1、工业系统概论工业系统概论第三章第三章 化学工业化学工业汤彬汤彬基础工业训练中心基础工业训练中心18911021965627738022第三章化学工业第三章化学工业（视频（视频1）n概述概述n案例案例1从化学到化工从化学到化工n案例案例2合成氨生产的人文透视合成氨生产的人文透视3化学工业化学工业化工概述化工概述 化学到化工化学到化工 合成氨生产合成氨生产化工发展历史化工发展历史化工意义和作用化工意义和作用化学工业现状化学工业现状化学和化工关系化学和化工关系化工项目的开发化工项目的开发化工生产的优化化工生产的优化化工系统化工系统化学灾害化学灾害为什么合成氨为什么合成氨如何合成氨如何合成氨更好利用合
2、成氨更好利用合成氨科学家事例科学家事例了解：从了解：从历史观角历史观角度看化工度看化工发展历史发展历史及其对人及其对人类社会的类社会的重要意义。重要意义。体验：科学体验：科学模式与工程模式与工程模式的差异，模式的差异，并初步运用并初步运用批判性思维批判性思维看待产业发看待产业发展问题。展问题。体会：从人体会：从人文角度透视文角度透视生产过程，生产过程，并理解实验并理解实验室与相应化室与相应化工产业发展工产业发展的不同。的不同。目的：了解我国化目的：了解我国化学工业的现状，并学工业的现状，并初步培养用工程思初步培养用工程思维和批判性思维看维和批判性思维看待产业发展。待产业发展。n工程技术史观工程
3、技术史观4事物系统普遍存在许多不同层次，而层次又事物系统普遍存在许多不同层次，而层次又通过许多中介相互联系和相互转化。通过许多中介相互联系和相互转化。无限多样的物质层次之间一定存在着内在的无限多样的物质层次之间一定存在着内在的必然的转化联系；必然的转化联系；高级层次一定包含低级层次，高级层次一定包含低级层次，复杂层次一定包含简单层次，因而转化联系必然复杂层次一定包含简单层次，因而转化联系必然导致包含联系；又由于物质层次具有质的相对稳导致包含联系；又由于物质层次具有质的相对稳定性，它们一旦通过转化形成之后，就同时并存定性，它们一旦通过转化形成之后，就同时并存于自然界之中，所以它们之间必然相互于自
4、然界之中，所以它们之间必然相互 影响、相影响、相互制约、相互作用，彼此发生着交叉联系。互制约、相互作用，彼此发生着交叉联系。层次转化律层次转化律5在任何系统中，整体性、结构性、动态性、在任何系统中，整体性、结构性、动态性、开放性等都是有层次的，都具有层次性。开放性等都是有层次的，都具有层次性。自然界物质层次的普遍联系，包括不同层次自然界物质层次的普遍联系，包括不同层次之间的转化联系、包含联系和交叉联系，而不仅之间的转化联系、包含联系和交叉联系，而不仅仅只有转化联系。仅只有转化联系。人类社会发展更替都是遵循由简单到复杂、人类社会发展更替都是遵循由简单到复杂、由低级向高级发展；思维过程也经由主体由
5、低级向高级发展；思维过程也经由主体实实践践客体客体认识认识主体主体再实践再实践再再认识这一层次转化规律的。其它系统亦然。认识这一层次转化规律的。其它系统亦然。层次转化律揭示了系统运动发展的具体途径层次转化律揭示了系统运动发展的具体途径6概述化学工业的发展历史n 化学工业是一门历史悠久、种类繁多的工业。早在数万年以化学工业是一门历史悠久、种类繁多的工业。早在数万年以前前,人们就开始与化学工业结缘人们就开始与化学工业结缘,如火的利用、炼铜、炼金、如火的利用、炼铜、炼金、酿酒、火药、造纸、染料等酿酒、火药、造纸、染料等(说明说明1)。n 但对化学工业的系统研究但对化学工业的系统研究,是始于美国麻省工
6、学院化工系主任是始于美国麻省工学院化工系主任利特尔于利特尔于1915 年提出的年提出的单元操作单元操作的概念。单元操作概念的提的概念。单元操作概念的提出出,不仅可把通常认为各不相同的独立的化工生产技术统一起不仅可把通常认为各不相同的独立的化工生产技术统一起来来,而且使人们可以系统而深入地研究每一个单元操作的内在而且使人们可以系统而深入地研究每一个单元操作的内在规律和基本原理规律和基本原理,从而更有效地促进化工生产技术的发展。从而更有效地促进化工生产技术的发展。n 因此因此,化学工业也就是在近化学工业也就是在近80 年里得到飞速发展。特别是进年里得到飞速发展。特别是进入现代社会入现代社会,化学工
