化工工艺学 Chemical Technology 参考文献 徐绍平.化工工艺学.大连:大连理工出版社, 2004 曾之平.化工工艺学.北京:化工出版社, 1997 梁仁杰.化工工艺学.北京:化工出版社, 1998 陈五平.无机化工工艺学.北京:化工出版社,1989 吴章.基本有机合成工艺学.北京:化工出版社,1982 第一章 绪 论 第一节 化学工业及其在国民经济中的地位和作用 第二节 由原料到化工产品 第三节 化工原料的变迁与化学工业发展趋势 第四节 化工工艺学研究的范畴 第一节 化学工业 及其在国民经济中的地位和作用 化学工业泛指生产过程中化学方法占主要地 位的制造工业。 化工工艺即化工生产技术，系指将原料物质主 要经过化学反应转化为产品的方法和过程，包 括实现这种转变的全部化学的和物理的措施。 现代化学工业发展概况 现代化学工业始于18世纪的法国，随后传入英国； 19世纪，以煤为基础原料的有机化学工业在德国迅速发展起来。采用化 学(家)加机械(工程师) 的方式； 19世纪末20世纪初，石油的开采和大规模石油炼厂的兴建为石油化学工 业的发展和化学工程技术的产生奠定了基础。 20世纪20年代石油化学工业的崛起推动了各种单元操作的研究。 20世纪30年代以后，化学机械从纯机械时代进入以单元操作为基础的化 工机械时期。 20世纪40年代，因战争需要，三项重大开发同时在美国出现。这三项重 大开发是，流化床催化裂化制取高级航空燃料油、丁苯橡胶的乳液聚合以 及制造首批原子弹的曼哈顿工程。 20世纪50年代中期提出了传递过程原理，并用数学模型描述该过程。 20世纪60年代初，新型高效催化剂的发明，新型高级装置材料的出现 ，以及大型离心压缩机的研究成功，开始了化工装置大型化的进程，把 化学工业推向一个新的高度 。此后，化学工业过程开发周期已能缩短 至45年，放大倍数达50020000倍。 20世纪70年代后，现代化学工程技术渗入到了各个加工领域，生产技 术面貌发生了显著变化。化学工业还同时面临来自能源、原料和环保三 大方面的挑战，进入一个新的更为高级的发展阶段。 化学工业过程开发是指把化学实验室的研究结果转变为工业化生产的全 过程。 它包括实验室研究、模试、中试、设计、技术经济评价和试生产等许多 内容。 过程开发的核心内容是放大。 由于化学工程基础研究的进展和放大经验的积累，特别是化学反应工程 理论的迅速发展，使得过程开发能够按照科学的方法进行。中间试验不 再是盲目地、逐级地，而是有目的地进行。化学工业过程开发的一个重 要进展是，可以用电子计算机进行数学模拟放大。中间试验不再像过去 那样只是收集或产生关联数据的场所，而是检验数学模型和设计计算结 果的场所。 化学工业过程开发 现代化学工业过程开发可以概括为： 1利用现有的情报资料、技术数据、同类过程的成熟经验、小试或模 试的实验结果和化学化工知识，把化学工业过程抽象为理论模型； 2进行工业装置的概念设计，并根据概念设计相似缩小为中试装置； 3比较电子计算机的数学模拟和中试结果，反复比较，不断修正数学 模型，使其达到一定精度，用于放大设计。 一、 化学工业的分类 对化学工业进行严格分类比较困难。根据应用化学 原理（包括化学反应）改变物质结构的成分和形态 的都是化学工业。 由于某些行业管理体制上的差别，诸如冶金、建材、 硅酸盐、食品等不列入化学工业；而医药、纤维、 橡胶制品和塑料制品等有时又各有不属于化工部门 的管理机构；生物化工、石油化工的独特形态，可 能又各自独立，所以我们只简略地将化学工业进行 分类。 一、 化学工业的分类 按化学工业使用的原料划分：煤化工、石油化 工、天然气化工、海洋化工、矿产化工、生物化 工、林产化工、天然药品和天然产物化工、核化 工、电化工等。 按产品的用途和形态等划分：国防化工、环境 化工、日用化工、食品化工、农用化工、能源化 工、信息化工、材料化工、皮革化工、治金化工、 药物化工、建筑化工等。 