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1、化学工程基础Fundamentals of Chemical Engineering,河南理工大学物理化学学院张大峰E-mail:dfzhang,2023/7/11,2,规 则：,遵守课堂纪律独立思考按时完成作业,考核方式：,平时作业、实验、课堂表现 30期末考试（闭卷）70,学时：40+12教材内容讲解：2 11周实验部分：平时空闲（周末等），2个考试：17周（暂定）,2023/7/11,3,课程进度安排：,2023/7/11,4,参考书,化工原理.姚玉英主编.天津科学技术出版社化学工程基础.武汉大学主编.高等教育出版社化学工程基础.林爱光编.清华大学出版社化学工程基础.李德华编.化学工业出
2、版社化学工程基础学习指引和习题解答.林爱光编.清华大学出版社化学工程基础学习指导.杨国泰等编.化学工业出版社,2023/7/11,5,主讲章节,第一章 化学工业与化学工程 第二章 流体流动与输送 第三章 传热过程 第四章 传质分离基础 第五章 吸收 第六章 精馏,第一章 化学工业与化学工程,1.1 化学工业概述 1.2 化学工程学 1.3 物料衡算与能量衡算,2023/7/11,7,1.1 化学工业概述,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，有待开发且竞争力极强的一个部门。,1-1 化学工业的重要性,2023/7/11,8,为农业提供化肥、农药等农用生产资料；为轻纺、建材、冶
3、金、国防、军工及其他行业提供各种配套原材料；为微电子、信息、生物工程等高科技产业提供新型化工材料和新产品；为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品；,触及现代生活的各个角落：,2023/7/11,9,衣食住行,化学工业,人类生存密切相关,能源,国防和科技现代化,环保,开源节流,2023/7/11,10,昨天（始于18 世纪工业革命）,1-2 化学工业的发展,2023/7/11,11,今天（2011年我国）,2023/7/11,12,明天（发展趋势）,以信息技术为先导,以新材料技术为基础,以新能源技术为支柱,微观尺度向生物技术开拓,宏观尺度向空间和海洋扩展,化学工业不再局限于传统的化工领域，与这六
4、大技术渗透结合。,2023/7/11,13,材料工程 高分子功能材料、陶瓷、纳米材料、富勒碳能源化工 发展煤化工（洁净煤技术）环境化工 CO2 化学 环境工程 清洁生产,发展趋势,环氧乙烷,2023/7/11,14,生物工程,生物学,化学,工程学,生物技术,生化工程,化学工程,生物化学,e.g.将淀粉酶基因克隆到酵母菌中发酵生产乙醇，时间缩短了十分之九，能量消耗减少了60。,2023/7/11,15,1-3 化学工业的特点,与人类的生存和发展息息相关 世界面临着三大挑战：人口增长、环境污染和能源短缺。原料路线、工艺路线和产品品种的多样性化学工业属于技术密集型和能源密集型产业,提倡采用新工艺、新
5、设备，提高物料的综合利用，降低能耗。,2023/7/11,16,1-4 化学工业的分类,2023/7/11,17,1-5 化工生产工艺及流程,化工生产过程：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。,基本化工生产过程,2023/7/11,18,例如:,可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。,合成气（CO，H2，CO2）输送管式反应器粗甲醇冷却精馏精甲醇（99.8599.95%）,甲醇的生产：,2023/7/11,19,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）,2023/7/1
