化工基础第一章绪论.ppt

化工基础化工基础化工基础化工基础ElementaryChemicalEngineeringElementaryChemicalEngineeringyarun12/5/20221第一章第一章 绪论绪论IntroductionIntroduction12/5/2022211本课程的性质与内容本课程的性质与内容一、本课程的性质一、本课程的性质化化工工基基础础是是是是高高师师化化学学专专业业唯唯一一的的一一门门工工程程技技术术类类课课程程，这这是是一一门门紧紧密密联联系系化化工工生生产产实实际际的的技技术术基基础础课课。是是一一门门探探讨讨化化工工类类型型生生产产过过程程的的基基本本规规律律，并并应应用用这这些些规规律律来来分分析析和和解解决决化化工工类类型型生生产产实实际问题的学科。际问题的学科。12/5/20223 该课程兼有该课程兼有“科学科学”与与“技术技术”的特点，它综的特点，它综合运用数学、物理、化学等基础知识，来分析和解合运用数学、物理、化学等基础知识，来分析和解决化工类型生产决化工类型生产过程过程中的各种问题，在化学、化工中的各种问题，在化学、化工类专业人才培养中，它承担着类专业人才培养中，它承担着工程科学工程科学与与工程技术工程技术的双重教育任务，所以它起到的双重教育任务，所以它起到理论学科与应用学科理论学科与应用学科的搭桥作用的搭桥作用。本课程强调本课程强调工程观点工程观点、定量运算、实验技能及、定量运算、实验技能及设计能力的培养，强调理论联系实际设计能力的培养，强调理论联系实际。工程观点工程观点理论上的正确性、技术上的可行性、理论上的正确性、技术上的可行性、操作上的安全性、经济上的合理性。操作上的安全性、经济上的合理性。12/5/20224二、本课程的主要内容（二、本课程的主要内容（“三传一反一工三传一反一工”）本本课课程程包包括括“化化工工原原理理（“三三传传”）”、“化化学学反反应应工工程程（基基本本反反应应器器）”及及“化化工工工工艺艺学学”三三大大部部分分内内容容。习习惯惯上上称称为为“三三传传一一反反一一工工”。共共八八章章的的内内容。容。用化工手段将原料加工成产品的生产过程统称为用化工手段将原料加工成产品的生产过程统称为化工生产过程。化工生产过程。化化学学工工业业是是一一个个多多行行业业多多品品种种的的生生产产部部门门，各各种种产产品品的的生生产产过过程程和和工工艺艺方方法法可可能能千千差差万万别别，但但是是任任何何化化工工生生产产过过程程都都可可以以分分解解和和归归纳纳为为两两类类过过程程，即即化化学学反反应应过过程程和和物物理理处处理理过过程程，这这也也就就是是核核心心部部分分和和辅辅助助部分两大部分。部分两大部分。12/5/20225核核心心部部分分：化化学学反反应应过过程程及及其其设设备备（反反应应器器）是是整整个个化工生产过程的核心。化工生产过程的核心。前前处处理理过过程程：又又称称预预处处理理过过程程，在在进进行行化化学学反反应应之之前前，对对原原料料进进行行各各种种预预处处理理，以以便便为为反反应应过过程程创创造造最最适适宜宜的的工工艺艺条条件件，如如适适宜宜的的物物料料状状态态、纯纯度度以以及及它它应应具具有有的温度、压强等。的温度、压强等。后处理过程：后处理过程：化学反应后，对产物或中间产物需要进化学反应后，对产物或中间产物需要进行必要的后处理，以便获得合格的最终产品或中间产行必要的后处理，以便获得合格的最终产品或中间产物。物。