化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程

1、2024/3/18,緒 論,,,,2024/3/18,第一章 化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程,4、20世紀(jì)初，合成氨技術(shù)的問世，標(biāo)志著化學(xué)工業(yè)發(fā)展到一個(gè)新階段。,,,,,?1 化學(xué)工業(yè)發(fā)展概況,1、公元前2000多年前，最早化學(xué)工藝為制陶、冶煉、釀造、漂染、揉革等，規(guī)模小、技術(shù)簡(jiǎn)單，作坊式生產(chǎn)。,2、18世紀(jì)中期，紡織業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化 ，出現(xiàn)以食鹽和硫酸為原料制純堿的路布蘭法-----里程碑,1-1 化學(xué)工業(yè)概述,3、19世

2、紀(jì)中葉，出現(xiàn)了氨堿法制堿的索爾維法。隨后，電解法制堿問世，,5、20世紀(jì)初汽油的需求量增大，促進(jìn)了煉油技術(shù)發(fā)展，重整、裂解等工藝的開發(fā)，提供了豐富的基本有機(jī)化工原料。,2024/3/18,7、20世紀(jì)80年代以來，化工產(chǎn)品品種多樣化、功能化、精細(xì)化成為化學(xué)工業(yè)的起點(diǎn)，化學(xué)工業(yè)由發(fā)展基礎(chǔ)化工轉(zhuǎn)向重點(diǎn)發(fā)展精細(xì)化工。,,,,,?1 化學(xué)工業(yè)發(fā)展概況,6、 20世紀(jì)中葉，塑料、合成纖維、合成橡膠三大合成材料的原料幾乎全部來自石油化工。引發(fā)了化

3、工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革，帶動(dòng)了精細(xì)化工的發(fā)展。,1-2 我國(guó)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步,1-3 化學(xué)工業(yè)分類,產(chǎn)物組成：無機(jī)化學(xué)工業(yè)、有機(jī)化學(xué)工業(yè),原料資源：煤炭化學(xué)工業(yè)、石油化學(xué)工業(yè)、農(nóng)產(chǎn)化學(xué)工業(yè),世界上：產(chǎn)品的性質(zhì)、用途及加工過程相似原則,我國(guó)：行業(yè)劃分、產(chǎn)品劃分 P4,2024/3/18,1、特點(diǎn),,,,,?1 化學(xué)工業(yè)發(fā)展概況,1-4 化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì),2、現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),A、生產(chǎn)規(guī)模大型化,B、原料的生

4、產(chǎn)方法的多樣化,C、產(chǎn)品的精細(xì)化和專業(yè)化,A、 與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān),人口增長(zhǎng)、環(huán)境污染和能源短缺三大挑戰(zhàn),B、 原料路線、工藝路線和產(chǎn)品品種的多樣性,C、 技術(shù)密集型和能源密集型,D、生產(chǎn)過程的節(jié)能與綠色化,2024/3/18,?2 化學(xué)工程基礎(chǔ)課程簡(jiǎn)介,化學(xué)反應(yīng)和若干個(gè)單元操作串聯(lián)而成 化學(xué)工程基礎(chǔ)——研究各個(gè)獨(dú)立的單元操作,,,,,化學(xué)工程的研究對(duì)象

5、 ——單元操作（Unit Operations）(1) 單元操作的概念,原料的預(yù)處理 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng) 反應(yīng)產(chǎn)物的分離與提純,單元操作,原料的預(yù)處理 反應(yīng)產(chǎn)物的分離與提純,——化工生產(chǎn)中共有的物理操作,2024/3/18,2）單元操作的特點(diǎn)　①所有的單元操作都是物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或物理性質(zhì)，并不改變化學(xué)性質(zhì)。 ②單元操作是化工生產(chǎn)過程中共有的操作，只是不同的化工生產(chǎn)中所包含的單元操作數(shù)目、名稱與排列順

