工业化学-第一章20140316 王庆锋

思考与练习1.1化学工业是如何定义的？常分为哪两大类？1.2工业化学是如何定义的？1.3何谓原料？哪四种原料称基本原料？1.4何谓产品？原料和产品有何区别？1.5何谓化工生产过程？化工生产过程分哪两种？其三个主要步骤是什么？1.6何谓工艺流程图？其作用是什么？1.7生产过程的主要指标有哪些？1.8现代化学工业的特点和发展方向是什么？思考与练习1.9化工生产中的主要操作变量和常用单位有哪些？1.10化学反应常分哪几类？1.11化学反应速度是如何定义的？其意义是什么？如何提高反应速度？1.12化学平衡的条件是什么？气相反应系统中化学平衡时各组分分压的关系如何？平衡常数的物理意义是什么？1.13何谓相平衡？什么条件下能达到三相共存状态？1.14化工单元操作常分哪五类？各单元操作所对应的主要设备与机械是什么？

化学工业1.1

化学工业的定义：

化学工业是以天然物质或其它物质为原料，通过化学和物理的方法使其性质和形态发生变化，而成为生产资料或生活消费品的一种工业。化学工业是国民经济中的一个重要组成部分，他既为农业、轻工业、重工业和国防工业等提供生产资料，也为人类提供衣、食、住、行各方面必不可少的化工产品。因此，它对国民经济发展和人民物质生活的提高起着十分重要的作用。第章

绪论1化学工业1化学工业1化学工业1化学工业化学工业1化学工业化学工业

化学工业的分类方法较多。按原料资源可分为：煤炭化学工业、石油化学工业、农副产品化学工业；按产品吨位可分为：基本化学工业、精细化学工业等；按产品用途又可分为肥料、燃料、医药、涂料、合成洗涤剂、食品、农药、试剂、助剂、合成纤维、塑料、橡胶等。

习惯上，一般将化学工业分为无机化学工业和有机化学工业。化学工业1.1第章

绪论1化学工业1.1

化学工业的分类：按产品性质和加工过程相似的原则化学工业可分为两大类共17个分支：

第一类：重化学工业（基础化学工业）对资源和能源依赖程度高，生产规模大，产品为其它行业原材料。

1）化学肥料工业：包括合成氨、氮肥、磷肥、钾肥、复合肥料、微量元素肥料等产品；

2）硫酸工业；

3）制碱工业：包括纯碱和烧碱等产品；第章

绪论1化学工业1.1

第一类：重化学工业（基础化学工业）

4）无机盐工业：包括各种无机盐，金属钠等单质，以及除硫酸、纯碱和烧碱以外的各种无机酸、无机碱等产品；

5）燃料化学工业：包括煤的气化、干馏、液化及其副产品加工，电石，石油炼制等；

6）石油化工及有机原料工业：包括石油和其他油品的裂解、产物的分离及有机产品的合成，重要有机原料如有机酸、酯、醚、酮和醛等的生产；

7）橡胶工业：包括天然橡胶的加工及产品制造，合成橡胶的生产及产品制造；第章

绪论1化学工业1.1

第一类：重化学工业（基础化学工业）

8）合成纤维工业：包括聚酯类的涤纶、聚酰胺类的锦纶、聚乙烯醇类的维尼纶等产品；

9）合成树脂和塑料工业：包括多种高分子聚合物，以及各种日用和工程塑料制品，离子交换树脂等产品；

第二类：轻化学工业对资源和能源依赖程度小，生产批量较小，品种多，产品附加价值高。

10）染料工业：含纺织、轻工、食品等多种用处的染料；第章

绪论1化学工业1.1

第二类：轻化学工业

11）国防化工：包括各种炸药，为核工业、航天航空工业、武器工业配套的化工产品，如同位素、推进剂、强氧化剂、密封材料、特种涂料、高性能复合材料等产品；

12）农药工业：包括杀虫剂、杀菌剂、杀螨剂、杀鼠剂、除草剂、植物生长调节剂等产品；

13）涂料和颜料工业：包括颜料、油料、填充剂、溶剂、油漆、建筑物内外墙面涂料等；

14）医药工业：包括各种天然药物和合成药物的生产；第章

绪论1化学工业1.1

第二类：轻化学工业

15）感光材料和磁性记录材料工业：包括片基、感光乳剂、磁性材料等的生产；

16）化学试剂工业：包括各种等级的化学试剂的生产；

17）精细化学品工业：催化剂、助剂、粘合剂、添加剂、表面活性剂、水处理剂、香料、及皮革与造纸等工业用化学品。另外，还有许多生产过程与化学工业相似，但由于产品的产量大，产值高，在国民经济中地位重要，已经从化学工业中分离出来的工业部门，如冶金（包括钢铁、有色金属和稀有金属的冶炼）、硅酸盐（包括玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料等）、造纸和制糖工业等。这些都可以认为是“广义化学工业”。第章

