化工基础-第一章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一、教学计划,1.课堂讲授,2.习题课,3.实验教学：单独设课,4.辅导答疑,(1),课间及课后,（2）考前,5,作业,(1),每周三交一次。,(2),计算题求解步骤和要求（也适用于考试）,a.,要写出已知条件和求解参数（不计分）,b.,一般要画出简图（不计分）,c.公式要推导,d.已知数据要代入公式,e.计算结果一般要保留3位小数或4位有效数,6,考核,(1),平时30%,（2）考试70%,1是划分工科和理科的标准，是化工类各专业课的基础理论课。,2难度较大，与物理化学相当。,技术基础课、实践性强；,综合性强；,注重单位和量纲；,计算占很大的份量。,3.是化工类研究生升学考试科目,二、本课程的特点,一、课程的历史、研究内容,二、化工生产过程与单元操作,三、单元操作中常用的基本概念,四、化工过程的开发,五、国家法定单位介绍及单位换算注意事项,第一章 绪论,INTRODUCTION,化学工业是一门古老的工业，但以化学工业过程为研究对象的化学工程科学的诞生至今只有,80,多年的历史。这是由于最初的化学工业规模比较小，技术要求不高，化学家可以全凭经验来设计和操作化工装置。,随着第二次工业革命的兴起，化学工业开始向大型化迈进。为了适应化学工业的大型化，从,19,世纪,90,年代,(1890s),开始，化工各行业开始研究各自的生产工艺学。,一、课程的历史、研究内容,随着研究的深入，人们,认识到化工各行业中的许多物理过程遵循相同的物理原理,。,于是在,1923,年美国麻省理工学院,(MIT),化工系的三位教授,Walker,Lewis,and MeAdams,编著了一本名为,”,Principles of Chemical Engineering”,的书。他们在该书中提出了单元操作,(Unit Operation),的概念，并且指出，在所有的化工装置中进行的所有物理过程，无非是原料的输送、混合、加热、冷却，产品与废料的分离等几种操作。,该书的出版标志着化学工程科学的诞生，也使化工装置从由化学家设计和操作开始转向由化学工程师设计和操作。,下面的例子可以说明化学家与化学工程师的差别。,青霉素是由烧杯中营养液表面的霉菌生长而制成的。第一次规模生产是用成千上万只烧杯来生产，这样不能降低成本。后来化学工程师设计了一个一千加伦的罐子，大量的空气被鼓入罐中通过营养液以提供霉菌生长所需的氧气，这就大大地降低了成本，使青霉素真正成为广泛使用的药物。,随着对单元操作研究的深入，人们又,认识到所有的单元操作实质上不过是动量传递、热量传递和质量传递（三传）的特殊情况或特定组合,，并于,1960,年出版了,”,Transport Phenomena”,(Bird,Stewart,and Lightfoot),。作者在该书中对三传过程进行了理论分析，使许多过去必须用经验方法解决的问题，现在可以用理论方法加以解决。,在研究单元操作和传递现象的同时，人们对化学反应过程也进行了深入的研究，并于,1962,年出版了,”,Chemical Reaction Engineering”,(O.Levenspiel),。作者在该书中对各种反应器的设计、放大和最优化问题进行了详细的讨论,。,从此,，化学工程科学进入了以“,传递过程,”和“,反应工程,”为中心的所谓“三传一反”的发展阶段。,化学工程科学还有两个分支。一是化工热力学，另一是化工系统工程。化工热力学是用化学热力学的理论来解决化工过程中的能量和极限问题，化工系统工程是用最优化的方法来对化工装置进行设计和操作。,化工原理（单元操作）,化工传递过程原理（传递现象）,化学反应工程,化工热力学,化工系统工程,化学工程学,化工过程（化学工业过程）：由若干物理过程和若干化学过程组成的工业过程。或将原料改变或分离成有用产品的工业过程。,化学过程,Chemical Processes,：含有化学反应的过程,单元操作,Unit Operations,：化工过程中不含化学反应或化学反应次要的物理过程,化工原理,Principles of Chemical Engineering,：以单元操作为研究对象的一门技术科学。,化学反应工程：以化工过程中化学过程作为研究对象的一门技术科学。