過程，但輔有加熱、冷卻和分離，并且在反應(yīng)進行過程中，伴隨有流動、傳熱和傳質(zhì)。

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。這些工業(yè)包括石油煉制工業(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，如化肥、汽油、潤滑油、合成纖維、合成橡膠、塑料等等。通過化學(xué)工程的研究，認識和闡釋這些過程的規(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，以達到優(yōu)化和提高效率的目的。

化學(xué)過程與化學(xué)工程的區(qū)別化學(xué)工程：如何通過一系列的設(shè)備、工藝、操作來實現(xiàn)化學(xué)過程。注重過程、條件、影響因素。關(guān)注操作性、合理性、經(jīng)濟性?；瘜W(xué)過程：化學(xué)反應(yīng)的原理、機理，過程進行的可行性。注重能否進行的問題。◆問題：?？平逃c本科教育的差異何在？◆?？平逃詰?yīng)用為目的，在理論學(xué)習(xí)上以夠用為度；而本科教育重在培養(yǎng)學(xué)生的理論體系?！衾樱汉缥F(xiàn)象。大家都知道水往低處流，但在虹吸中水先往高處流，越過一個高點后才往低處流。為什么呢？只有用流體動力學(xué)的理論才能作出解釋?！艚?jīng)驗只能解決現(xiàn)象問題，理論才能解決本質(zhì)問題。◆請珍惜本科教育機會，注重培養(yǎng)自己的理論體系，認真學(xué)好每門基礎(chǔ)理論課。◆化工基礎(chǔ)，是化工類各專業(yè)課的基礎(chǔ)理論課，也是化學(xué)工藝等專業(yè)考研的必考專業(yè)課。一.化學(xué)工業(yè)概述

