化學工程基礎

1、化學工程基礎Fundamentals of Chemical Engineering河南理工大學物理化學學院張大峰Tel:-mail: 2022/9/212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)容講解：2 11周實驗部分：平時空閑（周末等），2個考試：17周（暫定）2022/9/213課程進度安排：2022/9/214參考書化工原理. 姚玉英主編. 天津科學技術出版社化學工程基礎. 武漢大學主編. 高等教育出版社化學工程基礎. 林愛光編. 清華大學出版社化學工程基礎. 李德華

2、編. 化學工業(yè)出版社化學工程基礎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學習指導. 楊國泰等編. 化學工業(yè)出版社2022/9/215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 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2022/9/2171.1 化學工業(yè)概述化學工業(yè)是國民經(jīng)濟重要的基礎工業(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 化學工業(yè)的重要性2022/9/218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

3、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：2022/9/219 衣食住行化學工業(yè)人類生存密切相關 能源 國防和科技現(xiàn)代化 環(huán)保開源節(jié)流2022/9/2110昨天（始于18 世紀工業(yè)革命）無機化學工業(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

4、 年代開始石油、天然氣的開發(fā)1-2 化學工業(yè)的發(fā)展2022/9/2111 今天（2011年我國） 產(chǎn)品名稱 產(chǎn)量（萬噸） 世界排名 化肥 7000 1 染料 76 1 農(nóng)藥 265 2 合成橡膠 380 1 乙烯 1850 2三廢占排放總量份額排名廢渣8-109廢水20-302 廢氣5-732022/9/2112 明天（發(fā)展趨勢）以信息技術為先導以新材料技術為基礎以新能源技術為支柱微觀尺度向生物技術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)的化工領域，與這六大技術滲透結(jié)合。2022/9/2113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）環(huán)境化工

5、CO2 化學 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2022/9/2114生物工程生物學化學工程學生物技術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。2022/9/21151-3 化學工業(yè)的特點與人類的生存和發(fā)展息息相關 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工業(yè)屬于技術密集型和能源密集型產(chǎn)業(yè)提倡采用新工藝、新設備，提高物料的綜合利用，降低能耗。2022/9/21161-4 化學工業(yè)的分類美國： 按照美國標準工業(yè)分類手冊（SIC）確定的分類法，化學工業(yè)包

6、括：生產(chǎn)基本化工產(chǎn)品的企業(yè)以化學方法為主進行產(chǎn)品加工的企業(yè)中國：基本化學工業(yè)化肥工業(yè)石油化學工業(yè)其他化學工業(yè)化學工業(yè)包括：2022/9/21171-5 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。原料（1）預處理 （2） 反 應 （3）后處理產(chǎn)品基本化工生產(chǎn)過程2022/9/2118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）輸送管式反應器粗甲醇冷卻精餾精甲醇（99.8599.95%）甲醇的生產(chǎn)：原料油（甲苯、二甲苯）、H2輸送加熱反應器減壓蒸餾塔精餾苯（99.99299.

7、999%）苯的生產(chǎn)：2022/9/2119化工生產(chǎn)過程化學反應過程物理處理過程化工生產(chǎn)的核心 原料的預處理 產(chǎn)品的加工（單元操作）2022/9/2120單元操作：化工生產(chǎn)中除化學反應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過程按一定順序組合而成2022/9/2121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

8、流程框圖、裝置流程圖、管線圖、帶控制點的流程圖等。類型有：2022/9/2122尿素生產(chǎn)工藝流程框圖2022/9/2123尿素生產(chǎn)流程簡圖2022/9/2124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2022/9/2125e.g. a. 攪拌 化學實驗與化工生產(chǎn)過程比較b. 放大效應c. 加料D 10 DV（容積）? S（傳熱器壁面積）?1-5 實驗室研究與化工過程開發(fā)2022/9/2126項目化學實驗化工生產(chǎn) 原料數(shù)量少、純度高、配比嚴格、易儲存、無需預處理量大，因來源不同、價格

9、不一、純度不同，故使用前需預處理 工藝操作簡單、變更容易、可以精密控制反應條件，無物料返回利用問題操作復雜，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 設備以玻璃器皿為主，防腐，易清洗要求設備強度高、耐腐蝕，結(jié)構復雜，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，無需專門設施需供水、供氣、供電、動力等設施環(huán)境保護三廢排放量少，易于處理，無需專用設施三廢排放量大，必須通過專用設施予以治理2022/9/2127實驗室工業(yè)過程直接過渡想 一 想是否可行 ?2022/9/2128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

10、活化電加熱空氣預熱至活化溫度，通入少量反應物量催萘反應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、動力及技術與經(jīng)濟上的差別1 - 20 g0.04 - 0.8 gh-110 - 30 噸400 - 1200 kgh-12022/9/2129萘O鄰苯二甲酸酐+ Q實驗室反應器加熱工業(yè)反應器冷卻 2022/9/2130 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)境無危害 技術上可靠 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2022/9/21321887 年，英國人David.