绪论1化学工业1.1

再者，化学工业或广义化学工业又可以看成是属于范围和内容都更为广泛的“过程工业”。过程工业除包括广义化学工业之外，还包括火电和核电等能源工业，以及某些食品加工和饮料制造等工业。过程工业的特点是这类工业生产是由一系列化学和物理加工过程组成的生产流程来实现的。

过程装备与控制工程专业就是为广泛的过程工业培养其装备的开发研究、设计、操作和维护的高级技术人才。本专业的人才有着强大的社会需求和宽广的就业范围。第章

绪论1工业化学1.21、工业化学的定义工业化学是研究原料经过化学和物理变化生成产品的方法、过程，以及实现这一转变的全部措施的学科。

2、工业化学学科产生的背景

——20世纪化学工业的飞速发展；

——化工生产基础理论和应用科学的发展；

——工业化学学科的产生是化工生产进一步发展的需要；

——工业化学学科属于应用科学的范畴。第章

绪论1工业化学1.23、工业化学的具体研究内容

——化工生产中原料和生产方法的选择；

——生产流程的设计；

——所用设备的结构、材质和操作；

——催化剂及其它物料的影响；

——操作条件的确立；

——生产过程的控制；

——产品的规格及副产品的分离和利用；

——生产流程的安全技术措施；

——产品的技术经济指标；

——生产流程的环境保护措施等。其研究内容与“化学工艺学”、“化工生产技术”等学科类似。第章

绪论1生产烯烃工艺路线50万吨甲醇制烯烃工业流程50万吨甲醇制烯烃工业流程煤制油-日本新能源机构工艺航天煤气发生炉煤制气工艺流程工业化学1.24、工业化学作为一门学科具有的特点

——从整体上说，工业化学属于应用科学的范畴；是以实际化工生产过程为依托的学科；

——以工业规模的具体产品的生产过程为主要研究内容，侧重于分析研究产品生产过程的“特性”，并在研究多种生产过程的特性中体现化工生产的“共性”；

——化工生产过程中一般具有化学反应，这也是与其它生产过程的最大不同点。因而，化学反应过程必然是工业化学的研究重点之一。第章

绪论1工业化学1.25、为什么要学习工业化学课程？化学工业是典型的过程工业（processindustry）。学习工业化学可以了解化工生产的概貌和特点，从而了解一般过程工业生产的概貌和特点，为学习过程装备与控制工程专业的有关课程作好必要的准备。第章

绪论1工业化学1.26、工业化学课程的教学方式与教学要求

1）教学方式：

——采用“解剖麻雀”的方式，选择具有典型化工过程及设备的几种化工产品的生产流程作为教学内容；

——每种产品大体按生产流程的顺序进行介绍；

——着重说明主要工艺过程和设备的特点，使之对这些典型的化工产品的生产过程有系统和清晰的概念

2）教学要求：通过几种典型化工产品生产过程的综述与比较，了解化学工业（以及一般过程工业）生产的概貌和特点。第章

绪论1化工原料及产品1.31.3.1

原料

原料是指化工生产中能全部或部分转化为产品的物质。当应用两种以上原料时，能构成产品主体的原料为主要原料，如氯苯为生产苯酚的主要原料。而在合成氨中氢和氮就难分主次。有时原料与产品的地位也可以互换，如乙烯水合生成乙醇，则乙烯为原料，乙醇为产品；而乙醇脱水生产乙烯，恰好相反。有时，某一生产过程的产品，也可能是后一生产过程的原料，如氨是合成氨工业的产品，同时也是生产硝酸的原料。第章

绪论1化工原料及产品1.31.3.1

原料

由此可见，就生产程序来说，有起始原料、基本原料和中间原料。起始原料是人类开采、种植、收集等得到的原料；基本原料是从起始原料经过加工制得的原料；中间体原料是从基本原料加工得到的原料。值得指出的是这种区分方法不是绝对。第章

