化工原理 概論

化工原理概論第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月化工原理課程介紹化工（專業(yè)必修課）：化工原理：材料，環(huán)境和生物化工基礎(chǔ)：化學(xué)類似：物理化學(xué)公式多，計(jì)算多，過程復(fù)雜考試：半開卷不允許帶書，只允許帶“一張”A4的紙，正反面手寫成績(jī)作業(yè)+提問+出勤+一張紙=平時(shí)成績(jī)（30%）期末考試占70%基本要求：不遲到，不講話，按時(shí)交作業(yè)上課帶書、計(jì)算器、紙筆第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章緒論第一節(jié)化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程概述第二節(jié)化工過程與單元操作第三節(jié)化工中應(yīng)用的幾個(gè)基本規(guī)律第四節(jié)化工數(shù)據(jù)及單位第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論4第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論5

化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)工業(yè)，是工業(yè)經(jīng)濟(jì)中最具活力，有待開發(fā)且競(jìng)爭(zhēng)力極強(qiáng)的一個(gè)部門。其重要性可歸納為：（1）為農(nóng)業(yè)提供化肥、農(nóng)藥、塑料薄膜等農(nóng)用生產(chǎn)資料；（2）為輕紡、建材、冶金、國防、軍工以及其他工業(yè)提供各種配套原材料；（3）為微電子、信息、生物、航天技術(shù)等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)提供新型化工材料和新產(chǎn)品；（4）為人們的衣、食、住、行提供各種化工產(chǎn)品。第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論6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)易有國際性；（8）化學(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6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論7化學(xué)工程的研究?jī)?nèi)容：第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論8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)?；瘜W(xué)工藝學(xué)階段2.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。第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論9

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.傳遞過程階段4.“三傳一反”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。返回第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論10

化工過程：有目的的使原料經(jīng)過一系列的化學(xué)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。圖1-1基本化工生產(chǎn)過程原料

（1）預(yù)處理

（2）反應(yīng)

（3）后處理產(chǎn)品第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論11化工生產(chǎn)過程化學(xué)反應(yīng)過程物理處理過程

化工生產(chǎn)的核心

原料的預(yù)處理

產(chǎn)品的加工(單元操作)第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論12

單元操作：化工生產(chǎn)中共有的過程，用來為化學(xué)反應(yīng)過程創(chuàng)造適宜的條件或?qū)⒎磻?yīng)產(chǎn)物分離制成純凈產(chǎn)品

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。第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論13單元操作的分類：1）按操作目的分：

流體輸送：

物料的混合：氣體和液體的輸送主要指通過攪拌達(dá)到物料混合或分散的目的

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：氣體吸收、液體蒸餾、萃取等

非均相混合物的分離：過濾和沉降第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論142）按單元操作遵循的基本規(guī)律分：

動(dòng)量傳遞過程：

熱量傳遞過程：遵循流體力學(xué)基本規(guī)律的單元操作：流體輸送、沉降、過濾和離心分離等遵循熱交換基本規(guī)律的單元操作：如傳熱、蒸發(fā)等

質(zhì)量傳遞過程：遵循通過擴(kuò)散，從一相轉(zhuǎn)移到另一相的過程：吸收、吸附、蒸餾、萃取、離子交換、膜分離等第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月尿素生產(chǎn)流程生產(chǎn)尿素的原料是氨和二氧化碳。合成反應(yīng)分兩步：（1）氨與二氧化碳生產(chǎn)氨基甲酸銨；2NH3（氣）+CO2（氣）=NH4COONH2（固）（2）甲酸銨脫水生成尿素；NH4COONH2=NH2CONH2+H2O第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月尿素生產(chǎn)流程尿素生產(chǎn)流程圖第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論17第三節(jié)化工中應(yīng)用的幾個(gè)基本規(guī)律

物料衡算熱量衡算平衡關(guān)系過程速率第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論181、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。它反映一個(gè)過程中原料、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等之間的關(guān)系。進(jìn)入的物料量必等于排出的物料量和過程中的積累量：輸入物料量＝排出物料量＋過程積累量第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論19積累M∑M入∑M出系統(tǒng)