6、1,20,单元操作：化工生产中除化学反应单元以外的所有物理性操作。,固体和流体物料输送物料的加热和冷却非均相混合物料的分离液体混合物料的蒸发、蒸馏和萃取气体物料的吸收物料的干燥和冷却,单元操作的结果只改变物料的物理性质化工生产过程就是由若干单元操作和反应过程按一定顺序组合而成,2023/7/11,21,流程图,描述从物料开始，经过一系列按一定顺序并相互衔接的单元操作和反应过程，生产合格产品的生产工艺过程称为化工工艺流程。用图表示的化工工艺流程称为化工工艺流程图。,工艺流程框图、装置流程图、管线图、带控制点的流程图等。,类型有：,2023/7/11,22,尿素生产工艺流程框图,2023/7/11
7、,23,尿素生产流程简图,2023/7/11,24,乙烯,苯,V101,苯乙烯气相烷基化生产流程简图,P101,R101,T101,T102,V103,E101,E103,E104,产品,副产物,V101,E102,V102,填料,催化剂,塔板,2023/7/11,25,e.g.a.搅拌,化学实验与化工生产过程比较,b.放大效应,c.加料,D 10 D,V（容积）?,S（传热器壁面积）?,1-5 实验室研究与化工过程开发,2023/7/11,26,2023/7/11,27,实验室,工业过程,直接过渡,想 一 想,是否可行?,2023/7/11,28,举例说明：,实验室,化工生产,催化剂升温活化
8、,电加热,空气预热至活化温度，通入少量反应物,量,催,萘,反应温度控制,外加热,冷却,即：,1.量上,少,多,2.传质、传热及材质上的差别,3.能源、动力及技术与经济上的差别,1-20 g,0.04-0.8 gh-1,10-30 吨,400-1200 kgh-1,2023/7/11,29,萘,O,邻苯二甲酸酐,+Q,实验室反应器,加热,工业反应器,冷却,2023/7/11,30,从实验室研究到工业生产,实验室成果能否进行工业化的四个要求:,对环境无危害,技术上可靠,经济上可行,生产上安全,第一章 化学工业与化学工程,1.1 化学工业概述 1.2 化学工程学 1.3 物料衡算与能量衡算,2023
9、/7/11,32,1887 年，英国人David.G.E.在曼彻斯特工学院做了一系列化学工程问题的讲演；1888 年，美国麻省理工学院，世界上第一次讲授“化学工程”这门课程；1915 年，利特尔Little.A.D.提出了单元操作（Unit Operation）的概念；1923 年，第一本化学工程教科书Principles of Chemical Engineering；,1.2 化学工程学科,2023/7/11,33,1957 年，正式提出了“化学反应工程”（Chemical Reaction Engineering）20 世纪 60 年代后期，计算机用于化学工程以解决最优规划，最优设计“化
10、工系统工程”1983 年在美国化学工程师学会（AICHE）第 75 周年年会上，把化学工程定义为“经济地开发利用物质和能量的方法为人类造福的工学”。,2023/7/11,34,化工生产,化学工艺学或工业化学,单元操作（物理过程）,化学反应工程,单元过程（化学过程）,化工系统工程,传递过程,2-1学科的发展,2023/7/11,35,2-2 化学工程学科的内容单元操作 固体和流体物料输送、加热和冷却、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、干燥等基本操作的总称。传递过程“三传”：动量传递、热量传递、质量传递化学反应工程 研究理想反应器内化学反应的一些共同规律化工热力学 研究化工过程中各种形式能量之间的相互转换规
11、律和过程趋于平衡的条件化工系统工程 以化工系统为研究对象，从整体目标出发确定最优决策,2023/7/11,36,化工,化学工艺,化学工业,化学工程,化工过程,动量、热量、质量传递的总称,研究化工过程中各种状态变化、能量转化和能量有效利用,包括系统分析、系统模拟、系统综合和系统优化等,2023/7/11,37,二.研究方法,实验研究法,测试技术,实验规划,数据处理,数学模型法,过程分析,数学描述,检验与修正,第一章 化学工业与化学工程,1.1 化学工业概述 1.2 化学工程学 1.3 物料衡算与能量衡算,2023/7/11,39,1.3 物料衡算和热量衡算,输入物料的总量 排出物料的总量过程积累
