化工基礎(chǔ) 第一章

化工基礎(chǔ)安徽師范大學(xué)化材學(xué)院王俊2011.1一、教學(xué)計劃1.課堂講授2.習(xí)題課3.實驗教學(xué)：單獨設(shè)課4.輔導(dǎo)答疑(1)

課間及課后（2）考前5．

作業(yè)(1)

每周三交一次。(2)

計算題求解步驟和要求（也適用于考試） a.

要寫出已知條件和求解參數(shù)（不計分） b.

一般要畫出簡圖（不計分） c.公式要推導(dǎo) d.已知數(shù)據(jù)要代入公式 e.計算結(jié)果一般要保留3位小數(shù)或4位有效數(shù)6．

考核(1)

平時 30%（2）考試 70%1．是劃分工科和理科的標(biāo)準(zhǔn)，是化工類各專業(yè)課的基礎(chǔ)理論課。2．難度較大，與物理化學(xué)相當(dāng)。技術(shù)基礎(chǔ)課、實踐性強；綜合性強；注重單位和量綱；計算占很大的份量。3.是化工類研究生升學(xué)考試科目二、本課程的特點三、學(xué)習(xí)要求1．認真聽課2．做好筆記3．及時復(fù)習(xí)4．獨立完成作業(yè)5.有疑問及時問老師聯(lián)系方式Email:junjun81@Tel、課程的歷史、研究內(nèi)容二、化工生產(chǎn)過程與單元操作三、單元操作中常用的基本概念四、化工過程的開發(fā)五、國家法定單位介紹及單位換算注意事項第一章緒論INTRODUCTION

化學(xué)工業(yè)是一門古老的工業(yè)，但以化學(xué)工業(yè)過程為研究對象的化學(xué)工程科學(xué)的誕生至今只有80多年的歷史。這是由于最初的化學(xué)工業(yè)規(guī)模比較小，技術(shù)要求不高，化學(xué)家可以全憑經(jīng)驗來設(shè)計和操作化工裝置。隨著第二次工業(yè)革命的興起，化學(xué)工業(yè)開始向大型化邁進。為了適應(yīng)化學(xué)工業(yè)的大型化，從19世紀(jì)90年代(1890s)開始，化工各行業(yè)開始研究各自的生產(chǎn)工藝學(xué)。一、課程的歷史、研究內(nèi)容隨著研究的深入，人們認識到化工各行業(yè)中的許多物理過程遵循相同的物理原理。于是在1923年美國麻省理工學(xué)院(MIT)化工系的三位教授Walker,Lewis,andMeAdams編著了一本名為”PrinciplesofChemicalEngineering”的書。他們在該書中提出了單元操作(UnitOperation)的概念，并且指出，在所有的化工裝置中進行的所有物理過程，無非是原料的輸送、混合、加熱、冷卻，產(chǎn)品與廢料的分離等幾種操作。該書的出版標(biāo)志著化學(xué)工程科學(xué)的誕生，也使化工裝置從由化學(xué)家設(shè)計和操作開始轉(zhuǎn)向由化學(xué)工程師設(shè)計和操作。下面的例子可以說明化學(xué)家與化學(xué)工程師的差別。 青霉素是由燒杯中營養(yǎng)液表面的霉菌生長而制成的。第一次規(guī)模生產(chǎn)是用成千上萬只燒杯來生產(chǎn)，這樣不能降低成本。后來化學(xué)工程師設(shè)計了一個一千加倫的罐子，大量的空氣被鼓入罐中通過營養(yǎng)液以提供霉菌生長所需的氧氣，這就大大地降低了成本，使青霉素真正成為廣泛使用的藥物。

