化學(xué)工程基礎(chǔ)課件

化學(xué)工程基礎(chǔ)

FundamentalsofChemicalEngineeringTel:E-mail:dfzhang@.cn化學(xué)工程基礎(chǔ)規(guī)則：遵守課堂紀(jì)律獨立思考按時完成作業(yè)考核方式：平時作業(yè)、實驗、課堂表現(xiàn)30％期末考試（閉卷）70％2024/2/182化學(xué)工程基礎(chǔ)學(xué)時：40+12教材內(nèi)容講解：2~11周實驗部分：平時空閑（周末等），2個考試：17周（暫定）課程進(jìn)度安排：2024/2/183化學(xué)工程基礎(chǔ)參考書化工原理.姚玉英主編.天津科學(xué)技術(shù)出版社化學(xué)工程基礎(chǔ).武漢大學(xué)主編.高等教育出版社化學(xué)工程基礎(chǔ).林愛光編.清華大學(xué)出版社化學(xué)工程基礎(chǔ).李德華編.化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工程基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指引和習(xí)題解答.林愛光編.清華大學(xué)出版社化學(xué)工程基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指導(dǎo).楊國泰等編.化學(xué)工業(yè)出版社2024/2/184化學(xué)工程基礎(chǔ)主講章節(jié)

第一章化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程第二章流體流動與輸送第三章傳熱過程第四章傳質(zhì)分離基礎(chǔ)

第五章吸收第六章精餾2024/2/185化學(xué)工程基礎(chǔ)第一章化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程

§1.1化學(xué)工業(yè)概述

§1.2化學(xué)工程學(xué)

§1.3物料衡算與能量衡算化學(xué)工程基礎(chǔ)§1.1化學(xué)工業(yè)概述化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟重要的基礎(chǔ)工業(yè)，是工業(yè)經(jīng)濟中最具活力，有待開發(fā)且競爭力極強的一個部門。1-1化學(xué)工業(yè)的重要性2024/2/187化學(xué)工程基礎(chǔ)為農(nóng)業(yè)提供化肥、農(nóng)藥等農(nóng)用生產(chǎn)資料；為輕紡、建材、冶金、國防、軍工及其他行業(yè)提供各種配套原材料；為微電子、信息、生物工程等高科技產(chǎn)業(yè)提供新型化工材料和新產(chǎn)品；為人們的衣、食、住、行提供各種化工產(chǎn)品；…………觸及現(xiàn)代生活的各個角落：2024/2/188化學(xué)工程基礎(chǔ)——

衣食住行化學(xué)工業(yè)人類生存密切相關(guān)——

能源——

國防和科技現(xiàn)代化——

環(huán)保開源節(jié)流2024/2/189化學(xué)工程基礎(chǔ)昨天（始于18世紀(jì)工業(yè)革命）無機化學(xué)工業(yè)1746年英國人羅巴克鉛室法制硫酸1791年法國人路布蘭制堿1861年比利時人索爾維氨堿法1905年德國人哈伯合成氨1941年中國人侯德榜聯(lián)堿法有機化學(xué)工業(yè)1826年從氰酸銨合成尿素19C中葉、20C初利用煤、農(nóng)副產(chǎn)品20C30年代開始石油、天然氣的開發(fā)1-2化學(xué)工業(yè)的發(fā)展2024/2/1810化學(xué)工程基礎(chǔ)

今天（2011年我國）

產(chǎn)品名稱

產(chǎn)量（萬噸）

世界排名

化肥70001

染料761

農(nóng)藥2652

合成橡膠3801

乙烯18502三廢占排放總量份額排名廢渣8-10％9廢水20-30％2廢氣5-7％32024/2/1811化學(xué)工程基礎(chǔ)

