陳桂化學(xué)工程基礎(chǔ)

1、 化 學(xué) 工 程 基 礎(chǔ)2012.9化學(xué)化工系Tel: E-mail: QQ:3704116051規(guī)則課堂紀(jì)律: 不允許打、接電話、睡覺(jué) 不允許在上課過(guò)程中進(jìn)出教室考核： 平時(shí)成績(jī)（30%），考試（70%）2本門(mén)課程的教學(xué)目標(biāo)和要求 化學(xué)工程基礎(chǔ)是一門(mén)探討化工生產(chǎn)過(guò)程的基本規(guī)律、并應(yīng)用這些規(guī)律解決生產(chǎn)問(wèn)題的學(xué)科。本課程的主要任務(wù)是研究化工單元操作及反應(yīng)過(guò)程的基本原理、典型設(shè)備的構(gòu)造及工藝尺寸的計(jì)算，使學(xué)生理解化學(xué)工程規(guī)律在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用，獲得化工計(jì)算及設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決有關(guān)化工操作中各種問(wèn)題的能力，以便在化工生產(chǎn)、科研和設(shè)計(jì)工作中達(dá)到強(qiáng)化生產(chǎn)過(guò)程、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備生產(chǎn)能

2、力和效率、降低設(shè)備投資及產(chǎn)品成本、節(jié)能、防止污染及加速新技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面的目的。3參考書(shū)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). 林愛(ài)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(ài)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(guó)泰等編. 化學(xué)工業(yè)出版社4567化工廠常見(jiàn)的反應(yīng)器形式8一 .化學(xué)工程在化學(xué)化工領(lǐng)域的位置 9第一章 化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程1、化學(xué)工業(yè)概述化學(xué)工業(yè) 將自然界的各種物質(zhì)，經(jīng)過(guò)化學(xué)和物理方法處理，制造成生產(chǎn)資料和生活資料的工業(yè)。101-1 化學(xué)工業(yè)發(fā)展概況18世紀(jì)初，路布蘭純堿制造工藝成為近代化學(xué)工業(yè)的

3、里程碑?，F(xiàn)代化學(xué)工業(yè)從美國(guó)開(kāi)始，是美國(guó)產(chǎn)生以“單元操作”為主要標(biāo)志。曼哈頓工程的成功促進(jìn)了單元操作在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用。20世紀(jì)50年代中期提出了傳遞過(guò)程原理，把化學(xué)工業(yè)中的單元操作進(jìn)一步解析為三種基本操作過(guò)程：動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。11化工工業(yè)成果標(biāo)志（始于18 世紀(jì)工業(yè)革命）無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)1746 年 英國(guó)人羅巴克 鉛室法制硫酸1791 年 法國(guó)人路布蘭 制堿1861 年 比利時(shí)人索爾維 氨堿法1905 年 德國(guó)人哈伯 合成氨1941 年 中國(guó)人侯德榜 聯(lián)堿法有機(jī)化學(xué)工業(yè)1826 年 從氰酸銨合成尿素19 C 中葉、20 C 初利用煤、農(nóng)副產(chǎn)品20 C 30 年代開(kāi)始石油、天然氣的開(kāi)發(fā)

4、121-2 我國(guó)化學(xué)工業(yè)發(fā)展與進(jìn)步 我國(guó)是化學(xué)技術(shù)發(fā)展最早的國(guó)家之一，早在紀(jì)元前就已經(jīng)有了釀酒、冶銅、漂染和發(fā)酵等生產(chǎn)技術(shù)。 產(chǎn)品名稱 產(chǎn)量（萬(wàn)噸） 世界排名 化肥 2955 1 染料 23.8 1 農(nóng)藥 38.2 2 合成橡膠 60 4 乙烯 383.48 5三廢占排放總量份額排名廢渣8-109廢水20-302 廢氣5-73131-3 化學(xué)工業(yè)分類按產(chǎn)物組成分：無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)；按原料資源分：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)等。我國(guó)兩種分類法： 按行業(yè)分（20類） 按產(chǎn)品劃分（19類）14按產(chǎn)品分無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)工業(yè)高分子化學(xué)工業(yè)精細(xì)化學(xué)工業(yè)按原料來(lái)源分石油化工煤化

