1、化工基础化工基础培训培训 李肇奖 化学工业是国民经济重要支柱产业，包化学工业是国民经济重要支柱产业，包括以煤、石油和天然气等资源作为原材料加括以煤、石油和天然气等资源作为原材料加工的石油化工、煤化工、盐化工、天然气化工的石油化工、煤化工、盐化工、天然气化工、生物化工及精细化工等领域。工、生物化工及精细化工等领域。1.1 化学工业概况化学工程中具有共性的主要过程化学工程中具有共性的主要过程1、三传一反、三传一反动量传递、热量传递、质量传递和化学反应工程动量传递、热量传递、质量传递和化学反应工程v流体动力过程：流体流动及输送、沉降过滤、固体流态化等。v传热过程：热传导、蒸发、冷凝、热交换、加热。v
2、传质过程：气体吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。2、化工单元操作、化工单元操作v化工生产过程可视为物理过程和化学过程组化工生产过程可视为物理过程和化学过程组成。由于被加工物料的相态不同、过程原理成。由于被加工物料的相态不同、过程原理和采用方法的差异，将物理过程可进一步细和采用方法的差异，将物理过程可进一步细分为一系列遵循不同物理定律，有某种功用分为一系列遵循不同物理定律，有某种功用的基本操作过程，称之为的基本操作过程，称之为单元操作单元操作，v每一种单元操作都概括了化工生产中一类有每一种单元操作都概括了化工生产中一类有共性的操作共性的操作，从本质上归纳为从本质上归纳为动量传递、热动量传递、热量传
3、递和质量传递量传递和质量传递三种传递过程三种传递过程。化工单元操作基本包括五个方面v 流体流动过程:包括流体输送、过滤、固体流态化等。v 传热过程:包括热传导、蒸发、冷凝等。v 传质过程:即物质传递，包括气体吸收、蒸馏、萃取、v 吸 附、干燥等 v 热力过程:即温度和压力变化的过程，包括液化、冷冻等。v 机械过程:包括固体输送、粉碎、筛分等。v v。表表1-1 1-1 单元操作单元操作单元操作单元操作 目的目的 物态物态 原理原理 传递过程传递过程流体输送流体输送 输送输送 液或气液或气 输入机械能输入机械能 动量传递动量传递 搅拌搅拌 混合或分离混合或分离 气气-液液 输入机械能输入机械能
4、动量传递动量传递 液液-液液,固固-液液 过滤过滤 非均相混合物分离非均相混合物分离 气气-固固,固固-液液 尺度不同的截留尺度不同的截留 动量传递动量传递 沉降沉降 非均相混合物分离非均相混合物分离 气气-固固,固固-液液 密度差引起的密度差引起的 动量传递动量传递 沉降运动沉降运动加热加热,冷却冷却 升温升温,降温降温,改变改变 气或液气或液 利用温差传入利用温差传入 热量传递热量传递 相态相态 或移出热量或移出热量 蒸发蒸发 溶剂与不挥发性溶剂与不挥发性 液液 供热汽化溶剂供热汽化溶剂 热量传递热量传递 溶质的分离溶质的分离1.2化工生产过程概述 v1化工生产过程分析化工生产过程分析v
5、化学工业产品种类繁多，生产流程千差万别，化学工业产品种类繁多，生产流程千差万别，共同之处是都有共同之处是都有原料预处理、化学反应和产物的原料预处理、化学反应和产物的分离分离三部分。三部分。生产中，原料预处理和产物分离，缺一不可。生产中，原料预处理和产物分离，缺一不可。化学反应这一步是整个化工生产过程的核心，起化学反应这一步是整个化工生产过程的核心，起主导作用，其要求和结果决定着原料预处理的程主导作用，其要求和结果决定着原料预处理的程度和产物分离的任务，直接影响到其它两部分的度和产物分离的任务，直接影响到其它两部分的设备投资和操作费用设备投资和操作费用。2 2化工生产过程的工业特征化工生产过程的
6、工业特征(5)(5)化工生产涉及经济问题。化工生产涉及经济问题。如原料供应、设备投资、如原料供应、设备投资、能耗、销售、投入、工时及生产管理等。经济效益能耗、销售、投入、工时及生产管理等。经济效益是评价化工生产过程是否能实施的重要指标是评价化工生产过程是否能实施的重要指标。(1)(1)化工过程是大规模的工业生产，物料处理量大，化工过程是大规模的工业生产，物料处理量大，与实验研究相差悬殊与实验研究相差悬殊。(2)(2)化工生产多为连续化生产过程。化工生产多为连续化生产过程。(3)(3)化工生产处理的物料从原料的纯度到产品的收率化工生产处理的物料从原料的纯度到产品的收率 都与化学实验研究不尽相同。