7、业在设备的改进与更新、绿色化学概念的化学工业在设备的改进与更新、绿色化学概念的提出以及计算机的应用等方面更是突飞猛进提出以及计算机的应用等方面更是突飞猛进(说明说明2)，(视频5)。（背景知识）化学工业在国民经济中的地位化学工业在国民经济中的地位化学工业其他工业国民生产总值国民生产总值化学工业其他工业工业总产值工业总产值化学工业在国民经济中的作用化学工业在国民经济中的作用化学工业化学工业工业工业机械工业机械工业汽车制造业汽车制造业冶金工业冶金工业电子工业电子工业国防工业国防工业农业农业棉织品棉织品橡胶橡胶化肥化肥。9化学工业的广泛应用化工产品化工产品农业农业化肥、农药、杀虫剂化肥、农药、杀虫剂
8、造纸工业造纸工业烧碱、漂白剂、黏合剂烧碱、漂白剂、黏合剂林产工业林产工业油漆、树脂、涂料油漆、树脂、涂料纺织工业纺织工业洗涤剂、漂白剂、染料洗涤剂、漂白剂、染料日常用品日常用品化妆品、药品、肥皂化妆品、药品、肥皂冶金机械冶金机械助熔剂、酸洗剂、表面处理剂助熔剂、酸洗剂、表面处理剂10n“十一五十一五”期间我国石化产业在全球所占比重增大、地期间我国石化产业在全球所占比重增大、地位增强。位增强。2010年，年，8.88万亿元的总产值不仅使我国石化万亿元的总产值不仅使我国石化产业突破了万亿美元的历史大关，有望达到世界石化产产业突破了万亿美元的历史大关，有望达到世界石化产值的值的1/4强。其中化学工业
9、更以强。其中化学工业更以5.23万亿元万亿元(7700亿美元亿美元)的总产值超过美国的总产值超过美国7340亿美元，首次跃居世界第一。亿美元，首次跃居世界第一。n 其次，我国化工产品已经由整体数量短缺转变成结构性其次，我国化工产品已经由整体数量短缺转变成结构性短缺。在不受石油资源制约的无机原料、化肥、农药等短缺。在不受石油资源制约的无机原料、化肥、农药等领域，我国多数产品不仅满足国内需求，同时大量出口领域，我国多数产品不仅满足国内需求，同时大量出口国外。据对石化产业内最重要的国外。据对石化产业内最重要的38种石化产品产值统计种石化产品产值统计中，除了工程塑料和钾肥产值在全球屈居第五、六位外中，
10、除了工程塑料和钾肥产值在全球屈居第五、六位外，其他产品全部位列前三，更有烧碱、纯碱、硫酸、硝，其他产品全部位列前三，更有烧碱、纯碱、硫酸、硝酸、盐酸、电石等酸、盐酸、电石等20余种产品在全球位居榜首。余种产品在全球位居榜首。n 我国钾肥对外依存度平均保持在我国钾肥对外依存度平均保持在50%以上，这对我国粮以上，这对我国粮食安全带来威胁。食安全带来威胁。”2011年进口量预计将达年进口量预计将达600万吨，万吨，对外依存度达到对外依存度达到60%。部分行业产能扩张过快，出现了严重的产能过剩n 到到2009年底，我国资源相对丰富的煤化工、盐化工领域年底，我国资源相对丰富的煤化工、盐化工领域中，大量
11、行业已经出现了开工率严重偏低的局面，电石中，大量行业已经出现了开工率严重偏低的局面，电石、甲醇、二甲醚、醋酸等行业的开工率分别为、甲醇、二甲醚、醋酸等行业的开工率分别为68.2%、42%、23%和和55.5%；n 到到2010年底，我国尿素产能超过国内需求年底，我国尿素产能超过国内需求30%以上；烧以上；烧碱、纯碱产能过剩均在碱、纯碱产能过剩均在20%以上；轮胎行业中近一半产以上；轮胎行业中近一半产量依赖出口消化；规划中的煤制油、煤制烯烃项目的产量依赖出口消化；规划中的煤制油、煤制烯烃项目的产能也已分别达能也已分别达4000万吨万吨/年和年和1410万吨万吨/年。年。n 片面追求发展速度导致我
12、国环境形势日趋严峻，全社会片面追求发展速度导致我国环境形势日趋严峻，全社会的节能减排和环境压力不断增大。的节能减排和环境压力不断增大。“十一五十一五”末，石化末，石化行业废水、废气和固体废弃物，分别占全国各行业排放行业废水、废气和固体废弃物，分别占全国各行业排放量的第一、第四和第五。量的第一、第四和第五。11n 注：劳动生产率为工业增加值除以从业人数，均以当年汇率（年末中间注：劳动生产率为工业增加值除以从业人数，均以当年汇率（年末中间价）换算为美元。中国为全部国有及规模以上非国有企业数据，年份为价）换算为美元。中国为全部国有及规模以上非国有企业数据，年份为1998年，其他国家为年，其他国家为1
13、9931995年的企业数据。年的企业数据。n 资料来源：引自郭克莎等著：资料来源：引自郭克莎等著：加入加入WTO后的中国工业后的中国工业，经济管理出版，经济管理出版社社2003年版，第一章。年版，第一章。1213n 从人文角度透视生产从人文角度透视生产n 由物理学、化学演进出工程学，对人类社会的进步起到了巨由物理学、化学演进出工程学，对人类社会的进步起到了巨大的推动作用。其最本质的是完成了传统的科学模式大的推动作用。其最本质的是完成了传统的科学模式(或分或分析模式析模式)集成现实生产生活向工程模式的转变，即形成了所集成现实生产生活向工程模式的转变，即形成了所谓的谓的“工程模式工程模式”。集成现