（核心部分）（核心部分）（辅助部分）（辅助部分）12/5/20226 例如，高压法生产聚乙烯，上述过程可图示如例如，高压法生产聚乙烯，上述过程可图示如下：下：压缩机压缩机加热器加热器聚合聚合反应器反应器分离器分离器粒化器粒化器聚乙烯聚乙烯乙烯乙烯回收乙烯回收乙烯粒状聚乙烯粒状聚乙烯 乙烯的压缩与预热为预处理过程；聚合反应后，乙烯的压缩与预热为预处理过程；聚合反应后，物料的分离与聚乙烯的粒化，则为产物的后处理过程。物料的分离与聚乙烯的粒化，则为产物的后处理过程。12/5/20227 前后处理工序中所进行的过程多数是纯物理过前后处理工序中所进行的过程多数是纯物理过程。同样，其它各种化工生产过程，除化学反应外，程。同样，其它各种化工生产过程，除化学反应外，其余操作步骤都可归纳为若干种基本的物理过程，其余操作步骤都可归纳为若干种基本的物理过程，如流体的输送与压缩、沉降、过滤、传热、蒸发、如流体的输送与压缩、沉降、过滤、传热、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、萃取、冷冻等。结晶、吸收、蒸馏、萃取、冷冻等。人们在长期从事化工生产实践中，自然而然地人们在长期从事化工生产实践中，自然而然地把把组成不同化工行业生产过程所共有的基本的物理组成不同化工行业生产过程所共有的基本的物理操作过程操作过程抽提出来，研究其各自内在的规律性，并抽提出来，研究其各自内在的规律性，并在理论上加以总结和提高，再应用到生产实践中去，在理论上加以总结和提高，再应用到生产实践中去，这些基本的物理操作过程就称为这些基本的物理操作过程就称为单元操作。单元操作。12/5/20228（一）单元操作（一）单元操作（UnitOperation）1、单单元元操操作作概概念念：不不同同化化工工行行业业生生产产过过程程中中所所共共有的基本的物理操作过程称为有的基本的物理操作过程称为单元操作单元操作。任任何何一一个个化化工工生生产产过过程程都都是是由由若若干干个个单单元元操操作作经经过合理地组合，再与化学反应串联而成。过合理地组合，再与化学反应串联而成。所所有有单单元元操操作作的的综综合合就就构构成成了了化化学学工工程程的的基基础础学学科科化学工程原理，化学工程原理，简称简称化工原理。化工原理。12/5/20229 2、单元操作的特点：、单元操作的特点：单单元元操操作作都都是是纯纯物物理理性性操操作作，这这些些操操作作只只改改变变物料的状态或物理性质，并不改变物料的化学性质；物料的状态或物理性质，并不改变物料的化学性质；单元操作都是化工生产过程中共有的操作。单元操作都是化工生产过程中共有的操作。单单元元操操作作广广泛泛的的应应用用于于石石油油、化化工工、轻轻工工、冶冶金金、动动力力及及原子能等多种行业中。原子能等多种行业中。某某单单元元操操作作作作用用于于不不同同的的化化工工生生产产过过程程，其其遵遵循循的的原原理理是是相相同同的的，进进行行该该操操作作的的设设备备也也是是相相似似的的、通用的。通用的。当当然然，同同一一单单元元操操作作在在不不同同的的化化工工生生产产过过程程中中有有以以上上的的共共性性，但但也也有有其其各各自自的的特特性性，比比如如各各自自的的工工艺艺条条件件、操操作作指指标标等等，是是完完全全不不同同的的。就就是是同同一一单单元元操操作作，所所用用设设备备的的形形式式、结结构构也也是各种各样的。是各种各样的。化工原理只是讨论其共性。化工原理只是讨论其共性。12/5/202210 （二）本课程的主要内容（二）本课程的主要内容（“三传一反一工三传一反一工”）1、化工原理部分内容：、化工原理部分内容：（三传三传）尽尽管管各各单单元元操操作作多多种种多多样样，但但就就它它们们发发生生的的过过程程和和所所遵遵循循的的物物理理规规律律的的共共性性而而言言，可可以以将将它它们们从从物物理理本本质质上上归归纳纳为为三三类类基基本本传传递递过过程程，即即：动动量量传传递递过过程程、热量传递过程、质量传递过程，简称热量传递过程、质量传递过程，简称“三传三传”。