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1、化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室第一章 绪论1.1 化学工程与化学工艺1.2 化学工业的发展历史及其作用1.3 现代化学工业特点和发展方向1.4 化学工业的原料和主要产品1.5 化学工艺的共性知识1.6 主要参考书化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.1 化学工程与化学工艺化学工程与化学工艺1.1.1 什么是化学工艺学?化学工艺也称化工生产技术或化工技术，系指将原料物质主要经过化学反应转变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。化学工艺通常是对一定的产品或原料提出的，例如氯乙烯的生产、甲醇的合成、硫酸的生产、煤的气化等。因此，它具有个别生产的特殊性。化学工艺学是
2、根据化学、物理和其他科学的成就，来研究综合利用各种原料生产化工产品的方法原理、操作条件、流程和设备，以创立技术上先进、经济上合理、生产上安全的化工生产工艺的学科。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.1 化学工程与化学工艺化学工程与化学工艺1.1.2 化学工艺学的研究范畴（内容）？包括原料的选择和预处理；生产方法的选择及方法原理；设备(反应器和其他)的作用、结构和操作；催化剂的选择和使用；其他物料（杂质）的影响；操作条件（温度、压力等）的影响和选定；流程组织；生产控制；产品规格和副产物的分离与利用；能量的回收和利用；对不同工艺路线和流程的技术经济评比等。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研
3、室1.1 化学工程与化学工艺化学工程与化学工艺1.1.3 什么是化学工程学?研究化学工业和其他过程工业生产中所进行的化学过程和物理过程共同规律的一门工程学科。其他过程工业包括石油炼制工业、冶金工业、建筑材料工业、食品工业、造纸工业等。它们从石油、煤、天然气、盐、石灰石、其他矿石和粮食、木材、水、空气等基本的原料出发，借助化学过程或物理过程，改变物质的组成、性质和状态，使之成为多种价值较高的产品。化学过程是指物质发生化学变化的反应过程。物理过程系指物质不经化学反应而发生的组成、性质、状态、能量变化过程。化学过程往往和物理过程同时发生。所有这些过程，都可通过化学工程的研究，认识和解释其规律性，并使
4、之应用于生产过程和装置的开发、设计、操作，以达到优化和提高效率的目的。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.1 化学工程与化学工艺化学工程与化学工艺1.1.3 什么是化学工程学?上述工业生产的共同特点是，从实验室到工业生产特别是大规模的生产，都要解决一个装置的放大问题。生产规模扩大和经济效益提高的重要途径是装置的放大，以节省投资，降低消耗，减少占地,节约人力。但是,在大装置上所能达到的某些指标，通常低于小型试验结果，原因是随着装置的放大，物料的流动、传热、传质等物理过程的因素和条件发生了变化。这种起源于放大过程的效应，长期以来被笼统地称作“放大效应”，它包含了很多已查明或未查明的物理因素（
5、或称工程因素）的影响。化学工程的一个重要任务就是研究有关工程因素对过程和装置的效应，特别是在放大中的效应，以解决关于过程开发、装置设计和操作的理论和方法等问题。它以物理学、化学和数学的原理为基础，广泛应用各种实验手段，与化学工艺相配合，去解决工业生产问题。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.1 化学工程与化学工艺化学工程与化学工艺1.1.4 化学工程学的研究内容 单元操作：流体输送、换热（加热和冷却）、蒸馏、吸收、蒸发、萃取、结晶、干燥等。化学反应工程：化学反应是化工生产的核心部分，它决定着产品的收率，对生产成本有着重要影响。传递过程：动量传递、热量传递和质量传递。传递过程着重研究上述三
6、种传递的速率及相互关系，连贯起一些本质类同但表现形式各异的现象。化工热力学：研究传递过程的方向和极限，提供过程分析和设计所需的有关基础数据。化工系统工程：化工过程中，各个过程单元相互影响，相互制约，因此很有必要将化工过程看作一个综合系统，并建立起整体优化的概念。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.1 化学工程与化学工艺化学工程与化学工艺1.1.5 两者的关系 化学生产过程一般地可概括为三个主要步骤：原料处理。为了使原料符合进行化学反应所要求的状态和规格，根据具体情况，不同的原料需要经过净化、提浓、混合、乳化或粉碎等多种不同的预处理。化学反应。这是生产的关键步骤。经过预处理的原料，在一定的
7、温度、压力等条件下进行反应，以达到所要求的反应转化率和收率。反应类型是多样的，可以是氧化、还原、复分解、磺化、异构化、聚合、焙烧等。通过化学反应，获得目的产物或其混合物。产品精制。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。以上每一步都需在特定的设备中，在一定的操作条件下完成所要求的化学的和物理的转变。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.1 化学工程与化学工艺化学工程与化学工艺原料原料预处理预处理化学反应化学反应分离精制分离精制产品产品单元操作单元操作反应工程反应工程分离工程分离工程传递过程化工热力学传递过程化工热力学化学工艺学化学工艺学两者是密不可分，
