第一章 化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程(1)

1、化化 學(xué)學(xué) 工工 程程 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)Basis of Chemical Engineering武漢理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院武漢理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院鄭京京鄭京京Telmail：參考書目參考書目1. 化學(xué)工程基礎(chǔ)（第二版） 主編：李德華. 化學(xué)工業(yè)出版社. 2009-052. 化學(xué)工程基礎(chǔ) 主編：羅運(yùn)柏. 化學(xué)工業(yè)出版社. 2007-013. 化工原理（上、下） 主編：夏青等. 天津大學(xué)出版社. 2005-014. Chemical Engineering Science； AIChE J. 授課內(nèi)容授課內(nèi)容1. 化學(xué)工業(yè)及化學(xué)工程化學(xué)工業(yè)及化學(xué)工程 2. 流體流動(dòng)過(guò)程流體流動(dòng)

2、過(guò)程 3. 傳熱傳熱 4. 吸收吸收 5. 精餾精餾 6. 新型分離技術(shù)新型分離技術(shù) 7. 化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué) 學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求： 認(rèn)真聽講認(rèn)真聽講 獨(dú)立思考獨(dú)立思考 按時(shí)完成作業(yè)按時(shí)完成作業(yè)考核方式考核方式：平時(shí)作業(yè)、考勤 10 期中 20 期末考試 （閉卷） 70 化學(xué)與化工的關(guān)系化學(xué)與化工的關(guān)系化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究與化工生產(chǎn)的區(qū)別化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究與化工生產(chǎn)的區(qū)別研究對(duì)象與目的研究對(duì)象與目的工業(yè)化生產(chǎn)開發(fā)過(guò)程工業(yè)化生產(chǎn)開發(fā)過(guò)程 化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè)是以天然物質(zhì)或其他物質(zhì)為原材料，利用這些物質(zhì)的性質(zhì)或形態(tài)變化，或以這些物質(zhì)組合，加工成對(duì)國(guó)計(jì)民生有價(jià)值的化學(xué)產(chǎn)品的一種工業(yè)。 在化學(xué)工業(yè)中，以化學(xué)反應(yīng)

3、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程為核心。 第一章第一章 化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程第一節(jié)第一節(jié) 化學(xué)工業(yè)概述化學(xué)工業(yè)概述 1.1 化學(xué)工業(yè)的重要性及其發(fā)展化學(xué)工業(yè)的重要性及其發(fā)展 化學(xué)工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)工業(yè)?；瘜W(xué)工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)工業(yè)。 1. 為農(nóng)業(yè)提供農(nóng)用生產(chǎn)資料；為農(nóng)業(yè)提供農(nóng)用生產(chǎn)資料； 2. 為其他工業(yè)提供各種配套原材料；為其他工業(yè)提供各種配套原材料； 3. 為高科技產(chǎn)業(yè)提供新型化工材料和新產(chǎn)品；為高科技產(chǎn)業(yè)提供新型化工材料和新產(chǎn)品； 4. 為人們提供各種化工產(chǎn)品和生活用品。為人們提供各種化工產(chǎn)品和生活用品。 1.2 化學(xué)工業(yè)的分類及其特點(diǎn)化學(xué)工業(yè)的分類及其特點(diǎn) 按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)分類手

4、冊(cè)（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)分類手冊(cè)（standard industrial classification， SIC)分類： 1. 基本化工產(chǎn)品；基本化工產(chǎn)品； 2. 進(jìn)一步加工用產(chǎn)品；進(jìn)一步加工用產(chǎn)品； 3. 供最終消費(fèi)的化工產(chǎn)品。供最終消費(fèi)的化工產(chǎn)品。 中國(guó)化學(xué)工業(yè)分類中國(guó)化學(xué)工業(yè)分類（“大化工大化工”）：1. 基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)2. 化肥工業(yè)化肥工業(yè)3. 石油化學(xué)工業(yè)石油化學(xué)工業(yè)4. 其他化學(xué)工業(yè)其他化學(xué)工業(yè) 與化工行業(yè)相關(guān)的部門：石油化工、塑料制品、化學(xué)纖維、煉焦化學(xué)、日用化工、皮革化工業(yè)、醫(yī)藥等?；?工工 行行 業(yè)業(yè)主主 要要 產(chǎn)產(chǎn) 品品 或或 用用 途途化學(xué)礦山磷礦、硫礦、硼礦、礬礦和