化學(xué)工業(yè)（chemicalindustry）又稱化學(xué)加工工業(yè)，是綜合運用化學(xué)和物理方法將原料加工成化學(xué)產(chǎn)品的加工工業(yè)。也泛指生產(chǎn)過程中化學(xué)方法占主要地位的過程工業(yè)。1.化學(xué)工業(yè)的重要性及其發(fā)展化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟重要的基礎(chǔ)工業(yè)，是最具活力、最具競爭力、可發(fā)展前景極強的產(chǎn)業(yè)。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，化學(xué)工業(yè)從50年代起進入高速發(fā)展期，已成為世界經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。2.化學(xué)工業(yè)的分類化工生產(chǎn)裝置實例——70萬噸乙烯裝置化工生產(chǎn)裝置實例——甲醇回收裝置化工生產(chǎn)裝置實例——合成氨裝置化工生生產(chǎn)過過程實實例濕法磷磷酸生生產(chǎn)工工藝流流程磷礦石石破碎球磨酸解反反應(yīng)過濾濃縮精制磷酸（（化肥肥、飼飼料用用）磷酸（（醫(yī)藥藥、食食品用用）硫酸HF氣體（（回收收）過濾水濾渣石石膏洗液加工成成鹽3.化化學(xué)工工業(yè)的的特點點(1)化學(xué)學(xué)工業(yè)業(yè)與人人類的的生存存和發(fā)發(fā)展息息息相相關(guān)當(dāng)今世世界面面臨的的三大挑挑戰(zhàn)：A.人人口增增長：1804年10億億人→1927年20億億人→1960年30億億人→→1974年40億億人→→1987年50億億人→→1999年60億億人，，每年年7800萬人人的增增長速速度，，預(yù)計計2013年70億億，實實際2010年年64.64億億人。?！猿燥埓蟠髥栴}題！B.環(huán)環(huán)境污污染：人口口增長長→工工業(yè)發(fā)發(fā)展→→大氣氣和水水污染染。每每年流流入海海洋的的石油油達1000多多萬噸噸，排排入大大氣的的CO2達230億億噸，，水土土流失失240億億噸。。C.能能源短短缺：以現(xiàn)現(xiàn)有速速度，，全世世界的的石油油只夠夠用60年年，煤煤炭300年左左右。?；瘜W(xué)工工業(yè)已已擔(dān)負負起迎迎接三三大挑挑戰(zhàn)的的歷史史重任任：可可提供供充足足的化化肥、、農(nóng)藥藥、化化學(xué)纖纖維、、合成成醫(yī)藥藥及各各種新新型合合成材材料，，滿足足人口口增長長帶來來的衣衣、食食、住住、行行的需需要；；在化化工生生產(chǎn)中中合理理使用用能源源和開開發(fā)新新能源源，可可有效效解決決能源源緊缺缺問題題（如如生物物能源源、核核能等等）；；“三三廢””的治治理更更是化化學(xué)工工業(yè)義義不容容辭的的責(zé)任任，其其作用用是其其他工工業(yè)無無法替替代的的。(2)化工工產(chǎn)品品品種種繁多多，工工藝復(fù)復(fù)雜品種繁繁多導(dǎo)導(dǎo)致生生產(chǎn)工工藝的的多樣樣性。。同一一原料料可生生產(chǎn)多多種產(chǎn)產(chǎn)品，，同一一產(chǎn)品品又可可利用用多種種原料料生產(chǎn)產(chǎn)，所所以技技術(shù)難難度大大。合合理的的資源源配置置和原原料路路線，，恰當(dāng)當(dāng)工藝藝技術(shù)術(shù)的選選擇和和組合合，產(chǎn)產(chǎn)品結(jié)結(jié)構(gòu)和和產(chǎn)業(yè)業(yè)結(jié)構(gòu)構(gòu)的優(yōu)優(yōu)化，，是化化工中中要解解決的的主要要問題題。(3)化學(xué)學(xué)工業(yè)業(yè)是裝裝置型型工業(yè)業(yè)，具具有規(guī)規(guī)模經(jīng)經(jīng)濟性性化工生生產(chǎn)的的主要要設(shè)備備大多多是塔塔、罐罐、槽槽、器器及管管道，，生產(chǎn)產(chǎn)能力力與容容積（（即其其線性性尺寸寸的三三次方方）呈呈正比比，制制造費費與容容器表表面積積（即即其線線性尺尺寸的的二次次方））呈正正比。。裝置置的投投資費費用T與其其生產(chǎn)產(chǎn)能力力M的的2/3次次方呈呈正比比（所所謂的的0.6次次方法法則））：T=M0.6~0.7如：M=10萬元元/年年，則則T=40~50萬萬元，，4~5倍倍M=100萬元元/年年，則則T=1600~2500萬萬元，，16~25倍倍M=1000萬萬元/年，，則T=6.3~12.6億億元，，63~126倍(4)化學(xué)學(xué)工業(yè)業(yè)是資資金密密集型型、技技術(shù)密密集型型工業(yè)業(yè)工藝復(fù)復(fù)雜性性和裝裝置大大型化化決定定了它它的這這一特特征。。如年年產(chǎn)值值30萬噸噸合成成氨,45萬噸噸尿素素的化化肥廠廠，投投資達達到40-50億元元；年年產(chǎn)30萬萬噸的的乙烯烯廠，，需投投資60-80億元元?；ぜ技夹g(shù)更更新速速度快快，化化工廠廠設(shè)備備的壽壽命一一般不不超過過15年流動資資金占占固定定投資資的12-20%，每年年的設(shè)設(shè)備維維修費費5-10%。如：：M=100萬元元/年年，T=2000萬萬元，，流動動資金金300-400萬萬元，，維修修費100-200萬元元/年年。技術(shù)密密集表表現(xiàn)在在工藝藝流程程長，，從原原料到到產(chǎn)品品，涉涉及化化學(xué)、、機械械、電電子、、儀表表等諸諸多領(lǐng)領(lǐng)域，，有很很高的的知識識密集集度和和很強強的技技術(shù)綜綜合性性。若以以機機械械工工業(yè)業(yè)的的技技術(shù)術(shù)密密集集指指數(shù)數(shù)為為100，，則則化化學(xué)學(xué)工工業(yè)業(yè)達達到到2480。。(5)化化學(xué)學(xué)工工業(yè)業(yè)是是能能耗耗大大戶戶化學(xué)學(xué)工工業(yè)業(yè)以以煤煤、、石石油油、、天天然然氣氣等等能能源源為為原原料料，，也也作作為為生生產(chǎn)產(chǎn)的的動動力力和和燃燃料料。。能能源源中中約約40％％作作為為生生產(chǎn)產(chǎn)原原料料，，60％％作作為為動動力力和和燃燃料料，，原料料消消耗耗費費占占產(chǎn)產(chǎn)品品成成本本的的60%-70%。(6)化化學(xué)學(xué)工工業(yè)業(yè)是是易易污污染染、、重重污污染染的的工工業(yè)業(yè)部部門門化工工產(chǎn)產(chǎn)品品大大多多是是易易燃燃、、易易爆爆、、有有毒毒的的，，在在生生產(chǎn)產(chǎn)、、儲儲存存、、運運輸輸、、使使用用過過程程中中，，如如果果發(fā)發(fā)生生泄泄露露，，就就會會嚴(yán)嚴(yán)重重危危害害人人的的健健康康，，污污染染環(huán)環(huán)境境。。例例如如廣廣西西廣廣維維集集團團爆爆炸炸事事件件。。2008年年8月月26日日6時時45分分，，廣廣維維化化工工股股份份有有限限公公司司有有機機車車間間發(fā)發(fā)生生爆爆炸炸事事故故，爆爆炸炸引引發(fā)發(fā)的的火火災(zāi)災(zāi)導(dǎo)導(dǎo)致致車車間間內(nèi)內(nèi)裝裝有有甲甲醇醇、、乙乙炔炔、、醋醋酸酸乙乙烯烯等等易易燃燃易易爆爆物物品品的的儲儲罐罐發(fā)發(fā)生生爆爆炸炸，，共共造造成成20人人死死亡亡。。事事故故還還造造成成周周圍圍3公公里里范范圍圍內(nèi)內(nèi)18個個村村屯屯和和廣廣維維集集團團生生活活區(qū)區(qū)的的11500名名群群眾眾緊緊急急疏疏散散。。二.化學(xué)工工程概述課程特點：理論與經(jīng)驗驗相結(jié)合的的工程研究究方法經(jīng)驗方法———實驗方方法理論方法——數(shù)學(xué)模型法法相似準(zhǔn)則：：利用經(jīng)驗驗公式和實實驗曲線對對設(shè)計和工工程進行相相似性放大大因次分析：：利用實驗驗來確定變變量關(guān)系，，用無因次次數(shù)群構(gòu)成成關(guān)系式利用基本定定律對過程程的微觀機機理進行相相應(yīng)的數(shù)學(xué)學(xué)描述（數(shù)數(shù)學(xué)模型））注：該方法法著眼于過過程參數(shù)的的整體變化化，不究其其微觀機理理，得到的的結(jié)果帶有有局限性，，不可任任意推而廣廣之。“化工原理”半理論、半半經(jīng)驗的方方法特點實際工程復(fù)復(fù)雜問題理論與經(jīng)驗驗是化工工工程技術(shù)人人員邁向成成功的兩條條腿分析并抓住住描述過程物理本本質(zhì)的基本本規(guī)律實驗數(shù)據(jù)回回歸確定待待定模型參參數(shù)對次要因素素作出合理理假設(shè)（簡簡化）建立數(shù)學(xué)模模型通過實驗或或工程實踐踐檢驗?zāi)Ｐ托偷目煽啃孕院诵牟糠郑海夯瘜W(xué)反應(yīng)過過程及其設(shè)設(shè)備（反應(yīng)應(yīng)器）前處理過程程：又稱預(yù)處理理過程，在在進行化學(xué)學(xué)反應(yīng)之前前，對原料料進行各種種預(yù)處理，，以便為反反應(yīng)過程創(chuàng)創(chuàng)造最適宜宜的工藝條條件，如適適宜的物料料狀態(tài)、純純度以及它它應(yīng)具有的的溫度、壓壓強等。后處理過程程：化學(xué)反應(yīng)后后，對產(chǎn)物物或中間產(chǎn)產(chǎn)物需要進進行必要的的后處理，，以便獲得得合格的最最終產(chǎn)品或或中間產(chǎn)物物。~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~（核心部分）（輔助部分）三.化工生生產(chǎn)過程原料→前處處理→化學(xué)學(xué)處理（核核心）→后后處理→產(chǎn)產(chǎn)品（或或中間產(chǎn)品品）例如，高壓壓法生產(chǎn)聚聚乙烯，上上述過程可可圖示如下下：壓縮機加熱器聚合反應(yīng)器分離器粒化器