14、实生产生活集成现实生产生活 科学模式科学模式 工程模式工程模式n 纵向思维纵向思维 横向思维横向思维n 抽象学习抽象学习经验学习经验学习n 强调还原强调还原强调集成强调集成n 发展发展“有序有序”联系联系“无序无序”n 追求确定性追求确定性处事调和中庸处事调和中庸n 重分析重分析重综合重综合n 重研究重研究重设计、过程、制造重设计、过程、制造n 注重问题求注重问题求注重问题形成注重问题形成n 注重开发想法注重开发想法注重实现想法注重实现想法案例案例1从化学到化工从化学到化工探路的历程探路的历程 从实验室到产业从实验室到产业14案例案例1从化学到化工从化学到化工探路的历程探路的历程 从实验室到产
15、业从实验室到产业3化工生产过化工生产过程优化程优化n（1）过程工业的特点）过程工业的特点(说明说明7)n（2）过程的优化）过程的优化 ：离线优化、在线优化：离线优化、在线优化2化工项目的化工项目的开发开发n（1）选型）选型:(说明说明5）n（2）放大：）放大：(说明说明6)1化工与化学化工与化学 的联系与区别的联系与区别n（1）联系：原理）联系：原理(说明说明3）n（2）区别：规模）区别：规模(说明说明4）154系统系统n单位系统单位系统/单元操作，单元操作，装置装置（说明（说明8）n企业：药品企业：药品、化妆品、试剂化妆品、试剂n产业：燃料化工产业：燃料化工基本化工基本化工精细化工精细化工（
16、说明（说明9）n行业：上游行业：上游/中游中游/下游下游 起始原料起始原料-基本原料基本原料-中间体中间体-合成材料合成材料-化工制品化工制品 n社会生产流通体系社会生产流通体系（说明（说明10）从化学到化工从化学到化工探路的历程探路的历程 从实验室到产业从实验室到产业(续续)5化学灾害化学灾害n化学危险物质化学危险物质(鄂尔多斯羊毛衫，鄂尔多斯羊毛衫，200荧光剂荧光剂)n量变与质变量变与质变-好心办坏事好心办坏事(视频视频6）；渐变与突变渐变与突变-化学定时炸弹化学定时炸弹(说明说明10、视频视频7)；负变与正变负变与正变-地球化学工程地球化学工程（说明（说明11）16案例案例2合成氨生产
17、的人文透视合成氨生产的人文透视 主要内容主要内容n人为什么要合成氨？人为什么要合成氨？n人如何合成氨？人如何合成氨？n人如何更好地发展利用合成氨？人如何更好地发展利用合成氨？17合成氨生产合成氨生产（放热反应）（放热反应）N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)，H=-92.4kj/mol(背景知识背景知识)18案例案例2合成氨生产的人文透视合成氨生产的人文透视 n 人为什么要合成氨？人为什么要合成氨？（说明（说明12）认识的深入认识的深入 认识的反复认识的反复 1900年法国化学家勒夏特列年法国化学家勒夏特列和德国能斯特和德国能斯特（说明（说明13）19案例案例2合成氨生产的人文透视合成氨生
18、产的人文透视 n 人如何合成氨？人如何合成氨？实验室研究实验室研究 工业规模生产工业规模生产 合成氨生产的制约因素合成氨生产的制约因素 工艺条件；设备极限；能耗工艺条件；设备极限；能耗 如何筹措条件攻克难关组织生产如何筹措条件攻克难关组织生产20n 1908年和年和1909年德国化学家哈伯年德国化学家哈伯(1)原料气的制取与净化原料气的制取与净化(2)合成氨条件的确定合成氨条件的确定(说明说明13)n 德国巴登苯胺纯碱公司博施德国巴登苯胺纯碱公司博施(说明说明14)(1)含铝镁促进剂的铁催化剂含铝镁促进剂的铁催化剂(2)低碳钢低碳钢氢脆氢脆生铁内胆生铁内胆(说明说明15)(3)循环压缩工艺循环
19、压缩工艺n 1913年日产年日产30吨的合成氨工厂建成并投产吨的合成氨工厂建成并投产合成氨的历程N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)21合成氨生产的人文透视合成氨生产的人文透视 n 人如何更好地发展利用合成氨？人如何更好地发展利用合成氨？合成氨技术的发展合成氨技术的发展合成氨成就的最初命运合成氨成就的最初命运 22技术进步技术进步 n 技术本身技术本身（说明（说明16）现状现状 目标目标 理论值理论值n 协调组织协调组织 原料原料 （说明（说明17）规模规模（说明（说明18）改造改造 进口与建厂进口与建厂内蒙古化肥厂内蒙古化肥厂引进的合成氨、尿素装置引进的合成氨、尿素装置23合成氨成就的最
