(精品)化工基础 第一章.ppt

化工基础安徽师范大学化材学院安徽师范大学化材学院王俊王俊2011.1一、教学计划1.课堂讲授2.习题课3.实验教学：单独设课4.辅导答疑(1)课间及课后（2）考前5作业(1)每周三交一次。(2)计算题求解步骤和要求（也适用于考试）a.要写出已知条件和求解参数（不计分）b.一般要画出简图（不计分）c.公式要推导d.已知数据要代入公式e.计算结果一般要保留3位小数或4位有效数6考核(1)平时 30%（2）考试70%1是划分工科和理科的标准，是化工类各专业课的基础理论课。2难度较大，与物理化学相当。技术基础课、实践性强；综合性强；注重单位和量纲；计算占很大的份量。3.是化工类研究生升学考试科目二、本课程的特点三、学习要求三、学习要求1认真听课2做好笔记3及时复习4独立完成作业5.有疑问及时问老师联系方式联系方式Email:Tel：13615539024一、课程的历史、研究内容一、课程的历史、研究内容二、化工生产过程与单元操作二、化工生产过程与单元操作三、单元操作中常用的基本概念三、单元操作中常用的基本概念四、化工过程的开发四、化工过程的开发 五、国家法定单位介绍及单位换算注意事项五、国家法定单位介绍及单位换算注意事项第一章第一章 绪论绪论INTRODUCTIONl化学工业是一门古老的工业，但以化学工业过程为研究对象的化学工程科学的诞生至今只有80多年的历史。这是由于最初的化学工业规模比较小，技术要求不高，化学家可以全凭经验来设计和操作化工装置。l随着第二次工业革命的兴起，化学工业开始向大型化迈进。为了适应化学工业的大型化，从19世纪90年代(1890s)开始，化工各行业开始研究各自的生产工艺学。一、课程的历史、研究内容一、课程的历史、研究内容l随着研究的深入，人们认识到化工各行业中的许多物理过程遵循相同的物理原理。l于是在1923年美国麻省理工学院(MIT)化工系的三位教授Walker,Lewis,andMeAdams编著了一本名为”Principles of Chemical Engineering”的书。他们在该书中提出了单元操作(UnitOperation)的概念，并且指出，在所有的化工装置中进行的所有物理过程，无非是原料的输送、混合、加热、冷却，产品与废料的分离等几种操作。l该该书书的的出出版版标标志志着着化化学学工工程程科科学学的的诞诞生生，也也使使化化工工装装置置从从由由化化学学家家设设计计和和操操作作开开始始转转向向由由化化学学工工程师设计和操作。程师设计和操作。下面的例子可以说明化学家与化学工程师的差别。青霉素是由烧杯中营养液表面的霉菌生长而制成的。第一次规模生产是用成千上万只烧杯来生产，这样不能降低成本。后来化学工程师设计了一个一千加伦的罐子，大量的空气被鼓入罐中通过营养液以提供霉菌生长所需的氧气，这就大大地降低了成本，使青霉素真正成为广泛使用的药物。l随着对单元操作研究的深入，人们又认识到所有的单元操作实质上不过是动量传递、热量传递和质量传递（三传）的特殊情况或特定组合，并于1960年出版了”TransportPhenomena”(Bird,Stewart,andLightfoot)。作者在该书中对三传过程进行了理论分析，使许多过去必须用经验方法解决的问题，现在可以用理论方法加以解决。l在研究单元操作和传递现象的同时，人们对化学反应过程也进行了深入的研究，并于1962年出版了”ChemicalReactionEngineering”(O.Levenspiel)。作者在该书中对各种反应器的设计、放大和最优化问题进行了详细的讨论。从此，化学工程科学进入了以“传递过程”和“反应工程”为中心的所谓“三传一反”的发展阶段。化学工程科学还有两个分支。一是化工热力学，另一是化工系统工程。化工热力学是用化学热力学的理论来解决化工过程中的能量和极限问题，化工系统工程是用最优化的方法来对化工装置进行设计和操作。化工原理（单元操作）化工传递过程原理（传递现象）化学反应工程化工热力学化工系统工程化学工程学1.化工过程（化学工业过程）：由若干物理过程和若干化学过程组成的工业过程。或将原料改变或分离成有用产品的工业过程。2.化学过程ChemicalProcesses：含有化学反应的过程3.单元操作UnitOperations：化工过程中不含化学反应或化学反应次要的物理过程4.