化工概况PPT课件

.,(BriefIntroductionToChemicalEngineering),化工概况,.,化学新物质的合成、新化学反应的发现、研究物质的化学结构与性质、化学反应的机理、规律、理论。化工将实验室合成的化学物质或化学反应放大到工业规模的运用与实现。,化学与化工有区别吗？,.,化工,化学工艺,化学工业,化学工程,化工过程,单元操作传递过程化学反应工程化工热力学过程系统工程,动量、热量、质量传递的总称,研究化工过程中各种状态变化、能量转化和能量有效利用,包括系统分析、系统模拟、系统综合和系统优化等,化工原理,20世纪初美国李特尔提出，麻省理工学院率先开“化工原理”课程，现代“化学工程”是世界公认的一门系统性的工程学科,什么是化工？,化学工业、化学工程、化学工艺的总称或一部分，都可称为化工！,.,化学工艺：,将原料物质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。,原料,制造,ChemicalTechnology,化学工业：,原料,化学工艺,化学品,生产,产品的生产过程中化学方法占主要地位的制造工业，由工厂企业形成的特定生产部门,化学方法,化学品,ChemicalIndustry,.,化学工业：综合运用化学和物理方法将原料加工成产品的加工工业,无机化学工业有机化学工业,用途广泛生产量大化学名称分子式规格以主要物质的含量为基础,用途专一生产量小附加值大商品名（牌号）规格以功能为基础,.,化学工程：,研究,工业生产过程的共同规律,指导,工业装置,放大,设计,生产操作,研究以化学过程中有关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。,ChemicalEngineering,.,化工过程,化学反应,物理过程,流体输送、沉降、过滤、传热、吸收、蒸馏、萃取、干燥,单元操作,核心,即：化工过程化学反应+若干单元操作,原料,产品,一系列加工处理步骤,ChemicalProcess,使物料发生所要求的物理变化的基本操作,.,.,实验室研究与化工生产有差别吗？,e.g.a.搅拌,化学实验与化工生产过程比较,b.放大效应,c.加料,D10D,V（容积）?,S（传热器壁面积）?,.,.,.,实验室,工业过程,直接过渡,想一想,是否可行?,.,举例说明：,实验室,化工生产,催化剂升温活化,电加热,空气预热至活化温度，通入少量反应物,量,催,萘,反应温度控制,外加热,冷却,即：,1.量上,少,多,2.传质、传热及材质上的差别,3.能源、动力及技术与经济上的差别,1-20g,0.04-0.8gh-1,10-30吨,400-1200kgh-1,.,萘,O,邻苯二甲酸酐,+Q,实验室反应器,加热,工业反应器,冷却,.,实验室研究和化工过程开发有差别吗?,实验室研究实际工业生产之间存在巨大差异,.,化学工艺学阶段在二十世纪以前的几百年时间里，出现了不少化学工业，如制糖工业、制碱工业、造纸工业等。介绍每种工业从原料到成品的生产过程，作为一种特殊的知识讲解，这是最早的化学工程学。,化工发展进程,.,我国化工史上的里程碑人物,吴蕴初（18911953）化学工业实业家。生于江苏嘉定（今属上海市）。1913年任汉冶萍公司汉阳钢铁厂化验师及制砖厂厂长。1921年与宋伟臣合作在汉口开设炽昌硝碱公司，生产火柴原料。1923年张逸云投资五万元，在上海开办天厨味精厂。1928年创办中华化学研究所，任董事长，后被举为中华化学工业会副会长。1932年天厨厂增资改组，吴取得对该厂的控制权，又用天厨厂的盈利，先后开办天原电化厂、天厨第二和第三分厂、天盛陶器厂、天利氮气厂等。,.,范旭东年出生于湖南湘阴县。