20、合成氨成就的最初命运初命运哈伯哈伯法拉第法拉第居里夫人居里夫人门捷列夫门捷列夫251：化学反应过程化工生产的核心v化学原理与物理原理交叉化学原理与物理原理交叉分离过程热力学，流体力学，传热学，传分离过程热力学，流体力学，传热学，传质学质学反应过程原子重排，工艺学，反应动力学反应过程原子重排，工艺学，反应动力学 热力学，流体力学，传热学，传质学热力学，流体力学，传热学，传质学v三传三转三传三转原 料 纯 化 氧 化 脱 氢 反 应 中 间 产 物 分 离 聚 合 反 应 产 品 分 离能量传递与转化物质传递与转化信息传递与转化26化学工程学化学工程学生物催化与生物转化化学化学物理物理分子设计与过
21、程控制纳米技术与超分子化学数学数学生物学生物学27化学反应催生化工产业（返回）制造业的基础与创新的源头制造业的基础与创新的源头 20年代年代合成氨现代化工的起始：农业，炸药业合成氨现代化工的起始：农业，炸药业 40年代年代石油催化裂化：汽车工业石油催化裂化：汽车工业 50年代年代深层发酵：抗生素制药业深层发酵：抗生素制药业 60年代年代乙烯裂解：三大合成材料乙烯裂解：三大合成材料 70年代年代有机硅，高纯硅：硅材料工业有机硅，高纯硅：硅材料工业 80年代年代人工脏器，动植物细胞培养：生物医学工程人工脏器，动植物细胞培养：生物医学工程 90年代年代纳米管，超分子组装纳米亚微米材料：纳米管，超分子
22、组装纳米亚微米材料：复合复合,多功能材料多功能材料28放大阶段的研究内容n 工艺路线和单元反应操作方法的复查工艺路线和单元反应操作方法的复查n 设备材质与型式的选择设备材质与型式的选择n 搅拌器型式与搅拌速度的考察搅拌器型式与搅拌速度的考察 反应热反应热n 反应条件的进一步研究反应条件的进一步研究n 工艺流程与操作方法的确定工艺流程与操作方法的确定 反应和后处理反应和后处理n 物料衡算：是对任一化工生产过程的进入物料量、物料衡算：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衡算排出物料量和累积物料量进行衡算衡算式为：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
23、累积物料量29（返回）工程放大方法反应工程任务提出反应工程任务提出工艺路线工艺路线,原料配方原料配方,工艺条件确定工艺条件确定小型热模小型热模,验证工艺条件验证工艺条件,动力学研究动力学研究大型冷模大型冷模,验证反应器形式可行验证反应器形式可行动力学方程表达式动力学方程表达式流动形式流动形式,混和模型混和模型,传质传质,传热传热,参数分布参数分布数学模型：物衡数学模型：物衡热衡热衡热力学提供：参数方程热力学提供：参数方程,物性物性计算机合成求解计算机合成求解中间讨论中间讨论,验证验证工业装置工业装置模型修正模型修正工程研究工程研究工艺研究工艺研究传统放大传统放大数值模拟数值模拟实验方法论30工
24、业类型 从原料到产品的生产过程中，由于产品不同而采用的生产方式也不同。如：炼钢、机械制造与石油化工、制药为不同的生产方式称为不同的工业类型。三种类型：1 1、过程工业过程工业 2 2、离散工业离散工业 3 3、间歇生产间歇生产31过程工业 Process Industries过程：通过化学反应和物理变化将材料转化为产品。过程工业过程工业：又叫“流程工业”，一般为连续生产过程。如：石油、化工、制药、电力、冶金、轻工业、纺织、食品、医药、烟草等行业。在工业中有三分之 二属于 这一类。其特点：多伴随着传热、传质、相变、以及 能量和动量的转换。例如：石油 汽油 加热、蒸馏、相变 传热、传质、汽相、液相
25、）32离散工业 Discrete Industries 非连续生产或称单件生产的工业。例如：机械厂、机床厂、飞机、汽车、家电制造业等行业，从原材料-产品，伴随着机械加工、焊接等而不是通过物理和化学变化，这类工业叫离散工业。特点：单件生产、机加工。33批量生产（间歇过程）Batch Industries例如：二锅头的生产，药品的灭菌等特点：一批一批的生产。34大规模连续生产存在的问题n (1)工业过程复杂、大系统、互相关联工业过程复杂、大系统、互相关联-n 存在不确定性、时变、非线性。存在不确定性、时变、非线性。n(2)整体性：整体性：局部优化局部优化=/=全局优化全局优化，需协调控制。需协调控