绪论1化工原料及产品1.31.3.1

原料

起始原料又称基本原料，主要有：

1）空气：空气是工业用氮气、氧气及惰性气体的来源。

2）水：水是最便宜和最丰富的溶剂，广泛应用于洗涤、冷却介质及锅炉给水，也可以作为制取氢气的原料。水约占地球表面积的70％，但可供使用的淡水只有0.3%，因此如何提高水的利用率也是当前十分紧迫的问题。第章

绪论1化工原料及产品1.31.3.1

原料

起始原料主要有：

3）矿物资源：矿物包括煤、石油、天然气及无机化学矿、煤是氨、染料、煤化学产品和有机合成的原料，随着石油化工的发展，石油和天然气已成为化学工业的主要原料。无机化学矿是无机化工生产的主要原料。除了上述矿物外，还有各种金属矿物，如金、银、铜、汞、锌、镁、铝、铅、锡、钒、铬、锰、镍等矿物。金属矿物可分别为金属、金属氧化物或化合物，如钛铁矿、滑石、高岭土、纤维硼镁石、菱镁矿等。第章

绪论1化工原料及产品1.31.3.1

原料

起始原料主要有：

4）生物原料：粮食、农产废料及林业中木材加工副产品，可用于生产有机产品，如粮食发酵生产乙醇、丙酮、丁醇、柠檬酸等。随时石油化工发展，生物原料已逐步被石油原料代替了。因而，就目前整个化学工业而言，除生产少量生物制品外，其所占比例是很小。第章

绪论1化工原料及产品1.31.3.1

原料

原料按其形态可分为：

1）气体：如空气、天然气、油田伴生气等；

2）液体：如水、海水、盐湖水、石油等；

3）固体：如煤、食盐、石灰石、含不同化学成分的各种矿石、粮食和农产品废料，及木材加工中的副产品等。第章

绪论1化工原料及产品1.31.3.1

原料

基础化工原料是由原始原料（基本原料）大量生产出的。如硫酸、纯碱、烧碱、合成氨、电石、乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等。进一步加工，可生产出各种化学制品，如化学肥料、塑料、合成纤维、合成橡胶，以及各种生活消费品。现在的化工产品已超过60000种。第章

绪论1

化工企业使化工原料经过单元过程和单元操作而制得的可作为生产资料和生活资料的成品，都是化工产品。但是习惯上往往把不再供生产其他化学品的成品，如化学肥料、农药、塑料、合成纤维、合成橡胶等成为化工产品。而把再生产其他化学品的成品，如酸、碱、盐等无机产品和烃类、中间体等有机产品称为化工原料。因此，有些成品在不同场合，根据使用的目的，称为化工原料或化工产品。化工原料及产品1.31.3.2

产品第章

绪论1

在生产目的的产品中，有时先得到某阶段产物，常称为半成品和中间体。如一个尿素工厂，合成氨车间的产品为液氨，若液氨出售则为产品；若将液氨全部加工为尿素，则液氨又成为半成品。在有机化合物中，如硝基苯、苯胺、氯苯、苯酚等可用于各种化工产品的制备，故称为中间体。再生产主要产品的同时，也生产次要的但有一定价值的产品，称为副产品。如裂解柴油镏分生产乙烯的过程中，也生产裂解汽油等副产品。化工原料及产品1.31.3.2

产品第章

绪论1化工原料及产品1.31.3.2

产品

化工产品应符合生产要求的各项指标，如外观、颜色、粒度、晶形、粘度、杂质含量等，产品质量通常以纯度和浓度来表示。根据其质量好坏可分为不同等级，各有一定的规格和指标。主要化工产品有化学肥料、农药、合成树脂、塑料、合成橡胶、化学纤维、染料、颜料、涂料、药物等。第章

绪论1

1、化工过程化工生产过程是将原料物经过化学反应转变为产品的工艺过程，其一般可概括为三个主要步骤：

1）原料处理：使原料达到符合进行化学反应所要求的状态和规格，对原料进行预处理，如净化、提浓、粉碎（对固体原料）等。化工过程分析1.41.4.1

工艺过程的选择与确定第章

绪论1

化工过程分析1.41.4.1

工艺过程的选择与确定2）化学反应：生产的关键步骤。经过预处理的原料，在一定温度、压力以及催化剂等条件下进行反应，已达到所要求的反应转化率和收率，获得目的产品或其混合物。反应类型可以有氧化、还原、复分解、磺化、硝化、烷基化、异构化、聚合、焙烧，并在相应的反应器中进行。