8、它们相配合，可解决化工过程中的各种问题。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.2 化学工业的发展历史及其作用1.2.1 化学工业的发展史 18世纪前：作坊式手工工艺，例如酿造、玻璃、冶金和染色等工业。18世纪初：铅室法制硫酸，到了19世纪中，原料由硫黄改为黄铁矿，并建立了盖吕萨克塔，改革了原料的经济利用以及硫酸应用范围的不断扩展，因而使生产量急剧增加。由于两方面相互促进的结果，而使硫酸工业发展成为化学工业的心脏，强而有力地影响着整个化学工业的发展。19世纪中叶，硝酸开始工业化，19世纪后期，以纯碱为中心而发展起来的大规模生产开始。从中生产出了重要副产品盐酸。随着制碱法的不断发展，其它如盐酸
9、、芒硝、氯、漂白粉、碳酸氢钠和氢氧化钠等工业生产也逐渐随着发展起来。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.2 化学工业的发展历史及其作用1.2.1 化学工业的发展史煤干馏工业是从19世纪初期开始的。最初是为了照明。后从煤焦油中制出了苯，又从苯中衍生出来苯胺染料和其它的芳香族化合物；还发现了煤焦油是氨的丰富原料。1913年，世界上第一个合成氨厂建立，有力的促进了无机和有机化工的发展20世纪40年代，管式炉裂解烃开发成功。60年代后，石油化工突飞猛进的发展。20世纪50年代后，三大合成材料（合成塑料、合成橡胶、合成纤维）工业开始发展。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.2 化学工业的发展
10、历史及其作用1.2.2 化学工业的重要作用 人类的生存离不开化学工业，粮食的增产需要化肥和农药，人们的健康需要药物。人类的日常生活（衣、食、住、行）离不开化学工业。化工是二次能源的主要供应者，也是未来能源的开拓者。国防、军工、航天离不开化工。高新技术的发展离不开化工。化工是国民经济的支柱产业化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.3 现代化学工业特点和发展方向1.3.1 现代化学工业特点 原料、生产方法和产品的多样性与复杂性 向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高 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 化工生产
11、中易燃、易爆、有毒仍然是现代化工企业首要解决的问题化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.3 现代化学工业特点和发展方向1.3.2 现代化学发展方向 面向市场竞争激烈的形势，积极开发高新技术，缩短新技术、新工艺工业化的周期，加快产品更新和升级的速度。最充分、最彻底地利用原料。大力发展绿色化工。化工过程要高效、节能和智能化。实施废弃物再生利用工程。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.4 化学工业的原料和主要产品1.4.1 化学工业的原料资源及加工利用A、无机化学矿：(1)盐矿;(2)硫矿;(3)磷矿；(4)钾盐矿；(5)铝土矿；(6)硼矿；(7)锰矿；(8)钛矿；(9)锌矿；(10)钡矿
12、；(11)天然沸石；(12)硅藻土、膨润土。此外，还有铬铁矿；赤铁矿；黄铜矿；方铅矿；镍黄铁矿；辉钼矿；天青石；铌铁矿等，是冶炼各种金属的原料。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.4 化学工业的原料和主要产品1.4.1 化学工业的原料资源及加工利用A、无机化学矿：其中磷矿和硫铁矿是化学矿山产量最大的两个产品。磷矿是生产磷肥、磷酸、单质磷、磷化物和磷酸盐的原料。硫铁矿用于制硫酸，世界上硫酸总产量的一半以上用于生产磷肥和氮肥。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.4 化学工业的原料和主要产品1.4.1 化学工业的原料资源及加工利用B、石油：化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.4 化
13、学工业的原料和主要产品1.4.1 化学工业的原料资源及加工利用C、天燃气化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.4 化学工业的原料和主要产品1.4.1 化学工业的原料资源及加工利用D、煤化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.4 化学工业的原料和主要产品1.4.1 化学工业的原料资源及加工利用E、生物资源 农、林、牧、副、渔业的产品及其废弃物(壳、芯、秆、糠、渣)等生物质通过化学或生物化学方法可以转变为基础化学品或中间产品，例如葡萄糖、乳酸、柠檬酸、乙醇、丙酮、高级脂肪酸(月桂酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、肉豆蔻酸)等。其中比较重要的有糠醛的生产、乙醇的生产、丙二醇的生产等化学工艺学电子教案化