5、石灰石礦等酸、堿硫酸、燒堿、純堿無(wú)機(jī)鹽磷酸、碳酸鉀、小蘇打、無(wú)水硫酸鈉、氰化鈉、硫酸鋁、硝酸鈉、氯化鋅、輕質(zhì)碳酸鈣、過(guò)氧化氫、沉淀硫酸鋇等化 肥氮肥（硫酸銨、硝酸銨、尿素、氯化銨、碳酸氫銨、氨水、石灰氮等）、磷肥（普通過(guò)磷酸鈣、鈣鎂磷肥等）、鉀肥化學(xué)農(nóng)藥敵百蟲、樂(lè)果、甲胺磷、殺蟲雙、草甘磷、多菌靈等電 石可作為生產(chǎn)聚氯乙烯、聚乙烯醇、氯丁橡膠、乙酸、乙醛、乙炔黑、雙氰胺、硫脲等工業(yè)的原料熱固性塑料和工程塑料酚醛塑料、氨基塑料、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、聚碳酸酯、聚甲醛、ABS樹脂、尼龍1010、尼龍6、尼龍66、聚砜等合成橡膠順丁橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠等染 料硫化染料、直接染料、酸

6、性染料、活性染料、堿性染料、還原燃料、分散染料、冰染染料、陽(yáng)離子染料等表表1-1 主要化工行業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)品主要化工行業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)品續(xù)表續(xù)表1-1 主要化工行業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)品主要化工行業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)品化化 工工 行行 業(yè)業(yè)主主 要要 產(chǎn)產(chǎn) 品品 或或 用用 途途涂 料天然樹脂漆、酚醛樹脂漆、醇酸樹脂漆、氨基樹脂漆、過(guò)氯乙烯漆、聚酯漆、聚氨酯漆、硝基漆、有機(jī)硅漆等增塑劑鄰苯二甲酸酯、對(duì)苯二甲酸二辛酯、己二酸二辛酯、烷基磺酸苯酯、氯化石蠟、磷酸酯等橡膠加工助劑防老劑、促進(jìn)劑表面活性劑陽(yáng)離子型、陰離子型、非離子型、兩性型等造紙化學(xué)品脫墨劑、助留劑、助濾劑、表面處理劑、漿內(nèi)施膠劑、紙張?jiān)鰪?qiáng)劑、涂布膠粘劑、分

7、散劑等感光材料電影膠片、照相膠片、特種膠片、彩色像紙等磁性記憶材料磁帶、磁盤等橡膠加工輪胎、運(yùn)輸帶、膠管、膠鞋、碳黑等精細(xì)化工產(chǎn)品分類精細(xì)化工產(chǎn)品分類（依據(jù)功能和結(jié)構(gòu)特征）：依據(jù)功能和結(jié)構(gòu)特征）：13類類農(nóng)藥；黏合劑；涂料；染料和顏料；農(nóng)藥；黏合劑；涂料；染料和顏料；表面活性劑和合成洗滌劑；化妝品；表面活性劑和合成洗滌劑；化妝品；塑料、合成纖維和橡膠用助劑；塑料、合成纖維和橡膠用助劑；香料；感光材料；試劑和高純物；香料；感光材料；試劑和高純物；食品和飼料添加劑；石油用化學(xué)品；食品和飼料添加劑；石油用化學(xué)品；造紙用化學(xué)品；功能高分子材料；造紙用化學(xué)品；功能高分子材料；催化劑；生化酶；無(wú)機(jī)精細(xì)化學(xué)