5、工天然氣化工油頁(yè)巖化工按中國(guó)工業(yè)統(tǒng)計(jì)方法分合成氨及肥料工業(yè)硫酸工業(yè)制堿工業(yè)無(wú)機(jī)物工業(yè)基本有機(jī)原料工業(yè)染料及中間體工業(yè)按產(chǎn)品數(shù)量通用化學(xué)品、精細(xì)化學(xué)品15化學(xué)工業(yè)的重要性為農(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(guó)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。16 衣食住行化學(xué)工業(yè)人類生存密切相關(guān) 能源 國(guó)防和科技現(xiàn)代化 環(huán)保開(kāi)源節(jié)流17化學(xué)不斷發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的新物質(zhì)產(chǎn)品化工過(guò)程化學(xué)反應(yīng)有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的商業(yè)產(chǎn)品化學(xué)工程化學(xué)工業(yè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)世界化工產(chǎn)品的總銷售額(年)- 幾千億美元181-4

6、化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)一、化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)：1、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(zhǎng)、環(huán)境污染和能源短缺。2、原料路線、工藝路線和產(chǎn)品品種的多樣性3、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。19化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)多樣性及復(fù)雜性能耗大知識(shí)和資金的密集危險(xiǎn)、重污染化學(xué)工業(yè)的原料及資源原料：礦物、生物原料、水和空氣資源：煤、石油、天然氣、天然礦石化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)及原料20二、現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)： 1、生產(chǎn)規(guī)模大型化 2、原料和生產(chǎn)方法的多樣化 3、產(chǎn)品的精細(xì)化和專用化 4、生產(chǎn)過(guò)程的節(jié)能與綠色化21以信息技術(shù)為先導(dǎo)以新材料技術(shù)為基

7、礎(chǔ)以新能源技術(shù)為支柱微觀尺度向生物技術(shù)開(kāi)拓宏觀尺度向空間和海洋擴(kuò)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。發(fā)展趨勢(shì)22發(fā)展趨勢(shì)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) 氯乙醇法直接氧化法:231-5 化工生產(chǎn)工藝及流程化工生產(chǎn)工藝及流程將一種或幾種物質(zhì)經(jīng)過(guò)物理和化學(xué)方法加工處理后，制成一種或幾種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，成為化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程，簡(jiǎn)稱化工生產(chǎn)過(guò)程?；瘜W(xué)反應(yīng)是核心。化工工藝流程及化工工藝流程圖。24化工生產(chǎn)工藝及流程 化工生產(chǎn)過(guò)程的前、后處理操作僅發(fā)生物理變化，稱為單元操作。單元操作的結(jié)果

8、只改變物料的物理性質(zhì)。25化工工藝流程及流程圖 描述從物料開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一系列按一定順序并相互銜接的單元操作和反應(yīng)過(guò)程，生產(chǎn)合格產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝過(guò)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(diǎn)的流程圖等。類型有：化工工藝流程定義：26尿素生產(chǎn)工藝流程框圖27尿素生產(chǎn)流程簡(jiǎn)圖28乙烯苯V101苯乙烯氣相烷基化工藝流程圖P101R101T101T102V103E101E103E104副產(chǎn)物V101E102V102填料催化劑塔板29研究方法實(shí)驗(yàn)研究法實(shí)驗(yàn)規(guī)劃數(shù)據(jù)處理數(shù)學(xué)模型法過(guò)程分析數(shù)學(xué)描述檢驗(yàn)與修正測(cè)試技術(shù)1-6 實(shí)驗(yàn)室研究與化工過(guò)程開(kāi)發(fā)30e.

9、g. a. 攪拌 b. 放大效應(yīng)c. 加料D 10 DV（容積）? S（傳熱器壁面積）?實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)化生產(chǎn)的差別31實(shí)驗(yàn)室工業(yè)過(guò)程直接過(guò)渡？是否可行 ?32項(xiàng)目化學(xué)實(shí)驗(yàn)化工生產(chǎn) 原料數(shù)量少、純度高、配比嚴(yán)格、易儲(chǔ)存、無(wú)需預(yù)處理量大，因來(lái)源不同、價(jià)格不一、純度不同，故使用前需預(yù)處理 工藝操作簡(jiǎn)單、變更容易、可以精密控制反應(yīng)條件，無(wú)物料返回利用問(wèn)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(cè)多 設(shè)備以玻璃器皿為主，防腐，易清洗要求設(shè)備強(qiáng)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(wú)需分離量大，需專門(mén)的分離與精制過(guò)程公用工程簡(jiǎn)單易行，無(wú)需專門(mén)設(shè)施需供水、供氣、

10、供電、動(dòng)力等設(shè)施環(huán)境保護(hù)三廢排放量少，易于處理，無(wú)需專用設(shè)施三廢排放量大，必須通過(guò)專用設(shè)施予以治理實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)化生產(chǎn)的差別33萘鄰苯二甲酸酐 + Q催化劑氧化實(shí)驗(yàn)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(dòng)力及技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上的差別1 - 20 g0.04 - 0.8 gh-110 - 30 噸400 - 1200 kgh-1例：34萘O鄰苯二甲酸酐+ Q實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器加熱工業(yè)反應(yīng)器冷卻 35從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室成果能否進(jìn)行工業(yè)化的四個(gè)要求:對(duì)環(huán)境無(wú)危害 技術(shù)上可靠 經(jīng)濟(jì)上可行生產(chǎn)上安