3）产品精制：将由化学反应得到的混合物进行分离，除去副产品或杂质，以获得符合组成规格的产品。第章

绪论1

由此可见，化工生产过程主要分为：

1）与化学变化有关的操作，称为单元过程；

2）与物理变化有关的操作，称为单元操作。从工程观点看，将与传质有关的单元操作称为分离工程，因为原料的纯化及产品的提纯在化工过程占相当比例，在基本有机化工中甚至达到50%～80%之多。所以，化工过程中的分离工程是十分重要的。此外，将单元操作中的流体输送、传热、流体压缩与减压、能源供应、给排水均作为公共工程的范畴。因此，化工过程也可认为是由化学反应工程、分离工程及公共工程所组成。化工过程分析1.41.4.1

工艺过程的选择与确定第章

绪论1

2、过程选择在生产某一化工产品时，可能存在着不同的原料路线及化学加工方法。因此，工程师首先应对已有的和新开发的工艺路线进行选择，已能进行工业生产。在工艺过程选择中，必须符合技术上可行性和经济上合理性的要求。

1）技术上的可行性对于一个新开发的工艺路线，技术可行性尤为重要。

2）经济上的合理性除了国家急需的特殊产品外，一个过程能实现工业化的另一个条件是经济上的合理性，也即生产过程在经济上能过关，有利可图，否则工厂很难接受这一过程。

化工过程分析1.41.4.1

工艺过程的选择与确定第章

绪论1

3、过程的确立在建立生产装置之前，除了要符合国家指令性文件和国家总体布局外，工艺过程的选择尤为重要。工程技术人员主要应了解的内容有：

1）生产装置规模及工艺过程的先进性；

2）原材料来源及产品质量；

3）装置设计所需的化学工程数据；

4）技术经济指标（以吨产品计的水、电、蒸汽、煤等消耗量）；化工过程分析1.41.4.1

工艺过程的选择与确定第章

绪论1

3、过程的确立

5）三废排放量及治理方法；

6）腐蚀及设备材质选择；

7）反应所需的主要催化剂及其来源；

8）投资费用。然后在此基础上，对照装置建设单位的条件确定工业过程。实际上，工程项目能否进行是由多种因素决定的，其中以资金的筹集，生产方法或工艺过程的先进性，以及在所选地区建设是否适合最为重要。化工过程分析1.41.4.1

工艺过程的选择与确定第章

绪论1化工过程分析1.41.4.2

工艺流程图

原料经化学加工制取产品的过程，是由单元过程和单元操作组合而成的。工艺流程就是按物料加工的先后顺序将这些单元表达出来。如果以方框来表达各单元，则称为流程图框；如果以设备外形或简图表达的流程图则称为工艺流程图。流程图以简明反映化工产品生产过程中的主要加工步骤，了解各单元设备的作用，物流方向及能量供给情况。而工厂生产装置的流程图需表明物料流动量，副产品及三废排放量，需供给或转移的能量，工艺操作条件，测量及控制仪表及方法等。第章

绪论1化工过程分析1.41.4.3

生产过程的主要指标1、生产能力化工装置在单位时间内生产的产品质量和在单位时间内处理的原料量，称为生产能力。其单位为：kg/h（公斤/小时），t/d（吨/天），

kt/a（千吨/天）等。化工装置在最佳条件下可以达到的最大生产能力称设计能力。第章

绪论1化工过程分析1.41.4.3

生产过程的主要指标2、转化率转化率是原料中某一反应物转化掉的量（摩尔）与初始反应物的量（摩尔）的比值，它是化学反应进行程度的一种标志。工业生产中有单程转化率和总转化率。其表达式为：第章

绪论1

化工过程分析1.41.4.3

生产过程的主要指标2、转化率简化后可写为：以数学式表达：

式中：原料中某反应物的初始量（摩尔）；反应后某反应物的量（摩尔）。第章

绪论1

化工过程分析1.41.4.3

生产过程的主要指标3、选择性选择性表示实际所得的产物量与按反应的原料计算的理论产物量之比，也即有一些原料被副反应消耗掉了。第章

绪论1

化工过程分析1.41.4.3

生产过程的主要指标3、选择性以数学式表达：式中：为选择性；为原料中产物C的量(摩尔)；为反应后产物C的量(摩尔)；为原料中产物A的量(摩尔)；为反应后产物A的量(摩尔)；为原料A及产物C的计量系数。第章

