化工原理 概论 精.ppt

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1、化工原理 概论 第1页，本讲稿共32页化工原理课程介绍化工原理课程介绍o化工（专业必修课）：化工（专业必修课）：n化工原理：材料，环境和生物n化工基础：化学o类似：物理化学类似：物理化学n公式多，计算多，过程复杂o考试：半开卷考试：半开卷n不允许带书，只允许带“一张”A4的纸，正反面手写o成绩成绩n作业+提问+出勤+一张纸=平时成绩（30%）n期末考试占70%o基本要求：基本要求：n不迟到，不讲话，按时交作业n上课带书、计算器、纸笔 第2页，本讲稿共32页第一章第一章 绪绪 论论第一节第一节 化学工业与化学工程概述化学工业与化学工程概述第二节第二节 化工过程与单元操作化工过程与单元操作第三节第

2、三节 化工中应用的几个基本规律化工中应用的几个基本规律第四节第四节 化工数据及单位化工数据及单位第3页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论4第4页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论5 化学工业是国民经济重要的基础工业，化学工业是国民经济重要的基础工业，是工业经济中最具活力，有待开发且竞争力是工业经济中最具活力，有待开发且竞争力极强的一个部门。极强的一个部门。其重要性可归纳为：其重要性可归纳为：（1）为农业提供化肥、农药、塑料薄膜等农用生产资料；）为农业提供化肥、农药、塑料薄膜等农用生产资料；（2）为轻纺、建材、冶金、国防、军工以及其他工业提）为轻纺、建材、冶金、国

3、防、军工以及其他工业提 供各种配套原材料；供各种配套原材料；（3）为微电子、信息、生物、航天技术等高技术产业提）为微电子、信息、生物、航天技术等高技术产业提 供新型化工材料和新产品；供新型化工材料和新产品；（4）为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品。）为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品。第5页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论6化学工业的特点：化学工业的特点：（1）增长速度快；）增长速度快；（2）化工科研和新产品开发费用高；）化工科研和新产品开发费用高；（3）大规模连续化生产和技术的复杂性促使化学工业投资加大；）大规模连续化生产和技术的复杂性促使化学工业投资加大；（4）化

4、工产品、工艺路线、技术创造性上竞争激烈；）化工产品、工艺路线、技术创造性上竞争激烈；（5）新工艺的投入、生产规模的扩大以及设备的腐蚀，致使化学工业的工厂）新工艺的投入、生产规模的扩大以及设备的腐蚀，致使化学工业的工厂寿命缩短、报废快；寿命缩短、报废快；（6）在资金足够的条件下，化工产品进入市场的自由度大；）在资金足够的条件下，化工产品进入市场的自由度大；（7）运输便利、均相及价值高的化工产品贸易有国际性；）运输便利、均相及价值高的化工产品贸易有国际性；（8）化学工业与整个工业相辅相存，在经济发展中起支柱作用。）化学工业与整个工业相辅相存，在经济发展中起支柱作用。第6页，本讲稿共32页2022/

5、10/26第一章 绪 论7化学工程的研究内容化学工程的研究内容：第7页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论8化学工程的发展阶段化学工程的发展阶段：在在20世纪前的几百年时间里，出现了不少化学工业，如制糖世纪前的几百年时间里，出现了不少化学工业，如制糖工业、制碱工业、造纸工业等。介绍每一种工业从原料到成品工业、制碱工业、造纸工业等。介绍每一种工业从原料到成品的生产过程，作为一种特殊的知识讲解，这是最早的化学工程的生产过程，作为一种特殊的知识讲解，这是最早的化学工程学。学。1.化学工艺学阶段化学工艺学阶段2.单元操作阶段单元操作阶段 20世纪初，人们逐渐发现，许多门化学工业中存在共同