11、全362、化學(xué)工程學(xué)1887 年，英國(guó)人David. G. E . 在曼徹斯特工學(xué)院做了一系列化學(xué)工程問(wèn)題的講演；1888 年，美國(guó)麻省理工學(xué)院，世界上第一次講授“化學(xué)工程”這門(mén)課程；1915 年，利特爾Little. A. D. 提出了單元操作（Unit Operation）的概念；1923 年，第一本化學(xué)工程教科書(shū)Principles of Chemical Engineering；371957 年，正式提出了“化學(xué)反應(yīng)工程”（Chemical Reaction Engineering）20 世紀(jì) 60 年代后期，計(jì)算機(jī)用于化學(xué)工程以解決最優(yōu)規(guī)劃，最優(yōu)設(shè)計(jì)“化工系統(tǒng)工程”1983 年在美國(guó)

12、化學(xué)工程師學(xué)會(huì)（AICHE）第 75 周年年會(huì)上，把化學(xué)工程定義為“經(jīng)濟(jì)地開(kāi)發(fā)利用物質(zhì)和能量的方法為人類造福的工學(xué)”。38學(xué)科的發(fā)展化工生產(chǎn)寫(xiě)實(shí)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(guò)程）抽象1923 年化學(xué)反應(yīng)工程單元過(guò)程（化學(xué)過(guò)程）化工系統(tǒng)工程傳遞過(guò)程1960 年抽象計(jì)算機(jī)20 世紀(jì) 60 年代39 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(guò)程 “三傳”： 動(dòng)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(guò)程中各種形式能量之間的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律和過(guò)程趨于平衡

13、的條件化工系統(tǒng)工程 以化工系統(tǒng)為研究對(duì)象，從整體目標(biāo)出發(fā)確定最優(yōu)決策40從物理本質(zhì)上單元操作又分為下列三種傳遞過(guò)程(三傳):（1）動(dòng)量傳遞過(guò)程：如流體的輸送、沉降、過(guò)濾、攪拌及固體的流態(tài)化等。 （2）熱量傳遞過(guò)程：如熱交換、蒸發(fā)等。（3）質(zhì)量傳遞過(guò)程：如液體的蒸餾、氣體的吸收、固體的干燥及結(jié)晶等。41化工化學(xué)工藝化學(xué)工業(yè)化學(xué)工程化工過(guò)程單元操作傳遞過(guò)程化學(xué)反應(yīng)工程化工熱力學(xué)過(guò)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42化學(xué)工藝： 生產(chǎn)過(guò)程或技術(shù)原料制 造Chemical Technology化學(xué)工業(yè)：原料化學(xué)工藝化學(xué)品生 產(chǎn)工廠企業(yè)形成的特定生產(chǎn)部門(mén)化學(xué)方法

14、化學(xué)品Chemical Industry43化學(xué)工程：研究工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的共同規(guī)律指導(dǎo)工業(yè)裝置放大設(shè)計(jì)生產(chǎn)操作 學(xué)科Chemical Engineering44化工過(guò)程化學(xué)反應(yīng)物理過(guò)程流體輸送、沉降、過(guò)濾、傳熱、吸收、蒸餾、萃取、干燥 單元操作 核心即：化工過(guò)程 化學(xué)反應(yīng) + 若干單元操作原料產(chǎn)品一系列加工處理步驟Chemical Process使物料發(fā)生所要求的物理變化的基本操作45化學(xué)工程領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)： 1、化學(xué)工程學(xué)的多尺度化； 2、化工過(guò)程的綠色化； 3、化工生產(chǎn)的逐步微型化； 4、過(guò)程參數(shù)極限化。46三、物料衡算與能量衡算物料衡算: 根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在一個(gè)化工過(guò)程中，進(jìn)入的物料必須等于物料量和過(guò)程的積累量，即： mi mo = mA mi-進(jìn)入物料量的總和； mo-排出物料量的總和； mA-累積的物料量。47例：蒸發(fā)器冷卻結(jié)晶器20KNO31000 kg/h水 W ? S50R ?P ?9637.5 首先要確定衡算對(duì)象FF = W + P F0.2 = W0 + P0.96S = R + PS0.5 = R0.375 + P0.96W 、 PR48能量衡算 （能量守恒定律）無(wú)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（-）的能量過(guò)程速率溫差、濃度差49化工數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：物性數(shù)據(jù)過(guò)程參數(shù)