第1章化学工业与化学工程

1、 课堂纪律: 不允许打、接电话、睡觉 不允许在上课过程中随意进出教室 考核： 平时成绩（40%），考试（60%） 2021-7-1 2 2021-7-1 3 化工原理化工原理. . 姚玉英主编姚玉英主编. . 天津科学技术出版社天津科学技术出版社 化学工程基础化学工程基础. . 林爱光编林爱光编. . 清华大学出版社清华大学出版社 化学工程基础化学工程基础. . 李德华编李德华编. . 化学工业出版社化学工业出版社 化学工程基础学习指引和习题解答化学工程基础学习指引和习题解答. . 林爱光编林爱光编. . 清华大学出版社清华大学出版社 化学工程基础学习指导化学工程基础学习指导. . 杨国泰等编

2、杨国泰等编. . 化学工业化学工业 出版社出版社 工艺流程图 图图11 11 氯乙烯合成工艺流程氯乙烯合成工艺流程 1混合器； 2转化器；3水洗塔；4碱洗塔；5碱液槽；6气 柜； 7预冷器；8冷凝器；9尾气冷凝器；10粗馏塔；11精馏塔； 12成品冷凝器；13氯乙烯贮槽；14受槽；15蒸出釜 化学工业化学工业是综合利用化学和物理方法将原是综合利用化学和物理方法将原 料生产成化学产品的加工工业料生产成化学产品的加工工业，包括基本化学，包括基本化学 工业、塑料、合成纤维、石油、橡胶、药剂和工业、塑料、合成纤维、石油、橡胶、药剂和 染料工业等，染料工业等，是利用化学反应改变物质结构、是利用化学反应改

3、变物质结构、 成分、形态等生产化学产品的部门成分、形态等生产化学产品的部门，如无机酸，如无机酸 、碱、盐、稀有元素、合成纤维、塑料、合成、碱、盐、稀有元素、合成纤维、塑料、合成 橡胶、染料、油漆、化肥、农药等。橡胶、染料、油漆、化肥、农药等。 化学工程是工程学科之一，以物理学、化化学工程是工程学科之一，以物理学、化 学和数学为基础，结合工业经济基本法则，学和数学为基础，结合工业经济基本法则，研研 究化学工业中具有共同特点的物理和化学变化究化学工业中具有共同特点的物理和化学变化 过程及其有关的机理和设备过程及其有关的机理和设备。 1-1 化学工业发展概况 18世纪初，路布兰纯碱制造工艺成为近代化

4、学工业的 里程碑。 现代化学工业从美国开始，是美国产生以“单元操 作”为主要标志。 曼哈顿工程的成功促进了单元操作在化学工业中的 应用。20世纪50年代中期提出了传递过程原理，把化 学工业中的单元操作进一步解析为三种基本操作过 程：动量传递、热量传递和质量传递。 2021-7-1 8 单元操作：化学工业和其他过程工业中进行的 物料粉碎、输送、加热、冷却、混合和分离等 一系列使物料发生预期的物理变化的基本操作 的总称。 2021-7-1 10 化工工业成果标志（始于化工工业成果标志（始于18 世纪工业革命）世纪工业革命） 无机化无机化 学工业学工业 1746 年年 英国人罗巴克英国人罗巴克 铅室

5、法制硫酸铅室法制硫酸 1791 年年 法国人路布兰法国人路布兰 制碱制碱 1861 年年 比利时人索尔维比利时人索尔维 氨碱法氨碱法 1905 年年 德国人哈伯德国人哈伯 合成氨合成氨 1941 年年 中国人中国人侯德榜侯德榜 联碱法联碱法 有机化有机化 学工业学工业 1826 年年 从氰酸铵合成尿素从氰酸铵合成尿素 19 C 中叶、中叶、20 C 初利用煤、农副产品初利用煤、农副产品 20 C 30 年代开始石油、天然气的开发年代开始石油、天然气的开发 2021-7-1 11 1-2 我国化学工业的发展我国化学工业的发展 产品名称产品名称 产量（万吨）产量（万吨） 世界排名世界排名 化肥化肥

6、 2955 1 染料染料 23.8 1 农药农药 38.2 2 合成橡胶合成橡胶 60 4 乙烯乙烯 383.48 5 三废三废占排放总量份额占排放总量份额排名排名 废渣废渣8-108-109 9 废水废水20-3020-302 2 废气废气5-75-73 3 按产物组成分：无机化学工业和有机化学工业； 按原料资源分：煤炭化学工业、石油化学工业、 农产化学工业等。 我国两种分类法： 按行业分（20类） 按产品划分（19类） 2021-7-1 12 化学工业的重要性化学工业的重要性 为农业提供化肥、农药等农用生产资料；为农业提供化肥、农药等农用生产资料； 为轻纺、建材、冶金、国防、军工及其他行业