6、的操世纪初，人们逐渐发现，许多门化学工业中存在共同的操作原理。例如，无论是制糖业还是制碱业，从溶液蒸发得到固体作原理。例如，无论是制糖业还是制碱业，从溶液蒸发得到固体糖和固体碱的原理是相同的，于是，蒸发成为最早提出的单元操糖和固体碱的原理是相同的，于是，蒸发成为最早提出的单元操作之一。经不断总结，被称为单元操作的有：流体流动与输送、作之一。经不断总结，被称为单元操作的有：流体流动与输送、沉降与过滤、固体流态化、传热、蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃沉降与过滤、固体流态化、传热、蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等。取、干燥、结晶、膜分离等。第8页，本讲稿共32页2022/10/26第一

7、章 绪 论9 到到20世纪世纪50年代，人们又发现，各单元操作之间还存在着年代，人们又发现，各单元操作之间还存在着共性。例如，传热和蒸发都是热量传递的形式，蒸馏、吸附、共性。例如，传热和蒸发都是热量传递的形式，蒸馏、吸附、吸收、萃取都是质量传递的形式。于是，把单元操作归纳为吸收、萃取都是质量传递的形式。于是，把单元操作归纳为动量传递、热量传递和质量传递。动量传递、热量传递和质量传递。3.传递过程阶段传递过程阶段4.“三传一反三传一反”阶段阶段 20世纪世纪50年代中期，化学工程中出现了年代中期，化学工程中出现了“化学反应工程学化学反应工程学”这一新这一新的分支。对化学反应器的研究，不仅要运用化

8、学动力学和热力学原理，的分支。对化学反应器的研究，不仅要运用化学动力学和热力学原理，而且要运用动量、热量和质量传递原理。于是而且要运用动量、热量和质量传递原理。于是“传递过程传递过程”与与“反应反应工程工程”成为当今化学工程学的两大支柱。简称成为当今化学工程学的两大支柱。简称“三传一反三传一反”阶段。阶段。第9页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论10 化工过程化工过程：有目的的使原料经过一系列的化学或物理变化，以获得产品的工业过程，也称为化工生产，或化工生产过程。图图1-1 基本化工生产过程基本化工生产过程原原料料 （1）预处理预处理 （2）反反 应应 （3）后处理后处理产产品

9、品第10页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论11化工生产过程化学反应过程物理处理过程 化工生产的核心 原料的预处理 产品的加工(单元操作单元操作)第11页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论12 单元操作单元操作：化工生产中共有的过程，用来为化学反应过程创造适宜的条件或将反应产物分离制成纯净产品 在当今化工及其相近工业生产中应用的单元操作有几十种之多，而且随着生产的发展和科技的进步还会不断地开发出一些新型的单元操作。第12页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论13单元操作的分类单元操作的分类：1）按操作目的分：）按操作目的分：p 流体输送：p 物料的

10、混合：气体和液体的输送主要指通过搅拌达到物料混合或分散的目的p 物料的加热或冷却：利用物料和环境之间的温度差输入或输出热量p 均相混合物的分离：气体吸收、液体蒸馏、萃取等p 非均相混合物的分离：过滤和沉降第13页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论142）按单元操作遵循的基本规律分：）按单元操作遵循的基本规律分：p 动量传递过程：动量传递过程：p 热量传递过程：热量传递过程：遵循流体力学基本规律的单元操作：遵循流体力学基本规律的单元操作：流体输送、沉降、过滤和离心分离等流体输送、沉降、过滤和离心分离等遵循热交换基本规律的单元操作：遵循热交换基本规律的单元操作：如传热、蒸发等如传热

11、、蒸发等p 质量传递过程：质量传递过程：遵循通过扩散，从一相转移到另一相的过程：遵循通过扩散，从一相转移到另一相的过程：吸收、吸附、蒸馏、萃取、离子交换、膜分离等吸收、吸附、蒸馏、萃取、离子交换、膜分离等第14页，本讲稿共32页尿素生产流程尿素生产流程生产尿素的原料是生产尿素的原料是氨氨和和二氧化碳二氧化碳。合成反应分两步合成反应分两步：（1）氨与二氧化碳生产氨基甲酸铵；氨与二氧化碳生产氨基甲酸铵；2NH3（气）+CO2（气）=NH4COONH2（固）（2）甲酸铵脱水生成尿素；甲酸铵脱水生成尿素；NH4COONH2=NH2CONH2+H2O第15页，本讲稿共32页尿素生产流程尿素生产流程尿素生

