第一章-化学工业与化学工程

化学工程基础BasisofChemicalEngineering主讲教师：谭雄文电话：[phone]参考书目1.《化学工程基础》（第二版）主编：李德华.化学工业出版社.2007-082.《化工基础》（第三版）主编：上海师范大学等.高等教育出版社.2000-013.《化工原理》（上、下）主编：谭天恩等.化学工业出版社.2010-064.ChemicalEngineeringScience；AIChEJ.授课内容1.化学工业及化学工程2.流体流动过程3.传热4.吸收5.精馏6.新型分离技术7.化学反应工程学化学与化工的关系化学实验研究与化工生产的区别研究对象与目的工业化生产开发过程化学工业是以天然物质或其他物质为原材料，利用这些物质的性质或形态变化，或以这些物质组合，加工成对国计民生有价值的化学产品的一种工业。在化学工业中，以化学反应过程为核心。第一章化学工业与化学工程第一节化学工业概述1.1化学工业的重要性及其发展重要性：化学工业是国民经济重要的基础工业。1.为农业提供农用生产资料；2.为其他工业提供各种配套原材料；3.为高科技产业提供新型化工材料和新产品；4.为人们提供各种化工产品和生活用品。化学工业的发展历史化学工业适应人类生产生活的需要而发展起来的，从古代的酿酒、制陶和冶炼到现在的石油化工、高分子材料、精细化工都适应时代的化工生产。化学工业的发展历史可分为：第一阶段：化学工业的启蒙。是指18世纪以前，化工生产为作坊式手工工艺，如早期的酿酒、制陶和冶炼。这个时期化工生产没有什么理论指导，主要是靠经验摸索。第二个阶段：标志是人类历史上第一个化工厂的建立，以含硫矿石和硝石为原料的铅室法制硫酸厂。这个阶段化工得到了很大的发展，以酸和碱为基础的无机化工初具规模。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时代，染料、农药、香精、医药等有机化工迅速发展。这期间创立的，如洗涤、结晶、过滤、干燥、煅烧等单元操作沿用至今。第三个阶段：以合成氨工业和石油、天然气的开采与利用为标志1.2化学工业的分类及其特点美国标准工业分类：1.基本化工产品；2.进一步加工用产品；3.供最终消费的化工产品。中国化学工业分类（“大化工”）：1.基础化学工业2.化肥工业3.石油化学工业4.其他化学工业与化工行业相关的部门：石油化工、塑料制品、化学纤维、炼焦化学、日用化工、皮革化工业、医药等。精细化工产品分类（依据功能和结构特征）：农药；黏合剂；涂料；染料和颜料；表面活性剂和合成洗涤剂；化妆品；塑料、合成纤维和橡胶用助剂；香料；感光材料；试剂和高纯物；食品和饲料添加剂；石油用化学品；造纸用化学品；功能高分子材料；催化剂；生化酶；无机精细化学品现代化学工业的特点：①原料、生产方法和产品的多样性和复杂性②向大型化、综合化发展，精细化率也在提高③是多学科合作、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目前，提出的绿色化化工、生态化工、循环经济等⑤资金密集，投资回收速度快，利润高⑤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化工产品的市场及其前景精细化工已经被列入中国“十一五”期间优先发展的六大领域之一。功能涂料及水性涂料，染料新品种及其产业化技术，重要化工中间体绿色合成技术及新品种，电子化学品，高性能水处理化学品，造纸化学品，油田化学品，功能型食品添加剂，高性能环保型阻燃剂，表面活性剂，高性能橡塑助剂等列为技术开发和产业化的重点。趋势：随着中国石油化工的蓬勃发展和化学工业由粗放型向精细化方向发展，以及高新技术的广泛应用，精细化工的创新能力和产业技术显著提高。2004年，中国精细化工率已达45％，计划“十一五”期间，中国化工产业总体目标及重要任务是将精细化工率提升至48％。化学工业将会由传统工业过渡到以新材料、精细化学品和专用化学品、生物技术为主体的技术密集型产业。