,化学工程,Chemical Engineering,：研究化工过程共性规律的一门技术科学。主要由化工原理和化学反应工程两个分支组成。（另外还有化工传递过程原理和化工热力学及化工系统工程三个分支）,（过程）：物系状态发生变化的经过,化学工艺：研究具体化工产品的具体制作工程。,化工基础课,本课程的内容及任务,1.内容,流体流动过程：流体输送、沉降、流态化等,单元操作 传热过程：热交换、（蒸发）等,传质过程：蒸馏、吸收、（萃取）、干燥等,2任务：,（1）介绍三传的基本原理。,（2）介绍主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型、设计及实验研究方法。,（3）培养学生发现、分析、解决单元操作中各种问题的能力。,二、化工生产过程与单元操作,（一）化学工业的定义,简称化工，是指以,工业规模,对原料进行加工处理，使其发生,物理和化学,变化而成为生产资料或生活资料的加工业。,农业生产：化肥、农药等,三大合成材料：塑料、化学纤维、合成橡胶,人民生活和健康：医药,新材料：耐高温、抗腐蚀和磨蚀、特硬、高强度、特种光电磁性 能的信息材料、核能材料等。,机械工业：机械制造、汽车制造、纺织、制衣、塑料加工、玩具制造、建筑等,化学工业,的分类（中国）,化学矿,无机盐,有机化工原料,化学肥料,化工农药,合成纤维单体,涂料、颜料,染料及其中间体,感光和磁性材料,化学试剂,石油化工,化学医药,合成树脂和塑料,酸、碱,合成橡胶,催化剂、试剂和助剂,煤化工,橡胶制品,化工机械,化工新型材料,化学工业的,发展简史,1746年,铅室法制取硫酸，世界上第一个化工厂,1791年,路布兰制碱法,1861年,索尔维制碱法,1862年,硝化甘油炸药投入生产,1905年,哈伯合成氨法,1929年,青霉素被发现,1934年,高压聚乙烯被制成,1939年,尼龙66工业化,1941年,侯氏联合制碱法,1957年,聚四氟乙烯纤维的投产,2010年财富杂志全球500强名单（前10）,沃尔玛,(Wal-MartStores),皇家壳牌,(RoyalDutchShell),埃克森美孚,(ExxonMobil),英国石油公司,(BP),丰田汽车,(ToyotaMotor),日本邮政控股,(JapanPostHoldings),中国石油化工股份有限公司,(Sinopec),中国国家电网,(StateGrid),安盛集团,(AXA),中国石油天然气集团公司,(ChinaNationalPetroleum),（二）化工过程,1、概念：,是指化工产品的具体加工过程。,2、构成：,由若干个物理过程（化学反应过程的,前处理,、,后处理,）和若干个,化学反应过程,组合而成；,由,原料预处理,过程（物理过程）、,化学反应过程,、,反应产物后处理过程,（物理过程）构成；,3、各部分的作用,（1）原料预处理过程：达到反应过程所必须的某种适宜条件,（2）反应过程：进行化学反应得到所需产物。,（3）反应产物后处理过程：分离得到符合质量要求目的产品；处理排放废料达到环保要求；回收未反应的反应物、催化剂或其它有用物料并重新利用。,（4）核心反应过程；最明显的特征化学变化,（5）设备：能完成以上任务的设备（如反应器、单元操作设备或贮料设备按一定顺序、由各管道和输料装置连接成为生产流程化工过程）。,举例尿素生产过程（P2），请指出物理过程、化学过程、核心部分、原料预处理过程、产物后处理过程、各种设备及作用等。,4、化工过程的分类,（1）按操作方式分：,连续操作,：物料与能量连续地进入设备，并连续地排出设备。（适用大规模生产）,间歇操作,：按周期进行，物料在某一时刻加入设备进行某种过程，过程完成后物料一次卸出，然后开始新的周期。（适合小批量生产）,（2）按操作参数与时间的关系分：,不定常操作,：设备各部分的操作参数随时间而不断变化。设备内物料与能量有正或负的积累。（间歇操作及连续操作开、停车阶段）,定常操作,：设备各部分的操作参数不随时间而变化。设备内物料与能量无积累。（连续操作的正常生产阶段）,（三）单元操作（化工生产中共同性的基本操作）,单元操作,指化工过程中普遍采用的、遵循共同的物理、物化定律、所用设备相似、具有相同作用的那些基本,物理,操作，其中参与操作的物料不发生化学性质的变化。,如流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、萃取、吸附以及干燥等。