1、化學工程基礎Fundamentals of Chemical Engineering,河南理工大學物理化學學院張大峰Tel: 13513820267E-mail: dfzhang@hpu.edu.cn,2024/3/21,2,規(guī) 則：,遵守課堂紀律獨立思考按時完成作業(yè),考核方式：,平時作業(yè)、實驗、課堂表現(xiàn) 30％期末考試 （閉卷） 70％,學時：40 + 12教材內容講

2、解：2 ~ 11周實驗部分：平時空閑（周末等），2個考試：17周（暫定）,2024/3/21,3,課程進度安排：,2024/3/21,4,參考書,化工原理. 姚玉英主編. 天津科學技術出版社化學工程基礎. 武漢大學主編. 高等教育出版社化學工程基礎. 林愛光編. 清華大學出版社化學工程基礎. 李德華編. 化學工業(yè)出版社化學工程基礎學習指引和習題解答. 林愛光編. 清華大學出版社化學工程基礎學習指導. 楊國泰等編. 化學工業(yè)

3、出版社,2024/3/21,5,主講章節(jié),第一章 化學工業(yè)與化學工程 第二章 流體流動與輸送 第三章 傳熱過程 第四章 傳質分離基礎 第五章 吸收 第六章 精餾,第一章 化學工業(yè)與化學工程,§1.1 化學工業(yè)概述 §1.2 化學工程學 §1.3 物料衡算與能量衡算,2024/3/21,7,§1.1 化學工業(yè)概述,化學工業(yè)是國民經濟重要的基礎工業(yè)，是工業(yè)經濟中最具活

4、力，有待開發(fā)且競爭力極強的一個部門。,1-1 化學工業(yè)的重要性,2024/3/21,8,為農業(yè)提供化肥、農藥等農用生產資料；為輕紡、建材、冶金、國防、軍工及其他行業(yè)提供各種配套原材料；為微電子、信息、生物工程等高科技產業(yè)提供新型化工材料和新產品；為人們的衣、食、住、行提供各種化工產品；…………,觸及現(xiàn)代生活的各個角落：,2024/3/21,9,—— 衣食住行,化學工業(yè),,人類生存密切相關,—— 能源,—— 國防和科技現(xiàn)代化,——

5、 環(huán)保,,,開源節(jié)流,2024/3/21,10,昨天（始于18 世紀工業(yè)革命）,1-2 化學工業(yè)的發(fā)展,2024/3/21,11,今天（2011年我國）,2024/3/21,12,明天（發(fā)展趨勢）,,以信息技術為先導,以新材料技術為基礎,以新能源技術為支柱,微觀尺度向生物技術開拓,宏觀尺度向空間和海洋擴展,化學工業(yè)不再局限于傳統(tǒng)的化工領域，與這六大技術滲透結合。,2024/3/21,13,材料工程 高分子功能材料、陶瓷、納米材料

6、、富勒碳能源化工 發(fā)展煤化工（潔凈煤技術）環(huán)境化工 CO2 化學 環(huán)境工程 清潔生產,發(fā)展趨勢,環(huán)氧乙烷,2024/3/21,14,生物工程,,,,生物學,化學,工程學,生物技術,生化工程,化學工程,生物化學,,,e.g. 將淀粉酶基因克隆到酵母菌中發(fā)酵生產乙醇，時間縮短了十分之九，能量消耗減少了60％。,,2024/3/21,15,1-3 化學工業(yè)的特點,與人類的生存和發(fā)展息息相關 世界

7、面臨著三大挑戰(zhàn)：人口增長、環(huán)境污染和能源短缺。原料路線、工藝路線和產品品種的多樣性化學工業(yè)屬于技術密集型和能源密集型產業(yè),提倡采用新工藝、新設備，提高物料的綜合利用，降低能耗。,2024/3/21,16,1-4 化學工業(yè)的分類,2024/3/21,17,1-5 化工生產工藝及流程,化工生產過程：有目的的使原料經過一系列的化學或物理變化，以獲得產品的工業(yè)過程，也稱為化工生產，或化工生產過程。,基本化工生產過程,2024/3/21,1

8、8,例如:,可見，一個化工過程往往包含幾個或幾十個加工過程。,合成氣（CO，H2，CO2）→輸送→管式反應器→粗甲醇→冷卻→精餾→精甲醇（99.85~99.95%）,甲醇的生產：,2024/3/21,19,化工生產過程,,化學反應過程,物理處理過程,,化工生產的核心,,原料的預處理,產品的加工,（單元操作）,2024/3/21,20,單元操作：化工生產中除化學反應單元以外的所有物理性操作。,固體和流體物料輸送物料的加熱和冷卻非均相

9、混合物料的分離液體混合物料的蒸發(fā)、蒸餾和萃取氣體物料的吸收物料的干燥和冷卻,單元操作的結果只改變物料的物理性質化工生產過程就是由若干單元操作和反應過程按一定順序組合而成,2024/3/21,21,流程圖,描述從物料開始，經過一系列按一定順序并相互銜接的單元操作和反應過程，生產合格產品的生產工藝過程稱為化工工藝流程。用圖表示的化工工藝流程稱為化工工藝流程圖。,工藝流程框圖、裝置流程圖、管線圖、帶控制點的流程圖等。,類型有：,20