8、品催化劑；生化酶；無(wú)機(jī)精細(xì)化學(xué)品 1.3 化工產(chǎn)品的市場(chǎng)及其前景化工產(chǎn)品的市場(chǎng)及其前景 精細(xì)化工精細(xì)化工已經(jīng)被列入中國(guó) “十二五”期間優(yōu)先發(fā)展的六大領(lǐng)域之一。 功能涂料及水性涂料，染料新品種及其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，重要化工中間體綠色合成技術(shù)及新品種，電子化學(xué)品，高性能水處理化學(xué)品，造紙化學(xué)品，油田化學(xué)品，功能型食品添加劑，高性能環(huán)保型阻燃劑，表面活性劑，高性能橡塑助劑等列為技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)。 趨勢(shì)：趨勢(shì)： 隨著中國(guó)石油化工的蓬勃發(fā)展和化學(xué)工業(yè)由粗放型向精細(xì)化方向發(fā)展，以及高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，精細(xì)化工的創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)技術(shù)顯著提高。 2010年，中國(guó)精細(xì)化工率已達(dá)45，計(jì)劃“十二五”期間，中國(guó)化工產(chǎn)

9、業(yè)總體目標(biāo)及重要任務(wù)是將精細(xì)化工率提升至48。 化學(xué)工業(yè)將會(huì)由傳統(tǒng)工業(yè)過(guò)渡到以新材料、精細(xì)化學(xué)品和專用化學(xué)品、生物技術(shù)為主體的技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)。 精細(xì)化、個(gè)性化、綠色化將是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)、化學(xué)工藝及化學(xué)工程的大趨勢(shì)。化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)：（1）增長(zhǎng)速度快；（2）化工科研和新產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用高；（3）大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)和技術(shù)的復(fù)雜性促使化學(xué)工業(yè)投資加大；（4）化工產(chǎn)品、工藝路線、技術(shù)創(chuàng)造性上競(jìng)爭(zhēng)激烈；（5）新工藝的投入、生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大以及設(shè)備的腐蝕，致使化學(xué)工業(yè)的工廠壽命縮短、報(bào)廢快；（6）在資金足夠的條件下，化工產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的自由度大；（7）運(yùn)輸便利、均相及價(jià)值高的化工產(chǎn)品貿(mào)易有國(guó)際性；（8）化

10、學(xué)工業(yè)與整個(gè)工業(yè)相輔相存，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起支柱作用。第二節(jié)第二節(jié) 化學(xué)工程的發(fā)展趨勢(shì)化學(xué)工程的發(fā)展趨勢(shì) 化學(xué)工程是一門工程技術(shù)學(xué)科，它以物理學(xué)、化學(xué)和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，并結(jié)合工業(yè)經(jīng)濟(jì)基本法則，主要研究化學(xué)工業(yè)中的物理變化和化學(xué)變化過(guò)程及其有關(guān)機(jī)理和設(shè)備的共同規(guī)律，并把這些規(guī)律應(yīng)用到化工裝置的開發(fā)、設(shè)計(jì)、操作、控制、管理、強(qiáng)化以及自動(dòng)化等過(guò)程中，在化工工藝與化工設(shè)備之間起著承上啟下的橋梁和紐帶作用?；瘜W(xué)工程的發(fā)展階段化學(xué)工程的發(fā)展階段： 在20世紀(jì)前的幾百年時(shí)間里，出現(xiàn)了不少化學(xué)工業(yè)，如制糖工業(yè)、制堿工業(yè)、造紙工業(yè)等。介紹每一種工業(yè)從原料到成品的生產(chǎn)過(guò)程，作為一種特殊的知識(shí)講解，這是最早的化學(xué)工程學(xué)。1

11、. 化學(xué)工藝學(xué)階段化學(xué)工藝學(xué)階段2. 單元操作階段單元操作階段 20世紀(jì)初，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，許多門化學(xué)工業(yè)中存在共同的操作原理。例如，無(wú)論是制糖業(yè)還是制堿業(yè)，從溶液蒸發(fā)得到固體糖和固體堿的原理是相同的，于是，蒸發(fā)成為最早提出的單元操作之一。經(jīng)不斷總結(jié)，被稱為單元操作的有：流體流動(dòng)與輸送、沉降與過(guò)濾、固體流態(tài)化、傳熱、蒸發(fā)、蒸餾、吸收、吸附、萃取、干燥、結(jié)晶、膜分離等?；瘜W(xué)工程的發(fā)展階段化學(xué)工程的發(fā)展階段： 到20世紀(jì)50年代，人們又發(fā)現(xiàn)，各單元操作之間還存在著共性。例如，傳熱和蒸發(fā)都是熱量傳遞的形式，蒸餾、吸附、吸收、萃取都是質(zhì)量傳遞的形式。于是，把單元操作歸納為動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。3