化工原理PrinciplesofChemicalEngineering：以单元操作为研究对象的一门技术科学。5.化学反应工程：以化工过程中化学过程作为研究对象的一门技术科学。6.化学工程ChemicalEngineering：研究化工过程共性规律的一门技术科学。主要由化工原理和化学反应工程两个分支组成。（另外还有化工传递过程原理和化工热力学及化工系统工程三个分支）7.（过程）：物系状态发生变化的经过化学工艺：研究具体化工产品的具体制作工程。化工基础课化工基础课本课程的内容及任务本课程的内容及任务1.内容流体流动过程：流体输送、沉降、流态化等单元操作传热过程：热交换、（蒸发）等传质过程：蒸馏、吸收、（萃取）、干燥等2任务：（1）介绍三传的基本原理。（2）介绍主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型、设计及实验研究方法。（3）培养学生发现、分析、解决单元操作中各种问题的能力。二、化工生产过程与单元操作二、化工生产过程与单元操作 （一）化学工业的定义（一）化学工业的定义简称化工，是指以工工业业规规模模对原料进行加工处理，使其发生物理和化学变化而成为生产资料或生活资料的加工业。农业生产：化肥、农药等三大合成材料：塑料、化学纤维、合成橡胶人民生活和健康：医药新材料：耐高温、抗腐蚀和磨蚀、特硬、高强度、特种光电磁性能的信息材料、核能材料等。机械工业：机械制造、汽车制造、纺织、制衣、塑料加工、玩具制造、建筑等化学工业化学工业的分类（中国）的分类（中国）化学矿无机盐有机化工原料化学肥料化工农药合成纤维单体涂料、颜料染料及其中间体感光和磁性材料化学试剂石油化工化学医药合成树脂和塑料酸、碱合成橡胶催化剂、试剂和助剂煤化工橡胶制品化工机械化工新型材料化学工业的化学工业的发展简史发展简史1746年年铅室法制取硫酸，世界上第一个化工厂铅室法制取硫酸，世界上第一个化工厂1791年年路布兰制碱法路布兰制碱法1861年年索尔维制碱法索尔维制碱法1862年年硝化甘油炸药投入生产硝化甘油炸药投入生产1905年年哈伯合成氨法哈伯合成氨法1929年年青霉素被发现青霉素被发现1934年年高压聚乙烯被制成高压聚乙烯被制成1939年年尼龙尼龙66工业化工业化1941年年侯氏联合制碱法侯氏联合制碱法1957年年聚四氟乙烯纤维的投产聚四氟乙烯纤维的投产2010年财富杂志全球500强名单（前10）1.沃尔玛(Wal-MartStores)2.皇家壳牌(RoyalDutchShell)3.埃克森美孚(ExxonMobil)4.英国石油公司(BP)5.丰田汽车(ToyotaMotor)6.日本邮政控股(JapanPostHoldings)7.中国石油化工股份有限公司(Sinopec)8.中国国家电网(StateGrid)9.安盛集团(AXA)10.中国石油天然气集团公司(ChinaNationalPetroleum)（二）化工过程（二）化工过程1、概念：、概念：是指化工产品的具体加工过程。2、构成：、构成：由若干个物理过程（化学反应过程的前处理、后处理）和若干个化学反应过程组合而成；由原料预处理过程（物理过程）、化学反应过程、反应产物后处理过程（物理过程）构成；3、各部分的作用、各部分的作用（1）原料预处理过程：达到反应过程所必须的某种适宜条件（2）反应过程：进行化学反应得到所需产物。（3）反应产物后处理过程：分离得到符合质量要求目的产品；处理排放废料达到环保要求；回收未反应的反应物、催化剂或其它有用物料并重新利用。（4）核心反应过程；最明显的特征化学变化（5）设备：能完成以上任务的设备（如反应器、单元操作设备或贮料设备按一定顺序、由各管道和输料装置连接成为生产流程化工过程）。举例尿素生产过程（P2），请指出物理过程、化学过程、核心部分、原料预处理过程、产物后处理过程、各种设备及作用等。4、化工过程的分类、化工过程的分类（1）按操作方式分：）按操作方式分：连续操作连续操作：物料与能量连续地进入设备，并连续地排出设备。（适用大规模生产）间歇操作间歇操作：按周期进行，物料在某一时刻加入设备进行某种过程，过程完成后物料一次卸出，然后开始新的周期。（适合小批量生产）（2）按操作参数与时间的关系分：）按操作参数与时间的关系分：不定常操作不定常操作：设备各部分的操作参数随时间而不断变化。