聚乙烯

乙烯回收乙烯

粒狀聚乙烯乙烯的壓縮縮與預(yù)熱為為預(yù)處理過過程；聚合合反應(yīng)后，，物料的分分離與聚乙乙烯的粒化化，則為產(chǎn)產(chǎn)物的后處處理過程。。人們在長期期從事化工工生產(chǎn)實踐踐中，自然然而然地把把組成不同化化工行業(yè)生生產(chǎn)過程所所共有的基基本的物理理操作過程程抽提出來，，研究其各各自內(nèi)在的的規(guī)律性，，并在理論論上加以總總結(jié)和提高高，再應(yīng)用用到生產(chǎn)實實踐中去，，這些基本本的物理操操作過程就就稱為單元操作。。單元操作定定義：指在各種化化工產(chǎn)品的的生產(chǎn)過程程中，具有有共同的物物理變化，，遵循共同同的物理學(xué)學(xué)定律和具具有共同作作用的基本本操作。如：流體的的輸送與壓壓縮、沉降降、過濾、、傳熱、蒸蒸發(fā)、結(jié)晶晶、吸收、、蒸餾、萃萃取、冷凍凍等。以“三傳”為物理內(nèi)核核的單元操操作四.化學(xué)學(xué)工程中的的一些基本本規(guī)律1.質(zhì)量守恒（（物料衡算算）：它反映一個個過程中原原料、產(chǎn)物物、副產(chǎn)物物等之間的的關(guān)系，即即進入的物物料量必等等于排出的的物料量和和過程中的的積累量。。積累或損失M∑M入∑M出系統(tǒng)物料衡算式式：∑M入＝∑M出＋M累或損對連續(xù)穩(wěn)定定流動：∑M入＝∑M出進行物料衡衡算時，必必須明確下下面幾點：：1.首先要確定定衡算的系系統(tǒng)，即衡衡算對象包包括的范圍圍。2.其次要確定定衡算的基基準(zhǔn)。3.然然后確定衡衡算的對象象（指標(biāo)、、參數(shù)）。。4.最后還要確確定衡算對對象的物理理量及單位位。例1-1每小時有10噸5％的乙醇醇水溶液進進入精餾塔塔，塔頂餾餾出的產(chǎn)品品中含乙醇醇95％，塔底排排出的廢水水中含乙醇醇0.1％。求每小小時可得產(chǎn)產(chǎn)品多少噸噸？若廢水水全部排放放，每年（（按操作7200小時計））損失的乙乙醇多少噸噸？精餾塔原料液含乙醇5％10噸/時乙醇產(chǎn)品含乙醇95％含乙醇0.1％