明天（發(fā)展趨勢）以信息技術(shù)為先導(dǎo)以新材料技術(shù)為基礎(chǔ)以新能源技術(shù)為支柱微觀尺度向生物技術(shù)開拓宏觀尺度向空間和海洋擴展化學(xué)工業(yè)不再局限于傳統(tǒng)的化工領(lǐng)域，與這六大技術(shù)滲透結(jié)合。2024/2/1812化學(xué)工程基礎(chǔ)材料工程高分子功能材料、陶瓷、納米材料、富勒碳能源化工發(fā)展煤化工（潔凈煤技術(shù)）環(huán)境化工

CO2化學(xué)環(huán)境工程清潔生產(chǎn)

直接氧化法:氯乙醇法

發(fā)展趨勢環(huán)氧乙烷2024/2/1813化學(xué)工程基礎(chǔ)生物工程生物學(xué)化學(xué)工程學(xué)生物技術(shù)生化工程化學(xué)工程生物化學(xué)e.g.

將淀粉酶基因克隆到酵母菌中發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，時間縮短了十分之九，能量消耗減少了60％。2024/2/1814化學(xué)工程基礎(chǔ)1-3化學(xué)工業(yè)的特點與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān)世界面臨著三大挑戰(zhàn)：人口增長、環(huán)境污染和能源短缺。原料路線、工藝路線和產(chǎn)品品種的多樣性化學(xué)工業(yè)屬于技術(shù)密集型和能源密集型產(chǎn)業(yè)提倡采用新工藝、新設(shè)備，提高物料的綜合利用，降低能耗。2024/2/1815化學(xué)工程基礎(chǔ)1-4化學(xué)工業(yè)的分類美國：

按照美國標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)分類手冊（SIC）確定的分類法，化學(xué)工業(yè)包括：生產(chǎn)基本化工產(chǎn)品的企業(yè)以化學(xué)方法為主進(jìn)行產(chǎn)品加工的企業(yè)中國：基本化學(xué)工業(yè)化肥工業(yè)石油化學(xué)工業(yè)其他化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè)包括：2024/2/1816化學(xué)工程基礎(chǔ)1-5化工生產(chǎn)工藝及流程化工生產(chǎn)過程：有目的的使原料經(jīng)過一系列的化學(xué)或物理變化，以獲得產(chǎn)品的工業(yè)過程，也稱為化工生產(chǎn)，或化工生產(chǎn)過程。原料（1）預(yù)處理

（2）

反應(yīng)

（3）后處理產(chǎn)品基本化工生產(chǎn)過程2024/2/1817化學(xué)工程基礎(chǔ)例如:可見，一個化工過程往往包含幾個或幾十個加工過程。合成氣（CO，H2，CO2）→輸送→管式反應(yīng)器→粗甲醇→冷卻→精餾→精甲醇（99.85~99.95%）甲醇的生產(chǎn)：原料油（甲苯、二甲苯）、H2→輸送→加熱→反應(yīng)器→減壓蒸餾塔→精餾→苯（99.992~99.999%）苯的生產(chǎn)：2024/2/1818化學(xué)工程基礎(chǔ)化工生產(chǎn)過程化學(xué)反應(yīng)過程物理處理過程化工生產(chǎn)的核心

原料的預(yù)處理

產(chǎn)品的加工（單元操作）2024/2/1819化學(xué)工程基礎(chǔ)單元操作：化工生產(chǎn)中除化學(xué)反應(yīng)單元以外的所有物理性操作。固體和流體物料輸送物料的加熱和冷卻非均相混合物料的分離液體混合物料的蒸發(fā)、蒸餾和萃取氣體物料的吸收物料的干燥和冷卻單元操作的結(jié)果只改變物料的物理性質(zhì)化工生產(chǎn)過程就是由若干單元操作和反應(yīng)過程按一定順序組合而成2024/2/1820化學(xué)工程基礎(chǔ)流程圖描述從物料開始，經(jīng)過一系列按一定順序并相互銜接的單元操作和反應(yīng)過程，生產(chǎn)合格產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過程稱為化工工藝流程。用圖表示的化工工藝流程稱為化工工藝流程圖。工藝流程框圖、裝置流程圖、管線圖、帶控制點的流程圖等。類型有：2024/2/1821化學(xué)工程基礎(chǔ)尿素生產(chǎn)工藝流程框圖2024/2/1822化學(xué)工程基礎(chǔ)尿素生產(chǎn)流程簡圖2024/2/1823化學(xué)工程基礎(chǔ)乙烯苯V101苯乙烯氣相烷基化生產(chǎn)流程簡圖P101R101T101T102V103E101E103E104產(chǎn)品副產(chǎn)物V101E102V102填料催化劑塔板2024/2/1824化學(xué)工程基礎(chǔ)e.g.a.攪拌

