化工——第一章

化学工程基础闽南师范大学化学与环境学院主讲：张婷主讲：张婷PX项目2PX项目•CON•PX易挥发、易燃，具有一定毒性，属于低毒类。国际癌症研究机构(IARC)的可能致癌因素分类中，PX仅被归为第三类致癌物。•生产工艺中，操作温度大约在350℃-420℃，操作压力大约10个大气压-30个大气压•PRO•PX为重要的有机化工原料，可作汽油高性能抗爆性的重要组分；下游主要用于生产精对苯二甲酸(PTA)及聚酯(PET，涤纶)；可直接用作颜料、油漆稀释剂和工业溶剂。•生产装置现代化，其物料、流程是密闭的。•迄今为止，世界各国的PX装置均未发生过造成重大环境影响的安全事故。34PX在中国PX在中国•2007年6月1日，由于PX项目距离人口密集区过近，厦门市民集体“散步”表达反对意见。项目随后停止，迁址漳州。•大连的福佳大化PX项目早在2009年6月开始投产运营。2011年8月8日，由于强热带风暴“梅花”的影响，海浪将福佳大化在建防波堤冲破，海水倒灌进厂区，大连市民在人民广场集会游行要求将PX项目迁址。最终，大连市政府下令将化工厂搬出大连。•2012年10月，浙江省宁波市镇海区部分村民因镇海炼化一体化项目集体上访，逐渐演变至大规模封路抗议，最终宁波市政府承诺不再建设PX项目，并停止推进整个炼化一体化项目。•2013年5月，为了反对云南省安宁市草铺工业园区的1000万吨炼油项目，众多市民戴着口罩走上昆明市街头抗议。•2014年3月30日起，广东茂名市市委大楼前发生了大批民众针对PX项目的抗议与示威活动。4月1日，约300人在广州中山纪念堂附近举行声援茂名反PX的游行。5我国对PX的需求•2012年我国PX消费量为1382.4万吨，产量773万吨，进口628.6万吨，出口19.2万吨，进口依存度44.1%，其中，来自日本和韩国的PX占总进口量的58.5%。•国内PX资源较缺乏，下游PTA需求量大，PX生产项目的利润率较高。目前国内市场PX含税价格约为11500元/吨，利润约每吨700-800元。6PX工艺流程78为什么学习化学工程基础？92011年海南高考题·T20−Ⅱ102013年课标理综题Ⅰ·T36·15分11学习要求：•认真听讲（课堂上需带计算用稿纸）•独立思考•按时完成作业考核方式：平时作业、考勤30％（优：90~99分；良：80~89分；中：70~79分；及格：60~69分；不及格：60分)期末考试（闭卷）70％(期末卷面成绩低于50分者平时考核成绩无“优”)第一章化学工业与化学工程§1化学工业概述•化学工业——综合运用化学和物理方法将原料加工成化学产品的加工工业。•化学工业是国民经济的重要部门之一，在各国经济发展中举足轻重。一般占GDP的5-7%，占工业产值的7-10%甚至更高。过去十年，世界化学工业以高于世界经济增长率的20%-30％的速度发展。我国化工产业占GDP的12-15%左右。•化学工业的发展反映了人类对化工产品日益增加的需求，显示出其在人类社会生活中的作用愈来愈重要。131-1化学工业的作用：•纺织工业•食品工业•建筑业•汽车制造业1415纺织工业例：腈纶的生产（聚丙烯腈纤维）16丙烯氨氧化法食品工业17例：纯牛奶的生产18建筑业19例：硅酸盐水泥的生产20汽车制造业211-2化学工业的特点和发展趋势•化学工业的特点1、化学工业与人类的生存和发展息息相关o人口增长o环境污染o能源短缺2、原料路线、工艺路线和产品品种的多样性3、化学工业属于技术密集型和能源密集型产业2223天津西堤头镇的化工污染•化学工业的发展趋势1、产品精细化2、化学工业和生物技术结合3、发展煤化工4、研究和开发新型材料o高分子功能材料o高分子结构材料o无机非金属材料o其他新型材料24§2化工生产工艺及流程•2-1化工生产工艺及流程•化工生产过程：将一种或几种物质经过物理和化学方法加工处理后，制成一种或几种化工产品的生产过程。