绪论1化工过程分析1.41.4.3

生产过程的主要指标4、收率

以上工业上通常称为单程收率。对于可逆反应，部分为反应的物料循环返回反应器进行反应。故其总收率为：第章

绪论1化工过程分析1.41.4.3

生产过程的主要指标5、化工计算在化工生产过程中，物料将发生一系列的物理和化学变化。物料的组成、各种组分的数量以及反应系统的温度都将随之变化。同时，由反应物料构成的系统，还必然与外界存在能量的交换。在设计一个化工生产流程时，要事先定量地预测出正设计中的反应系统在各个阶段中物料组成的变化、以及温度和压力的变化，就必须进行“化工计算”。因此，化工计算是整个化工设计的基础部分。第章

绪论1化工过程分析1.41.4.3

生产过程的主要指标

5、化工计算化工计算的主要目的是：

1）取得设备设计所需要的基础数据；

2）为生产过程中各种操作参数的调节与控制提供定量的依据。正常生产中反应物的配比，各种物料的流量，均可通过化工计算确定。实际生产中，可以化工计算的结果为依据，规定某操作参数的允许变化范围，使生产得以稳定、均衡地进行。

3）提供工艺过程中原材料消耗量，中间产品和最终产品生成量的数据，估算能量（如电、水蒸气、燃料等）的消耗量及冷却水的需要量，并对生产过程进行一定的技术经济分析。第章

绪论1化工过程分析1.41.4.3

生产过程的主要指标5、化工计算化工计算的基本内容有两个：

1）物料衡算：以质量守恒定律为基础，结合化学反应、相变化等有关基本定律或关系进行的定量计算，用以确定工艺过程中的物料组成及各组分的量。

2）能量衡算：以能量守恒定律为基础，结合化学反应、相变化中的能量变化关系进行的定量计算，用以确定工艺过程中系统与外界交换的能量及有关操作指标的变化。第章

绪论11）企业大型化在化工过程的经济分析中，生产规模是一个影响较大的影响，也就是说，对大部分化工过程，单位年生产能力的投资及生产成本，随着生产规模的增加而减小（在某一极限的规模范围内）。因此，从２0世纪50年代起，生产规模明显增大，如乙烯单系列规模，从50年代年产50千吨发展到80年代年产680千吨，二十一世纪初在上海新建的乙烯装置最大生产能力达到年产900千吨。现在最大已达到120万吨/年。现代化学工业的特点和发展方向1.51.5.1现代化学工业的特点第章

绪论11）企业大型化

生产规模的大型化，使生产装置也大型化，设备型式也发生变化。如合成氨单系列装置，1963年，日产540吨，20世纪70年代发展到日产900～1300吨，80年代出现了日产1800～2700吨合成氨的设计。合成塔型式由轴向式发展为径向式。压缩机由活塞式变为离心式单机。装置规模增大，经济效益显著提高。我国乙烯装置最初引进的115千吨/年，对于提高我国生产率，消化吸收外国先进技术是有利的。但近几年来，为提高企业经济效益，以逐步将300千吨的乙烯装置改造成450～700千吨/年的乙烯装置。托普索最大的合成氨设计3500吨/日。现代化学工业的特点和发展方向1.51.5.1现代化学工业的特点第章

绪论1

2）高度机械化、自动化连续生产化工生产一般是以一个或多个反应装置为骨干，由一系列化工设备和管道组合起来，构成相互衔接、紧密联系的生产流程来实现的。这种特点使化学工业较易实现连续化生产。大型化工厂的机械化和自动化程度高，通常采用计算机控制进行操作，一般投入的体力劳动人员较少。因此要求参加操作的工人具有较高的技术水平。同时还要在设计和生产中达到最佳化。现代化学工业的特点和发展方向1.51.5.1现代化学工业的特点第章

绪论1

3）多功能、密集型化学工业是一种原料、生产方法和产品多样性的工业，因而也是一种灵活性很强的多功能的工业。化学工业是资金密集度和技术密集度均较高的工业。基础化学工业的工厂生产规模大，生产流程完善，生产装置先进，资金与技术密集度均较高；轻化学工业产量虽较小，但品种繁多，不断更新，以适应市场的需要，一般属技术密集型工业。现代化学工业的特点和发展方向1.51.5.1现代化学工业的特点第章

绪论1现代化学工业的特点和发展方向1.51.5.1现代化学工业的特点4）综合利用化工原料化学工业中的多种产业既是资源消耗大户（煤、石油、天然气、水等），又是能源消耗大户。因此在化学工业中的节约资源和能源，综合利用各种资源和能源，具有十分重要的意义。此外，回收由于副反应所产生的副产物，是化学工业中的一个重要课题。第章

