典型化工產(chǎn)品工藝學(xué)

第1章緒論1.1化學(xué)工業(yè)概略1.2化工消費過程概述1.3化學(xué)工程學(xué)簡介1.1化學(xué)工業(yè)概略化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要部門之一，在各國經(jīng)濟開展中舉足輕重。普通占GDP的5-7%，占工業(yè)產(chǎn)值的7-10%甚至更高。過去十年，世界化學(xué)工業(yè)以高于世界經(jīng)濟增長率的20%-30％的速度開展。我國化工產(chǎn)業(yè)占GDP的12-15%左右?；瘜W(xué)工業(yè)的開展反映了人類對化工產(chǎn)品日益添加的需求，顯示出其在人類社會生活中的作用愈來愈重要。1．化學(xué)工業(yè)在國民經(jīng)濟中的位置與作用化學(xué)工業(yè)的作用：機械工業(yè)電子工業(yè)國防工業(yè)農(nóng)業(yè)日用品機械工業(yè)切割用的電石、成型劑、粘合劑、外表處置、化學(xué)鍍、防銹涂料、合成纖維、合成樹脂、橡膠、涂料、石棉、玻璃、建材等。電子工業(yè)超高資料、超導(dǎo)資料；如氣體、試劑、半導(dǎo)體、熒光屏及其他溶劑。國防工業(yè)炸藥、助推劑、復(fù)合資料、陶瓷、核燃料等。農(nóng)業(yè)合成纖維替代棉花、合成橡膠替代天然橡膠；如，消費1萬t合成纖維相當(dāng)于200km2棉田所產(chǎn)棉花，制造1萬t合成橡膠相當(dāng)于166.5km2橡膠園所產(chǎn)的天然橡膠。農(nóng)藥、化肥、農(nóng)用地膜、人工降雨等。日用品衣、食、住、行、醫(yī)療及文體用品等。2．化學(xué)工業(yè)行業(yè)范疇與產(chǎn)品分類化學(xué)工業(yè)門類復(fù)雜，是一個包含多個行業(yè)的工業(yè)部門。按4類分：原料工業(yè)〔煤、石油、天然氣等〕根本無機化工〔酸、堿、鹽〕根本有機化工〔合成資料、加工業(yè)〕合成工業(yè)〔制藥、精細化工〕石油煉制和裂解工業(yè)、煤焦化及煤焦油工業(yè)、根本有機合成工業(yè)、合成高分子工業(yè)、氯堿工業(yè)、制酸工業(yè)、肥料工業(yè)以及精細化學(xué)工業(yè)。b．按8類分：c．按產(chǎn)品分類〔25類〕：如：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、天然產(chǎn)品、生活用品等①通用化學(xué)品：以煤、石油、天然氣、農(nóng)副產(chǎn)品為原料經(jīng)簡單加工而成的三烯三苯一炔一萘、三酸二堿等。d．按技術(shù)密集程度和附加值大小分類：②精細化工品：以通用化學(xué)品為原料，深加工，高附加值，小批量，大利潤，高純度的產(chǎn)品。3．化學(xué)工業(yè)的原料及選擇原那么根據(jù)物質(zhì)來源分，有無機原料和有機原料兩大類。前者主要有空氣、水和化學(xué)礦物；后者主要是煤、石油、天然氣和生物物質(zhì)?？諝饨?jīng)液化和精餾為化工消費提供氧氣和氮氣。氧氣與諸多化工原料反響生成含氧產(chǎn)品；氮氣既可作為原料，也可用于洗滌、分別氣體混合物。水主要用做原料、溶劑、冷卻劑、蒸汽(熱源或動力)?；瘜W(xué)礦物有制硫酸的黃鐵礦和硫，制磷酸鹽的磷灰石等。(1)無機化工原料a．煤煤焦油、焦碳、苯、焦?fàn)t氣〔CH4〕、硫等。(2)有機化工原料d．農(nóng)林作物油料、藥用、纖維作物、橡膠、染料等。c．石油油品、煉廠氣、裂解、重整。b．天然氣甲烷、乙烷、丙烷、丁烷。(3)原料選擇原那么在選擇原料道路和技術(shù)道路時，應(yīng)全面權(quán)衡技術(shù)、經(jīng)濟、社會和環(huán)保等方面的利弊。要思索原料的來源、種類，道路能否可行，技術(shù)上能否合理，分析原料的經(jīng)濟性。4．化學(xué)工業(yè)的特點(1)化學(xué)工業(yè)是獨特的、不可取代的工業(yè)部門化學(xué)工業(yè)以化學(xué)加工為主要特征，是發(fā)明新物質(zhì)的工業(yè)。