12、产流程图第16页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论17第三节第三节 化工中应用的几个基本规律化工中应用的几个基本规律p 物料衡算p 热量衡算p 平衡关系 p 过程速率第17页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论181、物料衡算：、物料衡算：物料衡算也称为质量衡算，其依据是物料衡算也称为质量衡算，其依据是质量守质量守恒恒定律。它反映一个过程中原料、产物、副产物定律。它反映一个过程中原料、产物、副产物等之间的关系。等之间的关系。进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的积累量：积累量：输入物料量输入物料量 排出物料量过程积累量排出

13、物料量过程积累量第18页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论19积累 MM入M出系 统 物料衡算示意图物料衡算式：M入 M出 M(1-1)连续稳定流动：M入 M出 (1-2)第19页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论20进行物料衡算时，必须明确下面几点：进行物料衡算时，必须明确下面几点：p 首先要确定衡算的范围。首先要确定衡算的范围。p 其次要确定衡算的基准。其次要确定衡算的基准。p 然后确定衡算的对象。然后确定衡算的对象。p 最后还要确定衡算对象的物理量及单位。最后还要确定衡算对象的物理量及单位。第20页，本讲稿共32页21 例：例：在左图所示的氯化氢在左图所示

14、的氯化氢合成塔中，已知每小合成塔中，已知每小 时进入时进入的氢气量为的氢气量为20kg，氯气量为氯气量为710kg，实际测定出氯化氢的实际测定出氯化氢的产率为产率为98%，试求该合，试求该合 成塔成塔每小时的产量和损失量。每小时的产量和损失量。HCl氯气氯气氢气氢气第21页，本讲稿共32页22解解 根据根据 产率实际产量产率实际产量/理论产量理论产量 因此就需首先求出理论产量。因此就需首先求出理论产量。化学反应为化学反应为 H2Cl2 2HCl Cl2 2 71 73 H2 20 710 730 即理论上氯化氢的产量为即理论上氯化氢的产量为730kg 实际产量为实际产量为73098715.4k

15、g/h利用物料衡算式利用物料衡算式:输入的物料量输出的物料量物输入的物料量输出的物料量物料的损失量料的损失量 20+710 =(20+710)98XX73073098730715.414.6kg/h第22页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论232、热量衡算：、热量衡算：热量衡算的依据是能量守恒定律。热量衡算的依据是能量守恒定律。热量衡算的目的是：热量衡算的目的是：p 计算单位产品的能耗计算单位产品的能耗p 了解过程中能量的利用和损失情况了解过程中能量的利用和损失情况p 确定生产过程中需要输入、输出的热量确定生产过程中需要输入、输出的热量p 设计换热设备设计换热设备第23页，本讲

16、稿共32页2022/10/26第一章 绪 论24积累积累 QQ入入Q出出系系 统统图图1-3 热量衡算示意图热量衡算示意图热量衡算式：热量衡算式：Q入入 Q出出 Q稳定的连续性操作：稳定的连续性操作：Q入入 Q出出 (1-3)(1-4)第24页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论253、平衡关系：、平衡关系：平衡关系可以确定过程进行的方向、程度，平衡平衡关系可以确定过程进行的方向、程度，平衡状态是过程进行的极限。状态是过程进行的极限。p 平衡关系的形式：平衡关系的形式：传热：高温传热：高温低温，温差为低温，温差为0时平衡。时平衡。传质：吸收，精馏等，传质推动力为传质：吸收，精馏等

17、，传质推动力为0时平衡。时平衡。流体流动：高液位流体流动：高液位低液位，液面位置相同时平衡。低液位，液面位置相同时平衡。化学反应：由不平衡向平衡移动，直到平衡。化学反应：由不平衡向平衡移动，直到平衡。p 确定过程的极限，确定能量利用和物料利用方案。确定过程的极限，确定能量利用和物料利用方案。p 考察外界条件对平衡的影响，找出最大利用物料、能考察外界条件对平衡的影响，找出最大利用物料、能 量的条件量的条件第25页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论264、过程速率（动力学过程）：、过程速率（动力学过程）：p 确定所需设备大小：确定所需设备大小：根据过程需处理的物料量。根据过程需处理