26、制。n(3)苛刻的环境苛刻的环境三性安全性-人、设备、环境保护。经济性-高产、保质、低耗。稳定性-长期稳定运行。20世纪40年代起，染料、化纤、有机合成和石油化工染料、化纤、有机合成和石油化工等行业对浓硫酸和发烟硫酸的需要量迅速增加，许多工业部门对浓硫酸产品的纯度也提出了更高的要求，因而使接触法逐渐在硫酸工业中居于主导地位。硫酸工业已有硫酸工业已有 200多年的历史多年的历史第一次世界大战的爆发第一次世界大战的爆发，使欧美国家竞相兴建接触法装置，产品用于炸药的制造。这对接触法的发展颇具影响。第二次世界大战第二次世界大战以后，硫酸工业取得了较大的发展，世界硫酸产量不断增长。18世纪后半期，纺织工
27、业纺织工业取得重大的技术进步，硫酸被用于亚麻织品的漂白、棉织品的酸化和毛织品的染色。吕布兰法的成功，又需大量地从硫酸和食盐制取硫酸钠。迅速增长的需求为初兴的硫酸工业开拓了顺利发展的道路。SO3 +H2O H2SO42SO2 +O2 2SO3催化剂催化剂加加 热热4FeS2 +11 O2 2Fe2O3+8SO2 高高 温温化学原理化学原理化工生产流程化工生产流程（返回）接触催化在各反应条件下转化率：接触催化在各反应条件下转化率：实际工业生产选择的条件：400C500C0.1MPa（常压）理论上产率最高的反应条件381999年年39化学工业的单元操作过程原原料料预处理预处理粉碎，溶粉碎，溶解，汽化
28、，解，汽化，提纯等提纯等化学反应化学反应氧化，还氧化，还原，氟化，原，氟化，硝化，羰硝化，羰基化等基化等分离精制分离精制精馏，萃精馏，萃取，吸收，取，吸收，结晶等结晶等每一种单元操作都概括了化工生产中一类有共性的操作每一种单元操作都概括了化工生产中一类有共性的操作，从本质上归纳为从本质上归纳为动量传递、热量传递和质量传递动量传递、热量传递和质量传递三种传三种传递过程递过程。三种传递过程和反应工程，即所谓的三种传递过程和反应工程，即所谓的“三传一三传一反反”构成贯穿于化学工程学科研究的一条主线。构成贯穿于化学工程学科研究的一条主线。40单元操作（返回）41化工生产流通体系1、研究（、研究（Res
29、earch）研制、改进新产品、新工艺研制、改进新产品、新工艺 选型选型 拓展新产品的应用领域拓展新产品的应用领域 研究发明新过程及设备（模拟放大）研究发明新过程及设备（模拟放大）2、开发（开发（development）放大（放大（scale up）中间试验、中间试验、放大放大 工业性试验、工业性试验、模拟放大模拟放大42化工生产流通体系（续）3、设计（、设计（design）流程设计（带控制点）流程设计（带控制点）工厂设计工厂设计 平立面设计、控制、环保平立面设计、控制、环保 关键设备设计（非标）（强度、机械）关键设备设计（非标）（强度、机械）从基本原理出发从基本原理出发 4、建设（、建设（Co
30、nstruction）建设、试运行、交付生产建设、试运行、交付生产 5、制造（、制造（Manufacturing）操作（操作（Operation）生产（生产（Production）43化工生产流通体系（续）（返回）6、销售和技术服务、销售和技术服务（Sales and technical service）打开销路，帮助使用。打开销路，帮助使用。7、经营管理、经营管理（management and administration）8、教育（、教育（education）9、咨询（、咨询（consultant）10、其它、其它44环境污染黎巴嫩首都贝鲁特的海滩被严重污染黎巴嫩首都贝鲁特的海滩被严重污染
31、2006-07-29，黎巴嫩首都贝鲁特的海滩被严重污染。黎巴嫩环境部长当日称，由于以军轰炸了黎巴嫩的一个发电厂，造成数千吨燃油泄入地中海，使得地中海面临严重的环境灾难。45英国伦敦烟雾事件n 1952年年2月，英国伦敦发生了一起震惊世界的烟雾月，英国伦敦发生了一起震惊世界的烟雾事件。仅仅在事件。仅仅在4天之内，就有天之内，就有4000多名伦敦市民超多名伦敦市民超常死亡。实际上就是煤烟污染空气，造成人们在短常死亡。实际上就是煤烟污染空气，造成人们在短时间内吸入大量含毒物的烟雾，引起急性中毒，使时间内吸入大量含毒物的烟雾，引起急性中毒，使体弱者不治身亡。体弱者不治身亡。n 未治理前每天向空中排放最
