化工生产基础知识(最终版)

2020/7/41化工生产基础知识吴云龙2011年10月2020/7/42目录第一部分化工生产概论第一节化学工业第二节化工生产过程的定义和特点第三节化工生产过程的基本组成规律第四节化工生产过程的有关基本概念2020/7/43第二部分化工基本操作第一节流体输送第二节混合物的分离第三节传热第四节蒸发第五节液体的精馏第六节气体吸收第七节干燥第八节制冷2020/7/44第三部分有机化学工业第一节前言第二节有机化学基础知识第三节有机化学主要产品2020/7/45第四部分己二酸产品及生产方法简介第一节己二酸分子式和结构式第二节己二酸物理性质第三节己二酸用途第四节己二酸生产方法第五节本公司己二酸项目生产规模和生产原理第六节己二酸的三种主要原料来源2020/7/46《化工生产基础》第一部分化工生产概念第一节化学工业一、化学工业的定义以天然物质或其他物质为原料，通过化学方法和物理方法，使其结构、形态发生变化，生成新的物质，制成生产资料和生活资料的工业，称为化学工业。2020/7/47二、化学工业的重要性1、化学工业是国民经济的重要部门2、化学工业和人民生活息息相关3、人类正面临着资源、能源、环境等危机，解决这些的根本途径也有赖于化学工业4、核能的利用为解决能源危机开辟了广阔前景，但核能工业和化学工业的关系非常密切。化学工业上述的作用要通过化工生产过程来实现。2020/7/48第二节化工生产过程一、化工生产过程的定义化工生产过程（又称：化工工艺过程）主要指原材料进入化工生产装置，经过物理方法和化学方法的加工到制成合格产品的过程。化工生产过程对化工企业创造物质财富起着决定性作用，是构成化工企业的主体。2020/7/49二、化工生产过程的四个特点1、化工生产过程连续性和间接性化工生产过程是通过一定的工艺流程来实现的，属于流程型生产。工艺流程指的是以反应设备为骨干，由系列单元设备通过管路串联组成的系统装置。流程型生产一般具有连续性和间接性：2020/7/410（1）连续性体现在两个方面：①空间的连续性，生产过程是一条连锁式的生产线，各个工序紧密相联，首尾串通，无论哪个工序失调，都会导致整个生产线不能正常运转。②时间的连续性，生产长期运转，昼夜不停，各个班次紧密衔接，无论哪班出故障，都会影响整个生产过程的正常运行。2020/7/411（2）间接性体现在操作人员一般不和物料直接接触，生产过程在密闭的设备内进行，对物料的运行看不见，摸不着，操作人员要借助管道识别物料，靠检测仪表、分析化验,了解生产情况,用仪表和计算机控制生产运行.2020/7/4122、生产技术的复杂性和严密性（1）复杂性化工的工艺流程多数比较复杂,当今的基础化学正朝着大型化和高度自动化发展；而应用化学工业正朝着精细化、专用化、高性能和深加工发展。（2）严密性由于化工反应对其应具备的条件要求非常严格，每种产品都有一套严密的工艺流程，必须严格执行，否则不仅制造不出合格产品，还会造成事故。2020/7/413（3）原料、产品和工艺的多样性化工生产可以用不同原料制造同一产品，也可用同一原料制造不同产品。化工产品一般都有两种以上的生产工艺。即使用同样原料制造同一产品，也常有几种不同的工艺流程。（4）安全生产极端重要化工生产一般具有高温高压、易燃易爆、有毒有害的特点，这些特点决定了化工生产中安全的机器重要性。学习化工生产知识，要特别注重学习掌握安全生产的知识和技能。2020/7/414第三节化工生产过程的基本组成规律一、基本组成规律主要有三条第一、化工生产过程是由若干单元操作和单元反应等基本加工过程构成的，他们如同化工生产过程的构件；第二、化工生产过程是由原料的预处理、化学反应和反应产物加工这三个基本步骤构成的；第三、化工生产过程贯穿着两种转换，即物质转换和能量转换。2020/7/415二、单元操作和单元反应1、单元操作和单元反应的定义在化工生产过程中，具有共同的特点，遵循共同的物理学和化学规律，所用设备相似，作用相同的基本加工过程称为单元操作或单元反应。