1、现代化工与高科技第六章 化学工程与工艺的科学基础,在18世纪以前，化学品的制造还是手工业操作，与实验室没有很大的差别。 随着对化学品需求的增长，引起了手工业向大工业的过渡。工业化学家着眼于将化学反应与产品的纯化分离在工业上运用和实现。 因为工业生产中需要使用钢铁制造的机械和设备，这就要求工业化学家具备较多的物理和机械知识，或与具有一定化学知识的机械工程师合作，才能胜任。这便是19世纪解决化工生产问题的“化学（家）机械（工程师）”的方式。,6.1 化工学科的产生与发展,6.1 化工学科的产生与发展 化学工程的早期定义,化学工程是工程技术的一个分支，化学工程从事物质发生化学变化或物理变化的加工过程
2、的开发和应用。通常可将这些加工过程分解为一系列物理单元操作和化学单元操作。化学工程师主要从事运用上述单元操作和单元过程进行装置和工厂的设计、制造和操作。化学、物理和数学是化学工程的基础学科，而在化学工程实践中，经济则占主导地位”。 以上为被称为化学工程先驱的英国工程师G.E.戴维斯（George Edwards Davis,18501907）在他的化学工程手册中给出的定义。这一定义，今天看来仍然是正确的。,单元操作的概念的提出,化学工业中存在着千变万化的各种化学加工过程，即化工过程。化工过程中不仅包含化学变化的过程，而且还包含分离混合物为较纯净的不同组分以及改变其物理状态和性质的各种过程。 生
3、产过程中除了反应器内有化学反应外，其余步骤均属物理操作，实际上化工生产过程是以化学反应为核心，而物理步骤只起到为化学反应准备必要的反应条件以及进一步将粗产品提纯的作用。 构成多种化工产品生产的物理过程都可归纳为有限的几个基本过程，如流体输送、加热或冷却、沉降、蒸发、蒸馏、结晶、干燥等。这些基本物理操作统称为化工单元操作，简称单元操作。 1915年由美国麻省理工学院A.D.Little 首次正式提出。,化工学科体系的形成,1888年美国麻省理工学院首先在化学系科内设置化学工程课程，后来才开始设置化学工程系。其它国家随后也逐步建立了化学工程系。WHWalker、WKLewis和WHMcAdams三
4、人合著的化工原理初版在1923年问世，由此原来多种化学工业生产各异的工艺被归纳为为具有共同规律的单元操作，如流体流动、流体输送、固体和液体分离、搅拌、固体的粉碎、加热冷却、蒸发、结晶、蒸馏、吸收、干燥等单元操作。,“三传一反”概念的提出,随着化学工业的进步，单元操作的种类不断增加，如萃取，吸附、离子交换、膜分离等。 20世纪60年代，“三传一反”（动量传递、热量传递、质量传递和化学反应工程）概念的提出，开辟了化学工程发展过程的第二个历程。,化工学科的发展,20世纪60年代末，计算机的迅速发展和普及，给化学工程学科的发展注入了新的活力。 化学工程学科形成了单元操作、传递过程、反应工程、化工热力学
5、、化工系统工程、过程控制等完整体系。 计算机模拟技术的高速发展，更把化学工程推向了过程优化集成、分子模拟的新阶段。,化学工业中存在着千变万化的各种化学加工过程，即化工过程。化工过程中不仅包含化学变化的过程，而且还包含分离混合物为较纯净的不同组分以及改变其物理状态和性质的各种过程。,6. 2 化工单元操作原理及设备,化学工业中存在着千变万化的各种化学加工过程，即化工过程。化工过程中不仅包含化学变化的过程，而且还包含分离混合物为较纯净的不同组分以及改变其物理状态和性质的各种过程。任何化工过程无论规模大小，都可以分为一系列基本操作，如流体输送、过滤、加热、冷却、蒸馏、萃取等等。单元操作就是按照特定要