廢水

解：已知：原料液流量量及其中乙乙醇含量產(chǎn)品和廢水水中乙醇含含量確定：衡算范圍：：衡算對象：：衡算基準(zhǔn)：：設(shè)：產(chǎn)品流流量為X噸/時、廢水流流量為Y噸/時。由物物料料衡衡算算式式：∑M入＝∑∑M出對物物流流的的量量進進行行衡衡算算：：10＝＝X+Y(1)對乙乙醇醇的的量量進進行行衡衡算算：：10××5％＝＝X××95％+Y××0.1％(2)解得得：：X＝＝0.516噸噸/時時，，Y＝＝9.484噸噸/時時每年損失乙醇醇：9.484××0.1％×7200＝68.28噸/年2.能量守恒（能能量衡算）：目的：計算單位產(chǎn)品品的能耗，了解過程中能能量的利用和和損失情況，，確定生產(chǎn)過過程中需要輸輸入、輸出的的熱量，設(shè)計計換熱設(shè)備積累或損失Q∑Q入∑Q出系統(tǒng)熱量衡算式：：∑Q入＝∑Q出＋Q累或損穩(wěn)定的連續(xù)性性操作：∑Q入＝∑Q出3.平衡關(guān)系平衡決定過程程進行的方向向各可能夠達達到的極限可以確定當(dāng)時時條件下物料料或能量能夠夠利用的極限限，從而確定定加工方案4.過程速率過程速率決定定裝置和設(shè)備備的生產(chǎn)能力力，過程速率率越高，設(shè)備備生產(chǎn)能力越越大，或設(shè)備備的尺寸越小小。∝

過程速率（r）5.從實驗室研究究到工廠生產(chǎn)產(chǎn)將實驗室研究究擴大為生產(chǎn)產(chǎn)規(guī)模，使新新產(chǎn)品、新工工藝或新技術(shù)術(shù)在工業(yè)裝置置中運轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)的的全過程稱為為化工過程開發(fā)發(fā)。實驗室與化工工生產(chǎn)過程的的區(qū)別：（1）原料數(shù)數(shù)量、質(zhì)量上上的不同（2）工藝方方法、工藝條條件、工藝要要求、操作手手段的不同（3）設(shè)備大大小、結(jié)構(gòu)、、材質(zhì)的不同同如：邊長為1m的正方體體容器，V=1m3，S=6m2，若將每條邊邊長擴大10倍為10m，則V′=1000m3，S′=600m2，體積擴擴大1000倍倍而表表面積積只擴擴大100倍，，不同同步，則必必然造造成散散熱不不均。。故必必須采采用其其他措措施，，如水水冷、、風(fēng)冷冷等，，否則則反應(yīng)應(yīng)結(jié)果果必然然改變變。（4））產(chǎn)品品數(shù)量量、質(zhì)質(zhì)量不不同，，分離離要求求及分分離設(shè)設(shè)備也也不同同（5））附屬屬設(shè)施施：生生產(chǎn)上上須設(shè)設(shè)置水水、電電、氣氣、動動力、、安全全、運運輸、、貯存存等設(shè)設(shè)施（6））廢水水、廢廢氣、、廢渣渣的排排放量量不同同，治治理要要求和和設(shè)施施也不不同開發(fā)步步驟：實驗驗室研研究（（小試試）→可行性性研究究（技技術(shù)經(jīng)經(jīng)濟評評價））→中間試試驗（（中試試）→基礎(chǔ)設(shè)計（（技術(shù)經(jīng)濟濟評價）→工業(yè)裝置的的設(shè)計和