化学工艺学研究范畴

第1章概述1.1化学工艺学研究范畴1.2化学工业的发展历史及其在人类社会中的作用1.3现代化学工业的特点和发展方向1.3.1现代化学工业的特点1.3.2化学工业发展的方向1.4化学工业的原料资源和主要产品1.4.1化学工业的原料资源1.4.2化学工业的主要产品1.5化工过程的主要效率指标1.5.1生产能力和生产强度1.5.2转化率、选择性和收率(产率)1.1化学工艺学研究范畴1.概念化学工业：又称化学加工工业，泛指生产过程中化学方法占主要地位的制造工业。化学工艺原料化学产品化学工艺(chemicaltechnology)：即化工生产技术，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。感性认识理性认识化学工艺学：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。化学工艺学的范畴：（11个方面）☆一般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；☆其他物料的影响；☆操作条件的影响和选定；☆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问题。1.2化学工业的发展历史及其在人类社会中的作用按时间段来看发展历史：18世纪以前作坊式手工工艺18世纪初叶建成了第一个典型的化工厂,铅室法硫酸厂18世纪末期,路布兰法制碱工艺出现从18世纪到20世纪初期，以酸、碱为基础的无机化工初具规模；同期，在德国首创了肥料工业和煤化学工业，人类进入了化学合成的时代20世纪初，合成氨工艺有力地促进了无机和有机化工的发展自20世纪初期以来，石油化工的兴起,高分子化工蓬勃发展起来,进入合成材料的时代近年来，世界各国都高度视发展高新技术，复合结构材料、信息材料、纳米材料等，生物化工产业1.3现代化学工业的特点和发展方向1.3.1现代化学工业的特点1.原料、生产方法和产品的多样性与复杂性；2.向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高；3.多学科合作、生产技术密集型的生产部门；4.重视能量合理利用，积极采用节能工艺和方法；5.资金密集，投资回收进度快，利润高；6.化工生产中易燃、易爆、有毒仍然是现代化工企业首要解决的问题。1.3.2化学工业发展的方向1.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。2.最充分、最彻底地利用原料，除了发展大型的综合性生产企业，使原料、产品和副产品得到综合利用外，提倡设计和开发原子经济性反应；原子经济性概念是由美国化学家B.M.Trost在1991年首先提出的，在反应中应该使原料中每一个原子都结合到目标分子即所需产物中，不需要用保护基团或离去基团，因而不会有副产物或废物生成。3.大力发展绿色化工；①采用无毒、无害的原料、溶剂和催化剂；②应用反应选择性高的工艺和催化剂；③将副产物或废物转化为有用的物质；④采用原子经济性反应，提高原料中原子的利用率，实现零排放；⑤淘汰污染环境和破坏生态平衡的产品，开发和生产环境友好产品等。4.化工过程要高效、节能和智能化；5.实施废弃物再生利用工程。1.4化学工业的原料资源和主要产品1.4.1化学工业的原料资源1.自然资源①矿物原料包括金属矿、非金属矿和化石燃料矿。金属矿多以金属氧化物、硫化物、无机盐类或复盐型式存在；非金属矿以各种各样化合物形态存在，其中含硫、磷、硼、硅的矿物储量比较丰富；化石燃料矿包括煤、石油、天然气、油页岩和油砂等，它们主要由碳和氢元素组成。②生物资源2.非自然资源①经过某种化学加工得到的产品，往往是其它化学加工部门的原料；②经过物理和化学的再加工，对工业废渣、废液、废气以及人类用过的物质和材料再生；未来物质生产的特点之一越来越完善地和有效地利用这些“废料”和“垃圾”！1.4.2化学工业的主要产品1.4.2.1无机化工主要产品1.4.2.2基本有机化工主要产品1.4.2.3高分子化工主要产品1.4.2.4精细化工主要产品1.4.2.5生物化工主要产品1.5化工过程的主要效率指标1.5.1生产能力和生产强度生产能力：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。单位为kg／h，t／d或kt／a，万t／a等。生产强度：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。单位：kg／(h·m3)，t/(d·m3)或kg／(h·m2)，或t/(d·m2)等。1.5.2转化率、选择性和收率(产率)I.转化率(conversion)：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。其定义见式(1-1)：转化率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X计算转化率时，反应物起始量的确定很重要。①对于间歇过程，以反应开始时装入反应器的某反应物料量为起始量；②对于连续过程，一般以反应器进口物料中某反应物的量为起始量；③对于采用循环流程的过程来说，则有单程转化率和全程转化率之分。循环物料弛放物料新鲜原料混合原料产品单程转化率：原料每次通过反应器的转化率;见(1-2)式:全程转化率（总转化率）：新鲜原料进入反应系统到离开该系统所达到的转化率。见(1-3)式:混合反应分离的量反应器进口物料中组分在反应器中的转化量组分AAXA的量新鲜原料中组分在反应器中的转化量组分AAXtotA,该反应物的转化总量应物的量转化为目的产物的某反S物理论量计算应得到的目的的产按某反应物的转化总量实际所得的目的产物量S主反应目的产物复杂反应体系副反应副产物Ⅱ.选择性(selectivity)：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(1-4),(1-5):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。Ⅲ.收率(产率，yield)：从产物角度来描述反应过程的效率。见式(1-6):介绍了以上三个量，三者之间的联系：根据转化率、选择性和收率的定义可知，相对于同一反应物而言，三者有以下关系Y=S.X无副反应的体系，S=1，故收率在数值上等于转化率，转化率越高则收率越高；有副反应的体系，sl，希望在选择性高的前提下转化率尽可能高。注意：不能单纯追求高转化率或高选择性，而要兼顾两者，使目的产物的收率最高。Ⅳ.质量收率(massyield)：投入单位质量的某原料所能生产的目的产物的质量，式(1-7)：该反应物的起始量反应物的量转化为目的的产物的某Y某原料的起始质量目的产物的质量Ym