（1 1）动量传递过程动量传递过程：主要主要讨论流体动力学过程的讨论流体动力学过程的基本规律，基本规律，即研究流体的流动及流体和与之接触的固即研究流体的流动及流体和与之接触的固体壁面间发生相对运动时的基本规律，以及受这些规体壁面间发生相对运动时的基本规律，以及受这些规律支配的若干单元操作，如：流体的流动与输送、沉律支配的若干单元操作，如：流体的流动与输送、沉降、过滤等。降、过滤等。1main swf0011-33.swf 12/5/202211（2）热量传递过程：热量传递过程：主要主要讨论热量传递过程的讨论热量传递过程的基本规律，以及受这些规律支配的若干单元操作，基本规律，以及受这些规律支配的若干单元操作，如：加热、冷却、蒸发等。如：加热、冷却、蒸发等。2main.swf列管式换热器列管式换热器 （3）质质量量传传递递过过程程：主主要要讨讨论论物物质质通通过过相相界界面面的的迁迁移移过过程程的的基基本本规规律律，以以及及受受这这些些规规律律支支配配的的若若干干单单元元操操作作，如如：液液体体的的蒸蒸馏馏、气气体体的的吸吸收收、固固体体的干燥等。的干燥等。swf/003/3-06.swf swf/3main.swf 板式塔板式塔 2、化学反应工程部分内容：、化学反应工程部分内容：（一反）一反）化化学学反反应应工工程程是是以以化化学学动动力力学学、化化学学热热力力学学以以及及“三三传传”的的原原理理为为基基础础，研研究究工工业业规规模模的的化化学学反反应应的的规规律律，为为反反应应器器的的设设计计、放放大大、选选型型及及生生产产控控制提供理论依据。制提供理论依据。12/5/202212化化学学反反应应器器是是化化工工生生产产中中用用于于进进行行化化学学反反应应的的设设备，是整个生产过程的心脏。备，是整个生产过程的心脏。这这一一部部分分内内容容讨讨论论的的不不深深，参参考考书书也也很很少少，只只是是讨讨论论化化学学反反应应工工程程的的某某些些基基本本概概念念和和基基本本反反应应器器的的基基本原理。本原理。12/5/2022133、化工工艺学部分内容：化工工艺学部分内容：（一工）（一工）化化工工工工艺艺学学是是研研究究如如何何利利用用天天然然原原料料或或半半成成品品通通过过适适当当的的化化学学和和物物理理的的方方法法加加工工成成化化工工产产品品的的生生产产过过程的学科程的学科。它它的的任任务务是是依依据据化化学学、物物理理化化学学、化化学学工工程程原原理理，寻寻求求技技术术上上先先进进、经经济济上上合合理理的的生生产产方方法法、工工艺艺流流程、最佳操作条件和适宜的设备构型。程、最佳操作条件和适宜的设备构型。12/5/20221412学习本课程的目的学习本课程的目的课程的学习目的和要求是由专业的培训规课程的学习目的和要求是由专业的培训规格和目标决定的，对于化学专业的学生，学习格和目标决定的，对于化学专业的学生，学习一定的化工基础知识，其主要目的有以下几个一定的化工基础知识，其主要目的有以下几个方面：方面：12/5/202215一、改善专业知识结构的需要一、改善专业知识结构的需要 作为化学专业的学生，学习一些作为化学专业的学生，学习一些“三传三传”及反应及反应器的基本知识，了解几个典型的化工工艺，器的基本知识，了解几个典型的化工工艺，对改善自对改善自己的知识结构，拓宽知识面，无疑是有益的己的知识结构，拓宽知识面，无疑是有益的。二、科技发展和经济建设的需要二、科技发展和经济建设的需要 2121世纪的中学教师必须是世纪的中学教师必须是“全能型全能型”或或“完整型完整型”的教师。的教师。