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化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程2023/5/25第一頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五

第一章化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程4、20世紀(jì)初,合成氨技術(shù)的問世,標(biāo)志著化學(xué)工業(yè)發(fā)展到一個新階段。1化學(xué)工業(yè)發(fā)展概況1、公元前2000多年前,最早化學(xué)工藝為制陶、冶煉、釀造、漂染、揉革等,規(guī)模小、技術(shù)簡單,作坊式生產(chǎn)。

2、18世紀(jì)中期,紡織業(yè)實現(xiàn)機(jī)械化,出現(xiàn)以食鹽和硫酸為原料制純堿的路布蘭法-----里程碑1-1化學(xué)工業(yè)概述3、19世紀(jì)中葉,出現(xiàn)了氨堿法制堿的索爾維法。隨后,電解法制堿問世,

5、20世紀(jì)初汽油的需求量增大,促進(jìn)了煉油技術(shù)發(fā)展,重整、裂解等工藝的開發(fā),提供了豐富的基本有機(jī)化工原料。2023/5/25第二頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五7、20世紀(jì)80年代以來,化工產(chǎn)品品種多樣化、功能化、精細(xì)化成為化學(xué)工業(yè)的起點,化學(xué)工業(yè)由發(fā)展基礎(chǔ)化工轉(zhuǎn)向重點發(fā)展精細(xì)化工。1化學(xué)工業(yè)發(fā)展概況6、20世紀(jì)中葉,塑料、合成纖維、合成橡膠三大合成材料的原料幾乎全部來自石油化工。引發(fā)了化工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革,帶動了精細(xì)化工的發(fā)展。1-2我國化學(xué)工業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步1-3化學(xué)工業(yè)分類產(chǎn)物組成:無機(jī)化學(xué)工業(yè)、有機(jī)化學(xué)工業(yè)原料資源: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)世界上:產(chǎn)品的性質(zhì)、用途及加工過程相似原則我國:行業(yè)劃分、產(chǎn)品劃分 P42023/5/25第三頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五1、特點1化學(xué)工業(yè)發(fā)展概況1-4化學(xué)工業(yè)的特點與發(fā)展趨勢2、現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的發(fā)展趨勢A、生產(chǎn)規(guī)模大型化B、原料的生產(chǎn)方法的多樣化C、產(chǎn)品的精細(xì)化和專業(yè)化A、與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān)人口增長、環(huán)境污染和能源短缺三大挑戰(zhàn)B、原料路線、工藝路線和產(chǎn)品品種的多樣性C、技術(shù)密集型和能源密集型D、生產(chǎn)過程的節(jié)能與綠色化2023/5/25第四頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五2化學(xué)工程基礎(chǔ)課程簡介化學(xué)反應(yīng)和若干個單元操作串聯(lián)而成

化學(xué)工程基礎(chǔ)——研究各個獨立的單元操作化學(xué)工程的研究對象——單元操作(UnitOperations)(1)單元操作的概念化工生產(chǎn)過程原料的預(yù)處理進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)物的分離與提純單元操作原料的預(yù)處理反應(yīng)產(chǎn)物的分離與提純——化工生產(chǎn)中共有的物理操作2023/5/25第五頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五2)單元操作的特點

①所有的單元操作都是物理性操作,只改變物料的狀態(tài)或物理性質(zhì),并不改變化學(xué)性質(zhì)。②單元操作是化工生產(chǎn)過程中共有的操作,只是不同的化工生產(chǎn)中所包含的單元操作數(shù)目、名稱與排列順序不同。③單元操作作用于不同的化工過程時,基本原理相同,所用的設(shè)備也是通用的。

2023/5/25第六頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五

3)單元操作的分類根據(jù)單元操作所遵循的基本規(guī)律,分為三類(三傳)流體動力過程——遵循流體動力基本規(guī)律,用動量

傳遞理論研究如:流體輸送、沉降、過濾、固體流態(tài)化熱過程——遵循傳熱基本規(guī)律,用熱量傳遞理論研究如:傳熱、冷凝、蒸發(fā)等傳質(zhì)過程——遵循傳質(zhì)基本規(guī)律,用質(zhì)量傳遞理論研究

如:蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶、干燥等2023/5/25第七頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五2.化學(xué)工程原理學(xué)科性質(zhì)與研究方法

1)學(xué)科性質(zhì)——工程學(xué)科用自然科學(xué)的基本原理來分析和處理化工生產(chǎn)中的物理過程

2)研究方法——工程方法因次分析法數(shù)學(xué)模型法參數(shù)綜合法當(dāng)量法類比法——直管湍流阻力——雙膜模型的建立——過濾常數(shù)——當(dāng)量直徑、當(dāng)量長度等——動量、熱量、質(zhì)量傳遞的類似律2023/5/25第八頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五3.化學(xué)工程原理的學(xué)習(xí)方法

發(fā)展:如何根據(jù)某個物理或物理化學(xué)原理開發(fā)成為一個單元操作,尋本求源。選擇:為了達(dá)到或?qū)崿F(xiàn)某一工程目的,能否對過程和設(shè)備作合理的選擇和組合。設(shè)計:對已掌握了性能的過程和設(shè)備作直接的設(shè)計計算以及對性能不十分掌握的過程和設(shè)備通過必要的試驗,測取設(shè)計數(shù)據(jù),做逐級放大。操作:如何根據(jù)基本原理發(fā)現(xiàn)操作上可能出現(xiàn)的各種不正?,F(xiàn)象,尋找其原因及可能采取的調(diào)節(jié)措施。2023/5/25第九頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五3

