化工工艺

绪论

1、无机化工

基本无机化工：三酸、两碱、合成氨、化学肥料

精细无机化工：各种试剂、药剂、日化品、稀有元素等

电化学工业：氯碱工业、湿法电冶金、电石生产等

硅酸盐工业：玻璃、陶瓷、水泥、耐火材料等

矿物涂料和颜料等

2、有机化工

基本有机化工 三烯三苯一炔一萘;甲醇、甲醛、乙烯系、丙烯系和芳香烃产品等

精细有机化工 各种试剂、药剂、香料和杀虫剂、染料工业和各种中间体(医药、农药、颜料)等

高分子化学工业 三大合成、成膜材料等的生产

燃料化学工业 石油、天然气、煤的化学加工等

食品工业 糖、油脂、饮料、生化产品等

其它 造纸、制革、橡胶等的加工

3、化学工业的特点

1）在国民经济中占有重要地位

2）品种多 原料广 工艺路线多

3）装置大型化 具有规模经济性

4）综合利用率高 有联产品和副产品

5）先进科学技术化程度高,生产效率高

(催化剂,高温高压,反应速度快,材料,三废)

化学工业 ：“利用化学反应改变物质结构、成分、形态等生产化学产品的工业部门。习惯上分为无机化学工业有机化学工业两类。 ------1999年版《辞海》

化学工业 ：利用化学反应和化学工程的方法，改变物质结构、成分、形态而生产化学产品的工业部门。

工艺：“利用生产工具对各种原材料、半成品进行加工或处理，使之成为产品的方法”。

工艺学：“根据技术上先进，经济上合理的原则，研究各种原材料、半成品、成品的加工方法和过程的学科称为工艺学”。 ---- 1999年版《辞海》

化学工艺学：“亦称工业化学。根据化学、物理和其它科学的成就，研究综合利用各种原料，加工成为产品的方法、原理、流程和设备，以寻求在技术上最先进、经济上最合理的生产途径的学科。

化工工艺学：就是研究运用各种学科的知识，经济地、先进地将各种原材料生产出化工产品的技术、过程和方法，是化工产品生产的工程技术、诀窍和艺术。

化工工艺学研究的主要内容包括三个方面：

• （1）生产的工艺流程；

• （2）生产的工艺操作控制条件和技术管理控制；

• （3）安全和环境保护措施。

任何一个复杂的化工产品生产过程，我们把它从工艺学上分为三个部分，第一部分是工艺流程，第二部分是工艺操作参数，第三部分是三废治理。这三个部分是既相对独立，又互相依存，互相联系的。

研究一个生产过程的方法----分板块

• 板块的核心： “反应过程”

• 第二个板块： “原料”

• 第三个板块： “分离”

• 第四个板块： “产品后加工”

• 第五个板块： “三废治理”

第一章 化工工艺学概论

古代：陶瓷、冶金、造酒

近代：

（1）棉纺织行业

（2）纯碱工业

路布兰制碱法

苏尔维法 （3）硫酸工业 ：“铅室法” 、接触法

（4）电解食盐水工业(氯碱工业)

（5）煤及焦油利用和有机合成工业

（6）染料：苯胺染料

（7）涂料：涂料的组成一般是由颜料、成膜物质和溶剂助剂组成。

（8）医药

现代：

（1）纯碱工业

① 1937年 德国 “蔡安法”

② 1943年 “侯氏制碱法”

（2）硫酸工业：二战后 德国拜耳 二次接触法

（3）氯碱工业： 1975年 离子交换膜法

（4）染料工业 （5）涂料工业

（6）医药工业

• 磺胺类药物直到20世纪中叶，仍然十分兴盛

• 1928年发现了青霉素之后，在40年代用于临床

• 20世纪50年代开始，激素逐步被认识。

• 20世纪70年代之后，抗癌药物的研究成了热门话题

（7）合成氨和化肥工业 （8）农药工业

（9）合成树脂与塑料工业

四大通用塑料聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)

（10）合成橡胶工业

苏联列别捷夫生产丁钠橡胶这是人类使用的第一代通用橡胶；第二代主要是丁苯橡胶。聚异戊二烯橡胶是人类使用的第三代橡胶。第四代橡胶：“热塑弹性体”：是一些已知的单体和聚合物，用嵌段、接枝的方法，或用拼混和互穿网络结构的方式，使高分子的硬段和软段互相交替组合。

