1、化学工程基础,学习要求：,认真听讲,独立思考,按时完成作业,考核方式：,平时作业、考勤 30 期末考试 （闭卷） 70,参考书目：,陈敏恒编：化工原理，第二版，北京：化学工业出版社，1999；,天津大学化工原理教研室编：化工原理，天津科学技术出版社，1992；,谭天恩编：化工原理，第二版，北京：化学工业出版社，1990；,黄少烈、邹华生主编：化工原理，高等教育出版社，2002。,任绍芬主编：反应工程，化学工业出版社，2005。,第一章 化学工业与化学工程,1.1 化学工业与化学工程概述,1.2 化工过程与单元操作,1.3 物料衡算和热量衡算,1.4 化工数据,1.1 化学工业与化学工程概述,化
2、学工程的前沿研究领域,化学工业的重要性及其发展,化学工业的分类及其特点,化学工程的发展阶段,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。,其重要性可归纳为：,（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。,美国：,按照美国标准工业分类手册（SIC）确定的分类法：,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加工的企业,中国：,化学工业包括：
3、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,续表1-1 主要化工行业及其相关产品,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； （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。,化学工程的研究内容：,化学工程的发展阶
4、段：,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。,化学工艺学阶段,2. 单元操作阶段,20世纪初，人们逐渐发现，许多门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。,化学工程的发展阶段：,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
5、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。,返回,化学工程的前沿研究领域：,材料工程,能源化工,环境化工,生物医学工程,1.2 化工过程与单元操作,化工过程单元操作及其分类,原料,（1） 预处理,化工过程：有目的的
6、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。,（2）反 应,（3） 后处理,产品,图1-1 基本化工生产过程,例如：,可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。,苯的生产： 原料油（甲苯、二甲苯）、H2输送加热反应器减压蒸馏塔精馏苯（99.99299.999%）,甲醇的生产： 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%）,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）,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。,在当今化工及其相近工业生产
7、中应用的单元操作有几十种之多，而且随着生产的发展和科技的进步还会不断地开发出一些新型的单元操作。,单元操作的分类：,1）按操作目的分：,流体输送：,物料的混合：,气体和液体的输送,主要指通过搅拌达到物料混合 或分散的目的,物料的加热或冷却：,利用物料和环境之间的 温度差输入或输出热量,均相混合物的分离：,气体吸收、液体蒸馏、萃取等,非均相混合物的分离：,过滤和沉降,2）按单元操作遵循的基本规律分：,动量传递过程：,热量传递过程：,遵循流体力学基本规律的单元操作： 流体输送、沉降、过滤和离心分离等,遵循热交换基本规律的单元操作： 如传热、蒸发等,质量传递过程：,遵循通过扩散，从一相转移到另一相的
8、过程： 吸收、吸附、蒸馏、萃取、离子交换、膜分离等,1.3 物料衡算和热量衡算,物料衡算热量衡算,物料衡算：,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,图1-2 物料衡算示意图,物料衡算式： M入 M出 M,(1-1),连续稳定流动：M入 M出,(1-2),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
9、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！,确定：,衡算范围：,包含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
10、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,热量衡算：,热量衡算的依据是能量守恒定律。,热量衡算的目的是：,计算单位产品的能耗,了解过程中能量的利用和损失情况,确定生产过程中需要输入、输出的热量,设计换热设备,图1-3 热量衡算示意图,热量衡算式： Q入 Q出 Q,稳定的连续性操作：Q入 Q出,(1-3),(1-4),物料进入系统中，除带入一部分质量以外，还带入一部分热量。热量的多少，与物料所处的热状态有关。,在热力学上，用 “焓”表示物料所处的热状态。式 (1-
11、3) 改写为：,(wH)入 (wH)出 Q,*,w 物料的质量或质量流量,H 焓,热量衡算基准：,数量基准、温度基准、相态基准,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）。,解：,分析：,该题只有一个未知变量，只需列一个热量衡算方程即可求解。关键问题是确定热量衡算的基准！,热量衡算基准：,数量基准：,以单位时间内物流量为基准,温度基准：,以进口冷空气的温度为
12、基准：298K,w冷空气H冷空气w蒸汽H蒸汽 w冷空气H热空气w蒸汽H冷凝水,加热蒸汽： 0.01 kg/s ； 冷空气： 1 kg/s,取 H冷空气 0,由热量衡算式 (*式)得：,进入系统热量,离开系统热量,整理得：,w蒸汽 ( H蒸汽 H冷凝水 ) w冷空气 ( H热空气 H冷空气),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),0.01 ( 2690- 452.9 ) 1 1.005 (T-298) ,T = 320.3 K,将数据代入上式得
13、：,1.4 化工数据,化工数据的分类,单位制与单位换算,化工数据的分类：,基础数据,过程参数,结构参数,无量纲量,单位制：,英国：,英制单位：,质量：,“磅”,1 b 0.4536 kg,长度：,“英尺”,1 ft 0.3048 m,“英寸”,1 ft 12 in,中国：,表1-2 我国几种旧单位制的基本量和基本单位,单位制,基本量,国际单位制：,在1960年10月的第11届国际计量大会上通过了一种新的单位制度，称为国际单位制度，代号为 “SI”，也称为 SI单位制。SI 单位制是目前国际上最先进的一种单位制，被许多国家广泛使用。我国的法定计量单位也是以 SI单位制为基础的。,国际单位制的构成
14、：,国际单位制 （SI）,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,表1-3 SI 基本单位和辅助单位,表1-4 化工中常用的SI 导出单位举例,续表1-4 化工中常用的SI 导出单位举例,表1-5 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,n m (纳米)：10-9m,计量单位和 SI 词头使用方法要点：,由 SI 基本单位相除构成的单位，若分母中有两个以上的单位符号时，要给分母加上圆括号，
15、避免混淆。,如，传热系数单位： W/(m2K),2. 由 SI 基本单位通过乘或除构成的组合单位，在使用 SI 词头时，词头应加在整个单位之前，分母一般不用词头。,如，摩尔内能单位： kJ/mol,而不用 J /(mmol),单位换算：,例1-4 一标准大气压 (1atm) 的压力等于1.033 kgf/cm2 ，将其换算成 SI单位。,解：,kgf,N,cm2,m2,换算关系：,1 千克力 质量为1千克的物体在北纬45度海平面上所受的重力。该处的重力加速度为 9.81 m/s2 。,1 kgf 1 kg g 9.81 N,1 cm 1/100 m,由题给条件：,方法1：将单位之间的换算关系引
16、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。,作业：,5千克力米/秒等于多少W? 1200千卡/(米时 )等于多少kW/(mK)? 每小时将 200kg 过热氨气(压强为1200kPa)从95冷却、冷凝为饱和液氨。已知冷凝温度为30。采用冷冻盐水为冷凝、冷却剂，盐水于2下进入冷凝、冷却器，离开时为10。求每小时盐水的用量。热损失可忽略不计。95过热氨气的焓，kJ/kg 1647 30饱和液氨的焓，kJ/kg 323 2盐水的焓，kJ/kg 6.8 10盐水的焓， kJ/kg 34,1、5kgfm/s=59.81Nm/s=59.81kgm/s2m/s=49.05kgm2/s3,
