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武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学第一章绪论一、化学工业的内涵二、化学工业的发展三、化工原料及产品四、化工过程分析（组合）五、绿色化学与化工武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学一、化学工业化学工业是国民经济中的一个重要组成部分，它是一个多行业、多品种、历史悠久，在国民经济中占主要地位的工业部门。当今的世界，人们的衣、食、住、行等各个方面几乎都离不开化工产品，如：化肥和农药为粮食和农作物的丰产提供了物资保障；合成纤维和合成纤维制品美化了人们的生活；合成药品和生物制品提高了人们战胜疾病的能力、延长人的寿命。合成材料为发展航天技术、核技术及电子光纤技术提供了高性能材料保证。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学品种繁多的化工产品，为其他行业的发展提供了原料、燃料及材料。如今纳米化学、有机——无机纳米复合物，又使化学工业掀开了新的一页。纳米塑料（2001年元月、经十年研究）的问世标志着高分子化学进入到一个新的阶段。同时亦由于化学工业的发展，带来了环境的污染。何为化学工业？化学工业就目前而言，又称为化学加工工业。广义说，是指生产过程中以化学方法占主要地位的制造工业，即原料经化学反应转化为产品的生产过程。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学一般将化学工业分为无机和有机两大化学工业部门。1、无机化学工业1）基本无机化学工业（包括无机酸、碱、盐及化学原料的生产）。2）精细无机化学工业(包括稀有元素、无机试剂、药品、助剂、催化剂、电子材料的生产）。3）电化学工业（包括食盐水溶液的电解，烧碱、氯气、氢的生产，熔融盐的电解，金属钠、镁、铝的生产，电石、氯化钙和磷的电热法生产等）。4）冶金工业（钢铁、有色金属的冶金）。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学5）硅酸盐工业（玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料的生产）。6）矿物性颜料工业。2、有机化学工业1）基本有机合成工业(以甲烷、CO、H2、乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）、丁二稀（C4H6）及芳烃为基础原料合成醇、醛、酸、酮、酯等基本有机合成原料的生产）。2）精细有机合成工业（染料、医药、有机农药、香料、试剂、表面活性剂、化学助剂、感光材料、催化剂等）。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学3）高分子化学工业（塑料、合成纤维、合成橡胶等高分子材料的合成工业）。4）燃料化学加工工业（石油、天然气、煤、木材、泥炭、油田页盐的加工工业）5）食品化学工业（糖、淀粉、油脂、蛋白质、酒类等）6）纤维素化学工业（以天然纤维为原料的造纸、人造纤维、胶片等的生产）。这是从广义上的分类。目前通常采用狭义的定义。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学将冶金工业从无机化学工业中分离出来，成为一个单独的工业部门。将建筑材料、水泥、玻璃等硅酸盐的生产划归为建材工业部门。合成纤维、人造纤维属于纺织部门。而纸张、食品、酿造归入轻工业部门。尤其20世纪初兴起了以石油、天然气为原料生产有机化工产品的燃料化学工业归为石油工业部门。20世纪60～70年代石油化学工业的飞速发展，促进和带动了整个化学工业，特别是有机化工业的发展。据统计，现在有90%以上的有机化工产品来源于石油和天然气。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学3、化学工业生产特点（4个）1）化工生产使用的原料、半成品和成品种类繁多，绝大多数是易燃、易爆、有毒害、有腐蚀的化学危险品。因此对原料、燃料、产品和成品的生产、储存和运输提出了更高或特殊的要求。2）化学工业生产的工艺条件要求苛刻：高温、高压、低温、真空、腐蚀。3）生产规模的大型化：近二十年，国际上化工生产采用大型生产装置是一个明显的趋势，不仅有利于节能、综合利用，有利于产品质量，更主要是有利于环保。