化學過程工藝學

化學過程工藝學（第二版）

本書以化學加工過程中的共性特點進行綜合分類，分別對固、液、氣相間物質的轉化過程和工業處理手段進行了分析和闡述，特別考慮了工藝核心反應過程中相間的變化特點和相應的分離過程，通過典型的工業實例介紹了熱力學分析、動力學分析、物料及熱量衡算、工藝分析、流程組裝等基本理論和技術手段，以及對加工對象進行處理的基本技巧和方法。書中還介紹了生態工業園，在更大尺度上對化學過程嘗試組裝和綜合運用，融入綠色化工理念和循環經濟的思想。本書為讀者提供了較為廣闊的化工視野，既包括了已經規模化的化工生產工藝，也涉及了相對前沿但又較為成熟的化工過程。

本書可作為高等院校化工及相關專業的本科生教材，也可作為相關科研人員和工程技術人員參考。

第1章緒論1

1.1化學工業的新曙光1

1.1.1化學工業在世界經濟發展中的地位1

1.1.2化學工業的進展與新世紀中的發展特點2

1.1.2.1新世紀的化學工業以技術創新為發展動力2

1.1.2.2新世紀的化學工業將是可持續發展的綠色產業5

1.2化學過程工藝學的任務6

1.2.1化學過程工藝學的研究範疇及工藝學與化學工業的關係6

1.2.2化學過程工藝學在新世紀中的發展趨勢8

1.2.3本《化學過程工藝學》教材的內容體系9

1.2.4本教材在人才培養過程中的地位與作用9

思考題10

參考文獻10

第2章化學工業的資源11

2.1化學礦11

2.1.1不溶性礦11

2.1.1.1不溶性礦的開採方法11

2.1.1.2磷礦的基本特性及地質分佈12

2.1.1.3三種典型磷礦的介微觀特徵參數13

2.1.1.4磷礦宏觀質量評價15

2.1.1.5磷礦的主要用途16

2.1.1.6其他化學礦16

2.1.2水溶性礦18

2.1.2.1水溶性礦的開採方法18

2.1.2.2雲南勐野井鉀鹽礦和我國鹽湖礦產基本情況19

2.2煤20

2.2.1煤的種類和特徵20

2.2.2腐植煤的分類20

2.2.3煤的化學組成及用途21

2.3石油21

2.4天然氣23

2.5生物資源24

2.6海洋資源25

思考題25

參考文獻26

第3章固體化學礦的初加工及液固相間的化工過程27

3.1液固兩相處理過程的一般規律27

3.1.1液固兩相處理的總括流程27

3.1.2原材料的來源28

3.1.3固體物料的粉碎與分選28

3.1.3.1粉碎目的28

3.1.3.2粉碎機的主要類型28

3.1.3.3粉碎的基本工藝30

3.1.3.4分選31

3.1.4固體原料中有效成分的富集31

3.1.5液固相系統的宏觀反應機理33

3.1.6液固相間的分離特點34

3.2磷礦石的酸解過程工藝分析與組裝36

3.2.1磷礦石製取磷酸的原則流程37

3.2.2磷礦選礦流程的選擇38

3.2.3濕法磷酸生產中的反應過程38

3.2.3.1磷礦酸解中的化學反應38

3.2.3.2磷礦酸解過程的宏觀反應過程39

3.2.3.3磷礦中雜質對分解過程的影響43

3.2.4磷礦酸解中硫酸鈣的結晶過程43

3.2.4.1硫酸鈣的結晶形態43

3.2.4.2硫酸鈣結晶的熱力學基礎與體系的相平衡44

3.2.4.3硫酸鈣結晶的動力學基礎46

3.2.5二水物磷酸流程的組裝49

3.2.5.1單槽多槳二水物流程49

3.2.5.2幾種引進的二水物流程50

3.2.6濕法磷酸生產操作條件的選擇52

3.2.7二水與半水流程的組合53

3.2.8濕法磷酸生產技術的新進展55

3.3以相圖確定工藝路線——硝酸鉀流程的組裝56

3.3.1硝酸鉀的用途與基本生產原理56

3.3.2K+Na+Cl-NO-3H2O系統相圖57

3.3.2.1恆溫圖57

3.3.2.2投影圖59

3.3.2.3多溫圖59

3.3.3反應與分離基本過程和物料衡算60

3.3.3.1非循環法的基本過程60

3.3.3.2非循環法的物料衡算60

3.3.3.3循環法生產過程分析61

3.3.4硝酸鉀生產的基本流程和技術經濟指標62

3.4液固相流程的組裝要點63

思考題64

參考文獻65

第4章液相中的化工處理過程66

4.1液相過程中反應和分離的一般特點66

4.1.1液體均相反應器的形式與流動模型66

4.1.2液體非均相反應的特點70

4.1.3液相中的物質分離過程72