即即2121世纪的中学教师既世纪的中学教师既能教学，又会科研，能教学，又会科研，还要懂生产的多面手还要懂生产的多面手，否则难以适应科技发展和经济，否则难以适应科技发展和经济建设的需要。因此，建设的需要。因此，化学专业的学生具备必要的技术化学专业的学生具备必要的技术经济观点和一定的工业生产知识，就是必须的了。经济观点和一定的工业生产知识，就是必须的了。12/5/202216三、中等教育结构改革的需要三、中等教育结构改革的需要 高等师范化学专业将会有更多的毕业生从事高等师范化学专业将会有更多的毕业生从事中等职业技术教育。为适应这一新的需要，中等职业技术教育。为适应这一新的需要，很有很有必要对化学专业学生和在职中学教师加强化工方必要对化学专业学生和在职中学教师加强化工方面的教育面的教育，使他们不仅有坚实的基础理论知识，使他们不仅有坚实的基础理论知识，较宽的知识视野，还要有一定的解决实际问题的较宽的知识视野，还要有一定的解决实际问题的能力。能力。四、对科研起到一定的指导作用四、对科研起到一定的指导作用 学习本课程，将学习本课程，将有助于指导化学科研工作有助于指导化学科研工作。学习化工基础，有助于改进实验室的装置及组学习化工基础，有助于改进实验室的装置及组合，改进实验的操作方式、方法和条件，或者对合，改进实验的操作方式、方法和条件，或者对实验的优化提供指导性建议，使科研取得更好的实验的优化提供指导性建议，使科研取得更好的成果。成果。12/5/202217 1 13 3 单位制和单位换算单位制和单位换算 化学工程和化学工艺中涉及多种物理量，化学工程和化学工艺中涉及多种物理量，任任何一个物理量的大小都是用数字与单位联合表达何一个物理量的大小都是用数字与单位联合表达的，缺一不可。的，缺一不可。12/5/202218 113 31 1 单位制单位制基本量：基本量：任何单位制的建立，都是首先选择几个独立任何单位制的建立，都是首先选择几个独立的物理量，如长度、时间、质量等，并以的物理量，如长度、时间、质量等，并以使用方便为使用方便为原则原则规定出它们的单位，这些物理量称为规定出它们的单位，这些物理量称为基本物理量，基本物理量，简称基本量，简称基本量，其单位称为基本单位其单位称为基本单位；导出量：导出量：其它的物理量，如速度、加速度等的单位则其它的物理量，如速度、加速度等的单位则根据有关的物理定义或定律，由有关的基本单位推导根据有关的物理定义或定律，由有关的基本单位推导而出，这些物理量称为而出，这些物理量称为导出量导出量，对应的单位称为导出对应的单位称为导出单位。单位。12/5/202219 基本单位、导出单位再加上一些辅助单位及有基本单位、导出单位再加上一些辅助单位及有关的规则，即可构成一种单位制。关的规则，即可构成一种单位制。12/5/202220常用单位制常用单位制长度长度时间时间质量质量重量重量（力）（力）cgs制（物理单位制）制（物理单位制）cmsgMKS制制mskg重力制（工程制）重力制（工程制）mskgf千克力千克力一、过去常用的单位制一、过去常用的单位制重力单位制是工程学科常用的单位制，因此重力单位制是工程学科常用的单位制，因此又称又称工程单位制工程单位制。12/5/202221二、国际单位制二、国际单位制 国际单位制国际单位制是是19601960年年1010月第十一界国际计量大月第十一界国际计量大会通过的一种优越性较大的新单位制，其代号为会通过的一种优越性较大的新单位制，其代号为SISI。1、SI的基本量与基本单位的基本量与基本单位 SISI是是MKSMKS制的引申，除了制的引申，除了MKSMKS制中原有的长度、制中原有的长度、时间和质量三个基本量外，又加上了四个基本量：时间和质量三个基本量外，又加上了四个基本量：12/5/202222基本量的名称基本量的名称基本单位名称基本单位名称基本单位符号基本单位符号长长度度米米m质质量量千千克克kg时时间间秒秒s电电流流安安培培A热力学温度热力学温度开尔文开尔文K物质的量物质的量摩摩尔尔mol发光强度发光强度坎德拉坎德拉cd表表1.