6、序不同。 ③單元操作作用于不同的化工過程時(shí)，基本原理相同，所用的設(shè)備也是通用的。,,,,2024/3/18,,,,,,3）單元操作的分類根據(jù)單元操作所遵循的基本規(guī)律，分為三類（三傳）流體動(dòng)力過程,——遵循流體動(dòng)力基本規(guī)律，用 動(dòng)量 傳 遞理論研究,如：流體輸送、沉降、過濾、固體流態(tài)化,熱過程,——遵循傳熱基本規(guī)律，用熱量傳遞理論研究,如：傳熱、冷凝、蒸發(fā)等,傳質(zhì)過程,——遵循傳質(zhì)基本規(guī)律，用 質(zhì)量 傳遞理

7、論研究,如：蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶、干燥等,2024/3/18,2. 化學(xué)工程原理學(xué)科性質(zhì)與研究方法,1）學(xué)科性質(zhì)——工程學(xué)科 用自然科學(xué)的基本原理來分析和處理化工生產(chǎn)中的物理過程 2）研究方法——工程方法 因次分析法 數(shù)學(xué)模型法 參數(shù)綜合法 當(dāng)量法 類比法,,,,——直管湍流阻力——雙膜模型的建立——過濾常數(shù)——當(dāng)量直徑、當(dāng)量長(zhǎng)度等——?jiǎng)恿?、熱量、質(zhì)量傳遞的類

8、似律,2024/3/18,3. 化學(xué)工程原理的學(xué)習(xí)方法 發(fā)展：如何根據(jù)某個(gè)物理或物理化學(xué)原理開發(fā)成為一個(gè)單元操作，尋本求源。 選擇：為了達(dá)到或?qū)崿F(xiàn)某一工程目的，能否對(duì)過程和設(shè)備作合理的選擇和組合。,設(shè)計(jì)：對(duì)已掌握了性能的過程和設(shè)備作直接的設(shè)計(jì)計(jì)算以及對(duì)性能不十分掌握的過程和設(shè)備通過必要的試驗(yàn)，測(cè)取設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，做逐級(jí)放大。 操作：如何根據(jù)基本原理發(fā)現(xiàn)操作上可能出現(xiàn)的各種不正?，F(xiàn)象，尋找其原因及可能采取的

9、調(diào)節(jié)措施。,2024/3/18,? 3 化學(xué)工程處理問題的方法,物料衡算 依據(jù)——質(zhì)量守恒定律 輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量等于從系統(tǒng)輸出的物料質(zhì)量和系統(tǒng)中積累的物料質(zhì)量。,——物料衡算的通式,2024/3/18,定態(tài)過程，積累為零。則：,,,,衡算的系統(tǒng),,整個(gè)生產(chǎn)過程某一設(shè)備,系統(tǒng)中的所有物料某一個(gè)組分,衡算的對(duì)象,,例,2024/3/18,,,,例：在兩個(gè)蒸發(fā)器中，每小時(shí)將5000kg的無機(jī)鹽水溶液從12％（質(zhì)量％）濃縮

10、到30%。第二蒸發(fā)器比第一蒸發(fā)器多蒸出5%的水分。試求：（1）各蒸發(fā)器每小時(shí)蒸出水分的量；（2） 第一蒸發(fā)器送出的溶液濃度。,解：首先畫一個(gè)流程圖表示進(jìn)行的過程 用方框表示設(shè)備，輸入輸出設(shè)備的物流方向用箭頭表示。,劃定衡算的范圍 為求各蒸發(fā)器蒸發(fā)的水量，以整個(gè)流程為衡算范圍，用一圈封閉的虛線畫出。,2024/3/18,,,選擇衡算基準(zhǔn)（連續(xù)操作以單位時(shí)間為基準(zhǔn)，間歇操作以一批操作為基準(zhǔn)） 由于

11、連續(xù)操作，以1小時(shí)為基準(zhǔn)。,,,2024/3/18,確定衡算對(duì)象 此題中有兩個(gè)未知數(shù)，蒸發(fā)的水量及送出的NaOH溶液量B，因此，我們就以不同衡算對(duì)象列出兩個(gè)衡算式。 對(duì)鹽作物料衡算：,對(duì)總物料作衡算：,代入已知數(shù)據(jù)，得：,由題意知,2024/3/18,求第一個(gè)蒸發(fā)器送出的溶液濃度，選擇第一個(gè)蒸發(fā)器為衡算范圍。,對(duì)鹽作物料衡算：,對(duì)總物料作衡算：,代入已知數(shù)據(jù)，得：,解得：,2024/3/18,2． 熱量衡算,依據(jù)：能量守