7、为轻纺、建材、冶金、国防、军工及其他行业 提供各种配套原材料；提供各种配套原材料； 为微电子、信息、生物工程等高科技产业提供为微电子、信息、生物工程等高科技产业提供 新型化工材料和新产品；新型化工材料和新产品； 为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品。 2021-7-1 13 国民经济的重要基础产业国民经济的重要基础产业 2021-7-1 14 开源节流开源节流 2021-7-1 15 化学不断发现和创造的新物质化学不断发现和创造的新物质 产品产品 化工过程化工过程 化学反应化学反应 有经济价值的商业产品有经济价值的商业产品 化学工程化学工程 化学工业化学

8、工业国民经济的支柱产业国民经济的支柱产业 世界化工产品的总销售额世界化工产品的总销售额( (年年) ) - - 几千亿美元几千亿美元 2021-7-1 16 1、与人类的生存和发展息息相关、与人类的生存和发展息息相关 世界面临着三大挑战：世界面临着三大挑战：人口增长、环境污染和能源短人口增长、环境污染和能源短 缺。缺。 2、原料路线、工艺路线和产品品种的多样性、原料路线、工艺路线和产品品种的多样性 3、化学工业属于技术密集型和能源密集型产、化学工业属于技术密集型和能源密集型产 业业 322 .NHHNge cat 提倡采用新工艺、新设备，提高物料的综合提倡采用新工艺、新设备，提高物料的综合 利

9、用，降低能耗。利用，降低能耗。 1、生产规模大型化 2、原料和生产方法的多样化 3、产品的精细化和专用化 4、生产过程的节能与绿色化 2021-7-1 17 明天明天（发展方向）（发展方向） 2021-7-1 18 以以信息技术信息技术为先导为先导 以以新材料技术新材料技术为基础为基础 以以新能源技术新能源技术为支柱为支柱 微观尺度向微观尺度向生物技术生物技术开拓开拓 宏观尺度向宏观尺度向空间空间和和海洋海洋扩展扩展 化学工业不再局限于传统的化工领域，与这化学工业不再局限于传统的化工领域，与这 六大技术渗透结合。六大技术渗透结合。 材料工程材料工程 高分子功能材料、陶瓷、纳米材料、富勒碳高分子

10、功能材料、陶瓷、纳米材料、富勒碳 能源化工能源化工 发展煤化工（洁净煤技术发展煤化工（洁净煤技术） 环境化工环境化工 CO2 化学化学 环境工程环境工程 清洁生产清洁生产 2021-7-1 19 OHCaClEOOHCaOHClCHCH HClOHClCHCHClOHHC 22222 222242 22)(2 EOOHC 242 5 .0 直接氧化法直接氧化法: 氯乙氯乙 醇法醇法 l 发展趋势发展趋势 2021-7-1 20 二二. . 研究方法研究方法 实验研究法实验研究法 测试技术测试技术 实验规划实验规划 数据处理数据处理 数学模型法数学模型法 过程分析过程分析 数学描述数学描述 20

11、21-7-1 21 e.g. a. 搅拌搅拌 b. 放大效应放大效应 c. 加料加料 D 10 D V（容积）（容积）? S（传热器壁面积）（传热器壁面积）? 2021-7-1 22 2021-7-1 23 项目项目化学实验化学实验化工生产化工生产 原料原料数量少、纯度高、配比严格、数量少、纯度高、配比严格、 易储存、无需预处理易储存、无需预处理 量大，因来源不同、价格不一、纯量大，因来源不同、价格不一、纯 度不同，故使用前需预处理度不同，故使用前需预处理 工艺工艺操作简单、变更容易、可以精操作简单、变更容易、可以精 密控制反应条件，无物料返回密控制反应条件，无物料返回 利用问题利用问题 操作

12、复杂，不易随意变更，单元操操作复杂，不易随意变更，单元操 作控制难度大，杂质易积累，中间作控制难度大，杂质易积累，中间 检测多检测多 设备设备以玻璃器皿为主，防腐，易清以玻璃器皿为主，防腐，易清 洗洗 要求设备强度高、耐腐蚀，结构复要求设备强度高、耐腐蚀，结构复 杂，清洗、操作难杂，清洗、操作难 产品产品量少，易采集，通常无需分离量少，易采集，通常无需分离量大，需专门的分离与精制过程量大，需专门的分离与精制过程 公用工程公用工程简单易行，无需专门设施简单易行，无需专门设施需供水、供气、供电、动力等设施需供水、供气、供电、动力等设施 环境保护环境保护三废排放量少，易于处理，无三废排放量少，易于处