国际单位制的基本量与基本单位国际单位制的基本量与基本单位（7个）个）其他物理量的单位，都可以由这七个基本单位中的某其他物理量的单位，都可以由这七个基本单位中的某几个单位根据物理定义或规律组合而成。几个单位根据物理定义或规律组合而成。12/5/202223表表2.国际单位制的辅助单位（国际单位制的辅助单位（2个）个）表表3.国际单位制中具有专门名称的导出单位国际单位制中具有专门名称的导出单位（共（共17个）个）量量的的名名称称单单位位名名称称单单位位符符号号平面角平面角弧度弧度rad立体角立体角球面角球面角sr量量的的名名称称单单位位名名称称单单位位符符号号其它表示式示例其它表示式示例频率频率赫兹赫兹Hzs1力；重力力；重力牛顿牛顿Nm/s2压力（压强）压力（压强）应力应力帕斯卡帕斯卡PaN/m2能量，功，热能量，功，热焦耳焦耳JNm功率功率瓦特瓦特WJ/s摄氏温度摄氏温度摄氏度摄氏度*12/5/2022242、SI的优越性的优越性 （1）通用性通用性：SISI具有高度的通用性或者统一性。具有高度的通用性或者统一性。它包括了所有领域中的计量单位，从而使科学技术、它包括了所有领域中的计量单位，从而使科学技术、工业生产、经济贸易甚至日常生活等都只使用工业生产、经济贸易甚至日常生活等都只使用SISI一种一种单位制。单位制。（2）一贯性一贯性：使用使用SISI在导出单位时，不需引入比在导出单位时，不需引入比例系数，而且例系数，而且SISI中任何一个物理量只有一个单位。中任何一个物理量只有一个单位。热、功、能是本质相同的物理量，计算或比较时热、功、能是本质相同的物理量，计算或比较时由于单位不同必须采用由于单位不同必须采用“热功当量热功当量”进行换算：进行换算：1kcal=427kgf.m,1kcal=4.18kJ。在在SI中，既然三者本质相同，则其单位统一，统中，既然三者本质相同，则其单位统一，统一使用一使用kJ为单位，这样使得计算或比较非常方便。为单位，这样使得计算或比较非常方便。12/5/202225三、目前我国使用的单位制三、目前我国使用的单位制 19841984年国务院发布命令，确定我国年国务院发布命令，确定我国统一使用以统一使用以SISI为基础，包括由我国指定的若干非国际单位制在为基础，包括由我国指定的若干非国际单位制在内的内的中华人民共和国法定计量单位制中华人民共和国法定计量单位制，简称，简称法定计量单位制法定计量单位制，并且规定，从并且规定，从19911991年起，除年起，除个别领域外，不允许使用非个别领域外，不允许使用非法定计量单位制法定计量单位制。12/5/202226表表4.国家选定的非国际单位制单位国家选定的非国际单位制单位量的名称量的名称单位名称单位名称单位符号单位符号换算关系换算关系时间时间分分min1min=60s小时小时h1h=60min=3600s天（日）天（日）d1d=24h=86400s平面角平面角秒秒()1=(/648000)rad分分()1=60(/108000)rad度度()1=60(/180)rad旋转角度旋转角度转每分转每分r/min1r/min=(1/60)s-1质量质量吨吨t1t=103kg原子质量单位原子质量单位u1u1.660565510-27kg体积体积升升L,(l)1L=10-3m312/5/202228 1 13 32 2 单位换算单位换算 单位换算包括物理量的单位换算和经验公式单位换算包括物理量的单位换算和经验公式的单位换算。