物料衡算示意圖物料衡算式：∑M入＝∑M出＋M(1-1)連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)：∑M入＝∑M出(1-2)第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論20進(jìn)行物料衡算時(shí)，必須明確下面幾點(diǎn)：

首先要確定衡算的范圍。

其次要確定衡算的基準(zhǔn)。

然后確定衡算的對(duì)象。

最后還要確定衡算對(duì)象的物理量及單位。第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月21

例：在左圖所示的氯化氫合成塔中，已知每小時(shí)進(jìn)入的氫氣量為20kg，氯氣量為710kg，實(shí)際測(cè)定出氯化氫的產(chǎn)率為98%，試求該合成塔每小時(shí)的產(chǎn)量和損失量。

HCl氯氣氫氣第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月22解根據(jù)產(chǎn)率＝實(shí)際產(chǎn)量/理論產(chǎn)量因此就需首先求出理論產(chǎn)量?；瘜W(xué)反應(yīng)為H2＋Cl22HClCl227173H220710730

即理論上氯化氫的產(chǎn)量為730kg

實(shí)際產(chǎn)量為730×98％＝715.4kg/h利用物料衡算式:輸入的物料量＝輸出的物料量＋物料的損失量20+710=(20+710)×98％＋XX＝730－730×98％＝730－715.4＝14.6kg/h第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論232、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(shè)計(jì)換熱設(shè)備第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論24積累Q∑Q入∑Q出系統(tǒng)圖1-3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(1-3)(1-4)第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論253、平衡關(guān)系：

平衡關(guān)系可以確定過程進(jìn)行的方向、程度，平衡狀態(tài)是過程進(jìn)行的極限。

平衡關(guān)系的形式：傳熱：高溫低溫，溫差為0時(shí)平衡。傳質(zhì)：吸收，精餾等，傳質(zhì)推動(dòng)力為0時(shí)平衡。流體流動(dòng)：高液位→低液位，液面位置相同時(shí)平衡?；瘜W(xué)反應(yīng)：由不平衡向平衡移動(dòng)，直到平衡。

確定過程的極限，確定能量利用和物料利用方案。

考察外界條件對(duì)平衡的影響，找出最大利用物料、能量的條件第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論264、過程速率（動(dòng)力學(xué)過程）：

確定所需設(shè)備大?。焊鶕?jù)過程需處理的物料量。

確定提高過程速率的方法：過程速率（γ）=過程推動(dòng)力（Δ

）過程阻力（R）根據(jù)過程速率大小。增加過程推動(dòng)力Δ

：壓強(qiáng)差、溫度差、濃度差。降低過程阻力R：傳熱中提高λ、α等。第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論27單位制：英制單位：質(zhì)量：“磅”1lb＝0.4536kg長(zhǎng)度：“英尺”1ft＝0.3048m表1-2我國幾種舊單位制的基本量和基本單位kgf(千克力)s(秒)——m(米)米·千克力·秒制MKfS——s(秒)kg(千克)m(米)米·千克·秒制MKS——s(秒)g(克)cm(厘米)厘米·克·秒制CGS

力時(shí)間

質(zhì)量長(zhǎng)度單位制基本量第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論28表1-3SI基本單位和輔助單位量的名稱單位名稱國際符號(hào)備注基本單位長(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立體角球面角steradiansr第28頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論29表1-4化工中常用的SI導(dǎo)出單位舉例量的名稱單位名稱單位符號(hào)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]Nkg·m/s2壓強(qiáng)，應(yīng)力帕[斯卡]Pa(=N/m2)kg/(m·s2)第29頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/31第一章緒論30

續(xù)表1-4化工中常用的SI導(dǎo)出單位舉例量的名稱單位名稱單位符號(hào)用SI基本單位表示的單位能，功，熱量焦[耳]J(=N·m)kg·m2/s2功率瓦[特]W(=J/s)kg·m2/s3粘度帕[斯卡]秒Pa·skg/(m·s)擴(kuò)散系數(shù)平方米/秒