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1、2019年6月30,1,第一章 绪论,2019年6月30,2,化工（化学工业），又称化学加工工业，泛指生产过程中化学方法占主要地位的制造工业。是国民经济重要的基础工业，是工业经济中最具活力，竞争力极强的一个部门。,（1）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。,11 化学工业的分类和特点,2019年6月30,3,1 化学工业的分类,美国：,化学工业包括：生产基本化工产品的企业 以化学方法为主进行产品
2、加工的企业,中国：,化学工业包括：基本化学工业 化肥工业 石油化学工业 其他化学工业,表1-1 主要化工行业及其相关产品,4,2023/3/15,续表1-1 主要化工行业及其相关产品,5,2023/3/15,2019年6月30,6,2 化学工业的特点,（1）增长速度快；（2）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；（4）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；（7）运输便利、均相及价值高的化工产品贸易有国际性
3、；（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。,2019年6月30,7,化工学科的内容化学工程 研究化工生产中的共同性操作的规律及其工程性质的问题（包括化工原理和化学反应工程）化学工艺 也称为化工生产技术。指将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，包括实现这种转变的全部化学的和物理的措施,12 化工基础的内容（化工学科的发展）,2019年6月30,8,化学工程,在20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。,单一化学工艺学阶段,2.单元操作阶段,2
4、0世纪初，人们逐渐发现，许多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、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。,2019年6月30,9,到20世纪50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、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。,3.传递过程阶段,4.“三传一反”阶段,20世纪50年代中期，化学工程中出现了“化
5、学反应工程学”这一新的分支。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“传递过程”与“反应工程”成为当今化学工程学的两大支柱。简称“三传一反”阶段。,2019年6月30,10,化学工艺,化学工艺具有个别生产的特殊性，即生产不同的化学产品要采用不同的工艺，即使生产相同产品，但原料路线不同时，也要采用不同的化学工艺。尽管如此，化学工艺所涉及的范畴是相同的，一般包括原料的选择和预处理，生产方法的选择及方法原理；设备的作用、结构和操作；催化剂的选择和使用；其他物料的影响；操作条件的影响；生产控制；产品的分离；能量的利用与回收等。,2019年6月30,
6、11,单元操作,单元操作,化工原理,化工原理,反应工程,+,化工工艺,单元过程,2019年6月30,12,13 化工中的一些基本规律,物料衡算（质量守恒）能量衡算（能量守恒）动量衡算（动量守恒）*平衡关系 过程速率,2019年6月30,13,1-3.1物料衡算（质量守恒）：,物料衡算也称为质量衡算，其依据是质量守恒定律。它反映一个过程中原料、产物、副产物等之间的关系，即进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的积累量。,输入物料的总量 排出物料的总量过程积累的总量,2019年6月30,14,图1-1 物料衡算示意图,物料衡算式：M入 M出 M,(1-1),连续稳态流动：M入 M出,(1-2),2
7、019年6月30,15,进行物料衡算时，必须明确下面几点：,1.首先要确定衡算的系统，即衡算对象包括的范围。,2.其次要确定衡算的基准。,3.然后确定衡算的对象。,4.最后还要确定衡算对象的物理量及单位。,例1-1 每小时有10 吨 5 的乙醇水溶液进入精馏塔，塔顶馏出的产品中含乙醇 95，塔底排出的废水中含乙醇 0.1。求每小时可得产品多少吨？若废水全部排放，每年（按操作 7200小时 计）损失的乙醇多少吨？,解：,已知：,原料液流量及其中乙醇含量,产品和废水中乙醇含量,求：,产品和废水流量,分析：,两个未知量，需列出两个物料衡算方程求解！,16,2023/3/15,确定：,衡算范围：,包含
8、精馏塔在内的虚线框,衡算对象：,a.物流的流量 b.物流中乙醇的量,衡算基准：,单位时间：小时,设：产品流量为 X 吨/时、废水流量为 Y 吨/时。,由物料衡算式：,M入 M出,对物流的量进行衡算：,10 X+Y(1),对乙醇的量进行衡算：,10 5 X 95+Y 0.1(2),X 0.516 吨/时 Y 9.484 吨/时,每年损失乙醇：,9.484 0.1 7200 68.28 吨/年,17,2023/3/15,2019年6月30,18,1-3.2能量衡算（能量守恒）：,能量衡算的依据是能量守恒定律。,能量衡算的目的是：,计算单位产品的能耗,了解过程中能量的利用和损失情况,确定生产过程中需
9、要输入、输出的热量,设计换热设备,2019年6月30,19,图1-2 能量衡算示意图,热量衡算式：Q入 Q出 Q,稳态操作：Q入 Q出,(1-3),(1-4),2019年6月30,20,1-3.3 平衡关系,有关平衡的规律可以预测过程能够达到的极限可以确定当时条件下物料或能量能够利用的极限可以考察外界参数对平衡的影响和体系中物料状态对平衡转化率的影响，从而优化条件衡量过程的效率，从而找出改进的方法,2019年6月30,21,1.3.4过程速率,过程速率决定设备的生产能力，过程速率越高，设备生产能力越大，或设备的尺寸越小。过程速率（r）,在实际工作中，一个过程以多快的速率由不平衡向平衡移动是极为
10、重要的问题。,2019年6月30,22,14 化工过程开发,2019年6月30,23,实验室研究（小试）可行性研究中间试验（中试）工业装置的设计和投产,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称为化工过程开发。,2019年6月30,24,15 物理量的因次与单位制,物理量：表示物质物理性质的参数，如长度、面积、体积、密度、粘度、导热系数、温度、压强等。这些物理量可通过几个彼此独立的基本物理量来表示，其大小则用各种单位来量度称为基本单位。常用的基本单位长度、力或质量，时间和温度等，基本量以外的其它物理量，可通过物理量之间的规律（定义或定律），从基本
11、量推导出来称为导出物理量，他们的单位称为导出单位。应用这些基本量以表示物理量特性的式子称为因次（或量纲）式。因次式中各物理量的指数称为它的因次或量纲（有时也把物理量的量纲式简称为物理量的量纲）。因次可正、可负、整数、分数等任意有理数。,2019年6月30,25,表示各物理量大小除了数字部分外，还要看该物理量的单位。,1、国际单位制 SI制 7个基本单位，2个辅助单位，其余皆为导出单位。2、工程单位制（重力单位制）3.绝对单位制,4、单位换算,2019年6月30,26,16 学习目标,（1）选择（selection)如何根据各单元操作在技术上和经济上的特点，进行“过程和设备”的选择，以适应指定物系的特征，经济而有效地满足工艺要求。（2）设计（Design）如何进行过程的计算和设备的设计。在缺乏数据的情况下，如何组织实验以取得必要的设计数据。（3）操作（Operation）如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。,2019年6月30,27,17 学习中注意的问题,（1）、要理论联系实际（2）、过程原理与设备并重（3）、掌握研究的方法（4）、着重培养自学能力、创新能力基础：高等数学、物理化学、化工机械,2019年6月30,28,