(2)化工產(chǎn)品種類繁多，工藝復(fù)雜(3)化學(xué)工業(yè)是安裝型工業(yè)，具有規(guī)模經(jīng)濟性化工消費的主要設(shè)備大多是塔、罐、槽、器及管道，普通安裝的投資費用與其消費才干的2/3次方呈正比。(4)化學(xué)工業(yè)是資金密集，技術(shù)密集的工業(yè)部門以機械工業(yè)的技術(shù)密集指數(shù)為100，化學(xué)工業(yè)那么到達2480。以醫(yī)藥和農(nóng)藥新種類開發(fā)為例，開發(fā)勝利率為萬分之一，完成一個新種類研制，在美國需10年左右時間，耗資6000萬美圓。(5)化學(xué)工業(yè)是能源耗費的大戶(6)化學(xué)工業(yè)是易污染、重污染的工業(yè)部門5．化學(xué)工業(yè)的開展與現(xiàn)狀化學(xué)工業(yè)歷史悠久，最初的化工可追溯到公元前2000多年前的制陶、冶煉、釀造、漂染、揉革等行業(yè)。自18世紀(jì)中期工業(yè)革命興起，機器的出現(xiàn)使棉紡織業(yè)實現(xiàn)機械化，硫酸的鉛室法出現(xiàn)，路布蘭制堿法出現(xiàn)。19世紀(jì)中葉，出現(xiàn)了氨堿法制堿的索爾維法。隨后，電解法制堿技術(shù)問世，為造紙、染料、炸藥等行業(yè)提供了比純堿更強的苛性堿。(1)化學(xué)工業(yè)開展的歷史19世紀(jì)，鋼鐵工業(yè)的開展促進了煉焦工業(yè)，從煉焦副產(chǎn)品煤焦油中提取多種有機芳香族化合物，并以其為原料制染料、醫(yī)藥、香料、炸藥等產(chǎn)品，構(gòu)成了以煤焦油為根底的有機合成工業(yè)。20世紀(jì)初，美國規(guī)范石油公司采用裂化方法將重質(zhì)油加熱轉(zhuǎn)化為相當(dāng)汽油餾分的輕質(zhì)油。促進了石油化工的開展。20世紀(jì)中葉，有機化工產(chǎn)品80%-90%是以石油或天然氣為原料消費的，三大合成資料的原料幾乎全部來自石油化工。由于化工原料的變化，引發(fā)了化學(xué)工業(yè)產(chǎn)業(yè)構(gòu)造的變革，帶動精細化工的開展。自20世紀(jì)40年代以來，化工曾經(jīng)成為世界各國工業(yè)開展的重點。80年代以來，隨社會的開展、消費工藝技術(shù)的改良，提高人民生活程度，化工產(chǎn)品出現(xiàn)多樣化、功能化、精細化的特點。成為化學(xué)工業(yè)的起點，化學(xué)工業(yè)由開展根底化工轉(zhuǎn)向重點開展精細化學(xué)工業(yè)，使化學(xué)工業(yè)開展到達了一個新的歷史時期。(2)我國的化學(xué)工業(yè)舊中國的化學(xué)工業(yè)根底非常薄弱，僅有沿海、沿江的幾個小化工企業(yè)。新中國成立后，先后吉化、太化和蘭化三大化工基地；相繼又建成了北京燕山、山東齊魯、上海金山、南京揚子等一大批石油化工結(jié)合企業(yè)。表1—1為我國與部分興隆國家主要化工產(chǎn)品產(chǎn)量比較(1997年)表表1—2為我國化工產(chǎn)值變化情況表1—3為我國化工工業(yè)與其它工業(yè)的比較情況表1一3全國工業(yè)及化工系統(tǒng)總產(chǎn)值增長速度〔％〕美國是當(dāng)今世界上最興隆的國家,也是世界上最大的化學(xué)品消費國，1997年化工總產(chǎn)值3917億美圓，居世界第一位.表1一4列舉了1997年我國與世界幾個化學(xué)工業(yè)興隆國家的勞動消費率比較情況.(3)世界化學(xué)工業(yè)表1一4化學(xué)工業(yè)勞動消費率萬元／人年美國日本德國英國法國意大利中國38.1452.7221.7024.0832.6826.980.261.2化工消費過程概述消費中，原料預(yù)處置和產(chǎn)物分別，缺一不可?；瘜W(xué)反響這一步是整個化工消費過程的中心，起主導(dǎo)作用，其要求和結(jié)果斷定著原料預(yù)處置的程度和產(chǎn)物分別的義務(wù)，直接影響到其它兩部分的設(shè)備投資和操作費用。