18、的物料量。p 确定提高过程速率的方法：确定提高过程速率的方法：过程速率（过程速率（）=过程推动力（过程推动力（）过程阻力（过程阻力（R）根据过程速率大小。根据过程速率大小。增加过程推动力增加过程推动力：压强差、温度差、浓度差。：压强差、温度差、浓度差。降低过程阻力降低过程阻力R：传热中提高：传热中提高、等等。第26页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论27单位制：单位制：英制单位：质量：“磅”1 lb 0.4536 kg长度：“英尺”1 ft 0.3048 m表表1-2 我国几种旧单位制的基本量和基本单位我国几种旧单位制的基本量和基本单位kgf(千克力)s (秒)m (米)米千克

19、力秒制 MKfSs (秒)kg(千克)m (米)米千克秒制 MKSs (秒)g (克)cm(厘米)厘米克秒制 CGS 力时 间 质 量长 度单位制基本量第27页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论28表表1-3 SI 基本单位和辅助单位基本单位和辅助单位量的名称量的名称单单 位位 名名 称称国际符号国际符号备备 注注基 本单位长 度米metrem（1）圆括号中的名称与前面的名称是同义词；（2）去掉方括号后为全称，去掉方括号和其中的字后为简称。质 量千克(公斤)kilogramkg时 间秒seconds电 流安 培AmpereA热力学温度开 尔文KelvinK发光强度坎 德拉Can

20、delaCd物质的量摩 尔molemol辅助单位平 面 角弧 度radianrad立 体 角球 面 角steradiansr第28页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论29表表1-4 化工中常用的化工中常用的SI 导出单位举例导出单位举例量的名称量的名称单单 位位 名名 称称单位符号单位符号用用SI 基本单位表示的单位基本单位表示的单位面 积平方米m2m2体 积立方米m3m3速 度米每秒m/sm/s密 度千克每立方米kg/m3kg/m3浓 度摩尔每立方米mol/m3mol/m3力牛顿Nkgm/s2压强，应力帕 斯卡Pa(=N/m2)kg/(ms2)第29页，本讲稿共32页2022

21、/10/26第一章 绪 论30 续表续表1-4 化工中常用的化工中常用的SI 导出单位举例导出单位举例量的名称量的名称单单 位位 名名 称称单位符号单位符号用用SI 基本单位表基本单位表示的单位示的单位能，功，热量焦 耳J(=Nm)kgm2/s2功 率瓦 特W(=J/s)kgm2/s3粘 度帕 斯卡秒Paskg/(ms)扩散系数平方米/秒m2/sm2/s热容，熵焦 耳每开尔文J/Kkgm2/(s2K)导热系数瓦 特每米开尔文W/(mK)kgm/(s3K)传热系数瓦 特每平方米开尔文W/(m2K)kg/(s3K)第30页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论31表表1-5 SI 词头

22、词头表示的因数表示的因数词头名称词头名称词头符号词头符号1018艾艾 可萨可萨E1015拍拍 它它P1012太太 拉拉T109吉吉 咖咖G106兆兆M103千千k102百百h101十十da表示的因数表示的因数词头名称词头名称词头符号词头符号10-1分分d10-2厘厘c10-3毫毫m10-6微微 10-9纳纳 诺诺n10-12皮皮 可可p10-15飞飞 母托母托f10-18阿阿 托托a第31页，本讲稿共32页2022/10/26第一章 绪 论32例例1-1 通用气体常数通用气体常数 R82.06 atmcm3/(molK)，将其换，将其换算成国际单位：算成国际单位：kJ/(kmolK)表示。表示。方法：将复合单位所包含的简单单位逐一按要求替换，最后方法：将复合单位所包含的简单单位逐一按要求替换，最后化成所要求的单位形式。化成所要求的单位形式。第32页，本讲稿共32页