绪论1

5）三废治理在化工生产中产生大量的废气、废水、废渣，这些物质不少是有害的，不仅污染环境，影响人们健康，也危害了生态平衡。为了保护环境，造福人类，应严格控制三废的排放量。我国已制定了环境保护法，规定凡新建的工厂都必须达到三废治理的标准。三废治理中虽然可以回收一些有价值的物质，但由于要达到国家规定的排放标准，处理过程比较复杂，投资费和操作费都比较大。目前各国化工环境保护设备投资一般在化工总投资的3.6～10%，据日本报道，氯乙烯生产中，生产车间与三废治理的费用基本相同。

现代化学工业的特点和发展方向1.51.5.1现代化学工业的特点第章

绪论1

5）三废治理中国在三废治理方面取得一定成效，如氯碱工业中所产生的盐泥（主要成分为氯化镁），通过一定的方法处理，可制得轻质氯化镁，产品质量可达到特级品标准。此外，化学工业又是一个易于发生火灾和爆炸的行业，因此化工安全技术是化工生产管理的重要内容，从设备上、技术上、管理上对安全予以保证，对工作人员进行安全技术训练和制定严格规章制度，是安全生产的重要措施。

现代化学工业的特点和发展方向1.51.5.1现代化学工业的特点第章

绪论1

6）节能世界上由于工业发展，资源及能源的需求日益增长，因此，1973年原油价格猛涨之后，各国都致力于节能方法的研究，如提高产品收率，改变工艺路线，采用新的催化剂体系，在换原料以及副产品的充分利用等方面，尽可能节约能源，提高经济效益。除此之外，在产品的规格、输送及包装合理等管理方面也进行了努力。现代化学工业的特点和发展方向1.51.5.1现代化学工业的特点第章

绪论1

6）节能化工生产是一个耗能的工业，如何在化工生产中加强热能的合理利用和余热的回收，使能量达到充分利用，以减少能耗，是工程师必须注意的问题。有关这方面的例子不少，如原油常减压蒸馏系统，热交换器的最佳化；采用热泵蒸流系统；利用催化裂解装置再生器出来的气体回收热量的工艺等。由此说明节能及节省资源日益成为社会的需要，所以在工业设计和应用方面，谋求能量的有效利用就成为重要课题。

现代化学工业的特点和发展方向1.51.5.1现代化学工业的特点第章

绪论11）大力发展绿色过程技术我国化学加工技术水平与发达国家相比，还有较大差距，化学加工工业工业中资源浪费较多，环境影响严重。例如液体燃料中有毒有害物质的含量明显高于发达国家标准的允许值；以煤作为一次能源及生产化学品的原料，污染十分严重；资源的有效利用率低；大量低品位资源未加利用等。近年来，发达国家正在大力发展绿色过程技术，已实现化学加工技术的更新换代。因此，我国也将开展绿色单元技术的开发和系统集成，以促进经济与社会的持续发展。现代化学工业的特点和发展方向1.51.5.2化学工业的发展方向第章

绪论12）大力发展资源开发利用我国将大力发展劣质矿产资源、煤的转化、动植物资源利用和废弃物再生利用。从国情看，能源的安全性是十分重要的，我国的油气资源有限，但煤炭资源丰富，将煤炭转化为液体燃料的技术，是保障我国能源安全性的重要措施。因此，掌握以煤制油的现代技术，是一项战略性的技术储备。现代化学工业的特点和发展方向1.51.5.2化学工业的发展方向第章

绪论13）大力开发高新技术在精细化工、信息材料、纳米材料、复合材料等方面开发高新技术，以是传统产品升级换代，提高产品的质量和附加值。例如在乳胶漆生产中，采用超细硅酸铝代替部分钛白粉，具有明显的经济效益。现代化学工业的特点和发展方向1.51.5.2化学工业的发展方向第章

绪论1

为了确保化工生产稳定、正常进行，必须严格控制生产过程中的各种操作变量。对化工生产具有重要影响的操作变量主要有：温度、压力、流量、流速、物料组成等。化工生产中的一些基本概念1.61.6.1化工生产中的主要操作变量第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.1化工生产中的主要操作变量1、温度温度的本质是物质内部分子不规则运动强度的一种度量。常用的有三种温标：摄氏温标（t），单位为：