1．化工消費過程分析化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品種類繁多，消費流程千差萬別，共同之處是都有原料預(yù)處置、化學(xué)反響和產(chǎn)物的分別三部分?；はM過程可視為物理過程和化學(xué)過程組成。由于被加工物料的相態(tài)不同、過程原理和采用方法的差別，將物理過程可進一步細分為一系列遵照不同物理定律，有某種功用的根本操作過程，稱之為單元操作，如消費硫酸.見表1一5所示每一種單元操作都概括了化工消費中一類有共性的操作，從本質(zhì)上歸納為動量傳送、熱量傳送和質(zhì)量傳送三種傳送過程?；瘜W(xué)反響類似于單元操作，按其反響的特點，尋求共性，提煉出諸多單元操作。三種傳送過程和反響工程，即“三傳一反〞構(gòu)成化學(xué)工程學(xué)科研討的一條主線。表1-5單元操作單元操作目的物態(tài)原理傳送過程流體保送保送液或氣輸入機械能動量傳送攪拌混合或分別氣-液輸入機械能動量傳送液-液,固-液過濾非均相混合物分別氣-固,固-液尺度不同的截留動量傳送沉降非均相混合物分別氣-固,固-液密度差引起的動量傳送沉降運動加熱,冷卻升溫,降溫,改動氣或液利用溫差傳入熱量傳送相態(tài)或移出熱量蒸發(fā)溶劑與不揮發(fā)性液供熱汽化溶劑熱量傳送溶質(zhì)的分別2．化工消費過程的工業(yè)特征(5)化工消費涉及經(jīng)濟問題.如原料供應(yīng)、設(shè)備投資、能耗、銷售、投入、工時及消費管理等。經(jīng)濟效益是評價化工消費過程能否能實施的重要目的。(1)化工過程是大規(guī)模的工業(yè)消費，物料處置量大，與實驗研討相差懸殊。(2)化工消費多為延續(xù)化消費過程。(3)化工消費處置的物料從原料的純度到產(chǎn)品的收率都與化學(xué)實驗研討不盡一樣。(4)化工消費需求設(shè)置公用供水、供電、動力、儲存、運輸?shù)仍O(shè)備。3．化工消費過程的檢測與控制在任何化工消費過程中，需求檢測和控制的目的有溫度、壓力、流量、液面、組成等幾類。4．化工消費過程的研討與開發(fā)任何一個新的化工消費過程，都是從最初的創(chuàng)意或想象開場，經(jīng)過實驗室研討、中間實驗、工業(yè)化實驗、放大設(shè)計、技術(shù)經(jīng)濟評價等諸多環(huán)節(jié)，最后建成工業(yè)消費安裝，實現(xiàn)規(guī)模消費。在放大設(shè)計過程中,大小安裝之間會產(chǎn)生工藝結(jié)果的差別，歸結(jié)于“放大效應(yīng)〞，尋求其產(chǎn)生來由和改善的方法是過程開發(fā)一項中心義務(wù)。5．化工消費過程的技術(shù)經(jīng)濟分析化工消費過程的工藝技術(shù)經(jīng)濟目的主要有：①物料和能量的綜合利用。④消費的投資費用。③消費強度。②產(chǎn)品的產(chǎn)率及質(zhì)量。6．化工消費過程的資源和能源綜合利用消費規(guī)模的大型化是化工消費過程資源和能源綜合利用的保證。消費規(guī)模擴展使單位產(chǎn)品的原資料和能源耗費大大降低；勞動效率高，產(chǎn)品的總本錢低，因此在市場和資源條件具備的情況下，消費規(guī)模大型化是化學(xué)工業(yè)的開展趨勢。化工消費中，物料循環(huán)和熱量回流，并到達多種產(chǎn)品結(jié)合消費，是節(jié)能降耗的主要途徑。7．化工消費過程的優(yōu)化按詳細的消費義務(wù)，確定合理的工藝道路(原料、方法)，選擇適宜的反響器，配置相適宜的單元操作及設(shè)備，適當(dāng)組合構(gòu)成一個化工消費過程的整體，成為化工過程系統(tǒng)，簡稱化工系統(tǒng)。化工系統(tǒng)的諸多不確定性，決議了化工消費過程的復(fù)雜性?；はM過程本身的特點和復(fù)雜性，使其存在大量的過程最優(yōu)化問題，涉及過程研討中的開發(fā)和設(shè)計及過程運轉(zhuǎn)中的操作、管理和控制等各個方面?