(化工生产工艺)25原料（1）预处理（2）反应（3）后处理基本化工生产过程产品26例如：可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。苯的生产：原料油→输送→加热→反应器→减压蒸馏塔→精馏→苯（99.992~99.999%）甲醇的生产（原料：CO，H2，CO2）：合成气（CO，H2，CO2）→输送→管式反应器→粗甲醇→冷却→精馏→精甲醇（99.85~99.95%）27化工生产过程化学反应过程物理处理过程化工生产的核心原料的预处理产品的加工（单元操作）单元操作：化工生产中除化学反应单元以外的所有物理性操作。•化工工艺流程图：描述从原料开始，经过一系列按一定顺序并相互衔接的单元操作和反应过程，生产合格产品的生产工艺过程的流程图。•化工工艺流程图的形式：•工艺流程框图：用方框和文字表示；•装置流程图：用设备示意图表示；•带控制点的工艺流程图：用管线图及控制测量位置、仪表安装的示意图表示；28工艺流程框图•要求：从左向右，按原料转化为产品的工艺步骤顺序展开，方框之间用带箭头的线段连接，表示工艺步骤或设备之间的连接关系及物料流向，设备或工艺步骤名称可标注在方框内或方框近旁。29接触法制硫酸工艺流程框图30•“三废”排放•废渣处理：o废物利用，如将硫铁矿废渣制成氧化铁红颜料；磷石膏和煤渣用作生产建筑材料等。•废水治理：o废水净化。•废气治理：o回收治理。o净化处理：化学吸收、物理吸附等。312-2三废治理和环境保护§3化学工程学•化学工程学是研究化学工业生产中有关化学过程和物理过程规律的一门工程学科。•化学工程学始于19世纪末。20世纪初，明确认识到各行各业通用的物理操作的共性，提出了单元操作的概念，形成化工过程与设备课程，后多称为化工原理。60年代以来形成的“三传一反”。70年代以后，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。323-1化学工程学的内容•单元操作（物理过程基本操作的总称）•传递过程（“三传”：传动、传热、传质）•化学反应工程（核心）•化工热力学（研究能量间的转化规律及平衡极限条件等）•化工系统工程（以生产系统为研究对象）•分离工程（气液、液液、气固、液固、固固分离原理及装备）•控制工程（控制理论在化工中的应用）3334单元操作单元操作目的物态原理传递过程流体输送输送液或气输入机械能动量传递搅拌混合或分离气-液输入机械能动量传递液-液,固-液过滤非均相混合物分离气-固,固-液尺度不同的截留动量传递沉降非均相混合物分离气-固,固-液密度差引起的动量传递沉降运动加热,冷却升温,降温,改变气或液利用温差传入热量传递相态或移出热量蒸发溶剂与不挥发性液供热汽化溶剂热量传递溶质的分离35单元操作目的物态原理传递过程气体吸收均相混合物分离气各组分在溶剂中溶解度的不同质量传递液体精馏均相混合物分离液各组分间挥发度的不同质量传递萃取均相混合物分离液各组分在溶剂中溶解度的不同质量传递吸附均相混合物分离液或气各组分在吸附剂中的吸附能力不同质量传递干燥固体供热气化热量、质量同时传递单元操作36单元操作的特点①所有的单元操作都是物理性操作，只改变物料的状态或物理性质，并不改变化学性质。②单元操作是化工生产过程中共有的操作，只是不同的化工生产中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。③单元操作作用于不同的化工过程时，基本原理相同，所用的设备也是通用的。37单元操作的分类根据单元操作所遵循的基本规律，分为三类：•流体动力过程——遵循流体动力基本规律，用动量传递理论研究如：流体输送、沉降、过滤、固体流态化•热过程——遵循传热基本规律，用热量传递理论研究如：传热、冷凝、蒸发等•传质过程——遵循传质基本规律，用质量传递理论研究如：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等3-2几个常用基本概念•物质守恒和物料衡算•能量守恒和能量衡算（热量衡算）•过程速率38物料衡算依据——质量守恒定律输入系统的物料质量等于从系统输出的物料质量和系统中积累的物料质量。