工业化学 某一生产过程的产品，也可能是后一生产过程的原料，如氨是合成氨工业的产 品，同时也是生产硝酸的原料。由此可见，就生产程序来说，有起始原料，基本原 料和中间原料。起始原料是人类开采、种植、收集等得到的原料：基本原料是从 起始原料经过加工制得的原料：中间原料是从基本原料加工得到的原料。值得 指出的是这种区分方法不是绝对的。 起始原料主要有： ()空气空气是工业用氮气、氧气及惰性气体的来源。 (2)水水是最便宜和最丰富的溶剂，广泛应用于洗涤，冷却介质及锅炉给 水，也可以作为制取氢气的原料。水约占地球表面积的70%，但可供使用的谈 水只有0.3%，因此如何提高水的利用率也是当前十分紧迫的问题。 (3)矿物资源矿物包括煤、石油、天然气及无机化学矿。煤是氨、染料、煤 化学产品和有机合成的原料，随着石油化〔的发展，石油和天然气已成为化学工 业的主要原料。无机化学矿是无机化工生产的主要原料，主要有硫化物、氯化 物、氟化物，碳酸盐、硝酸盐及磷酸盐等矿石，如黄铁矿（硫铁矿）、石盐（岩盐）、萤 石（氟石）、石灰石，钾硝石、磷灰石（主要是含氟磷酸钙）等。除了上述矿物外，还 有各种金属矿物，如金、银、铜、汞、锌、镁、铝、铅、锡、钒、铬、锰、镍等矿物。金属 矿物可分别为金属，金属氧化物或化合物，如钛铁矿、滑石、高岭土，纤维硬镁石、 菱镁矿等。 (4)生物原料粮食、农产废料及林业中木材加工副产物，可用于生产有机 产品，如粮食发酵生产乙酵、丙酮、丁醇、柠檬酸等。随者石油化工的发展，生物 原料已逐步被石油原料代替了。因而，就月前整个化学工业而言，除生产少量生 物制品外，其所占比例是很小的。 1.3.2产品 化工企业使化工原料经过单元过程和单元操作而制得的可作为生产资料和 生活资料的成品，都是化工产品。但是习惯上往往把不再供生产其他化学品的 成品，如化学肥料、农药、塑料、合成纤维，合成橡胶等称为化工产品。而把再生 产其他化学品的成品，如酸、碱盐等无机产品和烃类、中间体等有机成品称为化 工原料。因此，有些成品，在不同场合，根据使用的目的，称为化工原料或化工产 品。 在生产目的产品中，有时先得到某阶段产物，常称为半成品或中间体。如一 个深素工厂，合成氨车间的产品为液氨，若液氮出售则为产品，若将液氨全部加 工为尿素，则液氨又称为半成品。在有机化合物中，如硝基苯、苯胺、氯装、苯酚 等可用于各种化工产品的制备，故称为中间体
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1绪论 5 车牛产主要产品的同时，也生产次要的但有一定价俏的产品.称为副产品。 如裂解柴油馏分生产乙烯的过程中，也牛产：裂解汽油等副产品。 化产品应符合产品要求的各项指标，如外观、颜色，粒度、晶形、粘度、杂质 含量等，产品质量通常以纯度或浓度来表示。根据其质量好坏可分为不同等级、 各有一定的规格和指标。主要化工产品有化学吧料、农药、合成树脂、塑料、合成 橡胶，化学纤维、染料、颜料、涂料、药物等。 1.4化工过程分析 1.4.】工艺过程的选择与确定 1.4.1.1化工过程 化学生产过程是将原料物经过化学反应转变为产品的工艺过程，其一般可 概括为三个主要步骤： (1)原料处理为了使原料达到符合进行化学反应所要求的状态和规格、 通常根据具体情况，对原料进行预处理，如净化、提浓，混合、粉碎（对固体原料） 等。 (2)化学反应这是生产的关键步骤。经过预处理的原料，在一定温度，压 力及催化剂等条件下进行反应，以达到所要求的反应转化率和收率。通过化学 反应，获得目的产品或其混合物。反应类型可以有氧化、还原、复分解、磺化、硝 化、烷基化、异构化、聚合、培烧，并在相应的反应器中进行。 (3)产品精制将由化学反应得到的混合物进行分离，除去副产物或杂质， 以获得符合组成规格的产品。 由此可见，化T生产过程主要分为： (1)与化学变化有关的操作，称为单元过程 (2)与物理变化有关的操作，称为单元操作 单元操作约在1910年提出，以后逐渐发展成为化学工程学科，并由此应用 完备的数学方法对化工厂进行设计计算。单元过程是1930年由P·H·Grog gs提出的，这一新概念虽然并不像单元操作那样有用，也未能简化成为以数学 方法来进行处理，但在泛研究或学习各种类型的化学过程的基础上，对设计· 个新的工艺过程还是十分有用的， 从T程观点看.将与传质有关的单元操作称为分离T程，血丁原料的纯化及 产品的提纯在化工过程占相当比例，在基本有机化工中甚至达到50%一80%之 多。所以，化T过程中的分离工程是十分重要的。此外，将单元操作中的流体输