无机化学工业（包括化学肥料、“三酸”、“二 碱”、无机盐、稀有元素、电化学等) 三酸 (硫酸、盐酸、硝酸) 两碱（烧碱、纯碱） 基本有机化工（以天然资源煤、石油、天然气、 化 工 基 分 学 业 本 类 生物质为原料经过化学加工得到的“三烯”、“三苯”、 “一炔”、萘等八大基础原料，然后再进一步为基本有 机原料的工业) 三烯三苯一炔一萘（乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲 苯、乙炔、萘八种化工原料） 高分子化学工业（包括合成塑料、合成橡胶、合成 纤维等） 精细化学品加工工业：以通用化学品为原料，深加 工，高附加值，小批量，大利润，高纯度的产品。 二、化学工业的现状 属多品种、多行业、服务面广和配套性强 的部门，增长速度多高于国民经济增长速度。 结构大调整，重点或开发采用新工艺和催 化剂的通用化学品，或开发高附加值产品。 二、化学工业的现状 产品生产能力和技术研发取得长足进步。 重视规模经营和综合利用，以获取最大利润； 产品高质量、功能化和多样化； 各种高强度、高质量、耐高温，具有特殊光学 或电学性能的塑料、陶瓷和纤维等新材料不断 涌现；高温超导材料已趋实用化； 二、化学工业的现状 超细技术广泛应用，纳米陶瓷、纳米铜和纳米碳 管等纳米材料不断发展； 利用生物技术生产肥料、医药、燃料和农药等； 无铅汽油广为应用；包括煤气化联合循环发电在 内的洁净煤技术进入工业实施阶段； 陶瓷膜等无机膜有望用于天然气分离等。 纳米（10亿分之一米）。 纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研 究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应 用。 纳米技术 纳米技术包含下列四个主要方面： 第一方面是纳米材料，包括制备和表征。 第二方面是纳米动力学，主要是微机械和微电 机，或总称为微型电动机械系统，用于有传动机 械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种 电子设备、医疗和诊断仪器等，用的是一种类似 于集成电器设计和制造的新工艺。 纳米技术包含下列四个主要方面： 第三方面是纳米生物学和纳米药物学。 第四方面是纳米电子学，包括基于量子效应的 纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电 子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。 国际化学工业发展趋势 一、发展背景 近20多年来，全球经济环境变化，化学品市场日趋成熟，产品同构型升 高，生产企业众多，需求成长缓慢，产品市场生命周期缩短，市场竞争 激烈，价格竞争仍然是市场主流。在目前市场条件中，同类产 品价格差距不大，成本降低是化学品生产企业提高获利的主要基础 ，也是竞争的主要必备条件。 在进入21世纪以来，全球经济成长缓慢，产品市场需求减慢，许多化学 品企业经营业绩滑落，导致并购、联合、重组事件此起彼落。 创新成果商 品化、产业 化的过程 二、化学工业的现状 我国有十余种主要化工产品的产量居世界前 列。其中，化肥、合成氨和染料世界第一，硫 酸、纯碱和农药世界第二，硫铁矿、磷矿、磷 肥、烧碱、醋酸、涂料、轮胎、乙烯和合成材 料等在较前位次。石油化工已成为国民经济的 重要的支柱产业之一。 二、化学工业的现状 问题和差距 规模小，成本高； 大型装置和设备主要依靠进口； 产品品种少、功能化和差别化率低； 环境污染严重； 能耗较高等。 三、 化学工业的特点 原料、生产方法和产品具有多样性和复杂性。 生产向大型化、综合化发展、精细化率也在不断提高。 化学工业部门是多学科合作、生产技术密集型的生产 部门。 重视能量合理利用，积极采用节能工艺和方法。 