13、理，无 需专用设施需专用设施 三废排放量大，必须通过专用设施三废排放量大，必须通过专用设施 予以治理予以治理 化学实验与化工生产过程比较化学实验与化工生产过程比较 2021-7-1 24 举例说明：举例说明： 萘萘邻苯二甲酸酐邻苯二甲酸酐 + Q 催化剂催化剂 氧化氧化 实验室实验室 化工生产化工生产 催化剂升催化剂升 温活化温活化 电加热电加热 空气预热至活化温度，空气预热至活化温度， 通入少量反应物通入少量反应物 量量 催催 萘萘 反应温反应温 度控制度控制 外加热外加热冷却冷却 即：即： 1.量上量上少少多多 2.传质、传热及材质上的差别传质、传热及材质上的差别 3.能源、动力及技术与经

14、济上的差别能源、动力及技术与经济上的差别 1 - 20 g 0.04 - 0.8 gh-1 10 - 30 吨吨 400 - 1200 kgh-1 2021-7-1 25 萘萘 O 邻苯二甲酸酐邻苯二甲酸酐 + Q 53 3.53 10Vm 62 1.06 10Sm 7 1.52 10QW 反 6 2.78 10QW 移 3 35.34Vm 2 2.36Sm 0.157QW 反 0.0296QW 移 2021-7-1 26 从实验室研究到工业生产从实验室研究到工业生产 实验室成果能否进行工业化的四个要求实验室成果能否进行工业化的四个要求: : 对环境无危害对环境无危害 技术上可靠技术上可靠 经

15、济上可行经济上可行 生产上安全生产上安全 1887 年，英国人年，英国人David. G. E . 在曼彻斯特工在曼彻斯特工 学院做了一系列化学工程问题的讲演；学院做了一系列化学工程问题的讲演； 1888 年，美国麻省理工学院，世界上第一次年，美国麻省理工学院，世界上第一次 讲授讲授“化学工程化学工程”这门课程；这门课程； 1915 年，利特尔年，利特尔Little. A. D. 提出了单元操作提出了单元操作 （Unit Operation）的概念；）的概念； 1923 年，第一本化学工程教科书年，第一本化学工程教科书Principles of Chemical Engineering； 20

16、21-7-1 27 1957 年，正式提出了年，正式提出了“化学反应工程化学反应工程” （Chemical Reaction Engineering） 20 世纪世纪 60 年代后期，计算机用于化学工程以年代后期，计算机用于化学工程以 解决最优规划，最优设计解决最优规划，最优设计“化工系统工程化工系统工程” 1983 年在美国化学工程师学会（年在美国化学工程师学会（AICHE）第）第 75 周年年会上，把化学工程定义为周年年会上，把化学工程定义为“经济地开经济地开 发利用物质和能量的方法为人类造福的工学发利用物质和能量的方法为人类造福的工学”。 2021-7-1 28 2021-7-1 29

17、化化 工工 生生 产产 写实写实 19 世纪世纪 90 年代年代 化学工艺学化学工艺学 或工业化学或工业化学 单元操作单元操作 （物理过程）（物理过程） 抽象抽象 1923 年年 化学反应工程化学反应工程 单元过程单元过程 （化学过程）（化学过程） 化工系统工程化工系统工程 传递过程传递过程 1960 年年抽象抽象 计算机计算机 20 世纪世纪 60 年代年代 l 学科的发展学科的发展 化学工程学科的内容化学工程学科的内容 单元操作单元操作 固体和流体物料输送、加热和冷却、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、固体和流体物料输送、加热和冷却、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、 干燥等基本操作的总称。干燥等基本操作的总

18、称。 传递过程传递过程 “三传三传”： 动量传递、热量传递、质量传递动量传递、热量传递、质量传递 化学反应工程化学反应工程 研究理想反应器内化学反应的一些共同规律研究理想反应器内化学反应的一些共同规律 化工热力学化工热力学 研究化工过程中各种形式能量之间的相互转换规律和过程趋于研究化工过程中各种形式能量之间的相互转换规律和过程趋于 平衡的条件平衡的条件 化工系统工程化工系统工程 以化工系统为研究对象，从整体目标出发确定最优决策以化工系统为研究对象，从整体目标出发确定最优决策 2021-7-1 30 2021-7-1 31 生产的原料路线生产的原料路线 生产方法、技术生产方法、技术 操作程序操作

19、程序 物料走向物料走向 相关单元操作设备的相关单元操作设备的 组合组合 2021-7-1 32 化学工艺：化学工艺： 生产过程或技术生产过程或技术 原料原料 制制 造造 Chemical Technology 化学工业：化学工业： 原料原料 化学工艺化学工艺 化学品化学品 生生 产产 工厂企业形成的特定生产部门工厂企业形成的特定生产部门 化学方法化学方法 化学品化学品 Chemical Industry 2021-7-1 33 2021-7-1 34 化工过程化工过程 化学反应化学反应 物理过程物理过程 流体输送、沉降、过滤、传热、流体输送、沉降、过滤、传热、 吸收、蒸馏、萃取、干燥吸收、蒸馏