4.2通用性的液相工藝形式——增塑劑DOP/DBP的液相催化合成75

4.2.1增塑劑的作用機理與結構76

4.2.2DOP/DBP工業生產原理77

4.2.3硫酸催化酯化合成DOP工藝流程與控制78

4.2.4DOP等產品的連續化生產79

4.2.5鄰苯二甲酸酯類增塑劑合成用催化劑進展80

4.2.5.1酸催化劑體系80

4.2.5.2非酸催化劑體系81

4.3非均液相體系——氯乙烯懸浮聚合工藝83

4.3.1氯乙烯聚合與懸浮的基本原理84

4.3.2聚氯乙烯聚合動力學分析85

4.3.3聚合工藝流程與操作參數86

4.3.4氯乙烯懸浮無規共聚88

4.3.5氯乙烯懸浮接枝共聚89

4.4液相中的膜耦合過程 ——離子膜電滲析法制燒鹼工藝90

4.4.1離子膜電解原理和基本流程91

4.4.2鹽水的精製92

4.4.2.1一次精製92

4.4.2.2二次精製92

4.4.3離子膜電解工藝96

4.4.4全系統工藝流程簡介99

4.4.5生產固鹼的後續流程99

4.5以稀土提純為代表的液相萃取過程101

4.5.1稀土萃取體系的基本特性102

4.5.2槽式萃取單元的基本結構104

4.5.3萃取級數的確定104

4.5.4氟碳鈰礦稀土礦的組成與工藝初步分組109

4.5.5氟碳鈰礦稀土的分離流程109

4.5.6現代萃取器的進展111

4.6液相系統的流程分析示例112

思考題113

參考文獻114

第5章氣固相體系的物相轉化與化學加工115

5.1氣固相間化工過程的一般特點115

5.1.1氣固非催化過程115

5.1.2氣固相間的催化反應117

5.1.3本徵化學反應速率（－rA）117

5.1.4氣固懸浮體系中的流動形態118

5.1.5氣固相體系的分離特點118

5.1.6氣相中物質的主要分離方法119

5.2典型的固氣相轉化過程——煤的氣化121

5.2.1煤氣化原理121

5.2.1.1煤氣化的基本工業過程121

5.2.1.2煤氣化的基本化學反應122

5.2.2移動床煤氣化123

5.2.2.1混合發生爐煤氣124

5.2.2.2水煤氣127

5.2.3流化床碎煤氣化131

5.2.3.1流化床煤氣化過程131

5.2.3.2溫克勒（Winkler）煤氣化工藝131

5.2.3.3高溫溫克勒（HTW）法133

5.2.3.4灰團聚流化床煤氣化法133

5.2.4氣流床煤氣化134

5.2.4.1氣流床氣化原理134

5.2.4.2干法進料的氣流床氣化方法135

5.2.4.3濕法進料的氣流床氣化方法136

5.2.5煤氣化聯合循環發電（IGCC）的典型流程137

5.3固體催化中的氣相過程——合成氨工藝138

5.3.1氨的性質和用途139

5.3.2現代合成氨生產的主要思路和原則流程140

5.3.3合成氨原料氣的脫硫凈化140

5.3.4造氣141

5.3.4.1氣態烴蒸汽轉化的物理化學原理及工藝要求141

5.3.4.2甲烷蒸汽轉化反應熱力學計算原理142

5.3.4.3甲烷蒸汽轉化的動力學143

5.3.4.4析炭熱力學和動力學144

5.3.4.5造氣工藝的組裝145

5.3.5轉化氣的凈化148

5.3.6氨的合成工藝150

5.3.6.1氨合成反應的熱力學分析150

5.3.6.2氨合成反應動力學及工藝條件選擇151

5.3.6.3氨分離及氨合成迴路流程153

5.3.6.4排放氣中的氫回收154

5.3.6.5氨合成塔的結構特點155

5.3.7合成氨系統的能量消耗及節能156

5.4以氣固過程為核心反應器的流程組裝原則158

5.4.1硫精砂為原料生產硫酸工藝簡析159

5.4.2合成氨造氣流程的變化160

思考題161

參考文獻161

第6章氣液相系統中的物質轉化與化學加工162

6.1氣液過程的共性162

6.1.1氣液相間反應的特點162

6.1.2氣液相間接觸器的基本類型165

6.1.3氣液系統的判別參數166

6.1.4氣液分離過程中的新方法167

6.2液相的快速氣化與分離——液態烴裂解170

6.2.1烴類熱裂解原理171

6.2.2烴類熱裂解反應動力學174

6.2.3烴類熱裂解工藝條件175

6.2.4液態烴裂解生產烯烴工藝176

6.2.5裂解爐177