7、都与化学实验研究不尽相同。(4)(4)化工生产需要设置专用供水、供电、动力、贮存、化工生产需要设置专用供水、供电、动力、贮存、运输等设施。运输等设施。3 3化工生产过程的检测与控制化工生产过程的检测与控制 在任何化工生产过程中，需要检测和控制的指在任何化工生产过程中，需要检测和控制的指标有温度、压力、流量、液面、组成等几类。标有温度、压力、流量、液面、组成等几类。4 4化工生产过程的研究与开发化工生产过程的研究与开发 任何一个新的化工生产过程，都是从最初的创任何一个新的化工生产过程，都是从最初的创意或设想开始，经过意或设想开始，经过实验室研究、中间试验、工业实验室研究、中间试验、工业化试验、放
8、大设计、技术经济评价化试验、放大设计、技术经济评价等诸多环节，最等诸多环节，最后建成工业生产装置，实现规模生产。后建成工业生产装置，实现规模生产。在放大设计过程中在放大设计过程中,大小装置之间会产生工艺大小装置之间会产生工艺结果的差别，归结于结果的差别，归结于“放大效应放大效应”，寻求其产生因，寻求其产生因由和改善的方法是过程开发一项中心任务。由和改善的方法是过程开发一项中心任务。5 5化工生产过程的技术经济分析化工生产过程的技术经济分析 化工生产过程的工艺技术经济指标主要有：化工生产过程的工艺技术经济指标主要有：物料和能量的综合利用物料和能量的综合利用。生产的投资费用。生产的投资费用。生产强
9、度生产强度。产品的产率及质量产品的产率及质量。6 6化工生产过程的资源和能源综合利用化工生产过程的资源和能源综合利用 生产规模的大型化是化工生产过程资源和能源生产规模的大型化是化工生产过程资源和能源综合利用的保障综合利用的保障。生产规模扩大使单位产品的原材生产规模扩大使单位产品的原材料和能源消耗大大降低；劳动效率高，产品的总成料和能源消耗大大降低；劳动效率高，产品的总成本低，因而在市场和资源条件具备的情况下，生产本低，因而在市场和资源条件具备的情况下，生产规模大型化是化学工业的发展趋势。规模大型化是化学工业的发展趋势。化工生产中，物料循环和热量回流化工生产中，物料循环和热量回流，并达到多并达到
10、多种产品联合生产，是节能降耗的主要途径。种产品联合生产，是节能降耗的主要途径。7 7化工生产过程的优化化工生产过程的优化 按具体的生产任务，确定合理的工艺路线按具体的生产任务，确定合理的工艺路线(原原料、方法料、方法)，选择合适的反应器，配置相适宜的单元，选择合适的反应器，配置相适宜的单元操作及设备，适当组合构成一个化工生产过程的整操作及设备，适当组合构成一个化工生产过程的整体，成为化工过程系统，简称体，成为化工过程系统，简称化工系统化工系统。化工系统。化工系统的诸多不确定性的诸多不确定性，决定了化工生产过程的复杂性。决定了化工生产过程的复杂性。化工生产过程自身的特点和复杂性，使其存在大化工生
11、产过程自身的特点和复杂性，使其存在大量的过程最优化问题，涉及过程研究中的开发和设量的过程最优化问题，涉及过程研究中的开发和设计及过程运行中的操作、管理和控制等各个方面。计及过程运行中的操作、管理和控制等各个方面。化工系统优化包含三个层次：化工系统优化包含三个层次：(1)(1)化工工艺路线的最优化。化工工艺路线的最优化。即系统总体方案的即系统总体方案的 最优化设计和选择。最优化设计和选择。(2)(2)流程结构的最优化。流程结构的最优化。即流程最优化设计和选即流程最优化设计和选择。择。(3)(3)流程工艺参数和操作参数的最优化。流程工艺参数和操作参数的最优化。化工生产过程优化任务分为三个阶段化工生
12、产过程优化任务分为三个阶段(1)为完成某类产品的生产任务，将分散的为完成某类产品的生产任务，将分散的单元遵循一定的法则，组织成对给定的性单元遵循一定的法则，组织成对给定的性能指标来说是最优的过程系统，这个阶段能指标来说是最优的过程系统，这个阶段称为称为最优综合最优综合。(2)在给定过程结构的条件下，确定各单元在给定过程结构的条件下，确定各单元 及整个系统的最优参数的优化计算，叫及整个系统的最优参数的优化计算，叫最优设计最优设计。(3(3）在结构参数和设计参数都已固定的条件下，）在结构参数和设计参数都已固定的条件下，为避免干扰为避免干扰,使生产过程能在外界条件变化及各干扰使生产过程能在外界条件变