年东渡日本留学，年以优异成绩毕业于京都帝国大学理科化学系。年回国，在北洋政府北京铸币厂负责化验分析。于年在天津塘沽创办久大精盐公司。年开始创建永利碱厂。于年实现了正常运转，生产出优质纯碱。于年月着手创办永利碱厂。在办厂过程中，范旭东积极支持侯德榜等人革新苏尔维制碱工艺，于年研究开发成功了联合制碱新工艺。年月日突然身患急性肝炎，经医治无效，与世长辞。,我国化工史上的里程碑人物,.,我国化工史上的里程碑人物,候德榜中国近代化学史上的第一颗明星1890年8月9日生于福建省闽候县。1907年以优异成绩毕业于美国教会办的福州英华书院，1910年考取清华留学预备学堂高等科，1913年以全部功课十科均满分完成预科学业并公费派往美国留学，1917年获美国麻省理工学院化工专业、1919年获哥伦比亚大学硕士学位，1921年获该校博士学位。1921年10月回国后出任中国化工工业开拓者范旭东开办的天津塘沽碱厂总工程师。候德榜是中国近代化工工业的奠基人，世界制碱权威。,.,侯德榜侯氏制碱法,侯德榜-侯氏制碱法（联合制碱法）（1）NH3+H2O+CO2=NH4HCO3(2)NH4HCO3+NaCl=NH4Cl+NaHCO3（3）2NaHCO3（加热）=Na2CO3+H2O+CO2第一步：氨气与水和二氧化碳反应生成一分子的碳酸氢铵。第二步：碳酸氢铵与氯化钠反应生成一分子的氯化铵和碳酸氢钠沉淀，碳酸氢钠之所以沉淀是因为它的溶解度很小。根据NH4Cl在常温时的溶解度比NaCl大，而在低温下却比NaCl溶解度小的原理，在278K283K(510)时，向母液中加入食盐细粉，而使NH4Cl单独结晶析出供做氮肥。此法优点：保留了氨碱法的优点，消除了它的缺点，使食盐的利用率提高到96；NH4Cl可做氮肥；可与合成氨厂联合，使合成氨的原料气CO转化成CO2，革除了CaCO3制CO2这一工序。,.,单元操作阶段到二十世纪初，人们逐渐发现，许多门化学工业中，存在共同的操作原理。例如无论在制糖业还是制碱业，从溶液蒸发得到固体糖和固体碱所遵循的原理是相同的，于是，蒸发成为最早提出的单元操作之一。经不断总结，被称为单元操作的有：流体流动与输送、沉降与过滤、固体流态化、传热、蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等。,化工发展进程,.,传递过程阶段到二十世纪五十年代，人们又发现各单元操作之间还存在着共性。例如传热、蒸发都是热量传递的形式，蒸馏、吸附、吸收、萃取都是质量传递的形式。于是把单元操作归纳为动量传递、热量传递、质量传递。此即化工传递过程阶段。,化工发展进程,.,“三传一反”阶段上世纪五十年代中期，化学工程中出现了“化学反应工程学”这一新的分支。对化学反应器的研究，不仅要运用化学动力学与热力学原理，而且要运用动量、热量、质量传递原理。于是“传递过程”与“反应工程”成为当今化学工程学的两大支柱。简称“三传一反”阶段。,化工发展进程,.,化学反应部分,尿素生产流程,.,丙烯腈合成流程,化学反应部分,.,研究主体反应器,.,化工生产过程与单元操作,单元操作：指在各种化工过程中，遵守同一基本原理，所用设备相似，作用相同，仅发生物理变化过程的那些操作。单元操作一般占整个化工过程的80%左右。,对物料进行大规模的物理或化学加工的过程称为化学工业生产过程，简称化工过程。尽管用不同原料生产不同的产品的化工过程相差很大，但它们都是由若干个简单过程和设备（单元操作）按一定的顺序和方式组合而成的。从本质上归纳为动量传递、热量传递和质量传递三种传递过程。三种传递过程加上反应工程，即所谓的“三传一反”。