6、求使物料发生物理变化的这些基本操作的总称。 只有将各种不同的化工过程分解为单元操作来进行研究，才能揭示其共性的本质、原理和规律.,6. 2 化工单元操作原理及设备1、单元操作的概念,大规模装置（15万吨/年） 此装置有六台结晶器，此规模中显示出其中的两台,在某现有装置中进行一台结晶器的安装,结晶与精馏结合用于分离萘及其衍生物,2、单元操作的内容、原理及设备,如流体输送、沉降、过滤、搅拌、加热、冷却、蒸发、蒸馏、萃取、吸收、吸附、干燥、离子交换、膜分离、结晶、粉碎、颗粒分级等等。动量传递、热量传递和质量传递 三种 “传递过程” 是单元操作的科学基础。,用传递现象观察单元操作,凡是以流体流动为特征
7、的各种单元操作，如流体输送、沉降、过滤、搅拌等，都视动量传递为理论基础。 凡是以升温、降温、相变过程为特征的单元操作，如加热、冷却、蒸发、结晶等，都视热量传递为理论基础。 凡是以传质分离为特征的单元操作，如蒸馏、吸附、萃取等，都视质量传递为理论基础。,用传递现象观察单元操作,实际上，在化工单元操作和设备中，三种传递现象有时可能单独存在，有时可能同时存在两种或三种。 例如，蒸馏虽然以质量传递为主， 但由于气液两相的流动和相互接触，动量和热量传递也同时存在。上述三种传递现象有着类似的机理和类似的数学表达式，可以相互类比，常常结合起来进行研究。,2.1 流体输送,在化工生产中，所用的原料或加工后得到
8、的产物及中间产物等，有许多是流体。为了制得产品，常需要将流体物料按照生产工艺的要求，依次输送到各种设备中（如反应设备、换热设备、塔设备等）进行化学反应或物理变化。通常在设备之间用管道连接，需借助流体输送设备（如泵和风机等），使流体物料从一个设备输送到另一个设备，或由上一工序送往下一工序，形成完整的生产流程。,在化工厂中，气体必须利用封闭的管道进行输送，液体除少数可用明沟排送外，大多也是用管道输送的。管道的设置要考虑以下几项主要内容：管壁厚度：取决于管内物料的压力、管道的材质以及物料对管道材料的腐蚀性。管道直径：与流体输送量、适宜流速及允许的压力降有关。流体输送功耗：与管道长度、直径、流体粘度及
9、流速等有关。 输送机械选型：与流体的性质、所需输送量、压力等有关。,流体的输送与输送管道,图6-1 离心泵装置简图,图6-2 往复泵的装置简图,1泵缸；2活塞；3活塞杆4吸入阀；5排出阀,2.2 换热,换热（加热和冷却操作的总称）是以热量传递为主要理论基础的一种单元操作。,热传导，依靠物质分子、原子和电子等微观粒子的热运动来传递热量； 对流传热，是依靠流体的宏观运动和混合来传递热量； 辐射传热，在不需要任何传播媒介的情况下，物体通过电磁波向外界发射热辐射能。,热的传递的三种基本方式,换热设备 在化工生产中最常用的换热器是列管式换热器。它的结构简单，制造比较容易，处理能力大，操作性强，尤其适用于
10、在高温、高压和大型装置中使用。,2.3 蒸馏,蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度的差异，从而实现液体混合物各组分的分离的一种单元操作。,简单蒸馏：是一种间歇操作的蒸馏方式。分批加入的料液在蒸馏釜中不断加热气化，产生的蒸气中低沸点易挥发组分得到增浓。此蒸气立即移出冷凝，成为馏出液。随着蒸馏过程的持续，釜液中低沸物浓度不断下降，馏出液中的低沸点物质的浓度也随之降低，所以要分段收集。用简单蒸馏方法分离混合液不能获得高纯度的产品， 精馏： 采用由多次部分气化、部分冷凝演变成的精馏方法来分离混合液，以获得高纯度产品。精馏原理：相当于把许多个冷凝器和气化器叠加起来，同时将两者合并起来，使冷凝放出的热量作为
