化學工業(yè)與化學工程

1、2024/3/18,緒 論,,,,2024/3/18,第一章 化學工業(yè)與化學工程,4、20世紀初，合成氨技術的問世，標志著化學工業(yè)發(fā)展到一個新階段。,,,,,?1 化學工業(yè)發(fā)展概況,1、公元前2000多年前，最早化學工藝為制陶、冶煉、釀造、漂染、揉革等，規(guī)模小、技術簡單，作坊式生產(chǎn)。,2、18世紀中期，紡織業(yè)實現(xiàn)機械化 ，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 化學工業(yè)概述,3、19世

2、紀中葉，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世紀初汽油的需求量增大，促進了煉油技術發(fā)展，重整、裂解等工藝的開發(fā)，提供了豐富的基本有機化工原料。,2024/3/18,7、20世紀80年代以來，化工產(chǎn)品品種多樣化、功能化、精細化成為化學工業(yè)的起點，化學工業(yè)由發(fā)展基礎化工轉(zhuǎn)向重點發(fā)展精細化工。,,,,,?1 化學工業(yè)發(fā)展概況,6、 20世紀中葉，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

3、工產(chǎn)業(yè)結構的變革，帶動了精細化工的發(fā)展。,1-2 我國化學工業(yè)的發(fā)展與進步,1-3 化學工業(yè)分類,產(chǎn)物組成：無機化學工業(yè)、有機化學工業(yè),原料資源：煤炭化學工業(yè)、石油化學工業(yè)、農(nóng)產(chǎn)化學工業(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 P4,2024/3/18,1、特點,,,,,?1 化學工業(yè)發(fā)展概況,1-4 化學工業(yè)的特點與發(fā)展趨勢,2、現(xiàn)代化學工業(yè)的發(fā)展趨勢,A、生產(chǎn)規(guī)模大型化,B、原料的生

4、產(chǎn)方法的多樣化,C、產(chǎn)品的精細化和專業(yè)化,A、 與人類的生存和發(fā)展息息相關,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、 技術密集型和能源密集型,D、生產(chǎn)過程的節(jié)能與綠色化,2024/3/18,?2 化學工程基礎課程簡介,化學反應和若干個單元操作串聯(lián)而成 化學工程基礎——研究各個獨立的單元操作,,,,,化學工程的研究對象

5、 ——單元操作（Unit Operations）(1) 單元操作的概念,原料的預處理 進行化學反應 反應產(chǎn)物的分離與提純,單元操作,原料的預處理 反應產(chǎn)物的分離與提純,——化工生產(chǎn)中共有的物理操作,2024/3/18,2）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

6、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，所用的設備也是通用的。,,,,2024/3/18,,,,,,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

7、論研究,如：蒸餾、吸收、萃取、結晶、干燥等,2024/3/18,2. 化學工程原理學科性質(zhì)與研究方法,1）學科性質(zhì)——工程學科 用自然科學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)學模型法 參數(shù)綜合法 當量法 類比法,,,,——直管湍流阻力——雙膜模型的建立——過濾常數(shù)——當量直徑、當量長度等——動量、熱量、質(zhì)量傳遞的類

8、似律,2024/3/18,3. 化學工程原理的學習方法 發(fā)展：如何根據(jù)某個物理或物理化學原理開發(fā)成為一個單元操作，尋本求源。 選擇：為了達到或?qū)崿F(xiàn)某一工程目的，能否對過程和設備作合理的選擇和組合。,設計：對已掌握了性能的過程和設備作直接的設計計算以及對性能不十分掌握的過程和設備通過必要的試驗，測取設計數(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

9、調(diào)節(jié)措施。,2024/3/18,? 3 化學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。,——物料衡算的通式,2024/3/18,定態(tài)過程，積累為零。則：,,,,衡算的系統(tǒng),,整個生產(chǎn)過程某一設備,系統(tǒng)中的所有物料某一個組分,衡算的對象,,例,2024/3/18,,,,例：在兩個蒸發(fā)器中，每小時將5000kg的無機鹽水溶液從12％（質(zhì)量％）濃縮

10、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行的過程 用方框表示設備，輸入輸出設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。,2024/3/18,,,選擇衡算基準（連續(xù)操作以單位時間為基準，間歇操作以一批操作為基準） 由于

11、連續(xù)操作，以1小時為基準。,,,2024/3/18,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,2024/3/18,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：,2024/3/18,2． 熱量衡算,依據(jù)：能量守

12、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?2024/3/18,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。,此外應注意焓是相對值，因此必須指明基準溫度，習慣上選0℃為基準溫度，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行的方向和所能達到的極限。 平衡是一個動態(tài)的過程。,例,2024/3/18

13、,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行的快慢。,2024/3/18,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

14、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數(shù)。,解：根據(jù)題意畫出流程圖,,2024/3/18,基準：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：,2024/3/18,冷凝水帶出的熱量：,,溶液帶出的熱量：,,,根據(jù)能量衡算式，有：,,熱量損失的百分數(shù)=,2024

15、/3/18,三、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。 導出量：根據(jù)物理量與基本量之間的關系來確定的量。 導出單位：導出量的單位稱為導出單位，均由基本單位相乘、除而構成的 。 單位制：基本單位與導出單位的總和。,2024/3/18,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

16、 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：換算關系為：,2024/3/18,1kgf=9.81N， 1cm=0.01m上述關系代入 ，得：,3．單位的正

17、確運用 理論公式：根據(jù)物理規(guī)律建立的，反映各有關物理量之間 的關系，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 來表示各物理量即可。,2024/3/18,經(jīng)驗公式：根據(jù)試驗結果整理出來的，反映各有關物理量 的數(shù)字之間的關系，又叫數(shù)字公式 。 公式中所用的單位一般都是指定的