4）生产的高度自动化连续化生产。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学二、化学工业的发展史化学加工在形成工业之前的历史，可以从18世纪中叶追溯到远古时期。从那时起运用化学加工方法制作一些生活的必需品，如制陶、酿造、染色、造纸等，我们的祖先就有了四大发明中的造纸、火药和印刷术三大发明。18世纪中叶，英国发生工业革命，机器的出现使纺织工业机械化，推动了印染、纯碱、化学肥料、炸药的发展，使化学工业开始形成。例：18世纪40年代英国用铅室法从硫磺和硝石中制造硫酸，此法几乎沿用了100多年。煤化学工业19世纪初叶，炼铁工业的发展和城市对煤气及燃料的要求，促进了炼焦工业的发展，其后又从炼焦煤气中回收煤焦油、苯、甲苯、萘、蒽等工业产品，至今吡啶、喹啉、咔唑仍只有从煤化工中提取。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学化学工业的发展史19世纪下半叶形成了以煤焦油化学为主体的有机合成工业，逐步形成了煤化学工业体系。石油化工20世纪20年代开始兴起石油化学工业；40年代，催化裂化生产石油以及乳液聚合技术制取丁苯橡胶的研制成功推动了石油化工的发展。1854年，西利曼建立了原油分馏装置。随着汽油和柴油发动机的发明，促进了石油的开采和加工。在20世纪60年代得到了大发展，由此形成了第二次工业革命。许多石油化学产品取代了人类日常生产的传统材料，提供了价廉物美的各种物品。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学化学工业的发展史20世纪50年代，许多由煤化工制取的产品，包括烯烃、芳烃、氨相继转为利用石油、天然气生产，使得煤化工不像19世纪下半叶扬眉吐气。目前已有90%的有机产品来源于石油、天然气。石油化学工业已成为非常重要的基础工业。因此“为石油而战”的两伊战争，为石油而争夺的沙特阿拉伯，成为20世纪能源争霸的焦点。21世纪也是这样！高分子化工1872年制得了酚醛树脂，1938年尼龙66实现了工业化生产。其后相继又发明了尼龙6、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维，至今涤纶和腈纶是合成纤维的大户。30年代美国实现了氯丁橡胶的生产，不仅出现了武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学化学工业的发展史丁苯橡胶、丁腈橡胶，使得合成橡胶打破了天然橡胶的一统天下。同时聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯实现了工业化。塑料工业得到了迅速发展。至此形成了三大合成材料为主的高分子化学工业体系。21世纪初——至今2001年元月至今，石油资源的枯竭，煤化工又开始大发展，煤的液化、水煤浆的生产已成趋势。纳米塑料系列的问世，意味纳米科技将在化学工业中占有领先的地位，并起着革命的作用，也是材料科学发展的新方向。提到纳米材料，人类对他的认识是不断发展的。认识从直接用肉眼能看到的事物开始，然后不断深入。认识的发展为两个层次:一是宏观领域，二是微观领域。我说的宏观领域是指以人的肉眼可见的物体为最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体，这里的微观领域是以分子原子为最大起点，直至在时间和空间的坐标中，下限是无限小的领域。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学化学工业的发展史然而宏观和微观领域之间（即人可见的最小物体与分子和原子之间），存在着一块近年来才引起人们极大兴趣和开拓的“处女地”。这个领域包括了从微米、亚微米、纳米和团簇尺寸（从几个到几百个原子以上尺寸）的范围。由于这个领域不同于宏观和微观的所谓介观领域。由于其三维尺寸都很细小，出现了许多奇特的崭新的物理性能。如纳米塑料具有高强度、耐老化、耐高温、透明度高等优点，因此纳米化学在化学工业中的应用将会形成新的化学工业体系。例如，纳米塑料、纳米机器人、纳米发电机见下武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学纳米塑料纳米塑料是指无机填充物以纳米尺寸分散在有机聚合物基体中形成的有机/无机纳米复合材料。在纳米复合材料，分散相的尺寸至少在一维方向小于100mm。