11、气化所需要的热量，不但能简化设备，而且也可以节省能量。工业中精馏塔就是依据此原理而设计的。,简单蒸馏和精馏,连续精馏生产流程示意图,2.4 吸收,利用气体在液体中溶解度的差异而分离气体混合物的操作称为吸收。,吸收操作是一种重要的分离方法，主要用于：气体混合物的分离；气体净化制取溶液,2.5 萃取,利用混合物中的各个组分在溶剂中溶解度的不同，而达到分离的目的。用溶剂分离液体混合物中的组分，称液-液萃取或溶剂萃取；用溶剂分离固体混合物中的组分，称固-液萃取或称浸取。,萃取过程示意图 1混合器 2分层器,6.3 化学反应工程,1、化学反应工程的任务和内容化学反应工程主要研究内容有两方面，一是对化学反
12、应规律的研究，二是对反应器中传递规律的研究。,2、化学反应的操作方式（1）间歇式操作（2）连续式操作3、反应器的形式（1）釜式反应器（2）固定床反应器（3）流化床反应器,都需要对研究对象进行定量的描述，即要用数学式来表达各参数（如时间、温度、压力、浓度、流速、导热系数、扩散系数等）之间的关系，简称数学模型。 根据问题复杂程度的不同和对所描述的范围以及要求精度的不同，人们所写出的数学模型的繁简程度也是不同的。在化学反应工程中，数学模型主要包括以下一些内容： 动力学方程式；物料衡算式；热量衡算式；动量衡算式 参数计算式,反应器设计、放大或控制,实验研究和理论分析并举；用实验结果来修正和验证数学模型
13、；用数学模型可以在计算机上对过程进行模拟研究，以代替更多的实验。通过模拟计算，可进一步明确各因素的影响程度，并进行生产装置的设计。,6.4 化工过程控制,1、化工过程控制的目的化工过程控制的目的在于保证化工装备平稳运行、从而使生产过程平稳、多出合格产品。,加热炉自动调节系统(a)原理图 (b)方块图,2、化工过程控制的原理,（1）测量变送器它的作用是测量实际温度（或其它物理量），并将其转换成统一的标准信号。 （2）调节器它接收变送器送来的温度信号，与事先设定的希望温度值进行比较得出偏差，然后按照一定的运算规律进行运算，并将运算得出的调节命令用统一标准信号发送出去。（3）执行器通常指自动调节阀，
14、它和普通阀门（手动阀门）功能一 样，只不过它能自动地根据调节器送来的调节命令改变阀 门的开度。,3、计算机控制系统的应用,（一）数据采集和数据处理系统 （二）直接数字控制系统（Direct Digital Control）,6.5 化工技术与经济,1.概述技术经济(又称技术经济学）的基本任务是研究技术和经济的相互关系，技术经济分析的目标是寻求技术与经济的最佳结合。2.技术经济的评价原则往往同时涉及社会、环境、资源等方面的问题，甚至有时还涉及政治、国防、生态等问题。,经济效益分析,经济效益的概念,所谓经济效益，就是生产过程中所取得的生产成果（使用价值或价值）与取得这一成果所消耗的劳动（资金和物资
15、是物化了的劳动）的比较， 即：,反映投入的指标：原材料、燃料、动力消耗、厂房和机器设备的折旧、工资支出等。 反映产出的指标有：产品产量、产值、利润和税金等。,3.3成本,所谓成本，是生产一种产品时所消耗的物化劳动和人力劳动的总和。构成化工产品成本的主要组成部分有： （1）原材料； （2）燃料及动力费； （3）工资和附加费； （4）折旧费； （5）企业管理费； （6）销售费。,3.4 销售收入、税金和利润,（1）产量和销售量：产量不等于销售量。 （2）产值和销售收入： 产值-是一种产品的年产量与单位产品价格的乘积，即： 产值=单价产量 销售收入-是产品作为商品销售后的收入,即： 销售收入=单价销
16、售量,（3）盈利、利润、税金： A.盈利和净利润 盈利（毛利润）=销售收入-生产成本净利润=毛利润-税金B.税金a） 产品税：又称工商税或增值税。b) 资源税：对涉及自然资源开发的项目征收的税金。c) 调节税：对因技术装备、地理、交通等客观条件较好而盈利较高企业征收的税金。d) 所得税：对有盈利的企业普遍征收的利润所得税。,提高经济效益的途径:,A.增加产出的价值：增加产品的数量和提高产品的价值都可以达到这一目的。高科技产品和高附加值产品的开发与生产；从技术革新、设备改造、提高产品的产量和质量等角度着手，都能够在不同程度上增加产出的价值。B. 减少投入，降低消耗，降低成本,通过技术进步和生产效