设备内物料与能量有正或负的积累。（间歇操作及连续操作开、停车阶段）定常操作定常操作：设备各部分的操作参数不随时间而变化。设备内物料与能量无积累。（连续操作的正常生产阶段）（三）单元操作（化工生产中共同性的基本操作）（三）单元操作（化工生产中共同性的基本操作）单元操作单元操作指化工过程中普遍采用的、遵循共同的物理、物化定律、所用设备相似、具有相同作用的那些基本物理物理操作，其中参与操作的物料不发生化学性质的变化。如流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、萃取、吸附以及干燥等。现代化学工业中前、后处理工序占有着企业大部分的设备投资和操作费用。由此足见单元操作过程在化工生产中的重要地位。单元操作按其理论基础可分为下列三类：（1）流体流动过程，包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。（2）传热过程，包括热交换、蒸发等。（3）传质过程，包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。（4）热、质传递过程干燥、增湿、结晶等（质量传递、热量传递）还有一些机械过程:如破碎、粉碎、筛分、固体运输（斗式提升机、皮带运输机和螺旋推进器）等三、单元操作中常用的基本概念三、单元操作中常用的基本概念1.物料衡算物料衡算质量守恒质量守恒 2.热量衡算热量衡算能量守恒能量守恒3.平衡关系平衡关系最高产量最高产量4.过程速率过程速率5.经济核算经济核算1.物料衡算物料衡算质量守恒质量守恒解决问题：工业生产产量，收率，实际设备尺寸，实解决问题：工业生产产量，收率，实际设备尺寸，实际生产规模等际生产规模等依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即输入量输出量累积量对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即为稳定操作状态时输入量输出量用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。物料衡算可按下列步骤进行：（1）首先根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。确定衡算对象和衡算范围；（2）在写衡算式之前，要选择计算基准基准，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。基准：时间基准物质基准湿物基准（可变基准）绝对干物基准（不变基准）2.能量衡算能量衡算能量守恒能量守恒解决问题：选择合理能量设备，进行能量综合利用。依据能量守衡（热力学第一）定律，在任何一个生产过程中，凡向该过程输入的能量必等于从该过程输出的能量与积累在该过程中的能量之和。说明：（1）能量：热能、电能、机械能、化学能、磁能等；（2）化工生产过程中，最常用是热能，能量衡算可简化为热量衡算。即：物料带入的热量=物料带出热量（包括物料带出热量和热量损失）+热量积累量（定常操作过程，系统物料焓的积累量=0）3.平衡关系平衡关系最高产量最高产量解决问题：判断过程能否进行，进行程度。设备尺寸设计，为生产条件的选择和改进提供依据 平衡是自然界的一个规律。化工生产中的物理或化学变化过程，都有一定的方向、速率和极限。平衡关系可以用来判断过程能否进行，进行的方向和极限。例如，如在一定温度压力下，在一杯水中加入一勺糖或盐，通红的铁块放置在室温的环境中。任何一种平衡状态的建立都是有条件的，当条件发生变化时，原来的平衡就不复存在，平衡就发生移动。如上例中饱和食盐溶液，如果升高温度，则又可溶解一部分食盐。可见，平衡状态有两种属性，即相对性和可变性。生产中经常利用它的可变性使平衡向有利于生产的方向移动。4.过程速率过程速率这个关系类似于电学中欧姆定律。过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递速率大时，设备尺寸可以缩小。平衡关系只表明过程变化的极限，并不涉及以什么样的速率趋向平衡。过程速率指出过程快慢问题。在工业上以什么速率趋向平衡往往比平衡关系更为重要，因为强化生产直接与过程的速率有关。