20、、萃取、干燥 单元操作单元操作 核心核心 即：化工过程即：化工过程 化学反应化学反应 + 若干单元操作若干单元操作 原料原料产品产品 一系列加工处理步骤一系列加工处理步骤 Chemical Process 使物料发生所使物料发生所 要求的物理变要求的物理变 化的基本操作化的基本操作 2021-7-1 35 2021-7-1 36 4-1 化工工艺流程及流程图化工工艺流程及流程图 描述从描述从物料物料开始，经过一系列按一定顺序并相开始，经过一系列按一定顺序并相 互衔接的互衔接的单元操作单元操作和和反应过程反应过程，生产合格，生产合格产品产品 的生产工艺过程称为的生产工艺过程称为化工工艺流程化工工

21、艺流程。用图表示。用图表示 的化工工艺流程称为化工工艺流程图。的化工工艺流程称为化工工艺流程图。 工工艺流程框图艺流程框图、装置流程图、装置流程图、 管线图管线图、带控制点的流程图带控制点的流程图等。等。 类型有：类型有： 2021-7-1 37 尿素生产工艺流程框图尿素生产工艺流程框图 2021-7-1 38 尿素生产流程简图尿素生产流程简图 2021-7-1 39 乙烯乙烯 苯苯 V101 苯乙烯气相烷基化工艺流程图苯乙烯气相烷基化工艺流程图 P101 R101 T101T102 V103 E101 E103E104 产品产品 副产物副产物 V101 E102 V102 填料填料 催化剂催

22、化剂 塔板塔板 H1 吸 水 井 1# 鼓 风 冷 却 塔 L 1，2 1#调 节 池 H1 蒸氨废水 其他废水 蒸气 Y Y 重油、轻油分离 后外运 H L 1，2 2#调 节 池 L 1，2 4#调 节 池 L 1，2 3#调 节 池 2# 鼓 风 冷 却 塔 3# 鼓 风 冷 却 塔 L 3，4 2# 浮 选 吸 水 井 L 3，4 1# 浮 选 吸 水 井 加压泵 污水泵 加压泵 污水泵 加压泵 加压泵 LT-01 2# 溶 气 罐 1# 溶 气 罐 F 3,4 浮选池 L 5，6 F 3,4 1#缺 氧 池 T 1,2 PH 1,2 2#缺 氧 池 T 1,2 PH 1,2 L 7，

23、8 缺氧吸水井 F 5,6 H 3，4 T 1，2 4#好 氧 池 F 7,8 DO 3，4 T 1，2 1#好 氧 池 F 7,8 DO 3，4 T 1，2 3#好 氧 池 F 7,8 DO 3，4 T 1，2 2#好 氧 池 F 7,8 DO 油渣分离池 轻油分离池 冷凝水 蒸气 3#二 沉 池 1#二 沉 池2#二 沉 池 4#二 沉 池 反 应 池混 合 12，13 回流泥吸井 L L 回流水 吸水井 10，11 污水泵 污水泵 污水泵 污泥泵 污泥泵 污泥泵 2#混凝 沉淀池 1#混凝 沉淀池 2#污泥 浓缩池 污泥反应池 L 14，15 Ni2 1#污泥 浓缩池 Ni3 气 动 控

24、 制 箱 1压滤机2压滤机 污泥斗 反冲洗管 道泵 处理后水 吸水井 H2 送熄焦等 药剂槽 Na2C03 药剂槽PAM 9 药剂槽 溶液槽 Na2C03 药剂槽 PFS PFS储槽 鼓风机室 空 气 过 滤 器 GF 缓 冲 罐 工业水 设计 制图 审核 校核 审定 设计项目 设计阶段 黑龙江科技大学 处理前废水管道（压力） 处理后废水管道（压力） 在处理中废水管道 分离废水管道 活性污泥回流管道 剩余污泥管道 混凝污泥管道 H1 排油管道 生产消防给水管道 压缩空气管道 蒸汽管道 药剂管道 鼓风空气管道 YS S4 H3 Y H H2 Ni3 Ni2 Ni1 YJ GF L n F T DO PH n n n 液位测量仪表 流量测量仪表 温度测量仪表 溶解氧值测量仪表 PH值测量仪表 闸阀 水射器 布水器 减压阀 电动碟阀 图 例 管 道阀门及仪表 符号符号说明符号说明符号 初步设计 刘春颖 刘春颖 2006.6 2006.6 工艺流程图 2006年6月 毕业设计 物料衡算: 根据质量守恒定律，在一个化工过程中，进入 的物料必须等于物料量和过程的积累量，即：