12、. 傳遞過(guò)程階段傳遞過(guò)程階段4. “三傳一反三傳一反”階段階段 20世紀(jì)50年代中期，化學(xué)工程中出現(xiàn)了“化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)”這一新的分支。對(duì)化學(xué)反應(yīng)器的研究，不僅要運(yùn)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)原理，而且要運(yùn)用動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞原理。于是 “傳遞過(guò)程” 與 “反應(yīng)工程” 成為當(dāng)今化學(xué)工程學(xué)的兩大支柱。簡(jiǎn)稱 “三傳一反” 階段。 2.1 化學(xué)工程的興起和發(fā)展化學(xué)工程的興起和發(fā)展 1888年美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）以諾頓（L. M. Norton）為首，設(shè)置了應(yīng)用化學(xué)工程教育問(wèn)題研究委員會(huì)，并在歷史上第一次設(shè)置化學(xué)工程課程。 1915年利特爾（A.D. Little）提出“單元操作”（unit opera

13、tion) 的概念。 1923年W.K. Lewis和W.H. McAdams合著了化學(xué)工程第一本教科書化工原理（principles of chemical engineering）。 20世紀(jì)40年代，以合成纖維、合成橡膠和合成塑料三大合成材料為代表的石油化工的迅速發(fā)展，促進(jìn)了化學(xué)工程從經(jīng)驗(yàn)向科學(xué)演變，并發(fā)現(xiàn)化學(xué)工程的本質(zhì)問(wèn)題：“三傳”（動(dòng)量、質(zhì)量和熱量）。 20世紀(jì)50年代，開始從“三傳”的角度研究化學(xué)過(guò)程中的物理變化，采用高速電子計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜工程計(jì)算問(wèn)題。1957年，正式提出“化學(xué)反應(yīng)工程”（Chemical Reaction Engineering）概念，極大地促進(jìn)了化學(xué)工程的發(fā)展

14、，至此，“三傳一反”（mass transfer, heat transfer, momentum transfer and reaction engineering)就形成了化學(xué)工程的主要內(nèi)容。 20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)工程中，以解決化工過(guò)程的優(yōu)化規(guī)劃、最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)控制和最優(yōu)操作等，促成了“化工系統(tǒng)工程”的誕生。 20世紀(jì)70年代，隨著電子計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展,同時(shí)化學(xué)工程基礎(chǔ)理論日趨成熟，數(shù)學(xué)模型化方法普遍應(yīng)用，化工系統(tǒng)工程有了較大發(fā)展，對(duì)于化工過(guò)程的開發(fā)、設(shè)計(jì)，現(xiàn)有工廠技術(shù)改造等方面發(fā)揮了極大的作用。 20世紀(jì)80年代以來(lái)，面對(duì)環(huán)境、能源等可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，化學(xué)工程發(fā)展特征

15、也逐漸演變，將化學(xué)工程定義為：“經(jīng)濟(jì)地開發(fā)利用物質(zhì)和能量地方法為人類造福的工學(xué)”。 進(jìn)入21世紀(jì)，化學(xué)工程學(xué)在發(fā)展過(guò)程中還在不斷向科學(xué)技術(shù)新領(lǐng)域滲透和拓展，其應(yīng)用對(duì)象涵蓋了所有物質(zhì)的化學(xué)、物理轉(zhuǎn)化過(guò)程。同時(shí)，也正被化學(xué)工程、石油煉制、合成材料、能源工業(yè)、冶金工業(yè)、核能工業(yè)、建材工業(yè)，以及農(nóng)業(yè)、軍事、航空、環(huán)境、資源、生物、醫(yī)藥、食品飲料、紙漿造紙等過(guò)程應(yīng)用。2.2 化學(xué)工程的前沿研究領(lǐng)域化學(xué)工程的前沿研究領(lǐng)域1. 材料化學(xué)工程材料化學(xué)工程2. 能源與資源化學(xué)工程能源與資源化學(xué)工程3. 環(huán)境化學(xué)工程環(huán)境化學(xué)工程4. 生物化學(xué)工程生物化學(xué)工程第三節(jié)第三節(jié) 化工過(guò)程與單元操作化工過(guò)程與單元操作3.1