10、24/3/21,22,,尿素生產工藝流程框圖,2024/3/21,23,尿素生產流程簡圖,2024/3/21,24,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,乙烯,苯,V101,苯乙烯氣相烷基化生產流程簡圖,P101,R101,T101,T102,V103,E101,E103,E104,產品,副產物,,,,,,,,,V101,,,,,E102,V102,填料,催化劑,塔板,,,,2024/3/

11、21,25,e.g. a. 攪拌,化學實驗與化工生產過程比較,b. 放大效應,c. 加料,D →10 D,V（容積）?,S（傳熱器壁面積）?,1-5 實驗室研究與化工過程開發(fā),2024/3/21,26,2024/3/21,27,實驗室,工業(yè)過程,直接過渡,想 一 想,,是否可行 ?,2024/3/21,28,舉例說明：,實驗室,化工生產,催化劑升溫活化,電加熱,空氣預熱至活化溫度，通入少量反應物,量,,催,萘,反應溫度控制,外

12、加熱,冷卻,即：,1.量上,少,多,2.傳質、傳熱及材質上的差別,3.能源、動力及技術與經濟上的差別,1 - 20 g,0.04 - 0.8 g·h-1,10 - 30 噸,400 - 1200 kg·h-1,2024/3/21,29,萘,,〔O〕,鄰苯二甲酸酐,+ Q,實驗室反應器,,,,加熱,,,,工業(yè)反應器,冷卻,2024/3/21,30,從實驗室研究到工業(yè)生產,實驗室成果能否進行工業(yè)化的四個要求:,對環(huán)境無

13、危害,技術上可靠,經濟上可行,生產上安全,第一章 化學工業(yè)與化學工程,§1.1 化學工業(yè)概述 §1.2 化學工程學 §1.3 物料衡算與能量衡算,2024/3/21,32,1887 年，英國人David. G. E . 在曼徹斯特工學院做了一系列化學工程問題的講演；1888 年，美國麻省理工學院，世界上第一次講授“化學工程”這門課程；1915 年，利特爾Little. A. D. 提出了單元

14、操作（Unit Operation）的概念；1923 年，第一本化學工程教科書《Principles of Chemical Engineering》；,§1.2 化學工程學科,2024/3/21,33,1957 年，正式提出了“化學反應工程”（Chemical Reaction Engineering）20 世紀 60 年代后期，計算機用于化學工程以解決最優(yōu)規(guī)劃，最優(yōu)設計─“化工系統(tǒng)工程”1983 年在美國化學工程師學

15、會（AICHE）第 75 周年年會上，把化學工程定義為“經濟地開發(fā)利用物質和能量的方法為人類造福的工學”。,2024/3/21,34,,化工生產,化學工藝學或工業(yè)化學,單元操作（物理過程）,化學反應工程,,,單元過程（化學過程）,,化工系統(tǒng)工程,傳遞過程,2-1學科的發(fā)展,2024/3/21,35,2-2 化學工程學科的內容單元操作 固體和流體物料輸送、加熱和冷卻、蒸發(fā)、吸收、蒸餾、萃取、干燥等基本操作的總稱。傳遞過程

16、 “三傳”： 動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞化學反應工程 研究理想反應器內化學反應的一些共同規(guī)律化工熱力學 研究化工過程中各種形式能量之間的相互轉換規(guī)律和過程趨于平衡的條件化工系統(tǒng)工程 以化工系統(tǒng)為研究對象，從整體目標出發(fā)確定最優(yōu)決策,2024/3/21,36,化工,,化學工藝,化學工業(yè),化學工程,化工過程,動量、熱量、質量傳遞的總稱,研究化工過程中各種狀態(tài)變化、能量轉化和能量有效利用,包括系統(tǒng)分析

17、、系統(tǒng)模擬、系統(tǒng)綜合和系統(tǒng)優(yōu)化等,2024/3/21,37,二. 研究方法,,實驗研究法,,測試技術,實驗規(guī)劃,數(shù)據(jù)處理,數(shù)學模型法,,過程分析,數(shù)學描述,檢驗與修正,第一章 化學工業(yè)與化學工程,§1.1 化學工業(yè)概述 §1.2 化學工程學 §1.3 物料衡算與能量衡算,2024/3/21,39,§1.3 物料衡算和熱量衡算,輸入物料的總量 ＝ 排出物料的總量＋過程積累的總量,,202

18、4/3/21,40,物料衡算式： ∑M入 ＝ ∑M出 ＋ M,連續(xù)穩(wěn)定流動：∑M入 ＝ ∑M出,進行物料衡算時，必須明確下面幾點：,1. 首先要確定衡算的系統(tǒng)，即衡算對象包括的范圍。,2. 其次要確定衡算的基準。,3. 然后確定衡算的對象。,4. 最后還要確定衡算對象的物理量及單位。,例1-1 每小時有10 噸 5％ 的乙醇水溶液進入精餾塔，塔頂餾出的產品中含乙醇 95％，塔底排出的廢水中含乙醇 0.1％。求每小時可得產品