CSI单位制的热力学温标（绝对温标）（T），单位为：KT=t+273.15

英制单位的华氏温标，单位为：

FC=(F–32)/1.8;T=(F–32)/1.8+273.15第章

绪论1

2、压力（压强）压力的定义是垂直地作用于单位面积上的力。压力的单位：

SI单位制中的压力单位：N/m2=Pa（帕斯卡）常用：MPa=106Pa（兆帕）过去中国在工程中常用的压力单位还有：标准大气压（atm)、工程大气压（at）、巴（bar）、毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O）英制单位制中的压力单位：lbf/in2=psi化工生产中的一些基本概念1.61.6.1化工生产中的主要操作变量第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.1化工生产中的主要操作变量2、压力在化工生产中，还常用到下面几种不同的压力表示法：表压力－pg；绝对压力－pab

真空度－pv

；当地大气压－pat

不同的压力表示法之间的关系如右图所示。表压力pg大气压力pat真空度pv绝对压力pab绝对零压力线第章

绪论1绝对压力pab化工生产中的一些基本概念1.61.6.1化工生产中的主要操作变量3.流量流量的定义：在单位时间内通过生产线中某截面的物料输送量称为流量。分别称为“质量流量”（如kg/s、mol/s)和“体积流量”（如m3/s)。当物料为气体时，其体积随温度和压力而变化。故气体的体积流量应指明所处的温度、压力条件。工程上为方便起见，将0C、0.101325MPa(1atm)时的体积称为“标准状态体积”，这时的体积流量称为“标准体积流量”，单位为：m3(标)/s。第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.1化工生产中的主要操作变量4.流速流速的定义：液体或气体在单位时间内沿流动方向流过的距离称为流速。单位为m/s。平均流速：若物料体积流量为V（m3/s），设备或管道的横截面积为A（m2），则物料通过该横截面积的平均流速为：1-1第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.1化工生产中的主要操作变量5.混合物组成的描述方法化工生产中，物料多为混合物。其组成或混合物中个组分的浓度可用下述几种方法表示：

1）质量分数或质量百分数：或式中，为组分i的质量分数或质量百分数；为组分i的质量；为混合物总质量。1-2第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.1化工生产中的主要操作变量5.混合物组成的描述方法

2）体积分数或体积百分数：

或式中，

为组分i的体积分数或体积百分数；为组分i的体积；为混合物总体积。这种物料组成的表示法多用于描述气体的组成。这是因为这种物料组成表示法对低压气体存在下述方便之处。1-3第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.1化工生产中的主要操作变量

低压下气体的P-V-T关系基本符合理想气体定律，即

其中n为气体的摩尔数；R为通用气体常数R=8.314J/(mol.K)

将式(1-4)代入式(1-3)，可得

可见，混合气体中某组分气体的体积分数（或体积百分数）等于其该组分气体的摩尔分数（或摩尔百分数）。1-41-5第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.1化工生产中的主要操作变量5.混合物组成的描述方法

3）(ppm)和(ppb)

物料中的微量杂质含量常用(ppm)和(ppb)来表示。

1(ppm)为百万分之一（气体多指体积，液体、固体多指质量）；

1(ppb)为十亿分之一。第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.1化工生产中的主要操作变量5.混合物组成的描述方法

4）溶液中物质的量浓度：

定义：溶液中组分i的量浓度为单位溶液体积中组分i的摩尔数，即

式中，为溶液中组分的量浓度；为溶液中组分的摩尔数；为溶液总体积；为溶液中组分的质量；为溶液中组分的摩尔质量。1-6第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.1化工生产中的主要操作变量5.混合物组成的描述方法

5）混合物中组分浓度的其它表示法：

g/l；kg/m3；g/m3

等。第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.2化学反应的分类

化学反应是一种或多种物质在一定条件下发生组成与结构变化而生成新物质的过程。将化学反应根据反应特点进行分类，有利于了解反应条件及反应器结构的选择。

1、单相反应和多相反应单相反应：又称均相反应，反应与生成物系统中，物料处于同一相态。实例：1）氯与氢合成氯化氢；

2）天然气燃烧都是气相反应。第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.2化学反应的分类

多相反应：又称非均相反。反应与生成物系统中，物料处于不同相态。实例：1）碱液吸收CO2是气-液相反应；

2）硫铁矿与氧燃烧生成SO2是气-固相反应；

3）氢与氮在固体催化剂存在的条件下合成氨是气-固相反应。多相反应的反应器结构和操作条件都比单相反应的反应器来得复杂。第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.2化学反应的分类

2、放热反应和吸热反应放热反应的反应器要能及时导出多余的反应热，使反应温度控制在适宜的范围内。吸热反应的反应器要能及时提供热量给反应物。因此，化学反应的热效应及其大小对反应器的结构及操作条件具有明显的影响。第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.2化学反应的分类3、可逆反应和不可逆反应