资金密集，投资回收速度快，利润高。 产品易燃、易爆、有毒。 开发环境友好生产工艺。（清洁生产） 世界化学工业未来发展趋势 1、集中核心产业向专业化和特色化方向发展; 2、注重发展高新技术和高附加值产业; 3、大宗化工产品生产向原料和市场所在地转移(原料 本地化); 4、上下游一体化; 5、注重环境保护和可持续发展; 6、亚太地区成为投资热点。 四、化学工业的发展方向 环保问题：清洁生产、绿色化学和循环经济 等； 化学与其它科学结合以合成产品：如使用包裹 型粒状化肥，调节肥效期； 新能源：燃料电池、太阳能和氢能等； 化工新材料：纳米材料、超导材料，以陶瓷、 金属、聚合物为基础的复合材料，高强度纤维， 耐高温黏合剂和密封剂等新材料； 四、化学工业的发展方向 生物化工：利用生物酶技术在温和条件下生 产产品；利用农副产品生产燃料乙醇、有机酸、 抗生素和精细化学品的大规模化；生物农药等； 产品精细化：消耗较少原料制功能化产品。 五、化学工艺学和化学工业的关系 化学工艺学：研究由化工原料加工成化工产品 过程的科学，包括生产方法、原理、流程和设 备。据反应类型、特点和产品分为各种工艺学。 二者互相依存，相互促进。二十一世纪化学工业的 发展使化学工艺学面临如产品精细化和个性化、 原料路线转变及发展绿色化工技术等挑战。 五、化学工艺学和化学工业的关系 1) 化工过程的三个主要步骤 原料处理：经净化、提浓、混合、乳化或粉碎 （对固体原料）等预处理，使原料符合要求； 反应：生产的关键步骤，达到要求的反应转化率 和收率，获得目的产物或其混合物。 产品精制：分离产物，除去副产物或杂质。 五、化学工艺学和化学工业的关系 2）化工技术的提出 针对一定产品或原料，如甲醇的合成等。一般内 容：原料和生产方法的选择，流程组织，设备 （反应器、分离器、热交换器等）选用，催化剂 及其他物料的影响，操作条件的确定，生产控 制，产品规格、副产品的分离和利用及安全生产 和技术经济等问题。 五、化学工艺学和化学工业的关系 3）化学工艺学和工业化学 在生产和科学的长期发展中，化学生产逐渐从 手工向以科学理论为基础的现代生产技术转变。 但由于化学转化的复杂性，经验性的生产技术 仍然存在。各院校设置的工业化学和化学工艺 学课仅在名称上不同，其内容均与上述化学生 产技术的一般内容大体相似。 六、化学工业在国民经济中的地位与作用 化学工业是国民经济的重要部门之一，在各国经 济发展中举足轻重。一般占GDP的5-7%，占工业 产值的7-10%甚至更高。过去十年，世界化学工业 以高于世界经济增长率的20%-30的速度发展。 我国化工产业占GDP的12-15%左右。 化学工业的发展反映了人类对化工产品日益增加 的需求，显示出其在人类社会生活中的作用愈来愈 重要。 第二节 由原料到化工产品 一、化工 原料 一、 化工原料 基础化工原料：硫酸、盐酸、硝酸、烧碱、纯碱、 合成氨、工业气体（如氧、氮、氢、一氧化碳、二氧化碳、 二氧化硫等）等无机物，乙炔、乙烯、丙烯、丁烯（丁二 烯）、苯、甲苯、二甲苯、萘、苯酚和醋酸等有机物。 一、 化工原料 由原料到基本化工产品的过程构成了化学工 业链的基础，其产值在整个化学工业中的比重在 一定时期内不一定是最高的，但其重要性却是不 容置疑的。 一、 化工原料 除利用一般的无机和有机反应外，工业上还可以通过生 化反应来生产化工产品，这一类产品统称为生化制品。例 如利用微生物发酵和生物酶催化（又称酶促），可以制得 乙醇、丙酮、丁醇、柠檬酸、谷氨酸、丙烯酸胺、各类抗 生素药物、人造蛋白质、油脂、调味剂（如味精等）、食 品添加剂和加酶洗涤剂等。 原料选择原则：在选择原料路线和技术路线时，应全面 权衡技术、经济、社会和环保等方面的利弊。要考虑原料 的来源、种类，路线是否可行，技术上是否合理，分析原 料的经济性。 二、化工生产过程 二、化工生产过程 二、化工生产过程 有机化工是一门以生产有机化工原料为主 要产品的