隨著對單元操作研究的深入，人們又認識到所有的單元操作實質(zhì)上不過是動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞（三傳）的特殊情況或特定組合，并于1960年出版了”TransportPhenomena”(Bird,Stewart,andLightfoot)。作者在該書中對三傳過程進行了理論分析，使許多過去必須用經(jīng)驗方法解決的問題，現(xiàn)在可以用理論方法加以解決。在研究單元操作和傳遞現(xiàn)象的同時，人們對化學(xué)反應(yīng)過程也進行了深入的研究，并于1962年出版了”ChemicalReactionEngineering”(O.Levenspiel)。作者在該書中對各種反應(yīng)器的設(shè)計、放大和最優(yōu)化問題進行了詳細的討論。從此，化學(xué)工程科學(xué)進入了以“傳遞過程”和“反應(yīng)工程”為中心的所謂“三傳一反”的發(fā)展階段?；瘜W(xué)工程科學(xué)還有兩個分支。一是化工熱力學(xué)，另一是化工系統(tǒng)工程?；崃W(xué)是用化學(xué)熱力學(xué)的理論來解決化工過程中的能量和極限問題，化工系統(tǒng)工程是用最優(yōu)化的方法來對化工裝置進行設(shè)計和操作。 化工原理（單元操作） 化工傳遞過程原理（傳遞現(xiàn)象）化學(xué)反應(yīng)工程化工熱力學(xué) 化工系統(tǒng)工程化學(xué)工程學(xué)化工過程（化學(xué)工業(yè)過程）：由若干物理過程和若干化學(xué)過程組成的工業(yè)過程?；?qū)⒃细淖兓蚍蛛x成有用產(chǎn)品的工業(yè)過程?；瘜W(xué)過程ChemicalProcesses：含有化學(xué)反應(yīng)的過程單元操作UnitOperations：化工過程中不含化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)反應(yīng)次要的物理過程化工原理PrinciplesofChemicalEngineering：以單元操作為研究對象的一門技術(shù)科學(xué)?；瘜W(xué)反應(yīng)工程：以化工過程中化學(xué)過程作為研究對象的一門技術(shù)科學(xué)?；瘜W(xué)工程ChemicalEngineering：研究化工過程共性規(guī)律的一門技術(shù)科學(xué)。主要由化工原理和化學(xué)反應(yīng)工程兩個分支組成。（另外還有化工傳遞過程原理和化工熱力學(xué)及化工系統(tǒng)工程三個分支）（過程）：物系狀態(tài)發(fā)生變化的經(jīng)過

化學(xué)工藝：研究具體化工產(chǎn)品的具體制作工程?；せA(chǔ)課本課程的內(nèi)容及任務(wù)1.內(nèi)容流體流動過程：流體輸送、沉降、流態(tài)化等單元操作傳熱過程：熱交換、（蒸發(fā)）等傳質(zhì)過程：蒸餾、吸收、（萃?。?、干燥等2．任務(wù)：（1）介紹三傳的基本原理。（2）介紹主要單元操作的典型設(shè)備構(gòu)造、操作原理、計算、選型、設(shè)計及實驗研究方法。（3）培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決單元操作中各種問題的能力。二、化工生產(chǎn)過程與單元操作（一）化學(xué)工業(yè)的定義

簡稱化工，是指以工業(yè)規(guī)模對原料進行加工處理，使其發(fā)生物理和化學(xué)變化而成為生產(chǎn)資料或生活資料的加工業(yè)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)：化肥、農(nóng)藥等三大合成材料：塑料、化學(xué)纖維、合成橡膠人民生活和健康：醫(yī)藥新材料：耐高溫、抗腐蝕和磨蝕、特硬、高強度、特種光電磁性能的信息材料、核能材料等。機械工業(yè)：機械制造、汽車制造、紡織、制衣、塑料加工、玩具制造、建筑等化學(xué)工業(yè)的分類（中國）

化學(xué)礦無機鹽有機化工原料化學(xué)肥料化工農(nóng)藥合成纖維單體涂料、顏料染料及其中間體感光和磁性材料化學(xué)試劑石油化工化學(xué)醫(yī)藥合成樹脂和塑料酸、堿合成橡膠催化劑、試劑和助劑煤化工橡膠制品化工機械化工新型材料化學(xué)工業(yè)的發(fā)展簡史