可逆反应：在进行正反应的同时伴随有逆反应，最后达到动态平衡而不能进行到底的反应。对此类反应，关键在于选择有利于平衡偏向目标产物最适宜的操作条件，以提高原料的利用率。

不可逆反应：可按反应式进行到底的反应。对此类反应，重点在于选择有利于生成目标产物的操作条件，抑制其它副反应的发生，以提高原料的利用率。第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.2化学反应的分类4、体积增大、不变或减小的反应反应生成物中的气相摩尔数之和大于、等于或小于反应物中的气相摩尔数之和的反应，分别属于体积增大、不变或减小的反应。实例：CH4+H2OCO+3H2

CO+H2OCO2+H2SO2+O2SO3

第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.2化学反应的分类4、体积增大、不变或减小的反应由于反应的体积效应不同，某些操作条件的选择也将有所不同，以有利于平衡偏向目标产物。实际上，每一个具体的化学反应都可按上述几种分类方法进行分类。例如，CH4+H2OCO+3H2

这一用天然气加水蒸气转化制氢的化学反应是在有固体催化剂的条件下进行的，因而是一种气-固相间的多相反应（非均相反应），它又是吸热反应、可逆反应和体积增大的反应。1-7第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.3化学反应速度与化学平衡1、化学反应速度定义：化学反应速度的大小通常用单位时间内单位反应区体积中反应物的减少量或生成物的增加量来表示。某一瞬间的反应速度称为瞬时速度，其定义得数学表达式为：

i=(1/V)(dNi/d)式中，i为以反应物或生成物i为基准的瞬时反应速度，单位为mol/(m3·s)；V为反应区的体积，m3

；Ni为反应物或生成物i的瞬时量，mol。若i为反应物，上式取负号；若i为生成物，上式取正号；为反应时间。1-8第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.3化学反应速度与化学平衡1、化学反应速度令Ni/V=Ci

为反应物或生成物i的瞬时浓度，（mol/m3）则式（1-8）又可写成：

i=dCi/d

反应速度不但与系统的浓度有关，且与系统的温度也有关。一般来说，提高温度，增加反应物浓度或降低生成物浓度，都可提高反应速度。反应速度是影响反应器尺寸和生产经济效益的重要因素。1-9第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.3化学反应速度与化学平衡2、化学平衡

1）化学平衡的概念大多数化学反应同时存在正向反应和逆向反应的可逆反应。可逆反应的反应总速度是正向反应速度和逆向反应速度之差：

=正

-逆当达到正

=逆时，反应总速度

=0。此时，在表观上反应不再进行，各组分浓度不随时间改变，这种状态称为反应的化学平衡状态。1-10第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.3化学反应速度与化学平衡2、化学平衡

1）化学平衡的概念如果改变处于平衡状态系统的温度、压力或组分等条件，则该平衡状态即被破坏。然后在新的条件下，经过足够长的时间，反应又将达到新的平衡状态。第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.3化学反应速度与化学平衡2、化学平衡

2）化学平衡的条件当某一特定反应系统处于化学平衡状态时，其反应物和生成物的浓度存在着特定的定量关系。这种特定关系也就是该特定反应系统的化学平衡的条件。化学平衡条件的具体表达形式与反应类型有关，通常用下列三种形式来表达：气相反应系统，设反应通式为

1-11第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.3化学反应速度与化学平衡2、化学平衡平衡时各组分分压存在下列关系：

式中，、、、：分别为平衡时各反应物和生成物的分压，简称“平衡分压”。组分的分压

与该组分的摩尔分数

成正比(

)，因而可用来表示组分的浓度。式中，、

、、：分别为反应式中的计量系数；1-12第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.3化学反应速度与化学平衡2、化学平衡式中，：为平衡常数，对一具体的反应来说，平衡常数的数值只与反应温度有关，而与反应开始时各各组分的浓度以及催化剂的存在与否无关。压力对平衡常数数值的影响较小，仅在高压下才予以考虑。平衡常数的物理意义：表示平衡时正向反应完全的程度，值越大，正向反应进行得越完全。注意：平衡常数的数值不能表示反应速度的大小。第章

绪论1化工生产中的一些基本概念1.61.6.3化学反应速度与化学平衡2、化学平衡气-固相反应系统，在平衡常数

的表达式中，将不包含固相组分的分压。例如，碳的燃烧反应C+O2=CO2

其平衡常数

的表达式简化为：液相反应系统，设反应通式为：第