6.2.6管式裂解爐的物料與熱量衡算及停留時間181

6.2.7裂解氣的分離183

6.2.7.1氣體凈化系統183

6.2.7.2壓縮與精餾分離系統185

6.2.8乙烯工廠能量的合理利用187

6.3液相催化中的甲醇羰基化過程190

6.3.1甲醇羰化反應合成醋酸的基本原理190

6.3.2甲醇羰化制醋酸的工藝流程193

6.3.3甲醇低壓羰基合成醋酸的優缺點195

6.4兩相表面傳遞的氣液磺化過程196

6.4.1三氧化硫磺化反應的特點196

6.4.2三氧化硫磺化反應器197

6.4.3三氧化硫磺化技術的應用198

6.4.3.1AOS磺化機理及生產工藝198

6.4.3.2MES生產工藝202

6.4.4磺化技術的發展203

6.5綠色化工思想與氣液過程的概括分析204

思考題206

參考文獻207

第7章氣液固三相中進行的化工過程208

7.1氣液固三相化工過程的一般規律208

7.1.1三相中的顆粒宏觀反應機理208

7.1.2氣液固三相過程中的流形209

7.1.2.1懸浮床中的流動形態209

7.1.2.2固定床中的流動形態210

7.1.3氣液固過程中的幾種分離方式212

7.2三相漿料系統轉變為粒狀產品的磷銨工藝213

7.2.1磷銨的性質214

7.2.2磷銨生產的化學反應原理214

7.2.3磷銨熱力學相圖分析216

7.2.4磷酸一銨生產工藝分析與組裝218

7.2.4.1磷酸濃縮法工藝219

7.2.4.2料漿濃縮法磷銨工藝222

7.2.5磷酸二銨生產工藝分析與組裝223

7.2.6根據市場發展簡化的液體磷銨工藝227

7.3以磷銨作媒介的煙氣脫硫工藝228

7.3.1煙氣脫硫基本思路　228

7.3.2脫硫過程基本原理229

7.3.3脫硫工藝的組裝230

7.3.4高效廉價的活性炭催化劑231

7.3.5PAFP脫硫技術的進展232

7.4L賴氨酸的多相微生物合成233

7.4.1L賴氨酸的基本特點與合成途徑233

7.4.2基本生產流程235

7.4.3種子的培養235

7.4.4多相發酵過程236

7.4.5賴氨酸的後續分離流程238

7.5超重力三相滴流床生產納米碳酸鈣工藝241

7.5.1碳化法生產碳酸鈣的原則流程241

7.5.2原材料流程簡介242

7.5.3碳化過程多相動力學243

7.5.4超重力場滴流床特性245

7.5.5超重力滴流床碳化工藝流程246

7.6以三相床為核心反應器的流程分析與能源化工248

思考題250

參考文獻250

第8章固相過程與高溫合成252

8.1固相過程的一般形式252

8.1.1固相間反應機理252

8.1.2影響反應過程的主要因素254

8.1.3固相反應的幾種工業形式255

8.2鈦酸鋇陶瓷粉體的高溫燒結工藝256

8.2.1鈦酸鋇合成的基本原理及熱力學條件257

8.2.2固相合成鈦酸鋇的流程組裝258

8.2.2.1材料的細化258

8.2.2.2粉料的級配與成型259

8.2.2.3高溫燒結過程260

8.2.3BaTiO3生產工藝新進展260

8.2.4鈦酸鋇基鐵電陶瓷的進一步製作261

8.3回收溢出氣體的高溫過程——黃磷生產工藝262

8.3.1黃磷生產的化學原理和熱力學條件262

8.3.2黃磷生產的原料與成型工藝263

8.3.3電爐制黃磷生產流程與設備系統264

8.3.4熱法磷酸的新進展267

8.4固相過程的基本要素與組裝268

思考題269

參考文獻269

第9章循環經濟與生態工業園區的集成270

9.1循環經濟概要270

9.1.1循環經濟的基本思想270

9.1.23R原則270

9.2生態工業園的基本形式272

9.2.1工業共生模式272

9.2.2丹麥的卡倫堡實體型生態工業園272

9.2.3美國的布朗斯維爾虛擬生態工業園273

9.3生態工業園區的系統集成原則274

9.4魯北生態工業園的集成概觀275

9.4.1園區內主要生態工業鏈276

9.4.2園區中的物質循環278

9.4.2.1元素代謝278

9.4.2.2物質轉換279

9.4.3能量利用279

9.5生態工業園區的構建要點280

9.5.1攀枝花地區的冶金化工生態園設想280

9.5.2長砂縣地區的大範圍生態園的規劃282

思考題283

參考文獻283