16、 化工過(guò)程簡(jiǎn)介化工過(guò)程簡(jiǎn)介 指將與原材料進(jìn)行若干化學(xué)和物理過(guò)程加工、處理，指將與原材料進(jìn)行若干化學(xué)和物理過(guò)程加工、處理，生產(chǎn)出預(yù)期產(chǎn)品或中間產(chǎn)品，并獲得一定附加值的生產(chǎn)生產(chǎn)出預(yù)期產(chǎn)品或中間產(chǎn)品，并獲得一定附加值的生產(chǎn)過(guò)程。過(guò)程。原料原料 預(yù)處理預(yù)處理 反應(yīng)反應(yīng) 后處理后處理 產(chǎn)品產(chǎn)品 （準(zhǔn)備）（準(zhǔn)備） （加工）（加工） 圖1-2基本化工生產(chǎn)過(guò)程基本化工生產(chǎn)過(guò)程例如：例如：可見，一個(gè)化工過(guò)程往往包含幾個(gè)或幾十個(gè)加工過(guò)程?？梢?，一個(gè)化工過(guò)程往往包含幾個(gè)或幾十個(gè)加工過(guò)程。苯的生產(chǎn)：苯的生產(chǎn)：原料油（甲苯、二甲苯）、原料油（甲苯、二甲苯）、H H2 2輸送輸送加熱加熱反應(yīng)器反應(yīng)器減壓蒸減壓蒸餾塔餾塔精

17、餾精餾苯（苯（99.99299.99299.999%）甲醇的生產(chǎn)：甲醇的生產(chǎn)：合成氣（合成氣（CO，H2，CO2）輸送輸送管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器粗甲醇粗甲醇冷卻冷卻精餾精餾精甲醇（精甲醇（99.8599.95%）化工生產(chǎn)過(guò)程化工生產(chǎn)過(guò)程化學(xué)反應(yīng)過(guò)程化學(xué)反應(yīng)過(guò)程物理處理過(guò)程物理處理過(guò)程 化工生產(chǎn)的核心化工生產(chǎn)的核心 原料的預(yù)處理原料的預(yù)處理 產(chǎn)品的加工產(chǎn)品的加工（單元操作）（單元操作） 單元操作單元操作：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。 在當(dāng)今化工及其相近工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的單元操作有幾十種之多，而且隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進(jìn)步還會(huì)不斷地開發(fā)出一些新型的單元操作。3.2 化工單元操作化工單

18、元操作單元操作的分類單元操作的分類：1）按操作目的分）按操作目的分： 流體輸送流體輸送： 物料的混合物料的混合：氣體和液體的輸送主要指通過(guò)攪拌達(dá)到物料混合或分散的目的 物料的加熱或冷卻物料的加熱或冷卻：利用物料和環(huán)境之間的溫度差輸入或輸出熱量 均相混合物的分離均相混合物的分離：氣體吸收、液體蒸餾、萃取等 非均相混合物的分離非均相混合物的分離：過(guò)濾和沉降1. 動(dòng)量傳遞過(guò)程：動(dòng)量傳遞過(guò)程：遵循流體力學(xué)基本規(guī)律的單元操作 流體輸送、攪拌、沉降、過(guò)濾、離心分離等。2. 熱量傳遞過(guò)程：熱量傳遞過(guò)程：遵循熱交換基本規(guī)律的單元操作： 傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射傳熱、熱交換（加熱、冷卻、冷凝）、蒸發(fā)等。3. 質(zhì)量傳遞過(guò)