1746年鉛室法制取硫酸，世界上第一個化工廠1791年路布蘭制堿法1861年索爾維制堿法1862年硝化甘油炸藥投入生產(chǎn)1905年哈伯合成氨法1929年青霉素被發(fā)現(xiàn)1934年高壓聚乙烯被制成1939年尼龍66工業(yè)化1941年侯氏聯(lián)合制堿法1957年聚四氟乙烯纖維的投產(chǎn)2010年財富雜志全球500強名單（前10）沃爾瑪(Wal-MartStores)皇家殼牌(RoyalDutchShell)埃克森美孚(ExxonMobil)英國石油公司(BP)豐田汽車(ToyotaMotor)日本郵政控股(JapanPostHoldings)中國石油化工股份有限公司(Sinopec)中國國家電網(wǎng)(StateGrid)安盛集團(AXA)中國石油天然氣集團公司(ChinaNationalPetroleum)（二）化工過程1、概念：是指化工產(chǎn)品的具體加工過程。2、構(gòu)成：①由若干個物理過程（化學(xué)反應(yīng)過程的前處理、后處理）和若干個化學(xué)反應(yīng)過程組合而成；②由原料預(yù)處理過程（物理過程）、化學(xué)反應(yīng)過程、反應(yīng)產(chǎn)物后處理過程（物理過程）構(gòu)成；3、各部分的作用（1）原料預(yù)處理過程：達到反應(yīng)過程所必須的某種適宜條件（2）反應(yīng)過程：進行化學(xué)反應(yīng)得到所需產(chǎn)物。（3）反應(yīng)產(chǎn)物后處理過程：分離得到符合質(zhì)量要求目的產(chǎn)品；處理排放廢料達到環(huán)保要求；回收未反應(yīng)的反應(yīng)物、催化劑或其它有用物料并重新利用。（4）核心——反應(yīng)過程；最明顯的特征——化學(xué)變化（5）設(shè)備：能完成以上任務(wù)的設(shè)備（如反應(yīng)器、單元操作設(shè)備或貯料設(shè)備按一定順序、由各管道和輸料裝置連接成為生產(chǎn)流程——化工過程）。舉例——尿素生產(chǎn)過程（P2），請指出物理過程、化學(xué)過程、核心部分、原料預(yù)處理過程、產(chǎn)物后處理過程、各種設(shè)備及作用等。4、化工過程的分類（1）按操作方式分：連續(xù)操作：物料與能量連續(xù)地進入設(shè)備，并連續(xù)地排出設(shè)備。（適用大規(guī)模生產(chǎn)）間歇操作：按周期進行，物料在某一時刻加入設(shè)備進行某種過程，過程完成后物料一次卸出，然后開始新的周期。（適合小批量生產(chǎn)）（2）按操作參數(shù)與時間的關(guān)系分：不定常操作：設(shè)備各部分的操作參數(shù)隨時間而不斷變化。設(shè)備內(nèi)物料與能量有正或負的積累。（間歇操作及連續(xù)操作開、停車階段）定常操作：設(shè)備各部分的操作參數(shù)不隨時間而變化。設(shè)備內(nèi)物料與能量無積累。（連續(xù)操作的正常生產(chǎn)階段）（三）單元操作（化工生產(chǎn)中共同性的基本操作）

單元操作指化工過程中普遍采用的、遵循共同的物理、物化定律、所用設(shè)備相似、具有相同作用的那些基本物理操作，其中參與操作的物料不發(fā)生化學(xué)性質(zhì)的變化。

如流體輸送、攪拌、沉降、過濾、熱交換、蒸發(fā)、結(jié)晶、吸收、蒸餾、萃取、吸附以及干燥等。現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中前、后處理工序占有著企業(yè)大部分的設(shè)備投資和操作費用。由此足見單元操作過程在化工生產(chǎn)中的重要地位

。

單元操作按其理論基礎(chǔ)可分為下列三類：（1）流體流動過程，包括流體輸送、攪拌、沉降、過濾等。（2）傳熱過程，包括熱交換、蒸發(fā)等。（3）傳質(zhì)過程，包括吸收、蒸餾、萃取、吸附、干燥等。（4）熱、質(zhì)傳遞過程——干燥、增濕、結(jié)晶等（質(zhì)量傳遞、熱量傳遞）還有一些機械過程:如破碎、粉碎、篩分、固體運輸（斗式提升機、皮帶運輸機和螺旋推進器）等三、單元操作中常用的基本概念

1.物料衡算—質(zhì)量守恒2.熱量衡算—能量守恒3.平衡關(guān)系—最高產(chǎn)量4.過程速率5.經(jīng)濟核算1.物料衡算—質(zhì)量守恒解決問題：工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量，收率，實際設(shè)備尺寸，實際生產(chǎn)規(guī)模等

依據(jù)質(zhì)量守恒定律，進入與離開某一化工過程的物料質(zhì)量之差，等于該過程中累積的物料質(zhì)量，即

輸入量－輸出量＝累積量對于連續(xù)操作的過程，若各物理量不隨時間改變，即為穩(wěn)定操作狀態(tài)時

輸入量＝輸出量

用物料衡算式可由過程的已知量求出未知量。物料衡算可按下列步驟進行：

（1）首先根據(jù)題意畫出各物流的流程示意圖，物料的流向用箭頭表示，并標(biāo)上已知數(shù)據(jù)與待求量。確定衡算對象和衡算范圍；（2）在寫衡算式之前，要選擇計算基準(zhǔn)，一般選用單位進料量或排料量、時間及設(shè)備的單位體積等作為計算的基準(zhǔn)。在較復(fù)雜的流程示意圖上應(yīng)圈出衡算的范圍，列出衡算式，求解未知量。

