化工导论绪论

1、化工导论,Introduction to Chemical Engineering,孙兰科楼A205,参考教材： 李淑芬 主编现代化工导论，化学工业出版社，2004 参考书： 戴猷元 主编化工概论，化学工业出版社，2006 T.迈克尔.邓肯等著化工过程分析与设计导论，化学工业出版社 ，2004 Google、百度、维基百科（Wikipedia）,课程内容,第1章 绪论 第2章 化学工程与工艺的科学基础 第3章 无机化工 第4章 石油炼制与石油化工 第5章 高分子合成材料 第6章 天然气化工与煤化工 第7章 精细化工 第8章 生物化工 第9章 环境化工 第10章 化工案

2、例分析 第11章 现代化工发展前景,第1章 绪论,1.1 化工概述,化学工业（chemical industry）、化学工程（chemical engineering）和化学工艺（chemical technology）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。,（1）化工的含义,（2）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

3、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。,（2）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。,（3）化学与化工,从事科学研究的科学家和研究者关心的

4、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。,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,（3）化学与化工,（4）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

5、理论和方法问题。 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。,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。,（4）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

6、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。,（4）化学工程与工艺,在国外，化工学科一般认为属于工程范畴而纳入工程学科（Engineering），也有根据其研究的对象而将其放入化学学科中. 在我国当前的学科划分中，以一级学科“化学工程与技术” 概括化工学科，并又分为以下五个二级学科：化学工程、化学工艺、应用化学、生物化工、工业催化。,（4）化学工程与工艺,一般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

7、，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。,（4）化学工程与工艺,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。,（4）化学工程与工艺,（5）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

8、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。,（6）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。,（7）基本有机化工原料与产品,（基本）有机化工原

9、料： 有机： 三烯（乙烯,丙烯,丁二烯), 三苯(苯,甲苯,二甲苯) 重要 基本有机化学品： 上百种， 如甲醇、乙醇、萘、苯酐、 苯酚、醋酸、丙酮、丁醇、辛醇等。 有机化工产品： 三大合成材料：合成树脂（塑料），合成橡胶 ，合成纤维 各种精细化学品： 品种繁多。,（8）化工的特点-高温高压 易燃易爆,（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，不得不进行更多的实验及更多的计算。 （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

10、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。,（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。 （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。,（8）化工的特点,（6）

11、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。 （7）使用外语多。为进行科学研究或开展技术革新，查阅国内外文献是必不可少的。,（8）化工的特点,1.2 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）化工与农业,化肥 农药：研制高效、低毒和安全的农药 植物激素及生长调节剂 其他： 农膜、土壤

12、改良剂、饲料添加剂等。,（2）化工与医药,制药工业 生物制药 化学合成制药 中药制药 是特殊商品，许多国家的制药工业发展速度多年来都高于其他工业的发展速度。,（3）化工与能源 一次能源与二次能源,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。 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。,图1-1 世界和中国能源消耗构成,石油 39.6%,煤炭 27.3%,天然

13、气 22.4%,其他 0.5%,水电 2.7%,核能 7.5%,煤炭 74.6%,石油 39.6%,水电 6.1%,天然气 1.8%,（a）世界,（b）中国,（4）化工与人类生活,迄今为止，人类发现和创造的1200多万个化合物各自有其性质和功能。农业、轻工业、重工业、吃穿用、衣食住行无不紧密地依赖化学品，化工使人们生活更加丰富多彩。,（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。 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、

14、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 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 中国化学工业发展史 我国的近代化学工业 新中国的化学工业,（1）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。,世界化学工业发展史,（2

15、）近代化学工业的兴起,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。,（2）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

16、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。,（2）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。,（2）近代化学工业的兴起 -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

17、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。,（2）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。,（2）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，

18、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。,（3）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。,（3）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

19、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。,（3）现代化学工业 -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。,（3）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

20、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。,-石油化工中合成树脂与纤维工业,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。,（3）现代化学工业 -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

21、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。,（3）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：

