1.1　化工工艺简介

1.1.1　化工工艺定义

化学工业是国民经济基础产业之一，现代生产生活的方方面面都与化工生产有着千丝万缕的联系。我们普遍认为化工生产是伴随着现代工业发展而形成的工业生产方式，其实人类早在原始社会就使用化工的简易形式来制作物品，如陶器。而过滤、蒸发、蒸馏、结晶、干燥等单元操作在生产中的应用，也已有几千年的历史。据考古发现，至少10000年以前中国人已掌握了用窑穴烧制陶器的技艺，5000年以前已通过利用日光蒸发海水、结晶制盐；埃及人在5000年以前的第三王朝时期开始酿造葡萄酒，并在生产过程中用布袋对葡萄汁进行过滤。但在相当长的时期里，这些操作都是规模很小的手工作业。作为现代工程学科之一的化学工程，则是在19世纪下半叶随着大规模制造化学产品的生产过程的发展而出现的，经过100多年的发展，化学工程已经成为一门有独特研究对象和完整体系的工程学科。早期化学工业主要是无机化工、有机化工等的发展。从20世纪初到20世纪六七十年代，化学工业进入大发展时期，出现了合成氨工业、石油化工、高分子化工和精细化工等分支。

19世纪70年代，英国曼彻斯特地区的制碱业污染检查员G.E.戴维斯明确提出了化学工程的概念，并指出各种化工生产工艺，都是由为数不多的基本操作如蒸馏、蒸发、干燥、过滤、吸收和萃取组成的，可以对它们进行综合的研究和分析，化学工程将成为继土木工程、机械工程、电气工程之后的第四门工程学科。之后以化工工艺为核心对象的化学工程与工艺学科在世界范围内得到了系统的发展。

化工工艺广义上可理解为化工技术或化学生产技术，是指将原料物经过化学反应转变为产品的方法和过程，包括实现这一转变的全部措施。在本书中，化工工艺主要指通过单一或数个化学反应（或过程）将原料转化为产品的生产流程。它涉及化工生产的方法、原理、流程和设备，是化工产品生产的工程技术、诀窍和艺术。

化工工艺的核心是如何实现从原材料到产品的转化过程，这就包含了原材料处理、化学反应、化工设备、流程设计、热负荷等诸多环节。同时，还需要考虑整个工艺的合理性、先进性及经济性，是一门复杂的综合学科。为验证某一工艺是否具备合理性和可行性，传统上需要进行小试、中试及工业测试等环节来进行必要的测试与优化，但这种方法周期长、成本高并缺乏灵活性。近年来，计算机技术的快速发展为解决这一问题提供了新的途径。计算机辅助设计、模拟计算及虚拟仿真从不同的侧面对工艺流程进行了全方位的检测和优化，为从化学工艺设计到工业生产提供了高效的中间环节。本书作为化工工艺虚拟仿真的实验教材，将从虚拟仿真的单元操作和流程模拟的角度，带领大家解构化工工艺流程，理解工艺特点、设备特性、生产流程及操作要求等主要知识点，以便帮助大家更好地理解化工工艺。

1.1.2　化工工艺过程

化工生产过程一般地可概括为三个主要步骤。

（1）原料处理

这一步骤主要是为了使原料符合进行化学反应所要求的状态和规格。化学反应是整个化工生产的核心组成，为了能够达到化学反应所需要的条件和提高反应效率，就需要在反应前，根据反应要求对不同的原料进行净化、提浓、混合、乳化或粉碎（对固体原料）溶解、加压、加热等预处理。如果原料处理不当，则可能在化学反应中导致效率下降，影响生产效益。因而，在生产之前需要对原材料进行优化，以提高原材料利用率。这也是衡量一个化学生产过程的生产效率的重要指标。

（2）化学反应

化学反应是生产的关键步骤。经过预处理的原料，在一定的温度、压力等条件下进行反应，以达到所要求的反应转化率和收率。这一过程，充分反映出化工工艺的复杂性和多样性。在具体的化工反应过程中，反应种类多种多样，有放热反应和吸热反应；有可逆反应和不可逆反应；有的反应需要在高温高压下进行；有的反应需要在催化剂的作用下进行；不同化学反应对反应条件的要求不同，相同的化学反应在不同环境（温度、压力等）下的具体反应效率和反应速率也会有所不同。目前，常见的化学反应类型有氧化、还原、脱氢、硝化、卤化、复分解、磺化、异构化、聚合等。一个化学反应最终能否运用于化工生产过程，主要取决于它的具体反应过程能否满足工业生产实际。如有的反应缓慢，就需要调整反应环境或者添加催化剂；还有的反应特别剧烈，就需要配备相对安全的反应器皿。因此，在化学反应的准备工作中就要充分了解该反应的具体流程与现象，把握化学反应的每一步要点和最佳反应条件。

（3）产品精制

这是指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的过程。在化学反应过程中采用不同的生产方法和工艺流程都可能造成产品中包含不同比例的杂质与副产品，从而影响产品质量和纯度。产品精制就是分离和提纯的过程。另一方面，对副产品有效分离，也将提高整个生产流程的效益。副产品根据种类的不同可以有不同的用途。如有些反应物在参加反应后还会有相当数量的残留，这些残留可以继续参加反应，从而提高利用率，降低生产成本。还有一些副产品可以作为生产原料或半成品参与到其他化工生产过程中。这些都有效地提高了生产的经济效益。因而，对产品进行分离和提纯是化工生产过程中不可或缺的重要步骤。

以上每一步都需在特定的设备中，在一定的操作条件下完成所要求的化学的和物理的转变。这些化学的（如氧化、还原、脱氢、硝化、卤化、复分解、磺化、异构化、聚合等）和物理的（如加热、冷却、蒸馏、过滤等）处理过程，在不同的化学反应过程中以不同的组合形式出现，这就是我们常说的工艺流程。工艺流程的选择会导致产品质量、纯度和生产效益存在巨大差异。本书将在后面的章节中，通过对典型化工工艺流程的仿真模拟，来揭示化工工艺过程中各环节的要点与特性，帮助同学们理解化工工艺与化工生产的内在联系。