14、学工程与工艺教研室1.4 化学工业的原料和主要产品1.4.1 化学工业的原料资源及加工利用F、再生资源 工农业和生活废料在原则上都可以回收处理、加工成有用的产品，这些再生资源的利用不仅可以节约自然资源，而且是治理污染、保护环境的有效措施之一。废塑料重新炼制成液体燃料 含碳的废料也可通过部分氧化法转化为小分子气体化合物，然后再加工利用。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.4 化学工业的原料和主要产品1.4.1 化学工业的原料资源及加工利用G、空气和水 空气中的O2和N2是重要化工原料；从空气中提取的高纯度氩、氦、氖、氪等气体，广泛应用于高精尖科技领域。水在化工中应用更普遍,可作为原料、溶剂
15、、冷热载体等化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.4 化学工业的原料和主要产品1.4.2 化学工业的主要产品 无机化工产品主要有硫酸、硝酸、盐酸（三酸）、纯碱、烧碱（两碱）、合成氨和化肥。其他还有金属盐，无机盐、无机酸、工业气体等。有机化工产品主要有乙烯、丙烯、丁二烯（三烯）、苯、甲苯、二甲苯（三苯）、乙炔、萘、合成气 高分子化工产品主要有合成塑料、合成橡胶、合成纤维（三大合成材料）、橡胶制品、涂料及胶粘剂等。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.4 化学工业的原料和主要产品1.4.2 化学工业的主要产品 精细化工产品分为11类:农药、染料、涂料(包括油漆及油墨)、颜料、试剂和高纯物、
16、信息用化学品(包括感光材料、磁性材料等能接受电磁波的化学品)、食品和饲料添加剂、粘合剂、催化剂和各种助剂、化工系统生产的药品(原药)和日用化学品、功能高分子材料(包括功能膜、偏光材料等)。生物化工产品中有的是大宗化工产品，例如乙醇、丙酮、丁醇、甘油、柠檬酸、乳酸、葡萄糖酸等；有的是精细化工产品，例如各种氨基酸、酶制剂、核酸、生物农药、饲料蛋白等:还有许多医药产品是必须用生物化工方法来生产，像各种抗生素、维生素、甾体激素、疫苗等。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室化学工艺学电子教
17、案化学工程与工艺教研室化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.1化工过程的主要效率指标生产能力系指一个设备、一套装置或一个工厂在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处理的原料量。生产强度为设备的单位特征几何量的生产能力。即设备的单位体积的生产能力，或单位面积的生产能力。用于比较那些相同反应过程或物理加工过程的设备或装置的优劣。设备中进行的过程速率高，其生产强度就高。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.1化工过程的主要效率指标转化率是指某一反应物参加反应而转化的数量占该反应物起始量的分率或百分率，用符号X表示。其定义式为转化率
18、表征原料的转化程度，反映了反应进度。该反应物的起始量某一反应物的转化量转化率X化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.1化工过程的主要效率指标选择性系指体系中转化成目的产物的某反应物量与参加所有反应而转化的该反应物总量之比。用符号S表示，其定义式如下在复杂反应体系中，选择性是个很重要的指标，它表达了主、副反应进行程度的相对大小，能确切反映原料的利用是否合理。该反应物的转化总量应物的量转化为目的产物的某反选择性S化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.1化工过程的主要效率指标收率亦称为产率，是从产物角度来描述反应过程的效率。符号为y
19、，其定义式为：收率等于转化率与选择性的乘积。当物料有循环时，转化率有单程转化率及总转化率之分，收率也有单程收率及总收率之分。该反应物的起始量应物的量转化为目的产物的某反收率Y化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.1化工过程的主要效率指标可逆反应达到平衡时的转化率称为平衡转化率，此时所得产物的产率为平衡产率。随着反应的进行，正反应速率降低，逆反应速率升高，所以净反应速率不断下降直到零。在实际生产中应保持高的净反应速率，不能等待反应达平衡，故实际转化率和产率比平衡值低。若平衡产率高，则可获得较高的实际产率。工艺学的任务之一是通过热力学分析，寻找提高平衡产率的有利条
20、件，并计算出平衡产率。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.2 反应条件对化学平衡和反应速率的影响温度对化学平衡的影响：对于不可逆反应不需考虑化学平衡，而对于可逆反应，其平衡常数与温度的关系为：对于吸热反应，H0，K值随着温度升高而增大，有利于反应，产物的平衡产率增加。对于放热反应，H0，K值随着温度升高而减小，平衡产率降低。故只有降低温度才能使平衡产率增高。CRTHK+=303.2log0化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.2 反应条件对化学平衡和反应速率的影响温度对反应速率的影响：反应速率常数与温度的关系见阿累尼乌斯方程