也称为聚合物基纳米复合材料。由于纳米粒子彼此间距离非常近，具有独特的量子尺寸效应、表面效应、界面效应、体积效应、宏观量子隧道效应、小尺寸效应和超塑性，使纳米塑料具有独特的物理力学性能，成为复合材料发展的最前端产品之一。常用的无机纳米粒子包括硅酸盐、碳酸钙、SiO2、TiO2、SiC、Al2O3、云母等，根据基体树脂不同，纳米复合材料可分类为：纳米尼龙、纳米聚烯烃、纳米聚酯、纳米聚甲醛等。世界上最早的纳米塑料工业化应用是1991年日本丰田中央研究所和尼龙树脂厂宇部兴产(UBE)公司共同开发的、用做汽车定时器罩的纳米尼龙6。近几年来，世界各国都竞相加大了纳米塑料的开发力度和产业化步伐，特别是工业发达国家，目前已经形成了一个纳米塑料产业。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学纳米塑料生产方法（4种）插层复合法是目前制备纳米塑料的主要方法。首先将单体或聚合物插入经插层剂处理后的层状硅酸盐(如蒙脱土)之间，破坏片层硅酸盐紧密有序的堆积结构，使其剥离成厚度为1nm左右，长、宽为30-100nm的层状基本单元，均匀分散于聚合物基体中，实现聚合物高分子与层状硅酸盐片层在纳米尺度上的复合。原位复合法包括原位聚合法和原位形成填料法。将纳米粒子溶解于单体溶液再进行聚合反应，叫原位聚合法；原位形成填料法也叫溶胶凝胶法，是近年研究比较活跃和前景看好的方法。该法一般分两步，首先将金属或硅的硅氧基化合物有控制地水解使其生成溶胶，水解后的化合物再与聚合物共缩聚，形成凝胶，然后对凝胶进行高温处理，除去溶剂等小分子即可得到纳米塑料。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学纳米塑料生产方法（4种）分子复合法代表性的产品是液晶聚合物(LCP)系纳米塑料。利用熔融共混或接枝共聚、嵌段共聚的方法，将LCP均匀地分散于柔性高分子基体中。原位生成纳米级的LCP微纤，其尺寸比一般纳米复合材料更小，分散程度接近分子水平，因此称为分子复合法。其优点是可大幅度提高柔性高分子基体树脂的拉伸强度、弯曲模量、耐热性、阻隔性。超微粒子直接分散法包括乳溶共混法、溶液共混法、机械共混法、熔融共混法等，有实际意义的为熔融共混法，其他方法难于达到理想的分散效果。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学纳米塑料的应用目前产量最大的纳米塑料是纳米尼龙，其次是纳米聚烯烃。另外，还有纳米聚酯、纳米紫外固化聚丙烯酸酯树脂、纳米聚酰亚胺、纳米聚甲醛等。其应用主要是包装、汽车和机电工业领域。利用纳米塑料的阻隔性，可用于食品保鲜包装，延长食品保质期；利用纳米塑料耐热性和良好的力学性能，可用作汽车零部件。例如汽车发动机罩、定时脉冲器壳体、贮油罐、燃油管道系统、各种电子接插件、导管、电话机壳体、工具手柄、栏杆、调理器具手把、高润滑低流阻管道等。由于刚性高，纳米塑料还可以用作薄壁复杂结构制品，降低重量和成本。另外，由于纳米塑料具有阻燃性，是目前替代含卤阻燃剂的理想产品。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学纳米尼龙美国聚酯厂Eastman公司和纳米粘土供应厂Nanocor公司共同开发了用于与聚酯(PET)共挤多层吹塑用尼龙纳米复合材料Imperm，用作PET/PA/PET三层瓶的阻隔芯层材料。比PET的氧透过率小100倍。该材料已用于不消毒啤酒瓶。Imperm芯层厚度占瓶层总厚的10%，也不影响瓶子的透明度。用于包装的纳米尼龙，由美国Honeywell公司开发的，商品名是AegisOX。AegisOX中的纳米粘土作为钝化阻隔层，适量吸氧剂作为吸氧活性剂。这种材料比尼龙6的氧透过率低100倍，氧的渗入量几乎为零。AegisOX作为三层聚酯(PET)瓶的阻隔层材料，使聚酯瓶达到啤酒4个月和果汁6个月的保质期要求，可以与玻璃瓶相比。武汉科技大学化学工程与技术学院无机化工工艺学纳米聚烯烃美国通用汽车(GM)公司宣布了第一个汽车纳米聚烯烃部件——上车踏板。该材料充分利用了纳米聚丙烯高刚性、质轻和低温下力学强度基本不降低的特性，纳米粘土含量为2%-3%，可取代20%-30%的滑石粉填充聚丙烯，而且重量轻20%，收缩率更小，低温韧性更佳。利用纳米聚丙烯的阻隔性来作为食品包装材料已由Clariant公司率先推出。比利时KabelwerkEupen公司以EVA(乙烯/醋酸乙烯酯共聚物)为基础树脂，通过熔融共混法加入3%-5%纳