（11）合成纤维工业 • 1950年英、美、日、德等国推出了醋酸纤维。

• 碳纤维

（12）基本有机原料工业

• 乙炔化学

• 煤焦油化学

• 石油化学----乙烯化学

• 一碳化学----CO化学

（13）煤化工：煤化工的发展是煤的气化和液化。

化学工业的行业特征

• (1)发展和更新速度快

• (2)设备特殊，设备投资高、更新快

• (3)知识技术密集，投资和资金密集

• (4)能量消耗密集和物质消耗密集

• (5)有一定的规模效益

• (6)要求环境保护和防治，要求自动控制条件比较严格

• (7)化工的市场竞争激烈，国际竞争也十分激烈

• (8)市场经营注意用户开发和用户技术指导

化学工业的分类

• (1)按化学工业使用的原料来划分则有

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(放射化工)、电化工

• (2)按产品的用途和产品形态等，又分为

国防化工、环境化工、食品化工、日用化工、农用化工、能源化工、信息化工、材料化工、皮革化工、冶金化工、药物化工、硅酸盐化工、建筑化工

• (3)按产品归大类，又分为

无机化工、有机化、高分子材料化工、精细化工

化工新技术开发概述

化工新技术(产品)从研究到产业化的机会只有1％~3％；从开发到产业化的机会只有10％～25％；从中间试验到产业化的机会也只有40％～60％。

化工新技术开发的目的就是开发出技术先进、数据完整、实用可靠、有效益、有竞争力的单项授习喊成套技术的成果，根本目的是创造财富，创造更大的经济效益，是探索实现工业化或半工业化。

工艺的先进性是重要的研究重点，而工程研究则占主导地位

化工技术开发研究的方法和程序

1． 逐级经验放大法：工艺小试一中间试验一工程设计

化工工艺设计的内容

• (1)研究产品的反应特点和反应工艺、设计反应过程，这是生产的关键。

• (2)设计工艺流程，这是全部工作的灵魂和核心。

• (3)工艺流程的落实，包括工艺流程中设备的选型和工艺设计、仪表的设置、管道管件阀门的选择设计和排布设置等。这是整个工艺设计的重点和要害，这部分工作做不好等于纸上谈兵。

• (4)车间和工艺设备的布置，这是工艺设计富有想像力的部分。

• (5)协调为工艺和操作服务的“公用工程”和全部设计中“非工艺专业”的设计，提供工艺条件，这是工艺设计中协作的成果；

• (6)制定三废治理的措施和三废治理的工艺设计。

• (7)编制设计文件，这是工艺设计成果的汇总。

作为工艺设计的总的原则是：技术先进、设计合理、生产安全、经济有效、注意环境、为国为民。

第二章 原料及原料准备

原料路线选择的原则以先进、合理、安全、经济为综合指标，加以认真评估。

原料预处理的原则

• (1)必须满足工艺要求。

• (2)简便可靠的预处理工艺。

• (3)充分利用反应和分离过程的余热及能量。

• (4)尽量不要产生新的污染，不要造成损失。

• (5)尽量研究和采用先进技术。

• (6)投资节省，设备维护简便。

• (7)尽量分工由生产厂家精制。

第三章 反应过程和过程优化

反应过程的分类

1．按化学反应的特性分类

按照反应机理的不同，简单反应、复杂反应

2．按反应过程进行的条件分类 ．

按照过程的温度条件：等温过程、绝热过程和非绝热变温过程。

3．就压力状况：常压、负压和加压过程。

4．根据操作方式的不同：间歇过程、连续过程和半连续过程。

反应器选型原则

• １）反应类型与特征

• ２）反应过程的特征和要求

• ３）由反应的浓度效应决定的混合要求

• ４）由反应的热负荷和温度效应所决定的热量传递和温度控制要求

• ５）相际传质和化学反应的相对速度

• ６）最后再判断反应器的特征能否达到要求

一个最优化问题或称最优化模型应该包括这样一些内容：

• ①要有一个能正确描述反应器特性的数学模型。

• ②必须给出数学模型的初始状态的值。

• ③必须给出规定的终止状态。

• ④必须规定一个性能指标，即确定切实可行的比较准则或称之为目标函数，并且要建立目标函数与操作参数之问的函数关系。

• ⑤状态变量和控制变量要加上约束条件。

建立反应器的最优化方案

①反应器的分析和模拟。②有关事故分析和核对过程模型的有效性。

③研究反应器的动态特性以及实现在线开环最优化。

④把在线开环最优化过渡到闭环最优化。

在化工中最常用的最优化方法有：微分法、变分法、拉格朗日因子法、线性规划法、动态规划法、最大值原理法和梯度法等。

水煤气的生产方法

吹风阶段：吹入空气，提高燃料层温度， 吹风气放空，1200 ℃结束。

蒸汽吹净：置换炉内和出口管中的吹风气，以保证水煤气质量。

一次上吹制气：燃料层下部温度下降，上部升高。

下吹制气：使燃料层温度均衡

二次上吹制气：将炉底部下吹煤气排净，为吸入空气做准备。

空气吹净：此部分吹风气可以回收。

化学反应器是化工生产的核心设备，满足下列要求：

• (1)反应器要有足够的反应体积，以保证反应物在反应器中有充分的反应时间，达到设定的转化率和产品质量指标：

• (2)反应器的结构要保证反应物之间，反应物与催化剂之间的良好接触。

• (3)反应器要保证及时有效地输入或引出热量，以使反应过程在最适宜的操作温度T进行。

• (4)反应器要有足够的机械强度和耐腐蚀能力，以保证反应过程安全可靠，经济耐用．

• (5)反应器要尽量做到易操作、易控制、易制造、易安装、易维护检修。