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化工专业导论 一门概述性的课程 对化工学科和专业的综合性介绍 作为学生学习化工专业课程知识之前的入门知识 对化工专业人才的培养起到一定的启蒙作用 课程概述 第1章化工概述与发展史 1 1化工概述1 2化工的学科体系1 3化工与国民经济的关系1 4化学工业的发展史 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 的范围不断扩充 并形成新的名词 如 环境化工 化工自动化 化工过程模拟 化工技术经济 化工安全等 化工可以分别指化学工业 化学工程和化学工艺 也可指其综合 化学工业 1 按原料分 石油化学工业 煤化学工业 生物化学工业 农林化学工业等 2 按产品吨位分 大吨位产品 精细化学品 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 化学工业 3 按化学特性分 分为无机化学工业和有机化学工业 4 我国统计的方法 把化学工业划分为下列各种工业 合成氨及肥料工业 硫酸工业 制碱工业 无机物工业 包括无机盐及单质 基本有机原料工业 染料及中间体工业 产业用炸药工业 化学农药工业 医药药品工业 合成树脂与塑料工业 合成纤维工业 合成橡胶工业 橡胶制品工业 涂料及颜料工业 信息记录材料工业 包括感光材料 磁记录材料 化学试剂工业 军用化学品工业 以及化学矿开采业和化工机械制造业等 化工原料 化学工业起始原料是空气 水 矿物 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的制得 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 或加工后的各种馏份 天然气 煤 利用生物质资源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 化工的特点 1 1 品种多 这是最大特点 与其它行业只涉及几十种化合物不同 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 有不同的制备方法和用途 需要进行更多的实验以及更多的计算 化工的特点 2 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 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 化工的特点 3 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 高压可达几百个MPa 低压可至几个Pa 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 化工的特点 4 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 成为知识密集性的生产部门 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 化工的特点 5 6 实验与计算并重 在100年前化学 化工都还是经验性学科 一切进展依靠实验 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 分子 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 化学与化工 化学 从事科学研究的科学家和研究者关心的是有关自然界 人类社会现象和规律的系统知识 理论的探索 在高等教育中一般属于理科范畴 化学家主要对合成新物质 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 1 2化工的学科体系 化学与化工 化工 从事技术研究的 工程师 关心的是将科学知识 规律和理论用于最有效地改变和利用自然资源 生产或制造各种产物和器物 以有利于人类 技术研究在高等教育中一般属于工科 理科和工科的专业背景和兴趣均不同 但他们共同构筑了科学与技术 形成了第一生产力 一级学科化学工程与技术 化工学科划分 二级学科 三级学科 高分子化工精细化工电化学工程等 学科关系 化学工程为化学工艺 生物化工 应用化学和工业催化等学科提供了解决工程问题的基础 化学工程与技术的学科分类是相对的 并会随学科发展而有变化 在当前我国高等教育改革中 为造就厚基础 专业宽 素质高 能力强的符合新世纪要求的化工专门人才 将淡化学科的严格划分 化工学科划分 化学工程与工艺 化学工程研究以化学工业为代表的过程工业中有关的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 研究内容 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分支 早期的化学工程内容 实际上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 上世纪中叶 