21、，即对于不可逆反应，逆反应速率忽略不计，故产物生成速率总是随温度的升高而加快；对于吸热的可逆反应，净速率r总是随着温度的升高而增高的；而对于放热的可逆反应，净速率随温度变化有三种可能性，)/exp(RTEAk=化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.2 反应条件对化学平衡和反应速率的影响对于放热的可逆反应，当温度较低时，净反应速率随温度的升高而增高；当温度超过某一值后，净反应速率开始随着温度的升高而下降。净速率有一个极大值，此极大值对应的温度称为最佳反应温度(TOP)，亦称最适宜反应温度。净速率随温度的变化如图2-10曲线所示。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教
22、研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.2 反应条件对化学平衡和反应速率的影响浓度对化学平衡的影响：反应物浓度越高，越有利于平衡向产物方向移动。当有多种反应物参加反应时，往往使价廉易得的反应物过量，从而可以使价贵或难得的反应物更多地转化为产物，提高其利用率。浓度对反应速率的影响：反应物浓度愈高，反应速率愈快。一般在反应初期，反应物浓度高，反应速率大，随着反应的进行，反应物逐渐消耗，反应速率逐渐下降。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.2 反应条件对化学平衡和反应速率的影响压力对液相和固相反应的平衡影响较小。气体的体积受压力影响大，故压力对有气相物质参加的反应平
23、衡影响很大，其规律为:对分子数增加的反应，降低压力可以提高平衡产率；对分子数减少的反应，压力升高，产物的平衡产率增大；对分子数没有变化的反应，压力对平衡产率无影响。在一定的压力范围内，加压可减小气体反应体积，且对加快反应速率有一定好处，但效果有限，压力过高，能耗增大，对设备要求高，反而不经济。惰性气体的存在，可降低反应物的分压，对反应速率不利，但有利于分子数增加的反应的平衡。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.3 催化剂的性能及使用催化剂的作用体现为：（1）、提高反应速率和选择性。（2）、改进操作条件。（3）、催化剂有助于开发新的反应过程.发展新的化工技术。
24、（4）、催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.3 催化剂的性能及使用催化剂的特点为：催化剂是参与了反应的，但反应终了时，催化剂本身未发生化学性质和数量的变化。催化剂只能缩短达到化学平衡的时间(即加速作用)，但不能改变平衡。催化剂具有明显的选择性，特定的催化剂只能催化特定的反应。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.3 催化剂的性能及使用催化剂的分类按催化反应体系的物相均一性分:有均相催化剂和非均相催化剂(固体催化剂)；按反应类别分:有加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、异构化
25、、芳构化、羰基化、卤化等众多催化剂；按反应机理分:有氧化还原型催化剂、酸碱催化剂等；按使用条件下的物态分:有金属催化剂、氧化物催化剂、硫化物催化剂、酸催化剂、碱催化剂、络合物催化剂和生物催化剂等。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.3 催化剂的性能及使用催化剂的使用性能（1）活性系指在给定的温度、压力和反应物流量(或空间速度)下，催化剂使原料转化的能力。（2）选择性系指反应所消耗的原料中有多少转化为目的产物。（3）寿命系指其使用期限的长短，寿命的表征是生产单位量产品所消耗的催化剂量，或在满足生产要求的技术水平上催化剂能使用的时间长短。影响催化剂使用寿命的因素
26、主要有化学稳定性、热稳定性、机械稳定性、耐毒性等。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.5 化学工艺的共性知识1.5.3 催化剂的性能及使用催化剂使用需注意的问题（1）活化：许多固体催化剂在出售时的状态一般是较稳定的，但这种稳定状态不具有催化性能，催化剂使用厂必须在反应前对其进行活化，使其转化成具有活性的状态。（2）失活：超温过热、原料气中混有毒物杂质，有污垢覆盖催化剂表面，都会导致催化剂失活。（3）再生：催化剂中毒有暂时性和永久性两种情况。暂时性中毒是可逆的，当原料中除去毒物后，催化剂可逐渐恢复活性，永久性中毒则是不可逆的，不可再生。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.6 主要参考书廖巧丽主编，化学工艺学，北京：化学工业出版社。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.6 主要参考书陈五平主编，无机化工 工 艺 学（第 三版），北京：化学工业出版社。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.6 主要参考书林世雄主编，石油炼制工程（第三版），北京：石油工业出版社。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.6 主要参考书吴指南主编，基本有机化工工艺学（修订版），北京：化学工业出版社。化学工艺学电子教案化学工程与工艺教研室1.6 主要参考书唐培堃主编，精细有机 合 成 化 学 与 工 艺学，北京：化学工业出版社。