13、化及各干扰因素出现的情况下，保证过程系统的经济性，对操因素出现的情况下，保证过程系统的经济性，对操作参数和控制参数进行优化，称为作参数和控制参数进行优化，称为最优操作或最优最优操作或最优控制。控制。过程优化涉及技术和经济两方面过程优化涉及技术和经济两方面 技术优化是使各项指标达到最优，经济优化是以技术优化是使各项指标达到最优，经济优化是以最小费用获得最大利润最小费用获得最大利润,达到高的经济效益为目标。达到高的经济效益为目标。8 8化工生产过程的流程图化工生产过程的流程图 为描述化工生产过程，工程上通常用形象的图形、为描述化工生产过程，工程上通常用形象的图形、符号和代号表示设备，用箭头表示物料
14、流动方向，符号和代号表示设备，用箭头表示物料流动方向，将化工过程从原料到最终产品经过的所有设备和相将化工过程从原料到最终产品经过的所有设备和相互关系以及物料流动顺序，以图示的方式表达出来，互关系以及物料流动顺序，以图示的方式表达出来，这种表示整个化工生产过程全貌的图形称为这种表示整个化工生产过程全貌的图形称为工艺流工艺流程图程图。工艺流程图是工厂设计的基础，也是操作和检工艺流程图是工厂设计的基础，也是操作和检修的指南。修的指南。一般分为一般分为生产工艺流程图、物料流程图生产工艺流程图、物料流程图和带控制点的工艺流程图和带控制点的工艺流程图。工艺流程图中的设备的图形和符号已标准化。工艺流程图中的
15、设备的图形和符号已标准化。生产工艺流程图常将设备的大致几何形状画出，或生产工艺流程图常将设备的大致几何形状画出，或以方框表示。以方框表示。无论采用那种流程图表达工艺流程，从左向右无论采用那种流程图表达工艺流程，从左向右展开，有必要的文字进行说明，如设备名称展开，有必要的文字进行说明，如设备名称(符号符号代号代号)、物料流向、物料名称、图名、图号、设计、物料流向、物料名称、图名、图号、设计阶段等。阶段等。1.31.3化学工程学简介化学工程学简介 1 1化学工程学及其研究对象和任务化学工程学及其研究对象和任务 化学反应是它的核心，化学学科是它的基础。化学反应是它的核心，化学学科是它的基础。化学工业
16、在大型设备中大批量连续化的生产所提出化学工业在大型设备中大批量连续化的生产所提出的技术间题，仅靠化学学科的知识是远不够的，它的技术间题，仅靠化学学科的知识是远不够的，它需要机械、电气、仪表、控制等工程学科的理论支需要机械、电气、仪表、控制等工程学科的理论支持和技术上的应用，因此便诞生了一门源自化学、持和技术上的应用，因此便诞生了一门源自化学、又不同于化学，综合了诸多工程技术学科的新学又不同于化学，综合了诸多工程技术学科的新学科科化学工程学化学工程学。化学工程学始于化学工程学始于1919世纪末。世纪末。2020世纪初，明确认世纪初，明确认识到各行各业通用的物理操作的共性，提出了单元识到各行各业通
17、用的物理操作的共性，提出了单元操作的概念，形成化工过程与设备课程，后多称为操作的概念，形成化工过程与设备课程，后多称为化工原理。化工原理。5050年代形成了化学反应工程分支。年代形成了化学反应工程分支。7070年年代以后，化工生产日趋大型化、连续化以及计算机代以后，化工生产日趋大型化、连续化以及计算机技术的迅速发展，化学工程学的研究已不再局限于技术的迅速发展，化学工程学的研究已不再局限于单个单元操作或化学反应过程，形成了化学系统工单个单元操作或化学反应过程，形成了化学系统工程，主要是研究系统的设计、控制和管理。程，主要是研究系统的设计、控制和管理。2 2化学工程的研究方法化学工程的研究方法 数