引入了以蒸发 流体流动 传热 干燥 蒸馏 吸收 萃取 结晶 过滤等单元操作 于是 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 化学工程与工艺 对单元操作的进一步研究 都要用到动量 热量以及质量传递的原理 而研究反应器则还需要用到化学动力学和热力学的原理 20世纪中叶以来 化学工程学科进入了以 传递工程 和 反应工程 为中心的所谓 三传一反 阶段 化学工程随化学工业的产生而出现 并随其发展而发展 当今已形成一大门类工程技术学科体系 即现代化学工程学科体系 化学工程与工艺 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 流程 化学工程与工艺 化学工艺通常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 化学工程与工艺 化学工程与工艺 化学工艺是针对一定的产品或原料提出的 甲醇的生产 原料气制备及净化 甲醇合成和甲醇精制等步骤 教育部颁部的普通高等学校本科专业目录和专业介绍设立的化学工程与工艺专业 则覆盖了现有的化学工程 化学工艺 高分子化工 精细化工 生物化工 部分 工业分析 电化学工程 工业催化 化学工程与工艺 高分子材料及化工 部分 生物化学工程 部分 等专业 几乎包括化学工业的各个领域 本专业的人才可以进入化工 炼油 医药 能源 冶金 轻工 材料 环境等部门工作 化学工程与工艺 1 3化工在国民经济中的地位 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 改善生活的手段 与衣 食 住 行息息相关 1 3 1化工与农业 现在世界人口已经达到60亿 2025年将达到68亿 民以食为天 发展农业 提高粮食产量 扩大耕种面积提高单位面积产量和食物的质量依靠化学工业为农业提供肥料 农药 植物生长调节剂等也是一大举措 1 3 1化工与农业 化肥 农作物的生长需要大量的营养素 其中N P K及某些微量元素是必不可缺的 而土壤的供给能力远远不能满足要求 为了提高粮食的产量 只有通过施肥加以补充 氮肥 N2 H2 NH3合成氨的研制成功和大规模生产使得氮肥满足了农作物的生长需要 化肥的开发方向 复合肥料 农药 1 3 1化工与农业 它是化学工业对农业的又一大贡献 粮食产量 研制高效 低毒和安全的农药 有害昆虫 10000种有害线虫 3000种杂草 30000种 粮食产量下降35 六六六有机磷杀虫剂 植物激素及生长调节剂 植物体内具有调节作用的内源性物质 1 3 1化工与农业 目前已研制了数百种植物生长调节剂 1 3 2化工与医药 制药工业 包括生物制药 化学合成制药和中药制药 世纪 人们广泛使用化工分离技术 从传统药用植物中提取有效成分 同时开始大量合成化学品作药品之用 世纪 年代的系列磺胺药 成为第二次世界大战前唯一有效的抗细菌感染的药物 控制了流行性脑膜炎等细菌性传染病 世纪 年代的系列抗生素 消灭了结核 鼠疫和伤寒等过去严重危害人类的疾病 目前市面上的药物仍以化学合成药物为主 中药与天然药物仍有待于进一步的发展 1 3 3化工与能源 一次能源 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 图1 1世界和中国能源消耗构成 世界 石油占第一位 煤炭和天然气分占第二 三位中国 煤炭占据首位 石油和天然气的比重较低 由于中国是以煤炭为主的能源结构 造成较严重的环境污染和较低的能源利用效率 二次能源 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 1 3 3化工与能源 煤 它是固体 在运输和使用时多有不便 例如不能在汽车上使用 煤中含有的硫等有害杂质不易清除 燃烧时容易造成污染 运输和燃烧过程中有烟尘 含硫和含氮化合物的污染 应该运用现代科学技术将其加工成便于利用的二次能源 1 3 3化工与能源 石油原油直接燃烧也是不适宜 而经过炼制加工 使其成为汽油 柴油 重油和渣油等不同馏分 按照品质可用于不同场合 二次能源 1 3 4化工与人类生活 衣 人们的衣着在其制造和纺织过程中都用了大量的化学品 如染料 软化剂 洗涤剂 光亮剂和漂白剂等 食 粮食 酒 饮料 瓜果 蔬菜和肉类等 在种植 饲养和酿造过程中都用了大量的化学品 例如化肥可以增加粮食产量 农药可以抑制病虫害 保鲜剂延长了瓜果的保鲜时间 饲料添加剂增加了肉类的产量等 住 传统的建筑材料 砖瓦 水泥 玻璃 陶瓷到新型的建筑材料例如塑料结构材料等等生产 都属于化工的范畴行 现代交通工具 例如汽车 飞机 火车 摩托车等 从结构材料到燃料 无不需要化工产品 1 3 4化工与人类生活 1 3 5化工与国防 火炸药工业是广义化学加工工业的重要组成部分 它的生产工艺及设备与一般化学工业 特别是燃料工业 制药工业十分相近 具有相同的操作和过程 化工与国防的关系可以追溯到黑火药的发明 火炸药工业的原料 例如硝酸和甲苯 也是来自化学工业 甲苯 硝酸2 4 6 三硝基甲苯 浓硫酸100oC 随着火箭和导弹技术的进步 对推进剂的要求也越来越高 要求化工提供能量和冲量更高的发射药和推进剂 