通过对各种过程中推动力、阻力、过程速率关系的研究表明，过程的速率总是与该过程的推动力成正比，和阻力成反比，可表示为：（1）任何变化过程都同时存在着推推动动力和阻力力和阻力。例如，流体流动的推动力是压强差（P），热量传递过程的推动力是温度差（T），质量传递过程是浓度差（C）等等。（2）物系的状态偏离平衡的程度越大，推动力就越大，变化的速率也越大。反之，物系的状态越接近平衡，推动力和速率都越小。（3）阻力的作用与推动力相反，阻力增大，过程速率减小；阻力减小，过程速率就增大。比方说百米赛跑的运动员，其爆发力（推动力）越大，其速度越快；而在跑的过程中碰到逆风（阻力之一），其速率就要受影响。减小过程的阻力，如流体流动时加大管径，对流传热时搅拌，传质时提高流体的湍流程度，反应时用催化剂降低反应的活化能等。5.经济核算经济核算为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核算确定最经济的设计方案。例1-1:用连续操作的蒸发器把含盐浓度为xF（质量分率）的盐水溶液蒸发到浓度为xw（质量分率）的浓盐水溶液，每小时盐水溶液的进料量为Fkg。试求每小时所得浓盐水溶液量W及水分蒸发量V各为多少。解：各股物系的流程图如附图所示，计算基准取每小时的物料量，由于是连续稳定操作，总物料衡算式为 FVW溶质衡算式为FxF=Wxw由此两式解得W=（xF/xw）F，V=（1-xF/xw）F例1-2100kg含水20的湿物料经干燥器一次干燥，物料含水5，求其失去多少水分？解：设失去xkg水分（1）以100kg湿物为基准，则：10020（100 x）5+x解得x15.8kg（2）以80kg干物为基准，则：X=80(20/80)-80(5/95)15.8kg例1-3如图所示，浓度为20%（质量百分数，下同）的KNO3水溶液以1000kg/hr流量送入蒸发器，在某温度下蒸出一部分水而得到浓度为50%的KNO3水溶液，再送入结晶器冷却析出含有4%水分的KNO3晶体并不断取走。浓度为37.5%的KNO3饱和母液则返回蒸发器循环处理，该过程为连续稳定过程，试求：1.结晶产品量P，水分蒸发量W；2.循环母液量R，浓缩量S。解：（1）.衡算对象：总物料KNO3衡算范围：如图所示的用一条封闭的虚线所包围的部分 衡算基准：单位时间-每小时列方程：凡是穿过封闭虚线进入的衡算范围的物料为入；凡是穿出封闭虚线排出的衡算范围的物料为出；总物料M=M出则F=W+P（1）同理，对KNO30.2F=0W+P（1-4%）（2）将（1）（2）代入数据后组成方程组1000=W+P0.21000=P（1-4%）解这个方程组得：P=208.3kg/hrW=791.7kg/hr（2）衡算对象的基准不变，改变衡算范围如下图所示。总物料S=R+PKNO30.5S=0.375R+P（1-4%）将上两式代入数据联解得：R=766.6kg/hrS=947.9kg/hr即为所求注意：注意：确定衡算范围是很重要的，如确定的衡算范围不当，无法求解。一般来说，要尽量使已知条件和所求量穿越衡算范围，这样才能列入衡算方程中。这种技巧可在今后的学习和练习中逐步掌握。但热量衡算的基准有其特点，它包含数量基准、温度基准和相态基准。数量基准是指选哪个量作基准来衡算热量。对于连续操作一般以单位时间进料量（即进料速率）为基准，而温度和相态基准的确定才能从有关手册中查得相关的热力学数据以便用于衡算，举例说明如下。例1-4在一热交换器中用压强为136kPa的饱和蒸汽加热298k的空气，空气流量为1kg/s，蒸汽的流量为0.01kg/s，冷凝水在饱和温度381K下排出。若取空气的平均比热为1.005kJ/kgK，试计算空气出口温度（热损失忽略不计）。解：数量基准数量基准每秒钟蒸汽、空气的流量温度基准温度基准取进口空气温度298K，因而其焓为零，H冷空气=0相态基准相态基准压强为136kPa的饱和蒸汽，查得其焓H蒸汽.381K=2690kJ/kg，同时查得H冷凝水381K=452.9kJ/kg衡算范围封闭虚线所示范围对此连续稳定过程Q入=Q出其中：Q入=Q蒸汽+Q冷空气=0.01H蒸汽+1H冷空气Q出=Q热空气+Q冷凝水=11.005（T-298）+0.01H冷凝水T：热空气温度将数据代入解得T=320.3K四四 化工过程开发化工过程开发化工过程开发：指将实验室研究扩大为生产规模，使新产品、新工艺或新技术在工业装置中运转或转变为生产的全过程。