11、 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2022/9/21331957 年，正式提出了“化學反應工程”（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)設計“化工系統(tǒng)工程”1983 年在美國化學工程師學會

12、（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”。2022/9/2134化工生產(chǎn)寫實19 世紀90 年代化學工藝學或工業(yè)化學單元操作（物理過程）抽象1923 年化學反應工程單元過程（化學過程）化工系統(tǒng)工程傳遞過程1960 年抽象計算機20 世紀 60 年代 2-1學科的發(fā)展2022/9/21352-2 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 “三傳”： 動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞化學反應工程 研究理想反應器內(nèi)化學反應的一些共同規(guī)律化工熱力學 研究化工過程中各種形式

13、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2022/9/2136化工化學工藝化學工業(yè)化學工程化工過程單元操作傳遞過程化學反應工程化工熱力學過程系統(tǒng)工程生產(chǎn)的原料路線生產(chǎn)方法、技術操作程序物料走向相關單元操作設備的組合動量、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)化等化學品具體生產(chǎn)過程或技術“化工原理“研究：工業(yè)生產(chǎn)的共同規(guī)律指導：生產(chǎn)工藝的設計2022/9/2137二. 研究方法實驗研究法測試技術實驗規(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)

14、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2022/9/21391.3 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)物等之間的關系，即進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2022/9/2140積累 MM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 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

15、物理量及單位。精餾塔原料液含乙醇510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！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：單位時間：小時設：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

16、量進行衡算：10 X + Y 對乙醇的量進行衡算：10 5 X 95 + Y 0.1X 0.516 噸/時 Y 9.484 噸/時 每年損失乙醇：9.484 0.1 7200 68.28 噸/年2022/9/21442. 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、輸出的熱量設計換熱設備2022/9/2145積累 QQ入Q出系 統(tǒng)能量衡算示意圖無反應熱效應：系統(tǒng)累積能量 = 輸入能量輸出能量伴隨反應熱效應：系統(tǒng)累積能量 = 輸入能量輸出能量 + 反應放出（+）或吸收（-）的能量2022/9/2146過程速率溫差、濃度

17、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 化工熱力學上，常用 “焓”表示物料所處的熱狀態(tài)(wH)入 (wH)出 Qw ：物料的質(zhì)量或質(zhì)量流量；H ：焓能量衡算基準：數(shù)量基準、溫度基準、相態(tài)基準例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/(kgK)，試計算空氣的出口溫度（熱損失忽略不計）。熱空氣 T冷空氣298 K1 kg/s加熱蒸汽 381K 冷凝水熱交換器381 K0.01 kg/s解

18、：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。關鍵問題是確定能量衡算的基準！能量衡算基準：數(shù)量基準：溫度基準：以單位時間內(nèi)物流量為基準加熱蒸汽： 0.01 kg/s ； 冷空氣： 1 kg/s 以進口冷空氣的溫度為基準：298 K取H冷空氣 0w冷空氣H冷空氣w蒸汽H蒸汽 進入系統(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：(wH)入 (wH)出 Q= w冷空氣H熱空氣w蒸汽H冷凝水查飽和水蒸汽表，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

19、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：2022/9/2150基礎數(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 International 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 導出單位SI 詞頭SI 輔助單位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

20、時 間秒seconds電 流安 培AmpereA熱力學溫度開 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化工中常用的SI 導出單位量的名稱單 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Nkgm/s2壓強，應力帕 斯卡Pa (=N/m2)kg/(ms2)化工中常用的SI 導出單位量的名稱單 位 名 稱單位符號用SI 基本單位表

21、示的單位能，功，熱量焦 耳J (=Nm)kgm2/s2功 率瓦 特W (=J/s)kgm2/s3粘 度帕 斯卡秒Paskg/(ms)擴散系數(shù)平方米/秒m2/sm2/s熱容，熵焦 耳每開爾文J/Kkgm2/(s2K)導熱系數(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)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 10-9納 諾n10-12皮 可P10-15飛 母托f10-18阿 托aSI 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mm (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。解：kgfNcm2m2換算關系：1 千克力 質(zhì)