32、高过未治理前每天向空中排放最高过200吨煤烟尘，如吨煤烟尘，如果市区上空发生逆温层，再加上特大浓雾降临，高果市区上空发生逆温层，再加上特大浓雾降临，高度集中的工业区冒出来的大量二氧化硫和飘尘被浓度集中的工业区冒出来的大量二氧化硫和飘尘被浓震笼罩，扩散不开，就有可能引起居民急性中毒。震笼罩，扩散不开，就有可能引起居民急性中毒。伦敦从伦敦从1873年到年到1965年共发生烟雾事件年共发生烟雾事件12起。起。46原始森林的覆灭沙尘困兰州沙尘暴席卷伊朗阿富汗和巴基斯坦472012年3月中旬美国宇航局地球观测站公布的卫星照片：发生在亚洲西南部的强沙尘暴n 2010年年04月月24日甘肃出现沙尘暴日甘肃出
33、现沙尘暴,局地能见度接近局地能见度接近0米米48492010年年3月月20日，什刹海变撒哈拉，沧海桑田日，什刹海变撒哈拉，沧海桑田502009年9月23日，悉尼布拉菲尔德高速公路。（一场罕见的沙尘暴席卷悉尼，将澳大利亚东部部分地区笼罩在一片红色风暴之中）512009年7月，伊拉克首都巴格达，桔子树上布满沙尘。一场多年来最严重的沙尘暴今年夏天在这个国家肆虐。522009年4月席卷中蒙边境的沙尘暴导致北京紫禁城的云龙石雕蒙上一层尘土。532009年3月，沙特阿拉伯首都利雅得笼罩在一片尘雾之中。542008年10月，阿富汗喀布尔，一名年幼的阿富汗难民蜷缩在帐篷一角，躲避沙尘暴。552003年，也门瓦
34、迪穆尔(Wadi Mur)。一个骑着毛驴的男孩险些被沙尘暴吞没。562001年，马里，一群妇女被笼罩在沙尘暴之中。571992年5月，从美宇航局“奋进”号航天飞机上看到的肆虐撒哈拉沙漠的沙尘暴。581955年，一场罕见沙尘暴正在美国得克萨斯一座荒芜人烟的农场肆虐。（返回）环境污染（视频8）59地球化学工程地球化学工程n抬升陆地抬升陆地 许多低平国家构成沉积盆地的一部分，在其沉积剖面中含许多低平国家构成沉积盆地的一部分，在其沉积剖面中含有灰岩层。如果将硫酸灌注到这些灰岩中，它们会局部地有灰岩层。如果将硫酸灌注到这些灰岩中，它们会局部地转变成石膏。石膏的体积是它所借以生成的方解石的两倍，转变成石膏
35、。石膏的体积是它所借以生成的方解石的两倍，为调整体积的这种增大，反应位置之上的地面上升。这种为调整体积的这种增大，反应位置之上的地面上升。这种效应可用于海岸防御，也开辟了抬升受到海面上升威胁的效应可用于海岸防御，也开辟了抬升受到海面上升威胁的现存建筑的可能性。现存建筑的可能性。nCO2 将将CO2灌入部分报废的气田，可作为保持储层压力的手段灌入部分报废的气田，可作为保持储层压力的手段来使用，以开发用其他方式己无经济价值的残留天然气。来使用，以开发用其他方式己无经济价值的残留天然气。经地下风化反应呈碳酸盐形式固定下来的经地下风化反应呈碳酸盐形式固定下来的CO2，在此后地，在此后地质时期内都会被安
36、全地储存起来。质时期内都会被安全地储存起来。60地球化学工程地球化学工程（返回）（返回）n 废弃物的自封闭隔离废弃物的自封闭隔离 克里米亚的克里米亚的ArmyanskArmyansk，一座生产，一座生产TiOTiO2 2和化肥的工厂和化肥的工厂排放出废酸和其他废液，其数量约为排放出废酸和其他废液，其数量约为11001100万万m m3 3/a/a，流，流入一个围堵起来的浅海湾，使之成为最大的酸湖之入一个围堵起来的浅海湾，使之成为最大的酸湖之一。由于废液是弱酸，而蒸发出的是纯水，到一。由于废液是弱酸，而蒸发出的是纯水，到19961996年湖水年湖水PHPH值为值为0.80.8左右，未发现这些酸渗
37、入地下水。左右，未发现这些酸渗入地下水。这是由于湖底是由碱性含碳酸盐粘土构成，酸与这这是由于湖底是由碱性含碳酸盐粘土构成，酸与这种粘土反应生成强胶结石膏硬石膏层。种粘土反应生成强胶结石膏硬石膏层。61n 哈伯成功地设计出合成氨的装置和工艺流程哈伯成功地设计出合成氨的装置和工艺流程(1)原料气的制取与净化。原料气的制取与净化。炽热焦炭水蒸汽二氧化碳（溶水）氢气炽热焦炭水蒸汽二氧化碳（溶水）氢气 炽热焦炭（水蒸汽空气）一氧化碳二氧化碳炽热焦炭（水蒸汽空气）一氧化碳二氧化碳n(2)合成氨条件的确定。合成氨条件的确定。在在600、200个大气压和锇个大气压和锇作为催化剂的条件下作为催化剂的条件下,得到