其中：具有物理变化特点的基本加工过程成为单元操作（也称物理过程）具有化学变化特点的基本加工过程成为单元反应（也称单元过程或化学过程）。2020/7/416举例说明：尿素产品的生产过程示意如下：液氨→液氨泵→预热→合↱吸收→循环气CO2→压缩→成→分离→过滤→蒸发↳循环液造粒尿素产品合成原料的预处理化学反应反应产物加工2020/7/4172.常用的单元操作单元操作和单元反应为数并不多，加起来不过几十种，但它们能组合成各种各样的化工生产过程，就像26个英文字母能组成无数的单词和词句一样。常用的单元操作有18种，见下表：2020/7/418类别名称作用设备举例流体流动过程流体输送液体输送把液体物料从一处输送到另一处泵气体输送把气体物料从一处输送到另一处风机气体压缩提高气体压力，克服输送阻力压缩机非均相物系分离沉降用沉降的方法把悬浮颗粒从液体或气体中分离出来沉降机过滤用多孔物质阻挡固体颗粒，使之从气体或液体中分离出来过滤机离心分离在离心力作用下，分离悬浮液或乳浊液离心机固体流态化用流体使大量固体颗粒悬浮而具有流体特点流化床反应器2020/7/419传热过程传热使物料升温、降温或改变相态换热器蒸发用气化的方法，使非挥发性物质的稀溶液浓缩成较浓的溶液蒸发器结晶使溶质成为晶体，从溶液中析出结晶器传质过程蒸馏通过气化和冷凝将液体混合物分离精馏塔吸收用液体吸收剂将气体混合物分离吸收塔萃取用液体萃取剂将液体混合物分离萃取塔干燥一般指用加热气化的方法除去固体物料所含水分干燥器2020/7/420热力过程冷冻将物料温度降到比常温低的操作冷冻循环装置机械过程粉碎在机械外力作用下，使固体颗粒变小粉碎机筛分将固体颗粒分为大小不同的部分网形筛固体输送把固体物料从一处输送到另一处皮带运输机说明：(1)流体流动过程的单元操作遵循流体动力学规律进行的操作过程，如液体输送、气体输送、气体压缩、过滤、沉降等。2020/7/421(2)热量传递过程的单元操作遵循热量传递规律进行的操作过程，也叫传热过程，如传热、蒸发等。(3)质量传递过程的单元操作物质从一个相转移到另一个相的操作过程，也叫传质过程，如蒸馏、吸收、萃取等。(4)热力过程的单元操作遵循热力学原理进行的单元操作，如冷冻等。(5)机械过程的单元操作靠机械加工或机械输送的单元操作，如粉碎、固体输送等。2020/7/422三、结论化工生产过程的表现形式是由若干操作和单元反应串联组成的一套工艺流程，通过三个步骤（即〈1〉原料预处理；〈2〉化学反应；〈3〉反应产物加工。），进行两种转换（即物质转换与能量转换），将化工原料制成化工产品。2020/7/423第四节化工生产过程的有关基本概念一、相和相变化工生产过程有化学变化和物理变化物理变化有相变和非相变之分，如结晶、溶解、蒸发等操作，物质的相态发生了变化，属于相变，粉碎、筛分等操作，只改变形态，没有相态的变化，属于非相变。2020/7/424二、下面介绍有关相和相变的基本概念1、系统和环境为了研究和计算的方便，人们常将研究的部分从周围事物中划分出来，作为研究的对象。被划分出来的部分称为系统（也叫体系、物系、系）。系统以外与系统有关的物质和空间称为环境（也叫外界）。系统可以是一个产品的整个流程，也可以是一个工序，一个设备。2020/7/4252、相和相数系统内的物质，具有相同物理性质和相同化学性质的并且完全均匀的部分，称为相。系统中相的数目，称为相数。例如一杯水，杯中各部分的水都具有相同的物理性质和化学性质，就整杯水来说，他们性质是均匀的。因此，若以水为系统，不论水量多少，它为一相。如果杯中有几块冰，虽然水和冰有共同的化学性质，但在水和冰的界面上其物理性质发生了突变，若以水和冰为系统，它就是两相。显然，若以水、冰和水面上的气体为系统，它就是三相。2020/7/426确定混合物相的数目，主要看其组成是否均匀。组成均匀的是一相，称单相混合物；否则就是多相，称为多相混合物。