这个过程所需的时间称为化工过程开发周期开发周期。其工业规模与实验室规模之比称为放大倍数放大倍数。1实验室研究-小试确定原料路线和工艺方案，确定适宜的操作条件；获取开发所需要的热力学和动力学数据。2可行性研究技术可行性，经济效益，环境保护。3中间试验-中试考察小试工艺是否合理和完善，从而进行充实和修改；检验和修正数学模型；确定测量、调节和控制方法；考查杂质积累的影响；材料的耐腐蚀性；小批量生产。4工业装置的设计和投产由专职人员来完成。设计生产规模，确定产量大小；估算开发费用；技术可靠性，操作稳定性。五、国家法定单位介绍及单位换算注意五、国家法定单位介绍及单位换算注意事项事项1.国际单位制（国际单位制（SISI）与法定计量单位）与法定计量单位国际计量会议制定了一种国际上统一的国际单位制，其国际代号为SI。国际单位制中的单位是由基本单位、辅助单位和具有专门名称的导出单位构成的，国际单位制的基本单位量的名称单位名称单位符号长度米m质量千克kg时间秒s电流安培A热力学温度开尔文K物质的量摩尔mol发光强度坎德拉cd国际单位制的辅助单位量的名称单位名称单位符号平面角弧度rad立体角球面角sr国际单位制中具有专门名称的导出单位量的名称单位名称单位符号其它表示式示例频率赫兹Hzs-1力；重力牛顿Nm/s2压力（压强），应力帕斯卡PaN/m2能量，功，热焦耳JNm功率瓦特WJ/s摄氏温度摄氏度用于构成十进倍数和分数单位的词头用于构成十进倍数和分数单位的词头所表示的因数词头名称词头符号所表示的因数词头名称词头符号106兆M10-1分d103千k10-2厘c102百h10-3毫m101十da10-6微物理单位制（物理单位制（CGS）的基本单位的基本单位CGS制量的名称长度质量时间温度单位符号cmgs工程制（重力制）的基本单位工程制（重力制）的基本单位工程制量的名称长度力时间温度单位符号mkgfs2.因次（量纲）因次（量纲）法定计量单位中，基本量的长度、质量、时间、温度可分别用符号L、M、T、表示，则导出量可由这些基本量的符号组合而成。例如，速度可用LT-1、加速度用LT-2、力用MLT-2表示若某物理量以MaLbTc表示，则称它为该物理量的因次或量纲（严格地说，指数a、b、c称为因次，MaLbTc称为该物理量的因次式或量纲式）。当abc0时，时M0L0T01，称为无因次。量纲一致性原理：任何一个理论（物理）方程两边的量纲必相等。3.单位换算单位换算同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地改变。这种换算称为单位换算。必须掌握这些单位间的换算关系。单位换算时，需要换算因数。化工中常用单位的换算因数，可从本教材附录一（p261）中查得。4注意事项注意事项（1）力的单位是牛顿；（2）能、功和热的单位都是焦耳；（3）还有一些暂时并用单位，如大气压，小时，天，摄氏度，毫米汞柱。（4）单位一般用符号外加表示，以便与公式中字母区别。（5）关于单位制，本课程一律采用国际单位制，即SI制。在本书中出现其它单位制的时候，将给出其于SI制的换算关系。在例题或习题中如果碰到，则应将其换算成SI制。否则，因单位制不统一而造成计算的结果与准确值相差甚远。习习 题题1、化学工业是指以对原料进行加工处理，使其发生而成为生产资料或生活资料的加工业。2、化工过程是指化工产品的过程。它由若干个和若干个组合而成；3、化工过程由、及反应产物后处理过程构成4、单元操作是指化工过程中普遍采用的、遵循共同的、所用相似、具有相同作用的那些基本物理操作，其中参与操作的物料不发生的变化。5、物料衡算依据是，物料衡算的通式是，在定常操作过程，通式中等于0。6、化工过程的平衡关系表可确定一个过程以及可能达到的。7、过程速率越大，设备生产能力或设备尺寸。作作 业业1、不定常操作与定常操作的区别是什么？各适于哪种生产阶段？2、在一连续干燥器中，用热空气将含水10%的湿固体物料干燥到含水1%（均为质量%）。进口热空气中含水汽量为0.01kg水汽/kg干空气，若要求出口废气中的水汽量不超过0.12kg水汽/kg干空气，求空气的单耗,kg空气/kg湿物料。