基準(zhǔn)：時間基準(zhǔn)物質(zhì)基準(zhǔn)濕物基準(zhǔn)（可變基準(zhǔn)）

絕對干物基準(zhǔn)（不變基準(zhǔn)）

2.能量衡算—能量守恒解決問題：選擇合理能量設(shè)備，進行能量綜合利用。

依據(jù)能量守衡（熱力學(xué)第一）定律，在任何一個生產(chǎn)過程中，凡向該過程輸入的能量必等于從該過程輸出的能量與積累在該過程中的能量之和。說明：（1）能量：熱能、電能、機械能、化學(xué)能、磁能等；（2）化工生產(chǎn)過程中，最常用是熱能，能量衡算可簡化為熱量衡算。即：∑物料帶入的熱量=∑物料帶出熱量（包括物料帶出熱量和熱量損失）+熱量積累量（定常操作過程，系統(tǒng)物料焓的積累量=0）3.平衡關(guān)系

——最高產(chǎn)量解決問題：判斷過程能否進行，進行程度。設(shè)備尺寸設(shè)計，為生產(chǎn)條件的選擇和改進提供依據(jù)

平衡是自然界的一個規(guī)律?；どa(chǎn)中的物理或化學(xué)變化過程，都有一定的方向、速率和極限。平衡關(guān)系可以用來判斷過程能否進行，進行的方向和極限。例如，如在一定溫度壓力下，在一杯水中加入一勺糖或鹽，通紅的鐵塊放置在室溫的環(huán)境中。任何一種平衡狀態(tài)的建立都是有條件的，當(dāng)條件發(fā)生變化時，原來的平衡就不復(fù)存在，平衡就發(fā)生移動。如上例中飽和食鹽溶液，如果升高溫度，則又可溶解一部分食鹽?？梢姡胶鉅顟B(tài)有兩種屬性，即相對性和可變性。生產(chǎn)中經(jīng)常利用它的可變性使平衡向有利于生產(chǎn)的方向移動。4.過程速率

這個關(guān)系類似于電學(xué)中歐姆定律。過程的傳遞速率是決定化工設(shè)備的重要因素，傳遞速率大時，設(shè)備尺寸可以縮小。

平衡關(guān)系只表明過程變化的極限，并不涉及以什么樣的速率趨向平衡。過程速率指出過程快慢問題。在工業(yè)上以什么速率趨向平衡往往比平衡關(guān)系更為重要，因為強化生產(chǎn)直接與過程的速率有關(guān)。

通過對各種過程中推動力、阻力、過程速率關(guān)系的研究表明，過程的速率總是與該過程的推動力成正比，和阻力成反比，可表示為：（1）任何變化過程都同時存在著推動力和阻力。例如，流體流動的推動力是壓強差（ΔP），熱量傳遞過程的推動力是溫度差（ΔT），質(zhì)量傳遞過程是濃度差（ΔC）等等。（2）物系的狀態(tài)偏離平衡的程度越大，推動力就越大，變化的速率也越大。反之，物系的狀態(tài)越接近平衡，推動力和速率都越小。（3）阻力的作用與推動力相反，阻力增大，過程速率減?。蛔枇p小，過程速率就增大。比方說百米賽跑的運動員，其爆發(fā)力（推動力）越大，其速度越快；而在跑的過程中碰到逆風(fēng)（阻力之一），其速率就要受影響。減小過程的阻力，如流體流動時加大管徑，對流傳熱時攪拌，傳質(zhì)時提高流體的湍流程度，反應(yīng)時用催化劑降低反應(yīng)的活化能等。

5.經(jīng)濟核算

為生產(chǎn)定量的某種產(chǎn)品所需要的設(shè)備，根據(jù)設(shè)備的型式和材料的不同，可以有若干設(shè)計方案。對同一臺設(shè)備，所選用的操作參數(shù)不同，會影響到設(shè)備費與操作費。因此，要用經(jīng)濟核算確定最經(jīng)濟的設(shè)計方案。

例1-1:用連續(xù)操作的蒸發(fā)器把含鹽濃度為xF（質(zhì)量分率）的鹽水溶液蒸