以及能量更大 破坏力和杀伤力更强的猛炸药 与国防有关的化工产品 1 3 5化工与国防 防化学武器 防细菌武器 装甲运兵车的轮胎等 1 4化学工业发展史 世界化学工业发展史古代的化学加工近代化学工业的兴起现代化学工业中国的化学工业发展史我国的近代化学工业新中国的化学工业 古代的化学加工 追溯到远古及古代 没有工业 但化学加工方法已开始影响到人们生活 如制陶 酿造 染色 冶炼 制漆 造纸以及医药 火药 肥皂等 酒 至少在公元前20世纪的中国的夏禹已用酒于祭祀 公元前21世纪中国就进入青铜器时代 公元前5世纪进入铁器时代 表明冶金化学技术的掌握及进步 公元前后 中国和欧洲进入炼丹术 炼金术时期 也带动了冶炼及制药的发展 1 4 1世界工业发展史 近代化学工业 随着产业革命在西欧开始 首先无机化学工业开始形成及发展 1749年英国建立用铅室法生产硫酸的工厂 1971年吕布兰获取以食盐为原料制得纯碱 副产氧化氢制盐酸 氧气 漂白粉等 纯碱又可经苛化生成烧碱 18世纪后期 炼铁用焦碳量大大增加 使煤化工产生 1763年在英国产生了蜂窝式煤气炉 提供了大量焦碳 1792年开始用煤生产民用煤气 1 4 1世界工业发展史 近代化学工业的兴起 煤化工的发展 1812年 欧洲干馏煤气用于街道照明 1816年 美国煤干馏法生产煤气 1825年英国人从煤焦油中分离出苯 甲苯 萘等 19世纪中叶 欧洲已有许多国家建立了炼焦厂 德国成功地建立了有化学品回收装置的炼焦炉 由煤焦油中提取了大量的芳烃 作为医药 农药 染料等工业的原料 1 4 1世界工业发展史 近代化学工业的兴起 三大化工材料工业的开始 1839年美国人固特异用硫磺硫化天然橡胶 应用于轮胎及其它橡胶制品 第一个人工加工的高分子橡胶产品 1872年美国开始生产赛璐珞 被认为是第一个天然加工高分子的塑料产品 开创了塑料工业 1891年在法国建立了人造纤维 硝酸酯纤维 工厂 其产品质量差 易燃 虽未能大量发展 但仍被认为是化学纤维工业的开始 1 4 1世界工业发展史 近代化学工业的兴起 4 炼油工业开始 1854年美国建立最早的原油分馏装置1860年在美国第一个炼油厂是炼油工业19世纪后期 在世界已建设了许多炼油厂或炼油装置 主要生产照明用的煤油 而汽油及重质油还是用处不大的 副产 直至80年代 电灯的发明大大减少了煤油的重要性 汽油和柴油因汽车工业的发展而成为主要炼油产品 1 4 1世界工业发展史 近代化学工业的兴起 传统与化学制药及染料工业等 19世纪初至60年代 科学家先后从传统的药用植物中分离得到纯的化学成分 1846年硝化棉 硝化甘油问世 1862年瑞典人诺贝尔开设了第一个硝化甘油工厂 1863年发明了TNT 1856年第一个染料问世 次年设厂生产 至世纪末已有很多种染料被发明 并被投入使用 1 4 1世界工业发展史 近代化学工业的兴起 总结 19世纪化学工业发展 虽有高分子 染料 医药等工业发展 但其规模尚小 影响远不如无机化学工业 后者在90年代隔膜电解食盐水工业化 已形成一个完整的酸 碱 氯体系 炼油虽已有一定规模 但还只是用于燃料和润滑油 基本上未与化工联系 1 4 1世界工业发展史 现代化学工业 概述 20世纪是化学工业飞速发展时期 至60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 形成了大规模化 精细化工也逐渐兴起 1 4 1世界工业发展史 现代化学工业 合成氨 石油化学品 1913年德国哈柏法合成氨投产 该工艺在高温 高压 气体循环下实现 1916年实现了氨氧化制硝酸 1920年美国建立了用炼厂气中丙烯水合制异丙醇 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 打开乙烯为原料石油化工生产的序幕 1 4 1世界工业发展史 现代化学工业 3 石油化工兴起 1941年 开始了从石油轻质馏分催化重整制取芳烃的新工艺 同年 从烃类裂解气体中分离出合成橡胶的重要中间体丁二烯 20世纪30年代炼油工业发展迅速 热裂化和催化裂化分别工业化 同时生产出更多的烯烃 生产乙烯的同时 联产丙烯 C4烃 芳烃 苯 甲苯 二甲苯 石油化学工业 由乙烯 丙烯 丁烯 苯 甲苯 二甲苯等加工为一系列下游产品 1 4 1世界工业发展史 现代化学工业 石油化工中合成树脂与纤维工业 1928年 生产了第一个无色树脂 脲醛树脂 30年代 本体聚合法生产苯乙烯成功 有机玻璃 聚氯乙烯 低密度聚乙烯 高分子合成纤维发展要晚一些 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聚酰胺66纤维的工业化 1941 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 1950年以后 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 基本上也配齐了合成纤维的品种 1 4 1世界工业发展史 现代化学工业 4 石油化工中合成橡胶的工业 1931年美国杜邦公司小批量生产了氯丁橡胶 苏联建成了万吨级丁纳橡胶生产装置 同一时期德国也生产了丁纳橡胶 