；は到y(tǒng)優(yōu)化包含三個層次：(1)化工工藝道路的最優(yōu)化。即系統(tǒng)總體方案的最優(yōu)化設(shè)計和選擇。(2)流程構(gòu)造的最優(yōu)化。即流程最優(yōu)化設(shè)計和選擇。(3)流程工藝參數(shù)和操作參數(shù)的最優(yōu)化?；はM過程優(yōu)化義務(wù)分為三個階段:(1)為完成某類產(chǎn)品的消費義務(wù)，將分散的單元遵照一定的法那么，組織成對給定的性能目的來說是最優(yōu)的過程系統(tǒng)，這個階段稱為最優(yōu)綜合。(3〕在構(gòu)造參數(shù)和設(shè)計參數(shù)都已固定的條件下，為防止干擾,使消費過程能在外界條件變化及各干擾要素出現(xiàn)的情況下，保證過程系統(tǒng)的經(jīng)濟性，對操作參數(shù)和控制參數(shù)進展優(yōu)化，稱為最優(yōu)操作或最優(yōu)控制。(2〕在給定過程構(gòu)造的條件下，確定各單元及整個系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)的優(yōu)化計算，叫最優(yōu)設(shè)計。過程優(yōu)化涉及技術(shù)和經(jīng)濟兩方面。技術(shù)優(yōu)化是使各項目的到達最優(yōu)，經(jīng)濟優(yōu)化是以最小費用獲得最大利潤,到達高的經(jīng)濟效益為目的。8．化工消費過程的流程圖為描畫化工消費過程，工程上通常用籠統(tǒng)的圖形、符號和代號表示設(shè)備，用箭頭表示物料流動方向，將化工過程從原料到最終產(chǎn)品經(jīng)過的一切設(shè)備和相互關(guān)系以及物料流動順序，以圖示的方式表達出來，這種表示整個化工消費過程全貌的圖形稱為工藝流程圖。工藝流程圖是工廠設(shè)計的根底，也是操作和檢修的指南。普通分為消費工藝流程圖、物料流程圖和帶控制點的工藝流程圖。工藝流程圖中的設(shè)備的圖形和符號已規(guī)范化。消費工藝流程圖常將設(shè)備的大致幾何外形畫出，或以方框表示。無論采用那種流程圖表達工藝流程，從左向右展開，有必要的文字進展闡明，如設(shè)備稱號(符號代號)、物料流向、物料稱號、圖名、圖號、設(shè)計階段等。1.3化學(xué)工程學(xué)簡介1．化學(xué)工程學(xué)及其研討對象和義務(wù)化學(xué)反響是它的中心，化學(xué)學(xué)科是它的根底。化學(xué)工業(yè)在大型設(shè)備中大批量延續(xù)化的消費所提出的技術(shù)間題，僅靠化學(xué)學(xué)科的知識是遠不夠的，它需求機械、電氣、儀表、控制等工程學(xué)科的實際支持和技術(shù)上的運用，因此便誕生了一門源自化學(xué)、又不同于化學(xué)，綜合了諸多工程技術(shù)學(xué)科的新學(xué)科—化學(xué)工程學(xué)?；瘜W(xué)工程學(xué)始于19世紀(jì)末。20世紀(jì)初，明確認識到各行各業(yè)通用的物理操作的共性，提出了單元操作的概念，構(gòu)成化工過程與設(shè)備課程，后多稱為化工原理。50年代構(gòu)成了化學(xué)反響工程分支。70年代以后，化工消費日趨大型化、延續(xù)化以及計算機技術(shù)的迅速開展，化學(xué)工程學(xué)的研討已不再局限于單個單元操作或化學(xué)反響過程，構(gòu)成了化學(xué)系統(tǒng)工程，主要是研討系統(tǒng)的設(shè)計、控制和管理。2．化學(xué)工程學(xué)的研討方法數(shù)學(xué)模型法是將復(fù)雜的研討對象合理地簡化為某個模型，簡化的模型與原過程近似而等效?；瘜W(xué)方面的問題歸納為研討反響對象，提出反響動力學(xué)模型；傳送方面的問題歸納為研討不同類型反響器，提出反響器的傳送模型；而兩者的結(jié)合方面的問題，那么是將各種反響模型和各種傳送模型相結(jié)合的問題。在化學(xué)工程學(xué)的歷史開展中構(gòu)成了兩種根本的研討方法閱歷歸納