38、得到了产率约为了产率约为8%的合成氨。的合成氨。62卡尔斯鲁厄大学卡尔斯鲁厄大学80g/h的合成氨试验装置的合成氨试验装置（返回）（返回）氨是世界上产量第二的化学制品氨是世界上产量第二的化学制品,是制氮肥的主要原料是制氮肥的主要原料,而而且在国防、医药、化工纤维业上都占有重要的地位。且在国防、医药、化工纤维业上都占有重要的地位。63n德国当时最大的化工业德国当时最大的化工业巴登苯胺和纯碱制造巴登苯胺和纯碱制造公司的另一个德国化工专家博施为首的研究小组公司的另一个德国化工专家博施为首的研究小组n价格便宜的催化剂：价格便宜的催化剂：经过经过 2500种不同的催化剂种不同的催化剂进行了进行了6500
39、次试验次试验,终于得到了理想的含有少量终于得到了理想的含有少量K、Mg、Al和和Ca的铁组催化剂的铁组催化剂铁触媒铁触媒。n脱碳氢脆问题的解决：采用纯铁作合成塔衬里克脱碳氢脆问题的解决：采用纯铁作合成塔衬里克服高压下氢气使钢铁脱碳的问题服高压下氢气使钢铁脱碳的问题,从而真正地使从而真正地使合成氨从实验室走向生产。合成氨从实验室走向生产。n(3)循环压缩工艺：解决了氮、氢原料气的工业循环压缩工艺：解决了氮、氢原料气的工业生产方法。生产方法。n这具有重大经济价值的成果这具有重大经济价值的成果,极大地促进了合成极大地促进了合成氨工业的普及和发展氨工业的普及和发展,也使博施获得了也使博施获得了1931
40、年诺年诺贝尔化学奖。贝尔化学奖。（返回）（返回）64n 早期氰化法早期氰化法：1898年，德国弗兰克等人发现空气中的氮能被碳化年，德国弗兰克等人发现空气中的氮能被碳化钙固定而生成氰氨化钙，进一步与过热水蒸气反应即可获得氨，钙固定而生成氰氨化钙，进一步与过热水蒸气反应即可获得氨，这种制氨方法称为氰化法。第一次世界大战期间，德国、美国主这种制氨方法称为氰化法。第一次世界大战期间，德国、美国主要采用该法生产氨，满足了军工生产的需要。氰化法固定每吨氮要采用该法生产氨，满足了军工生产的需要。氰化法固定每吨氮的总能耗为的总能耗为153GJ，由于，由于成本过高成本过高，到，到30年代被淘汰。年代被淘汰。n
41、合成氨法合成氨法：1909年，德国物理化学家年，德国物理化学家F.哈伯用锇催化剂将氮气与哈伯用锇催化剂将氮气与氢气在氢气在17.5-20MPa和和500-600下直接合成，反应器出口得到下直接合成，反应器出口得到8氨。哈伯提出将未参与反应的气体返回反应器的循环方法。由于氨。哈伯提出将未参与反应的气体返回反应器的循环方法。由于金属锇稀少、价格昂贵，又研制成功含有钾、铝氧化物作助催化金属锇稀少、价格昂贵，又研制成功含有钾、铝氧化物作助催化剂的价廉易得的铁催化剂。而在工业化过程中碰到的一些难题，剂的价廉易得的铁催化剂。而在工业化过程中碰到的一些难题，如高温下氢气对钢材的腐蚀、碳钢制的氨合成反应器寿命
42、仅有如高温下氢气对钢材的腐蚀、碳钢制的氨合成反应器寿命仅有80h以及合成氨用氮氢混合气的制造方法，都被巴登苯胺纯碱公以及合成氨用氮氢混合气的制造方法，都被巴登苯胺纯碱公司公司的博施所解决，并于司公司的博施所解决，并于1913 年建成日产年建成日产30t合成氨的装置。合成氨的装置。n 其他国家在此基础上先后开发了合成压力从低压到高压的很多其其他国家在此基础上先后开发了合成压力从低压到高压的很多其他方法。到他方法。到30年代初合成氨成为广泛采用的制氨方法。年代初合成氨成为广泛采用的制氨方法。70年代以年代以来，合成氨的生产不仅促进了如高压、低温、原料气制造、气体来，合成氨的生产不仅促进了如高压、低
43、温、原料气制造、气体净化、特殊金属冶炼以及催化剂研制等方面的发展，还对一些化净化、特殊金属冶炼以及催化剂研制等方面的发展，还对一些化学合成工业，如尿素、甲醇和高级醇、石油加氢精制、高压聚合学合成工业，如尿素、甲醇和高级醇、石油加氢精制、高压聚合等起了巨大的推动作用。等起了巨大的推动作用。(返回返回)65n 自从合成氨工业化后，原料构成经历了重大的变化。自从合成氨工业化后，原料构成经历了重大的变化。n 煤造气时期：一战结束，很多国家建立了合成氨厂，煤造气时期：一战结束，很多国家建立了合成氨厂，开开始以焦炭为原料始以焦炭为原料。20年代，随着钢铁工业的兴起，出现了年代，随着钢铁工业的兴起，出现了用
44、用焦炉气焦炉气深冷分离制氢的方法。焦炭、焦炉气都是煤的加深冷分离制氢的方法。焦炭、焦炉气都是煤的加工产物。为了扩大原料来源，曾对煤的直接气化进行了研工产物。为了扩大原料来源，曾对煤的直接气化进行了研究。究。1926年，德国法本公司采用温克勒炉气化褐煤成功。年，德国法本公司采用温克勒炉气化褐煤成功。二战结束，以焦炭、煤为原料生产的氨约占一半以上。二战结束，以焦炭、煤为原料生产的氨约占一半以上。n 烃类燃料造气时期早在烃类燃料造气时期早在20-30年代，年代，甲烷甲烷蒸汽转化制氢蒸汽转化制氢已研究成功。已研究成功。50年代，天然气、石油资源得到大量开采，年代，天然气、石油资源得到大量开采，由于以甲