1935年德国法本公司开始生产丁晴橡胶 1937年又建成了丁苯橡胶装置 第二次世界大战中 由于战争的急需及天然橡胶产地被封 促进了合成橡胶 不但产量飞速增加 还使气密性极好的丁基橡胶工业化 促成了多种特殊橡胶 硅橡胶 聚氨酯橡胶 的生产 至此合成橡胶的品种也基本齐备 1 4 1世界工业发展史 现代化学工业 石油化工中精细化学品工业 在石油化学工业发展大吨位产品后 人们也开始注意发展产量小加附加值的精细化学品发明了活性染料 增强了染料与纤维的结合 为对合成纤维染色 发明了专用性的染料 例如用于涤纶的分散染料 用于晴纶的阳离子染料 农药 40年代发明有机氯农药DDT后 又开发出一系列的有机氯 有机磷杀虫剂 医药 1928年发现青霉素 开辟了抗菌素药物的新领域 涂料 摆脱天然油漆的传统 改用合成树脂 现代化学工业 6 石油化工中规模的大型化 20世纪60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 现代石油化工装置越来越大型化 1 4 1世界工业发展史 现代化学工业 石油化学工业面临巨大冲击 70年代 国际石油价格发生了两次大幅度上涨 乙烯原料价格骤升 产品生产成本增加 石油化学工业面临巨大冲击 美国 日本和西欧地区主要乙烯生产国 纷纷采取措施 如关闭部分生产装置 节约生产能耗 开展副产品综合利用 进行深度加工 加强代油原料研究 把装置转移到发展中国家等 1 4 1世界工业发展史 现代化学工业 发展精细化学品 发展精细化学品生产也是一个明显的趋势 有些大化学工业联合企业已把重点转移到此类生产部门 精细化学品不但品种多 而且变化快 产品换代周期短 因此需要更大的科研投入 白领 研究 人员多于蓝领 生产 人员 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 1 4 1世界工业发展史 化学工业发展的标志 18 19世纪 人们长时间内把硫酸产量作为一个国家化学工业发展的标志 20世纪 乙烯成为化学工业标志性产品 人们把乙烯作为一个国家化学工业发展的标志 21世纪 目前精细化率成为一个国家的化学工业发展标志 1 4 1世界工业发展史 1 4 2中国的化学工业发展史 我国的近代化学工业新中国的化学工业 我国的近代化学工业 发展较晚 1876年在天津建成我国第一座铅室法硫酸厂 日产硫酸约2t 可作为我国近代化学工业的开始 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 1 4 2中国的化学工业发展史 我国的近代化学工业 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出口 于1929年创办天原电化厂 生产盐酸 烧碱 漂白粉 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 另一个更著名的化工企业家是范旭东 1914年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 任候德榜为技师长 1926年生产出高质量的红三角牌纯碱 扬名国内外 在东北及天津等地也有另外的几座外国人兴办的化工厂 1 4 2中国的化学工业发展史 我国的近代化学工业 直到1949年 旧中国的化学工业还是很弱的 在世界上毫无地位 当年全国化学工业总产值仅占全国工业总产值的1 6 化肥仅2 7万t 硫酸4万t 有机化学工业几乎还是空白 除少量电木外尚无高分子产品 1949年全国化工总产值仅占全国总产值的1 6 1 4 2中国的化学工业发展史 新中国的化学工业 第一个五年计划 新建了一些大型化工企业 并扩建了大连 南京 天津 锦西等几个老化工企业 组建了一批化工研究 设计 施工队伍 开始了几个塑料 聚氯乙烯 及合成纤维 聚酰胺 6 品种的生产 开创了高分子化工产品的生产 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 1 4 2中国的化学工业发展史 新中国的化学工业 虽然我国石油化学工业起步较晚 但发展迅速 从50年代开始从国外引进了炼油装置和石油化工设备 60年代开发了大庆油田 从此我国的石油炼制工业有了大规模的发展 70年代 随着我国石油工业的迅速发展 集中力量建设了十几个以油气为原料的大型合成氨厂 并在北京 上海 辽宁 四川 吉林 黑龙江 山东 江苏等地建设了一大批大型石油化工企业 1 4 2中国的化学工业发展史 新中国的化学工业 1983年 中国成立了石油化工总公司 使我国的炼油 石化 化纤和化肥企业集中领导 统筹规划 至80年代 更组建了一批大型石油化工联合企业 这些企业在全国500强企业中许多是占前列的 新工艺 新产品不断补入 使石化工业有了很大的发展 生产能力和产品质量持续稳定增长 基本形成了一个完整的具有相当规模的工业体系 与国外先进水平逐步接近 1 4 2中国的化学工业发展史 新中国的化学工业 随着改革开放政策的实施 化学工业飞速发展 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 十五规划