,.,柠檬酸生产工艺流程,白薯干,粉碎,发酵反应,过滤,中和过滤,酸解过滤,产品,石灰乳,CaCO3,净化,H2SO4,废糖液,浓缩,结晶,离心,干燥,菌体、残渣,10个主要环节中单元操作占9个,.,酸处理,过滤器,一级NF,二级NF,截流水,脱碳器,氯处理,石灰处理,产品水,水的纳滤软化流程,.,化工常用单元操作,.,化工常用单元操作(续),.,单元操作的特点所有的单元操作都是物理性操作，只改变物料的状态或物理性质，并不改变化学性质。单元操作是化工生产过程中共有的操作，只是不同的化工生产中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。单元操作作用于不同的化工过程时，基本原理相同，所用的设备也是通用的。,.,单元操作1流体流动与输送,流体流动与输送借助流体输送设备（如泵和风机等），使流体物料从一个设备输送到另一个设备，或由上一工序送往下一工序，形成完整的生产流程。,.,单元操作1流体流动与输送,.,流体输送设备1阀门,.,.,.,.,.,流体输送设备2泵,.,.,流体输送设备3风机,.,.,沉降,在某种力场中利用分散相和连续相之间的密度差异，使之发生相对运动而实现分离的操作过程。,重力,离心力,由地球引力作用而发生的颗粒沉降过程，称为重力沉降。,单元操作2沉降,.,单元操作2沉降,重力沉降,.,自来水厂水的净化分三步，第一步是絮凝过程，也可以叫反应过程。在流动中使水中的杂质颗粒絮凝长大；第二步是沉降。沉降池是使大颗粒得以除去。第三步是砂滤。砂滤池，进一步用900mm厚砂层，将小颗粒杂质滤去。,自来水厂的主要流程,.,离心沉降,单元操作2沉降,.,.,单元操作3过滤,过滤过滤是在外力作用下，利用过滤介质使悬浮液中的液体通过，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固液分离的一种单元操作。过滤介质具有多孔结构，可以截留固体物质，而让液体通过；我们把待过滤的悬浮液成为滤浆（Slurry），而过滤后分离出的固体称为滤渣或滤饼（Filtercake），通过过滤介质的液体称为滤液（Filtrate）。,.,滤材,孔,.,单元操作3过滤,板框压滤机,.,单元操作3过滤,真空吸滤机,.,单元操作4换热,换热换热（加热和冷却操作的总称）是以热量传递为主要理论基础的一种单元操作。在一定温度差的推动作用下，热量从高温部分传向低温部分的过程。,.,换热设备换热器,.,.,.,.,单元操作5蒸馏,蒸馏利用液体混合物中各组分挥发度的差异，易挥发的低沸点组分较多地气化，在气相中富集；难挥发的高沸点组分较少气化，在剩余的液相中增浓，从而实现液体混合物各组分的分离的一种单元操作。,.,蒸馏设备蒸馏塔,.,.,.,.,间歇精馏装置,连续精馏装置,.,.,单元操作6吸收,吸收利用气体在液体中溶解度的差异而分离气体混合物的操作称为吸收。板式吸收塔填料吸收塔,.,湿法烟气脱硫吸收塔,.,.,.,单元操作7蒸发,蒸发将含有不挥发溶质的稀溶液加热沸腾，使其中的挥发性溶剂部分汽化、除去,从而将溶液浓缩的单元操作称为蒸发。,溶剂S溶质A（不挥发）,溶剂S,加热,.,单元操作7蒸发设备,.,蒸发流程示意图,.,单元操作8干燥,干燥用加热的方法使水分或其它溶剂汽化，并将产生的蒸气排除，藉此来降低固体物料中湿含量的单元操作。,.,热空气流过湿物料表面,热量传递到湿物料表面,湿物料表面水分汽化并被带走,表面与内部出现水分浓度差,内部水分扩散到表面,传热过程,传质过程,传质过程,干燥过程推动力,传质推动力：物料表面水分压P表水热空气中的水分压P空水传热推动力：热空气的温度t空气物料表面的温度t物表,对流干燥过程实质,.,化工单元操作9萃取,液液萃取是利用混合液中各组分在溶剂中溶解度的差异而实现分离的单元操作。