19、多少噸？若廢水全部排放，每年（按操作 7200小時計）損失的乙醇多少噸？,解：,已知：,原料液流量及其中乙醇含量,產品和廢水中乙醇含量,求：,產品和廢水流量,分析：,兩個未知量，需列出兩個物料衡算方程求解！,,包含精餾塔在內的虛線框,a. 物流的流量 b. 物流中乙醇的量,單位時間：小時,設：產品流量為 X 噸/時、廢水流量為 Y 噸/時。,X ＝0.516 噸/時 Y ＝9.484 噸/時,2024/3/21,44,

20、2. 能量衡算 （能量守恒定律）,依據(jù)：能量守恒定律,目的：計算單位產品的能耗了解過程中能量的利用和損失情況確定生產過程中需要輸入、輸出的熱量設計換熱設備,2024/3/21,45,無反應熱效應：系統(tǒng)累積能量 = 輸入能量–輸出能量,伴隨反應熱效應：系統(tǒng)累積能量 = 輸入能量–輸出能量 + 反應放出（+）或吸收（-）的能量,2024/3/21,46,能量衡算式： ∑Q入 ＝ ∑Q出 ＋ Q積累

21、,穩(wěn)定的連續(xù)性操作：∑Q入 ＝ ∑Q出,例1-2 在一列管式熱交換器中用壓強為 136 kPa 的飽和蒸汽加熱 298 K 的冷空氣，蒸汽的流量為 0.01 kg/s，空氣的流量為 1 kg/s。冷凝水在飽和溫度 381 K下排出。若取空氣的平均比熱為 1.005 kJ/(kg·K)，試計算空氣的出口溫度（熱損失忽略不計）。,離開系統(tǒng)熱量,= w冷空氣·H熱空氣＋w蒸汽·H冷凝水,查飽和水蒸汽表，得到

22、136 kPa、381K 條件下的物性數(shù)據(jù)：,H蒸汽 ＝ 2690 kJ/kg H冷凝水 ＝ 452.9 kJ/kg H冷空氣 ＝ 0 H熱空氣 ＝ Cp · △t = Cp · (T-298),2024/3/21,50,基礎數(shù)據(jù)：物性數(shù)據(jù)過程參數(shù)：控制生產過程的指標無量綱量：由各種變量和參數(shù)組成的數(shù)群,3. 單位制與單位換算,國際單位制（SI）The Internatio

23、nal System of Units,化工數(shù)據(jù)的分類,,SI 單位,SI 單位的十進倍數(shù)和分數(shù)單位,,SI 基本單位,SI 導出單位,SI 詞頭,SI 輔助單位,SI 基本單位和輔助單位,化工中常用的SI 導出單位,化工中常用的SI 導出單位,,SI 詞頭,,SI 單位的十進倍數(shù)和分數(shù)單位：,把 SI 詞頭加在 SI單位前就構成了 SI單位的十進倍數(shù)和分數(shù)單位。,如，壓強單位 MPa，力的單位 kN。,原則：,詞頭不可重疊使用,m?m

24、 (毫微米),,nm (納米)：10-9 m,單位換算：,例 一標準大氣壓 (1 atm) 的壓力等于1.033 kgf/cm2 ，(kgf：千克力)，將其換算成 SI單位。,由題給條件：,,方法1：將單位之間的換算關系引入等式中進行計算，使分子、分母的單位相消后，剩下的單位與所求單位一致。,例1-5 通用氣體常數(shù) R＝82.06 atm·cm3/(mol·K)，將其換算成國際單位：kJ/(kmol·K

25、) 表示。,解：,方法2：將復合單位所包含的簡單單位逐一按要求替換，最后化成所要求的單位形式。,,2024/3/21,59,2024/3/21,60,長度 (m) 質量 (kg) 時間 (s) 物質的量 (mol) 電流 (A) 熱力學溫度 (K) 【開爾文】 發(fā)光強度 (cd) 【坎德拉】,七個基本單位：,2024/3/21,61,化學不斷發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的新物質,,產品,化工過程,化學反應,有經濟價值的商業(yè)產品,

26、化學工程,化學工業(yè),,國民經濟的支柱產業(yè),世界化工產品的總銷售額(年),--- 超過萬億美元,,2024/3/21,62,,酸處理,,,,,,,,,,,,,,,,,過濾器,一級NF,二級NF,,截流水,脫碳器,氯處理,石灰處理,,產品水,水的納濾軟化流程,2024/3/21,63,例：,蒸發(fā)器,,,,,,,,冷卻結晶器,20％KNO31000 kg/h,,水 W ?,S50％,R ?,P ?,96％,37.5％,首先要確定衡算對象,

27、,,F,F = W + P F×0.2 = W×0 + P×0.96,S = R + PS×0.5 = R×0.375 + P×0.96,,,,W 、 P,,R,2024/3/21,64,大作業(yè)：,任選一種化工產品，介紹其典型合成工藝,要求：形式：制作ppt課件，時間約5 min分組：3人一組（為方便，按學號順序分組）上交時間：第九周周三下課之前