化學工程基礎(chǔ)

1、化學工程基礎(chǔ)Fundamentals of Chemical Engineering,河南理工大學物理化學學院張大峰Tel: 13513820267E-mail: dfzhang@hpu.edu.cn,2024/3/21,2,規(guī) 則：,遵守課堂紀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％,學時：40 + 12教材內(nèi)容講

2、解：2 ~ 11周實驗部分：平時空閑（周末等），2個考試：17周（暫定）,2024/3/21,3,課程進度安排：,2024/3/21,4,參考書,化工原理. 姚玉英主編. 天津科學技術(shù)出版社化學工程基礎(chǔ). 武漢大學主編. 高等教育出版社化學工程基礎(chǔ). 林愛光編. 清華大學出版社化學工程基礎(chǔ). 李德華編. 化學工業(yè)出版社化學工程基礎(chǔ)學習指引和習題解答. 林愛光編. 清華大學出版社化學工程基礎(chǔ)學習指導(dǎo). 楊國泰等編. 化學工業(yè)

3、出版社,2024/3/21,5,主講章節(jié),第一章 化學工業(yè)與化學工程 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,第一章 化學工業(yè)與化學工程,§1.1 化學工業(yè)概述 §1.2 化學工程學 §1.3 物料衡算與能量衡算,2024/3/21,7,§1.1 化學工業(yè)概述,化學工業(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

4、力，有待開發(fā)且競爭力極強的一個部門。,1-1 化學工業(yè)的重要性,2024/3/21,8,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：,2024/3/21,9,—— 衣食住行,化學工業(yè),,人類生存密切相關(guān),—— 能源,—— 國防和科技現(xiàn)代化,——

5、 環(huán)保,,,開源節(jié)流,2024/3/21,10,昨天（始于18 世紀工業(yè)革命）,1-2 化學工業(yè)的發(fā)展,2024/3/21,11,今天（2011年我國）,2024/3/21,12,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。,2024/3/21,13,材料工程 高分子功能材料、陶瓷、納米材料

6、、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 環(huán)境工程 清潔生產(chǎn),發(fā)展趨勢,環(huán)氧乙烷,2024/3/21,14,生物工程,,,,生物學,化學,工程學,生物技術(shù),生化工程,化學工程,生物化學,,,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％。,,2024/3/21,15,1-3 化學工業(yè)的特點,與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān) 世界

7、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。,2024/3/21,16,1-4 化學工業(yè)的分類,2024/3/21,17,1-5 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。,基本化工生產(chǎn)過程,2024/3/21,1

8、8,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)：,2024/3/21,19,化工生產(chǎn)過程,,化學反應(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）,2024/3/21,20,單元操作：化工生產(chǎn)中除化學反應(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

9、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,2024/3/21,21,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：,20

10、24/3/21,22,,尿素生產(chǎn)工藝流程框圖,2024/3/21,23,尿素生產(chǎn)流程簡圖,2024/3/21,24,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,乙烯,苯,V101,苯乙烯氣相烷基化生產(chǎn)流程簡圖,P101,R101,T101,T102,V103,E101,E103,E104,產(chǎn)品,副產(chǎn)物,,,,,,,,,V101,,,,,E102,V102,填料,催化劑,塔板,,,,2024/3/

11、21,25,e.g. a. 攪拌,化學實驗與化工生產(chǎn)過程比較,b. 放大效應(yīng),c. 加料,D →10 D,V（容積）?,S（傳熱器壁面積）?,1-5 實驗室研究與化工過程開發(fā),2024/3/21,26,2024/3/21,27,實驗室,工業(yè)過程,直接過渡,想 一 想,,是否可行 ?,2024/3/21,28,舉例說明：,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

12、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 - 20 g,0.04 - 0.8 g·h-1,10 - 30 噸,400 - 1200 kg·h-1,2024/3/21,29,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,2024/3/21,30,從實驗室研究到工業(yè)生產(chǎn),實驗室成果能否進行工業(yè)化的四個要求:,對環(huán)境無

13、危害,技術(shù)上可靠,經(jīng)濟上可行,生產(chǎn)上安全,第一章 化學工業(yè)與化學工程,§1.1 化學工業(yè)概述 §1.2 化學工程學 §1.3 物料衡算與能量衡算,2024/3/21,32,1887 年，英國人David. G. E . 在曼徹斯特工學院做了一系列化學工程問題的講演；1888 年，美國麻省理工學院，世界上第一次講授“化學工程”這門課程；1915 年，利特爾Little. A. D. 提出了單元

14、操作（Unit Operation）的概念；1923 年，第一本化學工程教科書《Principles of Chemical Engineering》；,§1.2 化學工程學科,2024/3/21,33,1957 年，正式提出了“化學反應(yīng)工程”（Chemical Reaction Engineering）20 世紀 60 年代后期，計算機用于化學工程以解決最優(yōu)規(guī)劃，最優(yōu)設(shè)計─“化工系統(tǒng)工程”1983 年在美國化學工程師學

15、會（AICHE）第 75 周年年會上，把化學工程定義為“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”。,2024/3/21,34,,化工生產(chǎn),化學工藝學或工業(yè)化學,單元操作（物理過程）,化學反應(yīng)工程,,,單元過程（化學過程）,,化工系統(tǒng)工程,傳遞過程,2-1學科的發(fā)展,2024/3/21,35,2-2 化學工程學科的內(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