12、的总量,2023/7/11,40,物料衡算式：M入 M出 M,连续稳定流动：M入 M出,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
13、方程求解！,包含精馏塔在内的虚线框,a.物流的流量 b.物流中乙醇的量,单位时间：小时,设：产品流量为 X 吨/时、废水流量为 Y 吨/时。,X 0.516 吨/时 Y 9.484 吨/时,2023/7/11,44,2.能量衡算（能量守恒定律）,依据：能量守恒定律,目的：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要输入、输出的热量设计换热设备,2023/7/11,45,无反应热效应：系统累积能量=输入能量输出能量,伴随反应热效应：系统累积能量=输入能量输出能量+反应放出（+）或吸收（-）的能量,2023/7/11,46,能量衡算式：Q入 Q出 Q积累,稳定的连续性操作：Q
14、入 Q出,例1-2 在一列管式热交换器中用压强为 136 kPa 的饱和蒸汽加热 298 K 的冷空气，蒸汽的流量为 0.01 kg/s，空气的流量为 1 kg/s。冷凝水在饱和温度 381 K下排出。若取空气的平均比热为 1.005 kJ/(kgK)，试计算空气的出口温度（热损失忽略不计）。,离开系统热量,=w冷空气H热空气w蒸汽H冷凝水,查饱和水蒸汽表，得到 136 kPa、381K 条件下的物性数据：,H蒸汽 2690 kJ/kg H冷凝水 452.9 kJ/kg H冷空气 0 H热空气 Cp t=Cp(T-298),2023/7/11,50,基础数据：物性数据过程参数：控制生产过程的指
15、标无量纲量：由各种变量和参数组成的数群,3.单位制与单位换算,国际单位制（SI）The International System of Units,化工数据的分类,SI 单位,SI 单位的十进倍数和分数单位,SI 基本单位,SI 导出单位,SI 词头,SI 辅助单位,SI 基本单位和辅助单位,化工中常用的SI 导出单位,化工中常用的SI 导出单位,SI 词头,SI 单位的十进倍数和分数单位：,把 SI 词头加在 SI单位前就构成了 SI单位的十进倍数和分数单位。,如，压强单位 MPa，力的单位 kN。,原则：,词头不可重叠使用,mm(毫微米),nm(纳米)：10-9 m,单位换算：,例 一标准
16、大气压(1 atm)的压力等于1.033 kgf/cm2，(kgf：千克力)，将其换算成 SI单位。,由题给条件：,方法1：将单位之间的换算关系引入等式中进行计算，使分子、分母的单位相消后，剩下的单位与所求单位一致。,例1-5 通用气体常数 R82.06 atmcm3/(molK)，将其换算成国际单位：kJ/(kmolK)表示。,解：,方法2：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。,2023/7/11,59,2023/7/11,60,长度(m)质量(kg)时间(s)物质的量(mol)电流(A)热力学温度(K)【开尔文】发光强度(cd)【坎德拉】,七个基本单位：,2
17、023/7/11,61,化学不断发现和创造的新物质,产品,化工过程,化学反应,有经济价值的商业产品,化学工程,化学工业,国民经济的支柱产业,世界化工产品的总销售额(年),-超过万亿美元,2023/7/11,62,酸处理,过滤器,一级NF,二级NF,截流水,脱碳器,氯处理,石灰处理,产品水,水的纳滤软化流程,2023/7/11,63,例：,蒸发器,冷却结晶器,20KNO31000 kg/h,水 W?,S50,R?,P?,96,37.5,首先要确定衡算对象,F,F=W+P F0.2=W0+P0.96,S=R+PS0.5=R0.375+P0.96,W、P,R,2023/7/11,64,大作业：,任选一种化工产品，介绍其典型合成工艺,要求：形式：制作ppt课件，时间约5 min分组：3人一组（为方便，按学号顺序分组）上交时间：第九周周三下课之前（10月26日）讲解时间：第十周周三（暂定，根据课程进度微调，随机抽选）,