,现代化学工业中前、后处理工序占有着企业大部分的设备投资和操作费用。由此足见单元操作过程在化工生产中的重要地位,。,单元操作按其理论基础可分为下列三类：,（,1）流体流动过程，包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。,（2）传热过程，包括热交换、蒸发等。,（3）传质过程，包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。,（4）热、质传递过程干燥、增湿、结晶等（质量传递、热量传递）,还有一些机械过程:,如破碎、粉碎、筛分、固体运输（斗式提升机、皮带运输机和螺旋推进器）等,三、单元操作中常用的基本概念,1.物料衡算质量守恒,2.热量衡算能量守恒,3.平衡关系最高产量,4.过程速率,5.经济核算,1.,物料衡算,质量守恒,解决问题：工业生产产量，收率，实际设备尺寸，实际生产规模等,依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即,输入量输出量累积量,对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即为稳定操作状态时,输入量输出量,用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。,物料衡算可按下列步骤进行：,（,1,）首先根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。,确定衡算对象和衡算范围；,（,2,）在写衡算式之前，要选择计算,基准,，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。,基准：时间基准,物质基准 湿物基准（可变基准）,绝对干物基准（不变基准）,2.,能量衡算能量守恒,解决问题：选择合理能量设备，进行能量综合利用。,依据能量守衡（热力学第一）定律，在任何一个生产过程中，凡向该过程输入的能量必等于从该过程输出的能量与积累在该过程中的能量之和。,说明：,（1）能量：热能、电能、机械能、化学能、磁能等；,（2）化工生产过程中，最常用是热能，能量衡算可简化为热量衡算。,即：物料带入的热量=物料带出热量（包括物料带出热量和热量损失）+热量积累量（定常操作过程，系统物料焓的积累量=0）,3.,平衡关系,最高产量,解决问题：判断过程能否进行，进行程度。设备尺寸设计，为生产条件的选择和改进提供依据,平衡是自然界的一个规律。化工生产中的物理或化学变化过程，都有一定的方向、速率和极限。平衡关系可以用来判断过程能否进行，进行的方向和极限。,例如，如在一定温度压力下，在一杯水中加入一勺糖或盐，通红的铁块放置在室温的环境中。,任何一种平衡状态的建立都是有条件的，当条件发生变化时，原来的平衡就不复存在，平衡就发生移动。如上例中饱和食盐溶液，如果升高温度，则又可溶解一部分食盐。可见，平衡状态有两种属性，即相对性和可变性。,生产中经常利用它的可变性使平衡向有利于生产的方向移动。,4.,过程速率,这个关系类似于电学中欧姆定律。过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递速率大时，设备尺寸可以缩小,。,平衡关系只表明过程变化的极限，并不涉及以什么样的速率趋向平衡。过程速率指出过程快慢问题。,在工业上以什么速率趋向平衡往往比平衡关系更为重要，因为强化生产直接与过程的速率有关。,通过对各种过程中推动力、阻力、过程速率关系的研究表明，过程的速率总是与该过程的推动力成正比，和阻力成反比，可表示为：,（1）任何变化过程都同时存在着,推动力和阻力,。,例如，流体流动的推动力是压强差（P），热量传递过程的推动力是温度差（T），质量传递过程是浓度差（C）等等。,（2）物系的状态偏离平衡的程度越大，推动力就越大，变化的速率也越大。反之，物系的状态越接近平衡，推动力和速率都越小。,（3）阻力的作用与推动力相反，阻力增大，过程速率减小；阻力减小，过程速率就增大。,比方说百米赛跑的运动员，其爆发力（推动力）越大，其速度越快；而在跑的过程中碰到逆风（阻力之一），其速率就要受影响。,减小过程的阻力，如流体流动时加大管径，对流传热时搅拌，传质时提高流体的湍流程度，反应时用催化剂降低反应的活化能等。