16、 “三傳”： 動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞化學反應(yīng)工程 研究理想反應(yīng)器內(nèi)化學反應(yīng)的一些共同規(guī)律化工熱力學 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，從整體目標出發(fā)確定最優(yōu)決策,2024/3/21,36,化工,,化學工藝,化學工業(yè),化學工程,化工過程,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

17、、系統(tǒng)模擬、系統(tǒng)綜合和系統(tǒng)優(yōu)化等,2024/3/21,37,二. 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)學模型法,,過程分析,數(shù)學描述,檢驗與修正,第一章 化學工業(yè)與化學工程,§1.1 化學工業(yè)概述 §1.2 化學工程學 §1.3 物料衡算與能量衡算,2024/3/21,39,§1.3 物料衡算和熱量衡算,輸入物料的總量 ＝ 排出物料的總量＋過程積累的總量,,202

18、4/3/21,40,物料衡算式： ∑M入 ＝ ∑M出 ＋ M,連續(xù)穩(wěn)定流動：∑M入 ＝ ∑M出,進行物料衡算時，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。,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。,例1-1 每小時有10 噸 5％ 的乙醇水溶液進入精餾塔，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

19、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！,,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,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。,X ＝0.516 噸/時 Y ＝9.484 噸/時,2024/3/21,44,

20、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,2024/3/21,45,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,2024/3/21,46,能量衡算式： ∑Q入 ＝ ∑Q出 ＋ Q積累

21、,穩(wěn)定的連續(xù)性操作：∑Q入 ＝ ∑Q出,例1-2 在一列管式熱交換器中用壓強為 136 kPa 的飽和蒸汽加熱 298 K 的冷空氣，蒸汽的流量為 0.01 kg/s，空氣的流量為 1 kg/s。冷凝水在飽和溫度 381 K下排出。若取空氣的平均比熱為 1.005 kJ/(kg·K)，試計算空氣的出口溫度（熱損失忽略不計）。,離開系統(tǒng)熱量,= w冷空氣·H熱空氣＋w蒸汽·H冷凝水,查飽和水蒸汽表，得到

22、136 kPa、381K 條件下的物性數(shù)據(jù)：,H蒸汽 ＝ 2690 kJ/kg H冷凝水 ＝ 452.9 kJ/kg H冷空氣 ＝ 0 H熱空氣 ＝ Cp · △t = Cp · (T-298),2024/3/21,50,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）The Internatio

23、nal System of Units,化工數(shù)據(jù)的分類,,SI 單位,SI 單位的十進倍數(shù)和分數(shù)單位,,SI 基本單位,SI 導(dǎo)出單位,SI 詞頭,SI 輔助單位,SI 基本單位和輔助單位,化工中常用的SI 導(dǎo)出單位,化工中常用的SI 導(dǎo)出單位,,SI 詞頭,,SI 單位的十進倍數(shù)和分數(shù)單位：,把 SI 詞頭加在 SI單位前就構(gòu)成了 SI單位的十進倍數(shù)和分數(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

24、 (毫微米),,nm (納米)：10-9 m,單位換算：,例 一標準大氣壓 (1 atm) 的壓力等于1.033 kgf/cm2 ，(kgf：千克力)，將其換算成 SI單位。,由題給條件：,,方法1：將單位之間的換算關(guān)系引入等式中進行計算，使分子、分母的單位相消后，剩下的單位與所求單位一致。,例1-5 通用氣體常數(shù) R＝82.06 atm·cm3/(mol·K)，將其換算成國際單位：kJ/(kmol·K

25、) 表示。,解：,方法2：將復(fù)合單位所包含的簡單單位逐一按要求替換，最后化成所要求的單位形式。,,2024/3/21,59,2024/3/21,60,長度 (m) 質(zhì)量 (kg) 時間 (s) 物質(zhì)的量 (mol) 電流 (A) 熱力學溫度 (K) 【開爾文】 發(fā)光強度 (cd) 【坎德拉】,七個基本單位：,2024/3/21,61,化學不斷發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的新物質(zhì),,產(chǎn)品,化工過程,化學反應(yīng),有經(jīng)濟價值的商業(yè)產(chǎn)品,

26、化學工程,化學工業(yè),,國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè),世界化工產(chǎn)品的總銷售額(年),--- 超過萬億美元,,2024/3/21,62,,酸處理,,,,,,,,,,,,,,,,,過濾器,一級NF,二級NF,,截流水,脫碳器,氯處理,石灰處理,,產(chǎn)品水,水的納濾軟化流程,2024/3/21,63,例：,蒸發(fā)器,,,,,,,,冷卻結(jié)晶器,20％KNO31000 kg/h,,水 W ?,S50％,R ?,P ?,96％,37.5％,首先要確定衡算對象,

27、,,F,F = W + P F×0.2 = W×0 + P×0.96,S = R + PS×0.5 = R×0.375 + P×0.96,,,,W 、 P,,R,2024/3/21,64,大作業(yè)：,任選一種化工產(chǎn)品，介紹其典型合成工藝,要求：形式：制作ppt課件，時間約5 min分組：3人一組（為方便，按學號順序分組）上交時間：第九周周三下課之前