精细化、个性化、绿色化将是现代化学工业、化学工艺及化学工程的大趋势。第二节化学工程的发展趋势化学工程是一门工程技术学科，它以物理学、化学和数学为基础，并结合工业经济基本法则，主要研究化学工业中的物理变化和化学变化过程及其有关机理和设备的共同规律，并把这些规律应用到化工装置的开发、设计、操作、控制、管理、强化以及自动化等过程中，在化工工艺与化工设备之间起着承上启下的桥梁和纽带作用。2.1化学工程的兴起和发展1888年美国麻省理工学院（MIT）以诺顿（L.M.Norton）为首，设置了应用化学工程教育问题研究委员会，并在历史上第一次设置化学工程课程。20世纪40年代，以合成纤维、合成橡胶和合成塑料三大合成材料为代表的石油化工的迅速发展，促进了化学工程从经验向科学演变，并发现化学工程的本质问题：“三传”。20世纪50年代，开始从“三传”的角度研究化学过程中的物理变化，采用高速电子计算机解决复杂工程计算问题。1957年，正式提出“化学反应工程”（ChemicalReactionEngineering）概念，极大地促进了化学工程的发展，至此，“三传一反”就形成了化学工程的主要内容。20世纪60年代，计算机技术应用于化学工程中，以解决化工过程的优化规划、最优设计、最优控制和最优操作等，促成了“化工系统工程”的诞生。20世纪70年代，随着电子计算机的进一步发展,同时化学工程基础理论日趋成熟，数学模型化方法普遍应用，化工系统工程有了较大发展，对于化工过程的开发、设计，现有工厂技术改造等方面发挥了极大的作用。20世纪80年代以来，面对环境、能源等可持续发展的挑战，化学工程发展特征也逐渐演变，将化学工程定义为：“经济地开发利用物质和能量地方法为人类造福的工学”。进入21世纪，化学工程学在发展过程中还在不断向科学技术新领域渗透和拓展，其应用对象涵盖了所有物质的化学、物理转化过程。同时，也正被化学工程、石油炼制、合成材料、能源工业、冶金工业、核能工业、建材工业，以及农业、军事、航空、环境、资源、生物、医药、食品饮料、纸浆造纸等过程应用。2020/2/232.2中国化工的现状与发展战略2020/2/232.2中国化工的现状与发展战略中国石油化工分布图2020/2/232.2中国化工的现状与发展战略化学工业是我国国民经济的支柱产业。2006年全国化学工业实现利润4345亿元，增长17.9%。增量658亿元。建成一批具有国际先进水平的大型有机原料和精细化工装置。主要化工产品产量居世界前列。基础研究与应用研究并举的科研体制为我国化学工业的发展奠定了良好基础。2020/2/232.2中国化工的现状与发展战略国家统计局提供的2006年1-12月份全国化工产品产量名称单位累计12月比上年同期增长%累计12月硫酸万吨4860.33450.569.621.7浓硝酸万吨181.7818.1812.624.4氢氧化钠(烧碱)万吨1511.78139.4519.016.9碳酸钠(纯碱)万吨1597.22143.0810.810.1合成氨万吨4937.90434.117.09.5农用氮磷钾化肥(折纯)万吨5304.81544.3114.224.3氮肥(折100%)万吨3869.01377.4413.323.6尿素万吨2232.63202.3313.316.1磷肥(折100%)万吨1226.40143.9216.525.4钾肥(折100%)万吨208.9222.5618.527.0化学农药原药万吨129.5511.2520.29.0:2020/2/232.2中国化工的现状与发展战略名称单位累计12月比上年同期增长%累计12月乙烯万吨876.5481.4813.814.6纯苯万吨344.0831.0711.79.1冰醋酸万吨142.0512.583.6-7.3涂料(油漆)万吨352.3736.0728.638.9染料万吨128.5312.0911.59.1初级形态的塑料(塑料树脂及共聚物）万吨2528.69239.1317.620.0合成橡胶万吨184.5216.3711