化學(xué)實驗與化工生產(chǎn)過程比較b.放大效應(yīng)c.加料D→10DV（容積）?S（傳熱器壁面積）?1-5實驗室研究與化工過程開發(fā)2024/2/1825化學(xué)工程基礎(chǔ)項目化學(xué)實驗化工生產(chǎn)

原料數(shù)量少、純度高、配比嚴(yán)格、易儲存、無需預(yù)處理量大，因來源不同、價格不一、純度不同，故使用前需預(yù)處理

工藝操作簡單、變更容易、可以精密控制反應(yīng)條件，無物料返回利用問題操作復(fù)雜，不易隨意變更，單元操作控制難度大，雜質(zhì)易積累，中間檢測多

設(shè)備以玻璃器皿為主，防腐，易清洗要求設(shè)備強度高、耐腐蝕，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，清洗、操作難

產(chǎn)品量少，易采集，通常無需分離量大，需專門的分離與精制過程公用工程簡單易行，無需專門設(shè)施需供水、供氣、供電、動力等設(shè)施環(huán)境保護三廢排放量少，易于處理，無需專用設(shè)施三廢排放量大，必須通過專用設(shè)施予以治理2024/2/1826化學(xué)工程基礎(chǔ)實驗室工業(yè)過程直接過渡想一想是否可行?2024/2/1827化學(xué)工程基礎(chǔ)舉例說明：萘鄰苯二甲酸酐+Q催化劑氧化實驗室化工生產(chǎn)催化劑升溫活化電加熱空氣預(yù)熱至活化溫度，通入少量反應(yīng)物量催萘反應(yīng)溫度控制外加熱冷卻即：1.量上少多2.傳質(zhì)、傳熱及材質(zhì)上的差別3.能源、動力及技術(shù)與經(jīng)濟上的差別1-20g0.04-0.8g·h-110-30噸400-1200kg·h-12024/2/1828化學(xué)工程基礎(chǔ)萘〔O〕鄰苯二甲酸酐+Q實驗室反應(yīng)器加熱工業(yè)反應(yīng)器冷卻2024/2/1829化學(xué)工程基礎(chǔ)

從實驗室研究到工業(yè)生產(chǎn)實驗室成果能否進(jìn)行工業(yè)化的四個要求:對環(huán)境無危害

技術(shù)上可靠

經(jīng)濟上可行生產(chǎn)上安全2024/2/1830化學(xué)工程基礎(chǔ)第一章化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程

§1.1化學(xué)工業(yè)概述

§1.2化學(xué)工程學(xué)

§1.3物料衡算與能量衡算化學(xué)工程基礎(chǔ)1887年，英國人David.G.E.在曼徹斯特工學(xué)院做了一系列化學(xué)工程問題的講演；1888年，美國麻省理工學(xué)院，世界上第一次講授“化學(xué)工程”這門課程；1915年，利特爾Little.A.D.提出了單元操作（UnitOperation）的概念；1923年，第一本化學(xué)工程教科書《PrinciplesofChemicalEngineering》；§1.2化學(xué)工程學(xué)科2024/2/1832化學(xué)工程基礎(chǔ)1957年，正式提出了“化學(xué)反應(yīng)工程”（ChemicalReactionEngineering）20世紀(jì)60年代后期，計算機用于化學(xué)工程以解決最優(yōu)規(guī)劃，最優(yōu)設(shè)計─“化工系統(tǒng)工程”1983年在美國化學(xué)工程師學(xué)會（AICHE）第75周年年會上，把化學(xué)工程定義為“經(jīng)濟地開發(fā)利用物質(zhì)和能量的方法為人類造福的工學(xué)”。2024/2/1833化學(xué)工程基礎(chǔ)