气体混合物无论有几种气体组成，一般是均匀的，所以是一相。液体混合物中，如果几种液体是完全互溶的，就是一相。例如酒精的水溶液是一相。如果几种液体不是完全互溶的，就不是一相。例如水和油混合在一起是两相。2020/7/427固体混合物一般情况只是掺和，无论粉碎的多么细，其组成也不均匀，所以每种固体各自成为一相。一种物质可以有多个相，水、冰和水蒸气就是水的三相。2020/7/4283、相变和相平衡物质从一个相转变到另一个相的过程称为相变过程。当外界条件变化时，才会发生相变。如水凝结成冰，冰融化成水，水汽化成水蒸气，水蒸气凝结成冰，都是相变过程。2020/7/429相变规律在化工生产中得到广泛应用，人们常常为了生产的需要，有意识的促使物质发生相变。例如，将轻油为原料生产氨，必须先将液态的轻油气化，才能同水蒸气发生转化反应。许多气体混合物的分离，必须在液相的情况下进行。例如，空分制氧和氮的工艺。如果两个以上的相共存，在较长时间内，从表面上看没有任何物质在各相之间传递时，可以认为这些相之间已达到平衡，称为相平衡。2020/7/430二.过程的平衡关系和过程速率化学工程中所说的“过程”有其特定的含义：当系统发生变化时，发生变化的经过视为过程。化工生产中的每一种物理变化或化学变化，每一种单元操作或单元反应，都可视为过程。研究过程的规律，目的是使过程的进行有利于生产。平衡关系和过程速率就是其中两条重要规律。2020/7/4311、过程的平衡关系过程的平衡关系是指任何过程都在变化着，都是在一定条件下由不平衡向平衡状态转化。平衡状态是变化的极限。例一：蒸发和凝结的平衡，如在一个密闭容器内液体，蒸发和凝结处于动态平衡。例二：可逆反应。2020/7/4322、过程速率过程速率是单位时间内过程进行的变化量。如传热过程的速率是单位时间内传递的热量；传质过程的速率是单位时间内传递的质量。任何过程速率都与过程的推动力成正比，与过程的阻力成反比。可用以下基本关系式表示:过程速率=过程的阻力过程的推动力2020/7/433过程的推动力是指直接导致过程进行的动力。如流体流动过程的推动力是压差或位差，传热过程的推动力是冷热流体的温度差，吸收过程的推动力是浓度或分压差。过程的阻力因素，与过程的性质、操作条件都有关系。提高过程速率的途径是加大过程的推动力和减少过程的阻力。研究怎样加大过程推动力和减少阻力，是提高产品收率的关键问题。2020/7/434三、化工生产常用的量和单位1、法定计量单位由国家依法令形式规定允许使用的单位叫法定计量单位。它是在1984年由中华人民共和国国务院公布实施的中国的法定计量单位是以国际单位制（英文缩写SI）为基础，并根据本国实际情况以适当选用了一些非国际单位所构成的。2020/7/4352、化工生产常用的法定计量单位（1）化工常用的5种SI基本单位①长度基本单位是米（m），其倍数和分数单位有千米(Km)、厘米（cm）、毫米（mm）②时间基本单位是秒（s）。国家选定的SI之外时间单位还有分（min）、﹝小﹞时（h）、天（日，d）2020/7/436③质量（法定计量单位有3种）千克（公斤，kg），是基本单位克（g）及其部分倍数和分数单位，如兆克（Mg）、毫克（mg）等吨（t）及其倍数单位④热力学温度基本单位是开﹝尔文﹞（K）与摄氏温度t（℃）的关系K=273.16+℃⑤物质的量基本单位是摩尔（mol），其倍数、分数单位有kmol、mmol等。2020/7/437（2）化工生产常用法定计量单位见表（25种）量的名称量的符号SI单位SI值外法定计量单位单位名称单位符号单位名称单位符号长度L；l米m时间t秒s分[小]时天（日）minhd质量m千克（公斤）kg吨t热力学单位T开[尔文]K物质的量n摩[尔]mol2020/7/438力F牛[顿]N压力，压强p帕[斯卡]Pa能[量]功热[量]FWQ焦[耳]J千瓦[特小]时功率P瓦[特]W面积A平方米㎡体积V立方米m³升L速度υ米每秒m/s密度ρ千克每立方米kg/cm³相对密度d1粘度η(µ