19、程質(zhì)量傳遞過(guò)程：遵循通過(guò)擴(kuò)散，從一相轉(zhuǎn)移到另一相的過(guò)程： 吸收、蒸餾、吸附、萃取、結(jié)晶、干燥等。2）按單元操作遵循的基本規(guī)律分）按單元操作遵循的基本規(guī)律分：3.3 常用基本概念常用基本概念1. 物料平衡：物料平衡：2. 能量守恒：能量守恒： 3. 平衡關(guān)系平衡關(guān)系4. 過(guò)程速率過(guò)程速率過(guò)程推動(dòng)力過(guò)程速率過(guò)程阻力物料衡算：物料衡算： 物料衡算也稱為質(zhì)量衡算，其依據(jù)是質(zhì)量守恒定律。物料衡算也稱為質(zhì)量衡算，其依據(jù)是質(zhì)量守恒定律。它反映一個(gè)過(guò)程中原料、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等之間的關(guān)系，即它反映一個(gè)過(guò)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(guò)程中的積累量。進(jìn)入的物料量必等于排出的物

20、料量和過(guò)程中的積累量。輸入物料的總量輸入物料的總量 排出物料的總量過(guò)程積累的總量排出物料的總量過(guò)程積累的總量積累積累 MM入入M出出系系 統(tǒng)統(tǒng)圖圖1-2 物料衡算示意圖物料衡算示意圖物料衡算式物料衡算式： M入 M出 M(1-1)連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)：M入 M出 (1-2)進(jìn)行物料衡算時(shí)，必須明確下面幾點(diǎn)進(jìn)行物料衡算時(shí)，必須明確下面幾點(diǎn)：1. 首先要確定衡算的系統(tǒng)，即衡算對(duì)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(duì)象。4. 最后還要確定衡算對(duì)象的物理量及單位。精餾塔原料液含乙醇510噸/時(shí)乙醇產(chǎn)品含乙醇95含乙醇0.1 廢水例1-1 附圖例例1-1 每小時(shí)有每小時(shí)有1

21、0 噸噸 5 的乙醇水溶液進(jìn)入精餾塔，塔的乙醇水溶液進(jìn)入精餾塔，塔頂餾出的產(chǎn)品中含乙醇頂餾出的產(chǎn)品中含乙醇 95，塔底排出的廢水中含乙醇，塔底排出的廢水中含乙醇 0.1。求每小時(shí)可得產(chǎn)品多少噸？若廢水全部排放，每。求每小時(shí)可得產(chǎn)品多少噸？若廢水全部排放，每年（按操作年（按操作 7200小時(shí)小時(shí) 計(jì)）損失的乙醇多少噸？計(jì)）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(gè)未知量，需列出兩個(gè)物料衡算方程求解！確定：確定：衡算范圍：衡算范圍：包含精餾塔在內(nèi)的虛線框衡算對(duì)象衡算對(duì)象：a. 物流的流量 b. 物流中乙醇的量衡算基準(zhǔn)：衡算基準(zhǔn)：?jiǎn)挝粫r(shí)間：

22、小時(shí)設(shè)：產(chǎn)品流量為 X 噸/時(shí)、廢水流量為 Y 噸/時(shí)。由物料衡算式：M入 M出對(duì)物流的量進(jìn)行衡算：10 X + Y (1)對(duì)乙醇的量進(jìn)行衡算：10 5 X 95 + Y 0.1 (2)X 0.516 噸/時(shí) Y 9.484 噸/時(shí) 每年損失乙醇：9.484 0.1 7200 68.28 噸/年熱量衡算：熱量衡算： 熱量衡算的依據(jù)是能量守恒定律。 熱量衡算的目的是：計(jì)算單位產(chǎn)品的能耗了解過(guò)程中能量的利用和損失情況確定生產(chǎn)過(guò)程中需要輸入、輸出的熱量設(shè)計(jì)換熱設(shè)備積累積累 QQ入入Q出出系系 統(tǒng)統(tǒng)圖圖1-3 熱量衡算示意圖熱量衡算示意圖熱量衡算式： Q入 Q出 Q穩(wěn)定的連續(xù)性操作：Q入 Q出 (1-