45、烷为主要组分的天然气便于输送，适于加压操作，由于以甲烷为主要组分的天然气便于输送，适于加压操作，能降低氨厂投资和制氨成本，在性能较好的转化催化剂、能降低氨厂投资和制氨成本，在性能较好的转化催化剂、耐高温的合金钢管相继出现后，以耐高温的合金钢管相继出现后，以天然气天然气为原料的制氨方为原料的制氨方法得到广泛应用。接着抗积炭的法得到广泛应用。接着抗积炭的石脑油石脑油蒸汽转化催化剂研蒸汽转化催化剂研制成功，缺乏天然气的国家采用了石脑油为原料。制成功，缺乏天然气的国家采用了石脑油为原料。60年代年代以后，又开发了以后，又开发了重质油重质油部分氧化法制氢。到部分氧化法制氢。到1965年，焦、年，焦、煤原
46、料比例仅占煤原料比例仅占5.8。合成氨工业的原料构成由固体燃料合成氨工业的原料构成由固体燃料转向以气、液态烃类燃料为主的时期转向以气、液态烃类燃料为主的时期。(返回返回)661999年年(返回返回)67合成氨装置大型化合成氨装置大型化n 由于高压设备尺寸的限制，由于高压设备尺寸的限制，50年代前年代前，最大的，最大的氨合成塔能力不超过氨合成塔能力不超过日产日产200t，60年代初年代初不超过不超过日产日产400t。n随着由汽轮机驱动的大型、高压离心式压缩机研随着由汽轮机驱动的大型、高压离心式压缩机研制成功，为合成氨装置大型化提供了条件，大型制成功，为合成氨装置大型化提供了条件，大型合成氨厂的数
47、目也逐年增多。合成氨厂的数目也逐年增多。合成氨厂大型化通合成氨厂大型化通常指规模在日产常指规模在日产540t以上的单系列装置以上的单系列装置。1963和和1966年美国凯洛格公司先后建成世界上第一座日年美国凯洛格公司先后建成世界上第一座日产产540t和和900t氨的单系列装置。从此，大型化成氨的单系列装置。从此，大型化成为合成氨工业的发展方向。为合成氨工业的发展方向。n近近30多年来多年来，新建装置大多为，新建装置大多为日产日产10001500t氨，氨，1972年建于日本千叶的日产年建于日本千叶的日产1540t氨厂是目氨厂是目前世界上已投入生产的最大单系列装置前世界上已投入生产的最大单系列装置
48、(返回)。68n 压力容器的氢脆压力容器的氢脆是指它的器壁受到氢的侵蚀，造成材料是指它的器壁受到氢的侵蚀，造成材料塑性和强度降低，并因此而导致的开裂或延迟性的脆性塑性和强度降低，并因此而导致的开裂或延迟性的脆性破坏。高温高压的氢对钢的损伤主要是因为氢以原子状破坏。高温高压的氢对钢的损伤主要是因为氢以原子状态渗入金属内，并在金属内部再结合成分子，产生很高态渗入金属内，并在金属内部再结合成分子，产生很高的压力，严重时会导致表面鼓包或皱折；氢与钢中的碳的压力，严重时会导致表面鼓包或皱折；氢与钢中的碳结合，使钢脱碳，或使钢中的硫化物与氧化物还原。结合，使钢脱碳，或使钢中的硫化物与氧化物还原。n 介质中
49、含氢的容器是否会发生氢脆，主要决定于操作温介质中含氢的容器是否会发生氢脆，主要决定于操作温度、氢的分压、作用时间和钢的化学成分。温度越高、度、氢的分压、作用时间和钢的化学成分。温度越高、氢分压越突，碳钢的氢脆层就越深，发生氢脆破裂的时氢分压越突，碳钢的氢脆层就越深，发生氢脆破裂的时间也越短，其中温度尤其是重要因素。钢的含碳量越高，间也越短，其中温度尤其是重要因素。钢的含碳量越高，在相同的温度和压力条件下，氢脆的倾向越严重。在相同的温度和压力条件下，氢脆的倾向越严重。n 氢在常温常压下不会对钢产生明显腐蚀，但当温度超过氢在常温常压下不会对钢产生明显腐蚀，但当温度超过300和压力高于和压力高于30
50、MPa时，会产生氢脆，尤其是在高时，会产生氢脆，尤其是在高温条件下。如合成氨生产过程中的脱硫塔、变换塔、氨温条件下。如合成氨生产过程中的脱硫塔、变换塔、氨合成塔；炼油过程中的一些加氢反应装置等合成塔；炼油过程中的一些加氢反应装置等(返回返回)。69古代化学工艺的出现古代化学工艺的出现n 公元前四千年到两千年间，人类开始进入奴隶制社公元前四千年到两千年间，人类开始进入奴隶制社会，从石器时代跨入金属时代，原始的狩猎经济也会，从石器时代跨入金属时代，原始的狩猎经济也开始让位于农业和畜牧业，紧接着手工业出现了。开始让位于农业和畜牧业，紧接着手工业出现了。n 金属劳动工具的制造是建立在金属冶炼和锻铸的基