12、恒定律,即任何時(shí)間內(nèi)輸入系統(tǒng)的總熱量等于系 統(tǒng)輸出的總熱量與損失的熱量之和。,——熱量衡算通式,或?qū)懗?2024/3/18,熱量衡算的基本方法與物料衡算的方法相同，也必須首先劃定衡算范圍及衡算基準(zhǔn)。,此外應(yīng)注意焓是相對(duì)值，因此必須指明基準(zhǔn)溫度，習(xí)慣上選0℃為基準(zhǔn)溫度，并規(guī)定0℃時(shí)液態(tài)的焓值為零。,3.過程的平衡和速率,①平衡問題 過程的平衡問題是說明過程進(jìn)行的方向和所能達(dá)到的極限。 平衡是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。,例,2024/3/18

13、,② 速率,過程的速率表示為： 過程的速率＝推動(dòng)力／阻力推動(dòng)力：過程所處的狀態(tài)與平衡狀態(tài)的距離，阻力：過程的阻力是各種因素對(duì)速率影響的總的體現(xiàn)。,過程的速率是指過程由不平衡到平衡進(jìn)行的快慢。,2024/3/18,例：在換熱器里將平均比熱為3.56kJ/（kg·℃）的某溶液自25℃加熱到80℃，溶液流量為1.0kg/s，加熱介質(zhì)為120℃的飽和水蒸氣，其消耗量為0.095kg/s，蒸氣冷凝成同溫度的飽和水

14、排出。試計(jì)算此換熱器的熱損失占水蒸氣所提供熱量的百分?jǐn)?shù)。,解：根據(jù)題意畫出流程圖,,2024/3/18,基準(zhǔn)：1s在圖中虛線范圍內(nèi)作熱量衡算從附錄查出120℃飽和水蒸氣的焓值為278.9kJ/kg，120℃飽和水的焓值為503.67kJ/kg。,在此系統(tǒng)中輸入的熱量：,蒸氣帶入的熱量：,溶液帶入的熱量：,輸出的熱量：,2024/3/18,冷凝水帶出的熱量：,,溶液帶出的熱量：,,,根據(jù)能量衡算式，有：,,熱量損失的百分?jǐn)?shù)=,2024

15、/3/18,三、單位及單位制1.單位及單位 基本量：任意選定的幾個(gè)獨(dú)立的物理量(如長(zhǎng)度,時(shí)間等)。 基本單位：根據(jù)使用方便的原則制定的基本量的單位。 導(dǎo)出量：根據(jù)物理量與基本量之間的關(guān)系來確定的量。 導(dǎo)出單位：導(dǎo)出量的單位稱為導(dǎo)出單位，均由基本單位相乘、除而構(gòu)成的 。 單位制：基本單位與導(dǎo)出單位的總和。,2024/3/18,物理單位制：基本單位：長(zhǎng)度cm/m 質(zhì)量g/kg 時(shí)間s工程單位制：基本單位：長(zhǎng)度cm

16、 力 kgf 時(shí)間s SI單位制：基本單位有7個(gè)，化工中常用的有5個(gè)： 長(zhǎng)度m 、質(zhì)量kg 、時(shí)間s 、溫度K、 物質(zhì)量mol2．單位衡算 已知1atm=1.033kgf/cm2,將其換算成N/m2。 按題意需將kgf/cm2中的單位換算成N，cm2換算成m2,查附錄1：換算關(guān)系為：,2024/3/18,1kgf=9.81N， 1cm=0.01m上述關(guān)系代入 ，得：,3．單位的正

17、確運(yùn)用 理論公式：根據(jù)物理規(guī)律建立的，反映各有關(guān)物理量之間 的關(guān)系，又叫物理方程。 具有單位一致性，只要采用同一單位制的單位 來表示各物理量即可。,2024/3/18,經(jīng)驗(yàn)公式：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理出來的，反映各有關(guān)物理量 的數(shù)字之間的關(guān)系，又叫數(shù)字公式 。 公式中所用的單位一般都是指定的