化工生產(chǎn)寫實19世紀(jì)90年代化學(xué)工藝學(xué)或工業(yè)化學(xué)單元操作（物理過程）抽象1923年化學(xué)反應(yīng)工程單元過程（化學(xué)過程）化工系統(tǒng)工程傳遞過程1960年抽象計算機20世紀(jì)60年代2-1學(xué)科的發(fā)展2024/2/1834化學(xué)工程基礎(chǔ)2-2化學(xué)工程學(xué)科的內(nèi)容單元操作

固體和流體物料輸送、加熱和冷卻、蒸發(fā)、吸收、蒸餾、萃取、干燥等基本操作的總稱。傳遞過程

“三傳”：動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞化學(xué)反應(yīng)工程

研究理想反應(yīng)器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的一些共同規(guī)律化工熱力學(xué)

研究化工過程中各種形式能量之間的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律和過程趨于平衡的條件化工系統(tǒng)工程

以化工系統(tǒng)為研究對象，從整體目標(biāo)出發(fā)確定最優(yōu)決策2024/2/1835化學(xué)工程基礎(chǔ)化工化學(xué)工藝化學(xué)工業(yè)化學(xué)工程化工過程單元操作傳遞過程化學(xué)反應(yīng)工程化工熱力學(xué)過程系統(tǒng)工程生產(chǎn)的原料路線生產(chǎn)方法、技術(shù)操作程序物料走向相關(guān)單元操作設(shè)備的組合動量、熱量、質(zhì)量傳遞的總稱研究化工過程中各種狀態(tài)變化、能量轉(zhuǎn)化和能量有效利用包括系統(tǒng)分析、系統(tǒng)模擬、系統(tǒng)綜合和系統(tǒng)優(yōu)化等化學(xué)品具體生產(chǎn)過程或技術(shù)“化工原理“研究：工業(yè)生產(chǎn)的共同規(guī)律指導(dǎo)：生產(chǎn)工藝的設(shè)計2024/2/1836化學(xué)工程基礎(chǔ)二.研究方法實驗研究法測試技術(shù)實驗規(guī)劃數(shù)據(jù)處理數(shù)學(xué)模型法過程分析數(shù)學(xué)描述檢驗與修正2024/2/1837化學(xué)工程基礎(chǔ)第一章化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程

§1.1化學(xué)工業(yè)概述

§1.2化學(xué)工程學(xué)

§1.3物料衡算與能量衡算化學(xué)工程基礎(chǔ)§1.3物料衡算和熱量衡算1.物料衡算：也稱質(zhì)量衡算，其依據(jù)是質(zhì)量守恒定律。它反映一個過程中原料、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等之間的關(guān)系，即進(jìn)入的物料量必等于排出的物料量和過程中的積累量。輸入物料的總量＝排出物料的總量＋過程積累的總量2024/2/1839化學(xué)工程基礎(chǔ)積累M∑M入∑M出系統(tǒng)物料衡算示意圖物料衡算式：