23、3)(1-4) 物料進(jìn)入系統(tǒng)中，除帶入一部分質(zhì)量以外，還帶入一部分熱量。熱量的多少，與物料所處的熱狀態(tài)熱狀態(tài)有關(guān)。 在熱力學(xué)上，用 “焓焓”表示物料所處的熱狀態(tài)。式 (1-3) 改寫為：(wH)入 (wH)出 Q*w 物料的質(zhì)量或質(zhì)量流量H 焓熱量衡算基準(zhǔn)：數(shù)量基準(zhǔn)、溫度基準(zhǔn)、相態(tài)基準(zhǔn)例例1-2 在一列管式熱交換器中用壓強(qiáng)為在一列管式熱交換器中用壓強(qiáng)為 136 kPa 的飽的飽和蒸汽加熱和蒸汽加熱 298 K 的冷空氣，蒸汽的流量為的冷空氣，蒸汽的流量為 0.01 kg/s，空氣的流量為空氣的流量為 1 kg/s。冷凝水在飽和溫度冷凝水在飽和溫度 381 K下排出。若取空氣的平均比熱為下排出。

24、若取空氣的平均比熱為 1.005 kJ/(kgK)，試計(jì)算空氣的出口溫度（熱損失忽略不試計(jì)算空氣的出口溫度（熱損失忽略不計(jì)）。計(jì)）。解：解：熱空氣 T冷空氣298 K 1 kg/s加熱蒸汽381K 冷凝水例例1-2 附圖附圖熱交換器381 K0.01 kg/s分析：分析：該題只有一個(gè)未知變量，只需列一個(gè)熱量衡算方程即可求解。關(guān)鍵問(wèn)題是確定熱量衡算的基準(zhǔn)！熱量衡算基準(zhǔn)：熱量衡算基準(zhǔn)：數(shù)量基準(zhǔn)：數(shù)量基準(zhǔn)：以單位時(shí)間內(nèi)物流量為基準(zhǔn)溫度基準(zhǔn)溫度基準(zhǔn)：以進(jìn)口冷空氣的溫度為基準(zhǔn)：298Kw冷空氣H冷空氣w蒸汽H蒸汽 w冷空氣H熱空氣w蒸汽H冷凝水加熱蒸汽： 0.01 kg/s ； 冷空氣： 1 kg/s

25、取 H冷空氣 0由熱量衡算式 (*式)得： 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) 查飽和水蒸汽表，得到 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)0.01 ( 2690- 452.9 ) 1 1.005 (T-298) T = 320.3 K將數(shù)據(jù)代入上式得：n4.1 化工數(shù)據(jù)的分類化工數(shù)據(jù)的分類n1. 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（物理化學(xué)性質(zhì)及有關(guān)狀態(tài)）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（物理化學(xué)性質(zhì)及有關(guān)狀態(tài)）n2. 過(guò)程參數(shù)：與生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行和操

26、作條件有關(guān)的數(shù)據(jù)過(guò)程參數(shù)：與生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行和操作條件有關(guān)的數(shù)據(jù)n3. 結(jié)構(gòu)參數(shù)：表征設(shè)備結(jié)構(gòu)特征參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)：表征設(shè)備結(jié)構(gòu)特征參數(shù)n4. 無(wú)量綱量：如無(wú)量綱量：如L；導(dǎo)出特征數(shù)值數(shù)群，如雷諾準(zhǔn)數(shù)；導(dǎo)出特征數(shù)值數(shù)群，如雷諾準(zhǔn)數(shù)Ren4.2單位與單位制單位與單位制n國(guó)際單位制（國(guó)際單位制（SI）：七個(gè)）：七個(gè)n第四節(jié)第四節(jié) 化工數(shù)據(jù)化工數(shù)據(jù)0003LduReMTLTLMLMTL 單位制：?jiǎn)挝恢疲河?guó)：英國(guó)：英制單位：質(zhì)量： “磅” 1 b 0.4536 kg長(zhǎng)度： “英尺” 1 ft 0.3048 m“英寸” 1 ft 12 in中國(guó)：中國(guó)：表表1-2 我國(guó)幾種舊單位制的基本量和基本單位我國(guó)幾種舊單