化學(xué)工程處理問題的方法物料衡算

依據(jù)——質(zhì)量守恒定律

輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量等于從系統(tǒng)輸出的物料質(zhì)量和系統(tǒng)中積累的物料質(zhì)量?!锪虾馑愕耐ㄊ?023/5/25第十頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五定態(tài)過程,積累為零。則:衡算的系統(tǒng)整個生產(chǎn)過程某一設(shè)備系統(tǒng)中的所有物料某一個組分衡算的對象例2023/5/25第十一頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五

例:在兩個蒸發(fā)器中,每小時將5000kg的無機(jī)鹽水溶液從12%(質(zhì)量%)濃縮到30%。第二蒸發(fā)器比第一蒸發(fā)器多蒸出5%的水分。試求:(1)各蒸發(fā)器每小時蒸出水分的量;(2)第一蒸發(fā)器送出的溶液濃度。

解:首先畫一個流程圖表示進(jìn)行的過程用方框表示設(shè)備,輸入輸出設(shè)備的物流方向用箭頭表示。

劃定衡算的范圍為求各蒸發(fā)器蒸發(fā)的水量,以整個流程為衡算范圍,用一圈封閉的虛線畫出。2023/5/25第十二頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五選擇衡算基準(zhǔn)(連續(xù)操作以單位時間為基準(zhǔn),間歇操作以一批操作為基準(zhǔn))由于連續(xù)操作,以1小時為基準(zhǔn)。蒸發(fā)器1蒸發(fā)器2x1W1W2F0=5000kg/hx0=0.12F1F2x2=0.32023/5/25第十三頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五

確定衡算對象此題中有兩個未知數(shù),蒸發(fā)的水量及送出的NaOH溶液量B,因此,我們就以不同衡算對象列出兩個衡算式。對鹽作物料衡算:對總物料作衡算:代入已知數(shù)據(jù),得:由題意知2023/5/25第十四頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五

求第一個蒸發(fā)器送出的溶液濃度,選擇第一個蒸發(fā)器為衡算范圍。對鹽作物料衡算:

對總物料作衡算:

代入已知數(shù)據(jù),得:解得:2023/5/25第十五頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五2.熱量衡算依據(jù):能量守恒定律即任何時間內(nèi)輸入系統(tǒng)的總熱量等于系統(tǒng)輸出的總熱量與損失的熱量之和。

——熱量衡算通式或?qū)懗?023/5/25第十六頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五熱量衡算的基本方法與物料衡算的方法相同,也必須首先劃定衡算范圍及衡算基準(zhǔn)。此外應(yīng)注意焓是相對值,因此必須指明基準(zhǔn)溫度,習(xí)慣上選0℃為基準(zhǔn)溫度,并規(guī)定0℃時液態(tài)的焓值為零。3.過程的平衡和速率

①平衡問題

過程的平衡問題是說明過程進(jìn)行的方向和所能達(dá)到的極限。

平衡是一個動態(tài)的過程。

例2023/5/25第十七頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五

②速率過程的速率表示為:

過程的速率=推動力/阻力推動力:過程所處的狀態(tài)與平衡狀態(tài)的距離,阻力:過程的阻力是各種因素對速率影響的總的體現(xiàn)。過程的速率是指過程由不平衡到平衡進(jìn)行的快慢。

2023/5/25第十八頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五

例:在換熱器里將平均比熱為3.56kJ/(kg·℃)的某溶液自25℃加熱到80℃,溶液流量為1.0kg/s,加熱介質(zhì)為120℃的飽和水蒸氣,其消耗量為0.095kg/s,蒸氣冷凝成同溫度的飽和水排出。試計算此換熱器的熱損失占水蒸氣所提供熱量的百分?jǐn)?shù)。解:根據(jù)題意畫出流程圖

換熱器120℃飽和水蒸氣0.095kg/s120℃飽和水0.095kg/s1.0kg/s25℃溶液80℃溶液1.0kg/s2023/5/25第十九頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五基準(zhǔn):1s在圖中虛線范圍內(nèi)作熱量衡算從附錄查出120℃飽和水蒸氣的焓值為278.9kJ/kg,120℃飽和水的焓值為503.67kJ/kg。在此系統(tǒng)中輸入的熱量:蒸氣帶入的熱量:溶液帶入的熱量:輸出的熱量:

2023/5/25第二十頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五冷凝水帶出的熱量:

溶液帶出的熱量:

根據(jù)能量衡算式,有:

熱量損失的百分?jǐn)?shù)=

2023/5/25第二十一頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五三、單位及單位制1.單位及單位

基本量:任意選定的幾個獨立的物理量(如長度,時間等)。

基本單位:根據(jù)使用方便的原則制定的基本量的單位。

導(dǎo)出量:根據(jù)物理量與基本量之間的關(guān)系來確定的量。

導(dǎo)出單位:導(dǎo)出量的單位稱為導(dǎo)出單位,均由基本單位相乘、除而構(gòu)成的。

單位制:基本單位與導(dǎo)出單位的總和。

2023/5/25第二十二頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五物理單位制:基本單位:長度cm/m

質(zhì)量g/kg

時間s工程單位制:基本單位:長度cm

力kgf

時間s

SI單位制:基本單位有7個,化工中常用的有5個:長度m

、質(zhì)量kg、時間s、溫度K、

物質(zhì)量mol2.單位衡算已知1atm=1.033kgf/cm2,將其換算成N/m2。按題意需將kgf/cm2中的單位換算成N,cm2換算成m2,查附錄1:換算關(guān)系為:2023/5/25第二十三頁,共二十五頁,編輯于2023年,星期五1kgf=9.81N,1cm=0.01m上述關(guān)系代入,得:3.單位的正確運(yùn)用

理論公式:根據(jù)物理規(guī)律建立的,反映各有關(guān)物理量之間的關(guān)系,又叫物理方程。具有單位一致性,只要采用同一單位制的單位來表示各物理量即

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