∑M入＝∑M出＋M連續(xù)穩(wěn)定流動：∑M入＝∑M出2024/2/1840化學(xué)工程基礎(chǔ)進(jìn)行物料衡算時，必須明確下面幾點：1.首先要確定衡算的系統(tǒng)，即衡算對象包括的范圍。2.其次要確定衡算的基準(zhǔn)。3.然后確定衡算的對象。4.最后還要確定衡算對象的物理量及單位?；瘜W(xué)工程基礎(chǔ)精餾塔原料液含乙醇5％10噸/時乙醇產(chǎn)品含乙醇95％含乙醇0.1％廢水例1-1每小時有10噸5％的乙醇水溶液進(jìn)入精餾塔，塔頂餾出的產(chǎn)品中含乙醇95％，塔底排出的廢水中含乙醇0.1％。求每小時可得產(chǎn)品多少噸？若廢水全部排放，每年（按操作7200小時計）損失的乙醇多少噸？解：已知：原料液流量及其中乙醇含量產(chǎn)品和廢水中乙醇含量求：產(chǎn)品和廢水流量分析：兩個未知量，需列出兩個物料衡算方程求解！化學(xué)工程基礎(chǔ)包含精餾塔在內(nèi)的虛線框a.物流的流量b.物流中乙醇的量確定：衡算范圍：衡算對象：衡算基準(zhǔn)：單位時間：小時設(shè)：產(chǎn)品流量為X噸/時、廢水流量為Y噸/時。由物料衡算式：∑M入＝∑M出對物流的量進(jìn)行衡算：10＝X+Y對乙醇的量進(jìn)行衡算：10×5％＝X×95％+Y×0.1％X＝0.516噸/時Y＝9.484噸/時每年損失乙醇：9.484×0.1％×7200＝68.28

噸/年化學(xué)工程基礎(chǔ)2.能量衡算（能量守恒定律）依據(jù)：能量守恒定律目的：計算單位產(chǎn)品的能耗了解過程中能量的利用和損失情況確定生產(chǎn)過程中需要輸入、輸出的熱量設(shè)計換熱設(shè)備2024/2/1844化學(xué)工程基礎(chǔ)積累Q∑Q入∑Q出系統(tǒng)能量衡算示意圖無反應(yīng)熱效應(yīng)：系統(tǒng)累積能量=輸入能量–輸出能量伴隨反應(yīng)熱效應(yīng)：系統(tǒng)累積能量=輸入能量–輸出能量

+反應(yīng)放出（+）或吸收（-）的能量2024/2/1845化學(xué)工程基礎(chǔ)過程速率溫差、濃度差能量衡算式：

∑Q入＝∑Q出＋Q積累穩(wěn)定的連續(xù)性操作：∑Q入＝∑Q出化工熱力學(xué)上，常用“焓”表示物料所處的熱狀態(tài)∑(w·H)入＝∑(w·H)出＋Qw

：物料的質(zhì)量或質(zhì)量流量；H

：焓能量衡算基準(zhǔn)：數(shù)量基準(zhǔn)、溫度基準(zhǔn)、相態(tài)基準(zhǔn)2024/2/1846化學(xué)工程基礎(chǔ)例1-2在一列管式熱交換器中用壓強為136kPa的飽和蒸汽加熱298K的冷空氣，蒸汽的流量為0.01kg/s，空氣的流量為1kg/s。冷凝水在飽和溫度381K下排出。若取空氣的平均比熱為1.005kJ/(kg·K)，試計算空氣的出口溫度（熱損失忽略不計）。熱空氣

T冷空氣298K1kg/s加熱蒸汽381K冷凝水熱交換器381K0.01kg/s解：分析：只有一個未知變量，只需列一個能量衡算方程即可求解。關(guān)鍵問題是確定能量衡算的基準(zhǔn)！化學(xué)工程基礎(chǔ)能量衡算基準(zhǔn)：數(shù)量基準(zhǔn)：溫度基準(zhǔn)：以單位時間內(nèi)物流量為基準(zhǔn)加熱蒸汽：0.01kg/s；冷空氣：1kg/s