22、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。,（3）现代化学工业 -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。,（3）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

23、油原料研究，把装置转移到发展中国家等。,（3）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）人员多于兰领（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。,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

24、前精细化率成为一个国家的化学工业发展标志。,中国化学工业发展史,我国的近代化学工业 新中国的化学工业,（1）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）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，1

25、914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）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%。,我国化工事业的先驱者,吴蕴初 (1891- 1953)，上海嘉定县, 1911年毕业于上海兵工学堂，主读化学 , 1913年至

26、1919年先后任汉阳铁厂化验师 , 汉阳兵工厂炸药课课长。 1920年在上海创办牛皮胶厂，1923年创建天厨味精公司。1928年当选为中华化学工业会副理事长。同年在上海创办了“中华工业化学研究所”。,吴蕴初,1929年创立上海天原电化厂股份公司，是我国第一家生产盐酸、烧碱和漂白粉等基本化工原料的氯碱工厂。1932年创建天利氮气厂，1935年天利氮气厂合成氨投产，部分合成氨用于制硝酸，是我国生产合成氨及硝酸的第一家工厂，蒋介石题词“工业救国”，以示祝贺。1934年建成天盛陶器厂，生产耐酸陶管、瓷板、陶质阀门等。 他出身清寒，1931年出资万元，成立清寒教育委员会，资助化工系学生。1945年成立“

27、吴蕴初公益基金委员会”，将他投资化工事业的全部股票拿出，交给基金会保管。抗战胜利后，他又将味精发明权所得收入全部归人基金会。这些基金，对培养我国科技人才，发挥了重要作用。 1949年任华东军政委员会委员，1953年任中国民主建国会上海分会副主任委员。,吴蕴初,我国化工事业的先驱者,范旭东（1883-1945），湖南湘阴人，1900年到日本留学，1910年以优异成绩毕业于京都帝国大学化学系，1911年回国后在北洋政府北京铸币厂负责化验分析。但由于不满当时官场的腐败，两个月后辞去了工作。,范旭东,1914年在天津塘沽创办久大精盐公司，1918年与陈调甫等创建永利碱厂，1926年制出优质的纯碱，并于

28、同年在美国主办的万国博览会上获得“中国工业进步的象征”的美誉，荣膺大会金质奖章。1934年在南京大厂创办兼产合成氨、硝酸、硫酸、硫酸铵的永利铔厂，1937年生产出我国第一批硫酸铵产品。他积极支持侯德榜等人革新制碱工艺，于1943年开发成功了联合制碱新工艺。 他注重科学研究工作，1922年创办了我国第一家专门的化工科研机构黄海化学工业研究社，并把久大、永利两公司给他的酬金用作该社的科研经费。还曾担任中国自然科学社理事、中华化学工业会副会长、中国化学会副理事长。1945年他去世时，毛泽东为他题写了“工业先导，功在中华”的挽联。,范旭东,我国化工事业的先驱者,侯德榜（1890-1974），福建闽侯人

29、，1911年考入北平清华留美预备学堂，以10门功课1000分的优异成绩誉满清华园。1913年被保送入美国麻省理工学院化工科学习，1917年获学士学位。1918年入美国哥伦比亚大学研究制革，1919年获硕士学位，1921年获博士学位。,侯德榜,1921年他接受永利制碱公司总经理范旭东的邀聘，离美回国，承担起续建碱厂的技术重任，于1926年取得成功，生产出优质纯碱。在总结亲身实践的基础上，他用英文撰写了纯碱制造一书，1933年在纽约出版，在学术界和工业界产生了深远影响。 1934年他负责筹建永利公司南京铔厂（兼产合成氨、硝酸、硫酸、硫酸铵），1937年生产出我国第一批硫酸铵产品。 1943年研究开

30、发成功了联合制碱新工艺。 1945年范旭东逝世后，他继任永利化学工业公司总经理。 1958年任化学工业部副部长，还曾担任中国化学化工学会理事长。,侯德榜,（2）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。,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。,（2）新中国的化学工业,（2）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