27、位制的基本量和基本單位長(zhǎng) 度 質(zhì) 量時(shí) 間 力厘米克秒制 CGScm (厘米) g (克)s (秒)米千克秒制 MKS m (米) kg (千克)s (秒)米千克力秒制 MKfSm (米)s (秒)kgf (千克力)單位制基本量 國(guó)際單位制：國(guó)際單位制： 在1960年10月的第11屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上通過(guò)了一種新的單位制度，稱為國(guó)際單位制度，代號(hào)為 “SI”，也稱為 SI單位制。SI 單位制是目前國(guó)際上最先進(jìn)的一種單位制，被許多國(guó)家廣泛使用。我國(guó)的法定計(jì)量單位也是以 SI單位制為基礎(chǔ)的。 國(guó)際單位制的構(gòu)成：國(guó)際單位制的構(gòu)成：國(guó)際單位制國(guó)際單位制 （SI）SI 單位單位SI 單位的十進(jìn)倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位

28、單位的十進(jìn)倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位 SI 基本單位基本單位 SI 導(dǎo)出單位導(dǎo)出單位SI 詞頭詞頭 SI 輔助單位輔助單位表表1-3 SI 基本單位和輔助單位基本單位和輔助單位量的名稱量的名稱單單 位位 名名 稱稱國(guó)際符號(hào)國(guó)際符號(hào)備備 注注基 本單位長(zhǎng) 度米metrem（1） 圓括號(hào)中的名稱與前面的名稱是同義詞；（2）去掉方括號(hào)后為全稱，去掉方括號(hào)和其中的字后為簡(jiǎn)稱。質(zhì) 量千克 (公斤)kilogramkg時(shí) 間秒seconds電 流安 培AmpereA熱力學(xué)溫度開 爾文KelvinK發(fā)光強(qiáng)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

29、角steradiansr表表1-4 化工中常用的化工中常用的SI 導(dǎo)出單位舉例導(dǎo)出單位舉例量的名稱量的名稱單單 位位 名名 稱稱單位符號(hào)單位符號(hào)用用SI 基本單位表示的單位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Nkgm/s2壓強(qiáng)，應(yīng)力帕 斯卡Pa (=N/m2)kg/(ms2) 續(xù)表續(xù)表1-4 化工中常用的化工中常用的SI 導(dǎo)出單位舉例導(dǎo)出單位舉例量的名稱量的名稱單單 位位 名名 稱稱單位符號(hào)單位符號(hào)用用SI 基本單位表示的單位基本單位表示的單位能，功，熱量焦 耳J

30、 (=Nm)kgm2/s2功 率瓦 特W (=J/s)kgm2/s3粘 度帕 斯卡秒Paskg/(ms)擴(kuò)散系數(shù)平方米/秒m2/sm2/s熱容，熵焦 耳每開爾文J/Kkgm2/(s2K)導(dǎo)熱系數(shù)瓦 特每米開爾文W/(mK)kgm/(s3K)傳熱系數(shù)瓦 特每平方米開爾文W/(m2K)kg/(s3K)表表1-5 SI 詞頭詞頭表示的因數(shù)表示的因數(shù)詞頭名稱詞頭名稱詞頭符號(hào)詞頭符號(hào)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)表示的因數(shù)詞頭名稱詞頭名稱詞頭符號(hào)詞頭符號(hào)10-1分d10-2厘c10-3毫m10-6微 10-9納 諾n10-12皮 可P10-15飛 母托f10-18阿 托aSI 單位的十進(jìn)倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位：?jiǎn)挝坏氖M(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(qiáng)單位 MPa，力的單位 kN。原則：詞頭不可重疊使用m m (毫微米)n m (納米)：10-9m計(jì)量單位和計(jì)量單位和 SI 詞頭使用方法要點(diǎn)：詞頭使用方法要點(diǎn)：1. 由由 SI 基本單位相除構(gòu)成的單位，若分基本單位相除構(gòu)成的單位，若分母中有兩個(gè)以上的單位符號(hào)時(shí)，要給分母中有兩個(gè)以上的單位符號(hào)時(shí)，要給分母加上圓括號(hào)，避免混淆。母加上圓括號(hào)，避免混淆。 如，傳熱系數(shù)單位：如，傳熱系數(shù)單位：