,5.,经济核算,为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核算确定最经济的设计方案。,例1-1,:,用连续操作的蒸发器把含盐浓度为,x,F,（质量分率）的盐水溶液蒸发到浓度为,x,w,（质量分率）的浓盐水溶液，每小时盐水溶液的进料量为,F kg,。试求每小时所得浓盐水溶液量,W,及水分蒸发量,V,各为多少。,解：各股物系的流程图如附图所示，计算基准取每小时的物料量，由于是连续稳定操作，,总物料衡算式为,F,V,W,溶质衡算式为,Fx,F,=Wx,w,由此两式解得,W=,（,x,F,/x,w,）,F,，,V=,（,1-x,F,/x,w,）,F,例1-2,100kg,含水,20,的湿物料经干燥器一次干燥，物料含水,5,，求其失去多少水分？,解：设失去,x kg,水分,（,1,）以,100kg,湿物为基准，则：,10020,（,100,x,）,5,+x,解得,x,15.8kg,（,2,）以,80kg,干物为基准，则：,X=80(20/80),-,80(5/95),15.8kg,例,1-3,如图所示，浓度为,20%,（质量百分数，下同）的,KNO,3,水溶液以,1000kg/hr,流量送入蒸发器，在某温度下蒸出一部分水而得到浓度为,50%,的,KNO,3,水溶液，再送入结晶器冷却析出含有,4%,水分的,KNO,3,晶体并不断取走。浓度为,37.5%,的,KNO,3,饱和母液则返回蒸发器循环处理，该过程为连续稳定过程，试求：,1.,结晶产品量,P,，水分蒸发量,W,；,2.,循环母液量,R,，浓缩量,S,。,解：,（1）.,衡算对象：总物料,KNO,3,衡算范围：如图所示的用一条封闭的虚线所包围的部分,衡算基准：单位时间,-,每小时,列方程：,凡是穿过封闭虚线进入的衡算范围的物料为入；,凡是穿出封闭虚线排出的衡算范围的物料为出；,总物料,M,=M,出,则,F=W+P,（,1,）,同理，对,KNO30.2F=0W+P,（,1-4%,）,（,2,）,将（,1,）（,2,）代入数据后组成方程组,1000=W+P0.21000=P,（,1-4%,）,解这个方程组得：,P=208.3 kg/hr W=791.7 kg/hr,（2）,衡算对象的基准不变，改变衡算范围如下图所示。,总物,料 S=R+P KNO,3,0.5 S=0.375 R+P（1-4%）将上两式代入数据联解得：R=766.6 kg/hrS=947.9 kg/hr 即为所求,注意：,确定衡算范围是很重要的，如确定的衡算范围不当，无法求解。一般来说，要尽量使已知条件和所求量穿越衡算范围，这样才能列入衡算方程中。这种技巧可在今后的学习和练习中逐步掌握。,但热量衡算的基准有其特点，它包含数量基准、温度基准和相态基准。数量基准是指选哪个量作基准来衡算热量。对于连续操作一般以单位时间进料量（即进料速率）为基准，而温度和相态基准的确定才能从有关手册中查得相关的热力学数据以便用于衡算，举例说明如下。,例,1-4,在一热交换器中用压强为,136kPa,的饱和蒸汽加热,298k,的空气，空气流量为,1kg/s,，蒸汽的流量为,0.01kg/s,，冷凝水在饱和温度,381K,下排出。若取空气的平均比热为,1.005kJ/kgK,，试计算空气出口温度（热损失忽略不计）。,解：,数量基准,每秒钟蒸汽、空气的流量,温度基准,取进口空气温度298K，因而其焓为零，H,冷空气,=0,相态基准,压强为136kPa的饱和蒸汽，查得其焓H,蒸汽.381K,=2690kJ/kg，同时查得H,冷凝水381K,=452.9kJ/kg衡算范围 封闭虚线所示范围,对此连续稳定过程 Q,入,=Q,出,其中：Q,入,=Q,蒸汽,+Q,冷空气,=0.01H,蒸汽,+1 H,冷空气,Q,出,=Q,热空气,+Q,冷凝水,=11.005（T-298）+0.01 H,冷凝水,T：热空气温度将数据代入解得T=320.3K,四 化工过程开发,化工过程开发：指将实验室研究扩大为生产规模，使新产品、新工艺或新技术在工业装置中运转或转变为生产的全过程。,这个过程所需的时间称为化工过程,开发周期,。,其工业规模与实验室规模之比称为,放大倍数,。,1实验室研究-小试,确定原料路线和工艺方案，确定适宜的操作条件；获取开发所需要的热力学和动力学数据。