18、学模型法数学模型法：将复杂的研究对象合理地简化为某个模型，：将复杂的研究对象合理地简化为某个模型，简化的模型与原过程近似而等效。化学方面的问题归纳为研简化的模型与原过程近似而等效。化学方面的问题归纳为研究反应对象，提出反应动力学模型；传递方面的问题归纳为究反应对象，提出反应动力学模型；传递方面的问题归纳为研究不同类型反应器，提出反应器的传递模型；而两者的结研究不同类型反应器，提出反应器的传递模型；而两者的结合方面的问题，则是将各种反应模型和各种传递模型相结合合方面的问题，则是将各种反应模型和各种传递模型相结合的问题。的问题。在在化学工程学的历史发展中形成了两种基本的研究方法化学工程学的历史发展
19、中形成了两种基本的研究方法经验归纳法和数学模型法经验归纳法和数学模型法。经验归纳法经验归纳法：借助物理学的相似论和因次分析法的指导：借助物理学的相似论和因次分析法的指导。例热交换中的传热系数，通过实验测定归纳成量纲为一的相热交换中的传热系数，通过实验测定归纳成量纲为一的相似特征数的关系式确定。似特征数的关系式确定。3 3化学工程的几个基本概念化学工程的几个基本概念 在从事化学工程研究、进行化工过程开发及设在从事化学工程研究、进行化工过程开发及设备的设计、操作时，经常运用物料衡算、能量衡算、备的设计、操作时，经常运用物料衡算、能量衡算、平衡关系和过程速率等概念。平衡关系和过程速率等概念。(1)1
20、)物料衡算物料衡算 物料衡算基于物质守恒定律，是对任一化工生产物料衡算基于物质守恒定律，是对任一化工生产过程的进入物料量、排出物料量和累积物料量进行过程的进入物料量、排出物料量和累积物料量进行衡算，其衡算式为：衡算，其衡算式为：输入物料量输入物料量-输出物料量累积物料量输出物料量累积物料量 物料衡算是化工计算的最基本、最重要的计算，物料衡算是化工计算的最基本、最重要的计算，也是化工计算的基础也是化工计算的基础。(2)(2)能量衡算能量衡算 能量衡算依据于能量守恒定律能量衡算依据于能量守恒定律。指出指出进入系统进入系统的能量与排出系统能量之差等于系统内积累能量的能量与排出系统能量之差等于系统内积
21、累能量。热量衡算以物料衡算为基础，它可确定有热传热量衡算以物料衡算为基础，它可确定有热传递设备的热负荷递设备的热负荷，确定传热面积以及加热和冷却载确定传热面积以及加热和冷却载体的消耗量；还可以考察过程能量损耗情况，寻求体的消耗量；还可以考察过程能量损耗情况，寻求节能和综合利用热量的途径。节能和综合利用热量的途径。平衡是在一定条件下物系变化可能达到的极限。平衡是在一定条件下物系变化可能达到的极限。不论传热、传质还是反应过程，在经过足够的时间不论传热、传质还是反应过程，在经过足够的时间后，最终均能达到平衡状态。后，最终均能达到平衡状态。（3 3）平衡关系）平衡关系(4(4）过程速率）过程速率 动量
22、传递过程的推动力是压力差，阻力为摩擦动量传递过程的推动力是压力差，阻力为摩擦阻力阻力;热量传递过程的推动力是温度差，阻力为热阻；热量传递过程的推动力是温度差，阻力为热阻；质量传递过程质量传递过程(传质过程传质过程)的推动力是浓度差，阻力的推动力是浓度差，阻力则为扩散阻力。则为扩散阻力。自然界任何过程的速率都可表示为：自然界任何过程的速率都可表示为：过程速率过程推动力过程阻力过程速率过程推动力过程阻力过程速率是决定设备尺寸的重要因素。过程速率是决定设备尺寸的重要因素。(5)(5)经济核算经济核算v 在设计具有一定生产能力的设备时，选用不在设计具有一定生产能力的设备时，选用不同的材料，不同的设备型
23、式以及操作条件，可以同的材料，不同的设备型式以及操作条件，可以提出多种不同的设计方案。但是最终应该从技术提出多种不同的设计方案。但是最终应该从技术经济的观点出发进行比较，即从设备的造价、操经济的观点出发进行比较，即从设备的造价、操作的难易、人力、水电和燃料的消耗、耐用年限作的难易、人力、水电和燃料的消耗、耐用年限等多方面进行综合评价，从中选择经济上最有利等多方面进行综合评价，从中选择经济上最有利的方案。的方案。v 在进行经济评价时，设备造价和耐用年限折在进行经济评价时，设备造价和耐用年限折算成设备费（摊派到单位产品上的设备折旧费），算成设备费（摊派到单位产品上的设备折旧费），而消耗的人力、水电和燃料的费用则总括为操作而消耗的人力、水电和燃料的费用则总括为操作费。费。l谢谢