的单位换算。1、物理量的单位换算、物理量的单位换算物理量由一种单位制换算成另一种单位制时，物理量由一种单位制换算成另一种单位制时，换算时需要引用换算因数换算时需要引用换算因数。如：。如：1m=100cm1m=100cm，换算换算因数为因数为100cm/m100cm/m。12/5/202229由物理量根据物理规律建立起来的反映物理由物理量根据物理规律建立起来的反映物理量之间关系的方程式称为物理方程量之间关系的方程式称为物理方程。物理方程的单位符合单位一致性，或量纲一物理方程的单位符合单位一致性，或量纲一致性致性，即同一物理方程中的各物理量可以任选一，即同一物理方程中的各物理量可以任选一种单位制，但同一方程式中的各物理量绝不允许种单位制，但同一方程式中的各物理量绝不允许同时使用两种单位制。同时使用两种单位制。物理方程又称量纲一致性方程。物理方程又称量纲一致性方程。12/5/202230例例11 SI中，质量为中，质量为1kg的物体在重力场的作用的物体在重力场的作用下受到多大的力？下受到多大的力？解：解：F=mg=19.81=9.81N质量为质量为1kg的物体在重力场的作用下受到的力，定的物体在重力场的作用下受到的力，定义为重力单位制中的基本量义为重力单位制中的基本量重量重量（力力）的单位的单位kgf,1kgf9.81N。12/5/202231例例12 重力单位制中，重力单位制中，1kgf的物体其质量为若干的物体其质量为若干？解：解：F=mg m=F/g=1/9.81=0.102（kgf.s2/m）可见重力单位制中，质量的单位为：可见重力单位制中，质量的单位为：kgf.s2/m。这是重力单位制与其他单位制（这是重力单位制与其他单位制（SISI、绝对单位绝对单位制）的制）的本质区别：本质区别：在重力单位制中，重量（力）为在重力单位制中，重量（力）为基本单位，即力的单位，而质量变为导出单位；在基本单位，即力的单位，而质量变为导出单位；在其它单位制中，质量为基本单位，力为导出单位。其它单位制中，质量为基本单位，力为导出单位。在在SISI中无重量这一物理量。中无重量这一物理量。12/5/2022322、经验公式的的单位换算、经验公式的的单位换算 工程中遇到的公式除了物理量方程外，还有另一工程中遇到的公式除了物理量方程外，还有另一种公式是种公式是根据实验数据整理而成的经验公式根据实验数据整理而成的经验公式。式中各。式中各物理量只代表数字部分，而它们的单位必须采用指定物理量只代表数字部分，而它们的单位必须采用指定的单位，故的单位，故经验公式又称数字公式经验公式又称数字公式。若若已知物理量的单位与经验公式的单位不符，则已知物理量的单位与经验公式的单位不符，则应先将已知数据换算成经验公式中指定的单位，然后应先将已知数据换算成经验公式中指定的单位，然后再代入公式进行计算再代入公式进行计算。若经验公式经常使用，则应将公式加以换算，使若经验公式经常使用，则应将公式加以换算，使式中各物理量都采用计算者所希望的单位，这就是经式中各物理量都采用计算者所希望的单位，这就是经验公式的的单位换算。验公式的的单位换算。12/5/202233 本章小结本章小结 1、什么是化工生产过程？、什么是化工生产过程？2、本课程的主要研究内容有哪些、本课程的主要研究内容有哪些?3、什么是单元操作？单元操作的特点是什么？、什么是单元操作？单元操作的特点是什么？4、什么是单位制？掌握单位换算的基本方法。、什么是单位制？掌握单位换算的基本方法。5、SI 由哪些基本量和基本单位组成？由哪些基本量和基本单位组成？SI有什么优有什么优越性？越性？6、目前我国使用什么单位制？由什么单位构成？、目前我国使用什么单位制？由什么单位构成？12/5/202234