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6 工业化学 送、传热、流体的压缩与减压、能源供应、给排水均作为公共工程的范畴。因此， 化工过程也可认为是由化学反应工程、分离工程及公共工程所组成。 1.4.1.2过程选择 在生产某一化工产品时，可能存在着不同的原料路线及化学加丁方法。如 氯乙烯生产，可采用乙块路线，也可采用乙烯路线。而乙烯路线中，也有几种工 艺流程。因此，工程师首先应对已有的或新开发的工艺路线进行选择，以能进行 工业生产。在工艺过程选择屮，必须符合技术上.可行性和经济上合理性的要求。 1)技术上的可行性 对一个新开发的T艺路线，技术可行性尤为重要。因为从实验室开发研究 到实现工业化，需要包括一系列的环节，如化学反应工程研究、化学工程研究、工 艺过程与装置、机械设备材料，调节控制等。-一般说来，实验室研究的结果，只能 说明过程方法的可能性，但还不足以用来设计一个生产装置。实验室研究的结 果，其所提供的数据和资料通常还必须通过模型装置或中试装置上进行运转考 查，并提出工业生产所必需的化学工程数据，以供设计工业装置之用。同时应指 出，当第一套生产装置设计投产之后，并不意味者过程开发的结束，还必须根据 工业装置上获得的数据，核对设计模型，并修改原设计，进一步考感生产装置的 最优化方案，这样才能使今后建立的装置达到最优化设计和最优控制。 因此技术上的可行性体现了在工业装置运行的可靠性，并且通过一阶段运 行后可以达到预定设计的指标。明确这一点，对从事工程项目的技术人员是十 分重要的。 2)经济上的合理性 除了国家急需的特殊产品外，一个过程能实现工业化的另一个条件是经济 上的合理性，也即生产过程在经济上能过关，有利可图，否则工厂很难接受这一 过程。例如一项对金有特效的离子交换树脂的专利，是否可用于从海水中提取 金呢？在对这一过程的分析中，知道海水中金的浓度很低，约为5×10-‘g/g、 因此，回收单位质量的金需油取大量的海水，计算其抽取海水的能耗约为所得金 价值的13.5倍，显然，此法从海水中回收金在经济上是不合理的，因此，不能用 于工业生产。 经营工厂的费用称为生产成本，常以每单位质量产品的成本来表示，例如 元/吨。生产成本主要包括原材料费（包括运费）、动力费、工资、设备折旧费、维 修费等。各种费用在成本中所占的比例，因生产规模、生产方式、技术水平、管理 水平而异。 对大多数化工过程来说，原料价格是生产成本中最重要的部分，因此，最希 望工艺过程能使用便宜的原料，并能有效地将原料转变为产品，这就不仅希望过
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】绪论 程的产率高，还要尽可能避免使用在产品中不存在的物料 一般原料费约占总成本的6%~70%，动力费占10%左右（电化过程除 外)·工人工资对机械化、自动化程度较高的过程约占4%，而间歌、小批量、手工 操作的生产过程可达20%以上，设备折旧费所片比例约为5%左右。 产品的销售收入碱去全部生产成本叫毛利，根据毛利国家征收5%一10% 的所得税，毛利诚去所得税即为利润。 为了使所选的过程符合要求，通常对生产过程进行技术经济指标的评价，然 后再进行工艺过程、化学工程和设备设计，最后安装投产。 1.4.1.3过程的确立 在建立生产装皆之前，除了要符合国家指令性文件和国家总体布局外，工艺 过程的选择尤为重要。工程技术人员主要应了解的内容有： (1)生产装置规模及工艺过程的先进性： (2)原材料来源及产品质量： (3)装置设计所需的化学工程数据： (4)技术经济指标（以吨产品计的水、电、蒸汽、煤等消耗量）： (5)三废排放量及治理方法； (6)腐蚀及设备材质选择； (?)反应所需的主要催化剂及其来源； (8)投资费用。 然后在此基础上，对照装置建设单位的条件，确定工艺过程，并请设计单位 进行设计。 实际上，工程项目能否进行是由多种因素决定的，其中以资金的筹集，生产 方法或工艺过程的先进性，以及在所选地区建设是否适合最为重要。 1.4.2工艺流程图 原料经化学加工制取产品的过程，是由单元过程和单元操作组合而成的。 丁艺流程就是按物料加下的先后顺序将这些单元表达出来。如果以方框来表达 各单元，则称为流程框图：如果以设备外形或简示图形表达的流程图则称为工艺 流程图。一般书中主要以这两种图形表达。以简明反映化工产品生产过程中的 主要加工步骤，了解各单元设备的作用，物流方向及能量供给情况。而工厂生产 装置的流程图需表明物料流动量，副产物及三废排放量，需供给或移出的能量、 工艺操作条件，测量及控制仪表，自动控制方法等
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8 工业化学 1.4.3生产过程的主要指标 1)生产能力 化工装置在单位时间内生产的产品城或在单位时问内处理的原料量，称为 生产能力。其单位为kg/h,t/d.kt/a,Mt/a等。化工装置在最佳条件下可以达 到的最大生产能力称为设计能力。 2)转化率 转化率是原料中某一反应物转化掉的量（摩尔）与初始反应物的量（摩尔）的 比值，它是化学反应进行程度的一种标志。 工业生严中有单程转化率和总转化率，其表达式为： 单程转化率人医位出的区位当 (1-1) 总转化率一接人到过程的亮中出的反应拉 (1-2) 简化后可写为： 转化率=赛物的量 (1-3) 以数学式表达 xA=a0二九A n。 (1-4) 式中n0一一原料中某反应物的初始量（摩尔）； nA一一反应后某反应物的盘（摩尔）， 3)选择性 选择性表示实际所得的产物量与按反应的原料计算的理论产物量之比，也 即有一些原料被副反应消耗掉了。 选择性=去际衡勰鹅量y100片 (1-5) 用数学式可写为： -微温 (1-6) 式中B—选择性： no一原料中产物C的量（摩尔）； c一一反应后产物C的量（摩尔）： 0一-原料中反应物Λ的量（摩尔）； A—反应后反应物A的量（靡尔）；
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