.17.1合成纤维单体万吨811.9279.6110.513.5合成纤维聚合物万吨923.1283.103.12.0合成洗涤剂万吨546.1349.4012.43.1化学药品原药(化学原料药)万吨170.5323.9228.870.7化学纤维万吨2025.49203.5312.917.9粘胶纤维万吨143.4613.7220.324.7合成纤维万吨1860.32188.2611.817.3橡胶轮胎外胎(轮胎外胎)万吨43318.823815.3615.03.0塑料制品万吨2801.87264.4418.714.42020/2/232.2中国化工的现状与发展战略目前，我国已经有20余种主要石油化工产品的产量居世界前列，其中化肥、合成氨、纯碱、硫酸、染料、合成纤维、胶鞋等产量居第一位；乙烯、农药、烧碱、轮胎等产量分别居世界第二位；原油加工、涂料等居世界第三位；原油、合纤单体、合成橡胶、合成树脂等产品的生产能力和产量都居世界前列。2020/2/232.2中国化工的现状与发展战略化工需求增长仍然强劲基础化工增速基本与GDP一致部分子行业拐点机会若隐若现节能仍是关注热点化工新材料特点显著2007年中国化工行业发展趋势预测化学工业景气周期分段和影响因素有以下几方面：一是装置开工率。通常装置开工率在85％以上时，为景气阶段；70％～85％时，为复苏或下降阶段；衰退阶段的开工率在70％以下。二是利润水平。景气阶段如2004年世界化学工业的平均利润率约6％，行业不同利润率不同，基础行业低，后加工或精细行业高；衰退阶段平均利润率为零或负数；复苏、下降阶段平均利润率介于两者之间。三是投资。通常投资的多少直接影响行业的景气指数，是行业景气的预警器。四是国民经济。国民经济发展快慢必然影响化学工业，因此各行业要密切关注用户的发展。五是新技术。新技术会给行业的发展带来活力，降低生产成本，提高效益，甚至会给行业造成革命性的变化，也会影响正常的周期变化。六是原料供应。原料价格过低、过高都会影响化学工业的周期变化，比如这两年的能源价格上涨。涨价初期化工行业利润较高；价格涨得过高，用户承受不起，产品价格升高抵不过原材料价格的升高，利润下滑。七是政府宏观调控的影响。中国化学工业景气周期分析2020/2/2330中国经济的中长周期的机制与趋势分析96.0104.0112.0120.01978198019821984198619881990199219941996199820002002200420062008201020122020/2/2331中国化学工业景气周期分析当前的周期阶段判断2020/2/2332中国化学工业景气周期分析第二波景气周期8.8~9%第一波景气周期02年03年04年05年06年07年08年8.6%9.7%9.5%9.3%%钢铁,建材,有色等原材料工业电力,煤炭,石油,运输等基础工业汽车、计算机等消费性制造业2004年2005年2006年增长速度中国化学工业景气周期分析2020/2/2333经济周期中各产业链景气轮动2020/2/2334汽车、房地产200220042006工程机械200320052007石化银行、机场、港口钢铁、有色、水泥电力、煤炭交通运输化工集装箱煤炭、电力、石油造纸医药纺织食品饮料05年末国民经济的先导产业将率先回升银行、物流工程机械造纸2001建材、钢铁、有色房地产石化煤炭、电力、石油中国化学工业景气周期分析2020/2/232.2中国化工的现状与发展战略存在共性问题：1、能耗高、资源利用率低、污染严重2、设备和过程的放大及设计能力差3、高新技术和产品的研究开发特别困难4、产业结构和产品结构不能满足经济全球化的要求5、自动化及信息化程度不高6、环保意识差，清洁生产推进缓慢7、高科技人才缺乏，尤其是科技和管理相结合的复合型人才匮乏国家统计局提供的2006年1-12月份全国化工产品产量如下:2020/2/232.2中国化工的现状与发展战略优先发展的研究方向：1、针对我国特色资源的绿色工业2、非传统介质和极端条件下的物质转化