以進(jìn)口冷空氣的溫度為基準(zhǔn)：298K取H冷空氣＝0w冷空氣·H冷空氣＋w蒸汽·H蒸汽進(jìn)入系統(tǒng)熱量離開系統(tǒng)熱量整理得：w蒸汽(H蒸汽－H冷凝水)＝w冷空氣(H熱空氣－H冷空氣)由能量衡算式得：∑(w·H)入＝∑(w·H)出＋Q=w冷空氣·H熱空氣＋w蒸汽·H冷凝水化學(xué)工程基礎(chǔ)查飽和水蒸汽表，得到136kPa、381K條件下的物性數(shù)據(jù)：H蒸汽＝2690kJ/kg

H冷凝水＝452.9kJ/kg

H冷空氣＝0H熱空氣＝Cp

·△t=Cp

·(T-298)0.01×(2690-452.9)＝1×[1.005×(T-298)]T=320.3K將數(shù)據(jù)代入上式得：化學(xué)工程基礎(chǔ)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：物性數(shù)據(jù)過程參數(shù)：控制生產(chǎn)過程的指標(biāo)無量綱量：由各種變量和參數(shù)組成的數(shù)群3.單位制與單位換算國際單位制（SI）TheInternationalSystemofUnits化工數(shù)據(jù)的分類SI單位SI單位的十進(jìn)倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位SI基本單位SI導(dǎo)出單位SI詞頭SI輔助單位2024/2/1850化學(xué)工程基礎(chǔ)SI基本單位和輔助單位量的名稱單位名稱國際符號基本單位長度米metrem質(zhì)量千克kilogramkg時間秒seconds電流安[培]AmpereA熱力學(xué)溫度開[爾文]KelvinK發(fā)光強度坎[德拉]CandelaCd物質(zhì)的量摩[爾]molemol輔助單位平面角弧度radianrad立體角球面角steradiansr化學(xué)工程基礎(chǔ)化工中常用的SI導(dǎo)出單位量的名稱單位名稱單位符號用SI基本單位表示的單位面積平方米m2m2體積立方米m3m3速度米每秒m/sm/s密度千克每立方米kg/m3kg/m3濃度摩爾每立方米mol/m3mol/m3力牛[頓]Nkg·m/s2壓強，應(yīng)力帕[斯卡]Pa(=N/m2)kg/(m·s2)化學(xué)工程基礎(chǔ)化工中常用的SI導(dǎo)出單位量的名稱單位名稱單位符號用SI基本單位表示的單位能，功，熱量焦[耳]J(=N·m)kg·m2/s2功率瓦[特]W(=J/s)kg·m2/s3粘度帕[斯卡]秒Pa·skg/(m·s)擴散系數(shù)平方米/秒m2/sm2/s熱容，熵焦[耳]每開[爾文]J/Kkg·m2/(s2·K)導(dǎo)熱系數(shù)瓦[特]每米開[爾文]W/(m·K)kg·m/(s3·K)傳熱系數(shù)瓦[特]每平方米開[爾文]W/(m2·K)kg/(s3·K)化學(xué)工程基礎(chǔ)SI詞頭表示的因數(shù)詞頭名稱詞頭符號1018艾[可薩]E1015拍[它]P1012太[拉]T109吉[咖]G106兆M103千k102百h101十da表示的因數(shù)詞頭名稱詞頭符號10-1分d10-2厘c10-3毫m10-6微μ10-9納[諾]n10-12皮[可]P10-15飛[母托]f10-18阿[托]a化學(xué)工程基礎(chǔ)SI單位的十進(jìn)倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位：把SI詞頭加在SI單位前就構(gòu)成了SI單位的十進(jìn)倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位。如，壓強單位MPa，力的單位kN。原則：詞頭不可重疊使用m

m

(毫微米)nm(納米)：10-9m化學(xué)工程基礎(chǔ)單位換算：例一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1atm)的壓力等于1.033kgf/cm2，(kgf：千克力)，將其換算成SI單位。解：kgfNcm2m2換算關(guān)系：1千克力—質(zhì)量為1千克