用溶剂分离液体混合物中的组分，称液-液萃取或溶剂萃取；用溶剂分离固体混合物中的组分，称固-液萃取或称浸取。,溶质A稀释剂（原溶剂）B萃取剂S,.,混合液A+B,萃余相R(B+A+S),萃取相E(S+A+B),萃取液E(A+B),脱除S,萃余液R(A+B),脱除S,萃取剂S,.,重液,重液,轻液,轻液,重液可是分散相，也可是连续相。,喷洒塔填料塔筛板塔脉冲塔,.,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、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工艺流程图。,工艺流程图是工厂设计的基础，也是操作和检修的指南。一般分为生产工艺流程图、物料流程图和带控制点的工艺流程图。,.,乙烯,苯,V101,苯乙烯气相烷基化工艺流程图,P101,R101,T101,T102,V103,E101,E103,E104,产品,副产物,V101,E102,V102,填料,催化剂,塔板,.,工艺流程图是用来表达化工生产工艺流程的设计文件。,工艺流程图,方案流程图,物料流程图,施工流程图（带控制点的工艺流程图）,这几种图由于要求不同，其内容和表达的重点也不一致，但彼此之间却有着密切的联系。,在工艺路线选定后，进行概念性设计时完成，不编入设计文件,在初步设计阶段，完成物料衡算时绘制,在方案流程图的基础上绘制的内容较为详细的一种工艺流程图,.,方案流程图,作用：表达物料从原料到成品或半成品的工艺过程，及所使用的设备和机器。用于设计开始时的工艺方案的讨论，也可作为施工流程图的设计基础。,内容：设备用示意图表示生产过程中所使用的机器、设备；用文字、字母、数字注写设备的名称和位号。工艺流程用工艺流程线及文字表达物料由原料到成品或半成品的工艺流程。,.,方案流程图,设备,设备位号,工艺流程线,用文字表明流程情况,某物料残液蒸馏处理的工艺方案流程图,.,物料流程图,物料流程图是在方案流程图的基础上，用图形与表格相结合的形式，反映设计中物料衡算和热量衡算结果的图样。,在方案流程图上增加以下内容：在设备位号及名称的下方加注设备特性数据或参数。如：换热设备的换热面积；塔设备的直径、高度；贮罐的容积；机器的型号等。在流程的起始处以及使物料产生变化的设备后，列表注明物料变化前后其组分的名称、流量（kg/h）、摩尔分数（%）等参数及各项的总和，实际书写项目依具体情况而定。表格线和指引线都用细实线绘制。,.,3.3物料流程图,物料变化前后,设备特性数据或参数,.,带控制点的工艺流程图,施工流程图的内容：设备示意图：带接管口的设备示意图，注写设备位号及名称；管道流程线：带阀门等管件和仪表控制点（测温、测压、测流量及分析点等）的管道流程线，注写管道代号；对阀门等管件和仪表控制点的图例符号的说明；标题栏。,带控制点的工艺流程图也称施工流程图，是在方案流程图的基础上绘制的内容较为详尽的一种工艺流程图。是设计、绘制设备布置图和管道布置图的基础，又是施工安装和生产操作时的主要参考依据。在施工流程图中应把生产中涉及的所有设备、管道、阀门以及各种仪表控制点等都画出。,.,带控制点的工艺流程图,.,化工衡算的几个基本概念,1、物料衡算质量守恒定律在化工过程中的应用,稳定过程中：进入的能量=排出的能量,2、热量衡算能量守恒定律在化工过程中的应用,稳定过程中：进入的物料量=排出的物料量,3、平衡关系表明过程进行的方向和所能达到的极限,在一定的T、P下，相平衡时两相浓度有着确定的关系,4、过程速率快慢程度，关系到生产过程设备的大小,.,物料衡算,设计设备尺寸之前，要确定所处理的物料量,研究方法：（1）划定衡算范围（确定研究