,2可行性研究,技术可行性，经济效益，环境保护。,3中间试验-中试,考察小试工艺是否合理和完善，从而进行充实和修改；,检验和修正数学模型；确定测量、调节和控制方法；,考查杂质积累的影响；材料的耐腐蚀性；小批量生产。,4工业装置的设计和投产,由专职人员来完成。设计生产规模，确定产量大小；估算开发费用；技术可靠性，操作稳定性。,五、国家法定单位介绍及单位换算注意事项,1.,国际单位制（SI）与法定计量单位,国际计量会议制定了一种国际上统一的国际单位制，其国际代号为,SI,。,国际单位制中的单位是由基本单位、辅助单位和具有专门名称的导出单位构成的，,国际单位制的基本单位,量 的 名 称,单 位 名 称,单 位 符 号,长 度,米,m,质 量,千 克,kg,时 间,秒,s,电 流,安 培,A,热力学温度,开尔文,K,物质的量,摩 尔,mol,发光强度,坎德拉,cd,国际单位制的辅助单位,量 的 名 称,单 位 名 称,单 位 符 号,平面角,弧度,rad,立体角,球面角,sr,国际单位制中具有专门名称的导出单位,量 的 名 称,单 位 名 称,单 位 符 号,其它表示式示例,频率,赫兹,Hz,s,-1,力；重力,牛顿,N,m/s,2,压力（压强），应力,帕斯卡,Pa,N/m,2,能量，功，热,焦耳,J,Nm,功率,瓦特,W,J/s,摄氏温度,摄氏度,用于构成十进倍数和分数单位的词头,所表示的因数,词头名称,词头符号,所表示的因数,词头名称,词头符号,10,6,兆,M,10,-1,分,d,10,3,千,k,10,-2,厘,c,10,2,百,h,10,-3,毫,m,10,1,十,da,10,-6,微,物理单位制（CGS）,的基本单位,CGS制,量的名称,长度,质量,时间,温度,单位符号,cm,g,s,工程制（重力制）的基本单位,工程制,量的名称,长度,力,时间,温度,单位符号,m,kgf,s,2.,因次（量纲）,法定计量单位中，基本量的长度、质量、时间、温度可分别用符号,L,、,M,、,T,、,表示，则导出量可由这些基本量的符号组合而成。例如，速度可用,LT,-1,、加速度用,LT,-2,、力用,MLT,-2,表示,若某物理量以,M,a,L,b,T,c,表示，则称它为该物理量的因次或量纲（严格地说，指数,a,、,b,、,c,称为因次，,M,a,L,b,T,c,称为该物理量的因次式或量纲式）。,当,a,b,c,0,时，时,M,0,L,0,T,0,1,，称为无因次。,量纲一致性原理：任何一个理论（物理）方程两边的量纲必相等。,3.,单位换算,同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地改变。这种换算称为单位换算。,必须掌握这些单位间的换算关系。单位换算时，需要换算因数。化工中常用单位的换算因数，可从本教材附录一（p261）中查得。,4,注意事项,（1）力的单位是牛顿；,（2）能、功和热的单位都是焦耳；,（3）还有一些暂时并用单位，如大气压，小时，天，摄氏度，毫米汞柱。,（4）单位一般用符号外加 表示，以便与公式中字母区别。,（5）关于单位制，本课程一律采用国际单位制，即SI制。在本书中出现其它单位制的时候，将给出其于SI制的换算关系。在例题或习题中如果碰到，则应将其换算成SI制。否则，因单位制不统一而造成计算的结果与准确值相差甚远。,习 题,1、化学工业是指以,对原料进行加工处理，使其发生,而成为生产资料或生活资料的加工业。,2、化工过程是指化工产品的,过程。它由若干个,和若干个,组合而成；,3、化工过程由,、,及反应产物后处理过程构成,4、单元操作是指化工过程中普遍采用的、遵循共同的,、所用,相似、具有相同作用的那些基本物理操作，其中参与操作的物料不发生,的变化。,5、物料衡算依据是,，物料衡算的通式是,，在定常操作过程，通式中,等于0。,6、化工过程的平衡关系表可确定一个过程,以及可能达到的,。,7、过程速率越大，设备生产能力,或设备尺寸,。,作 业,1、不定常操作与定常操作的区别是什么？各适于哪种生产阶段？,2、在一连续干燥器中，用热空气将含水10%的湿固体物料干燥到含水1%（均为质量%）。进口热空气中含水汽量为0.01kg水汽/kg干空气，若要求出口废气中的水汽量不超过0.12kg水汽/kg干空气，求空气的单耗,kg空气/kg湿物料。,