17、率的提高，降低产品生产的人力消耗和物质消耗。,图1-1 各分离过程的现状,化工专业范围的扩大,1、从宏观层次逐步发展到介观（泡、滴、粒、团）、亚微观（界面、纳米）、微观（分子）及大宏观（环境、资源、能源等全球可持续发展）的多层次学科。因此教育要相应扩大视野。 2、国外大学也在改革：将化学工程系改称-化学及生化工程系、化学及材料工程系、化学及环境工程系、化学及分子工程系等。 3、教育要与国际接轨。,现代化工科学与教育,现代化工高等教育不但涉及石油化工、化肥、医药、合成材料、食品、酸、碱、盐等基础产业，而且作为支撑技术教育更是与现代高科技产业如生命科学、信息、电子、材料、能源、环境等专业密不可分，
18、 世界化工高等教育不但将持续发展，而且在2l世纪将继续和高科技产业和技术领域互相渗透，培养出更多的化工专业人才。,简答题 1、化工基本单元操作理论基础在于三种传递过程，说 出这三种传递过程是什么。 2、化工单元操作基本定义是什么？列举六种化学工业中常见的单元操作。 3、化工自动控制的基本原理是什么？ 4、常见的化学反应器有哪三种形式？ 5、简答蒸馏单元操作的基本原理和目的。 6、吸收单元操作的原理是什么？ 7、化学反应有哪两种基本操作方式，说出它们的特点 和应用场合。 8、简答化工过程控制的目的。,9、 简答化工技术经济的基本任务。 10、化工生产的成本主要包括哪些？论述题 1、“测量变送器”
19、、“调节器”和“执行器”在自动控制中起什么作用？ 2、试论提高化工生产经济效益的途径。 3、论述经济效益的含义和提高经济效益的基本途径。,第一章化工的地位与发展史,解释中文“化工”的含义，它包括哪些内容？ 化学工业按原料、产品吨位、和化学特性各如何分类？ 简述化工的特点是什么？ 简述化工与能源的关系。它们之间应如何配合？试举例说明。,第一章化工的地位与发展史,如何理解化工过程，它包括哪些内容？请举例说明。化学工业在国民经济中起什么作用？ 化学工业中的基本原料包括哪些？ 重要的能源有几种？其中有哪些是可再生的？一次能源与二次能源的定义？ 各包括哪些种类？,第5章 天然气化工与煤化工,煤的化学成分
20、中煤含有哪些主要化学元素？ 煤的高温干馏后的主要产品有哪四种？ 指出由煤制取合成氨的主要步骤。天然气资源的四种蕴藏形式的简单名称各是什么？ 指出天然气在化学工业中上的主要用途。,试写出反应式说明甲烷经合成气化学转化生成的三种化学品。 至少指出最常见的两种温室气体，并说明它们最大的危害是什么？ 温室气体的最大危害是什么？试列举两种最常见的温室气体，并说明它们在化工生产中有何用途（各举两例）？,第10章 现代化工的发展趋势,试论传统化工面临的两大挑战。 人类面临的五大基本问题是什么？ 请说明环境保护治理的三个发展阶段。 绿色化学与化工研究的主要内容有哪些？ 试给出原子经济性（或原子利用率）的定义， 并举例说明。 试举例说明高新科技与现代化工之间的关系。,绿色化学与化工的含义是什么？它们与传统化工的主要区别在哪里？ 绿色化学品应具有的两个主要特点是什么？ 试就化工的资源、产品、技术、经营和发展方向阐述21世纪化工发展趋势。,第11章 化工高等教育,简述现代高等教育指导思想 简述高等化工教育的培养目标？ 试对我国化工类人才培养方案和教学内容体系改革提出的“厚基础、宽口径，强能力、高素质”的人才培养要求，谈一谈你的想法和个人规划。 化工专业教学包括哪六类课程体系？,