39IoLMMM——物料衡算的通式40定态（稳态）过程，积累为零。则：IoMM衡算的系统整个生产过程某一设备系统中的所有物料某一个组分衡算的对象ΣMI=50T/hr，ΣMO=40T/hrΣML=ΣMI－ΣMO=10T/hr41不稳定过程（非稳态、非定态）42ΣMI=50T/hr，ΣMO=（40+10）T/hrΣML=ΣMI－ΣMO=0连续稳定过程（稳态、定态）物料衡算的具体作法1、确定衡算范围：一个系统、一个车间、某个设备，设备的某个局部等；2、确定衡算基准：单位质量，单位时间等；3、确定衡算对象：总物料、某个组分、某个元素等；4、根据物料衡算方程分别列出具体的物料衡算方程（一个或多个），解方程（方程组）。4344例：在两个蒸发器中，每小时将5000kg的无机盐水溶液从12％（质量％）浓缩到30%。第二蒸发器比第一蒸发器多蒸出5%的水分。试求：（1）各蒸发器每小时蒸出水分的量；（2）第一蒸发器送出的溶液浓度。解：首先画一个流程图表示进行的过程用方框表示设备，输入输出设备的物流方向用箭头表示。划定衡算的范围为求各蒸发器蒸发的水量，以整个流程为衡算范围，用一圈封闭的虚线画出。45选择衡算基准（连续操作以单位时间为基准，间歇操作以一批操作为基准）由于连续操作，以1小时为基准。蒸发器1蒸发器2x1W1W2F0=5000kg/hx0=0.12F1F2x2=0.346确定衡算对象此题中有两个未知数，蒸发的水量及送出的无机盐溶液量F2，因此，我们就以不同衡算对象列出两个衡算式。对盐作物料衡算：2200xFxF对总物料作衡算：2125000WWF代入已知数据，得：23.012.05000FhkgF/20002hkgWW/300021由题意知1205.1WWhkgWhkgW/6.1536/4.14632147求第一个蒸发器送出的溶液浓度，选择第一个蒸发器为衡算范围。对盐作物料衡算：1100xFxF对总物料作衡算：110FWF代入已知数据，得：1112.05000xF14.14635000F解得：hkgF/6.35361%97.161697.01x48热量衡算依据：能量守恒定律即任何时间内输入系统的总热量等于系统输出的总热量与损失的热量之和。LQQIQ0——热量衡算通式或写成LIQwHwH0)()(49热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，也必须首先划定衡算范围及衡算基准。此外应注意焓是相对值，因此必须指明基准温度，习惯上选0℃为基准温度，并规定0℃时液态的焓值为零。过程的平衡和速率①平衡问题过程的平衡问题是说明过程进行的方向和所能达到的极限。平衡是一个动态的过程。例50②速率过程的速率表示为：过程的速率＝推动力／阻力推动力：过程所处的状态与平衡状态的距离，阻力：过程的阻力是各种因素对速率影响的总的体现。过程的速率是指过程由不平衡到平衡进行的快慢。51例：在换热器里将平均比热为3.56kJ/（kg·℃）的某溶液自25℃加热到80℃，溶液流量为1.0kg/s，加热介质为120℃的饱和水蒸气，其消耗量为0.095kg/s，蒸气冷凝成同温度的饱和水排出。试计算此换热器的热损失占水蒸气所提供热量的百分数。解：根据题意画出流程图换热器120℃饱和水蒸气0.095kg/s120℃饱和水0.095kg/s1.0kg/s25℃溶液80℃溶液1.0kg/s52基准：1s在图中虚线范围内作热量衡算从附录三查出120℃饱和水蒸气的焓值为2708.9kJ/kg，120℃饱和水的焓值为503.67kJ/kg。在此系统中输入的热量：12QQQi蒸气带入的热量：10.0952708.9257.3Qkw溶液带入的热量：21.03.5625089Qkw257.389346.3Qkwi输出的热量：34oQQQ53冷凝水带出的热量：30.095503.6747.8Qkw溶液带出的热量：41.03.56800284.8Q