化工原理概论 ppt课件

化工原理,化学与材料科学学院 孙 婷,教材：化工原理谭天恩等，第三版，化学工业出版社,化工原理课程介绍,化工（专业必修课）： 化工原理：材料，环境和生物 化工基础：化学 类似：物理化学 公式多，计算多，过程复杂 考试：半开卷 不允许带书，只允许带“一张”A4的纸，正反面手写 成绩 作业+提问+出勤+一张纸=平时成绩（30%） 期末考试占70% 基本要求： 不迟到，不讲话，按时交作业 上课带书、计算器、纸笔,第一章 绪 论,第一节 化学工业与化学工程概述 第二节 化工过程与单元操作 第三节 化工中应用的几个基本规律 第四节 化工数据及单位,2019/5/14,第一章 绪 论,4,2019/5/14,第一章 绪 论,5,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。,2019/5/14,第一章 绪 论,6,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。,2019/5/14,第一章 绪 论,7,化学工程的研究内容：,2019/5/14,第一章 绪 论,8,化学工程的发展阶段：,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。,2019/5/14,第一章 绪 论,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,2019/5/14,第一章 绪 论,10,化工过程：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。,图1-1 基本化工生产过程,原料,（1） 预处理,（2） 反 应,（3） 后处理,产品,2019/5/14,第一章 绪 论,11,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),2019/5/14,第一章 绪 论,12,单元操作：化工生产中共有的过程，用来为化学反应过程创造适宜的条件或将反应产物分离制成纯净产品,在当今化工及其相近工业生产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。,2019/5/14,第一章 绪 论,13,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,2019/5/14,第一章 绪 论,14,2）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过程： 吸收、吸附、蒸馏、萃取、离子交换、膜分离等,尿素生产流程,生产尿素的原料是氨和二氧化碳。 合成反应分两步： （1）氨与二氧化碳生产氨基甲酸铵； 2NH3（气）+CO2（气）=NH4COONH2（固） （2）甲酸铵脱水生成尿素； NH4COONH2= NH2CONH2+H2O,尿素生产流程,尿素生产流程图,2019/5/14,第一章 绪 论,17,第三节 化工中应用的几个基本规律,物料衡算 热量衡算 平衡关系 过程速率,2019/5/14,第一章 绪 论,18,1、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。 进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的积累量：,输入物料量 排出物料量过程积累量,2019/5/14,第一章 绪 论,19,积累 M,M入,M出,系 统,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),2019/5/14,第一章 绪 论,20,进行物料衡算时，必须明确下面几点：,首先要确定衡算的范围。,其次要确定衡算的基准。,然后确定衡算的对象。,最后还要确定衡算对象的物理量及单位。,21,例： 在左图所示的氯化氢合成塔中，已知每小 时进入的氢气量为20kg，氯气量为710kg，实际测定出氯化氢的产率为98%，试求该合 成塔每小时的产量和损失量。,HCl,氯气,氢气,22,解 根据 产率实际产量/理论产量 因此就需首先求出理论产量。 化学反应为 H2Cl2 2HCl Cl2 2 71 73 H2 20 710 730 即理论上氯化氢的产量为730kg 实际产量为73098715.4kg/h 利用物料衡算式: 输入的物料量输出的物料量物料的损失量 20+710 =(20+710)98X X73073098730715.414.6kg/h,2019/5/14,第一章 绪 论,23,2、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,2019/5/14,第一章 绪 论,24,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),2019/5/14,第一章 绪 论,25,3、平衡关系：,平衡关系可以确定过程进行的方向、程度，平衡状态是过程进行的极限。,平衡关系的形式：,传质：吸收，精馏等，传质推动力为0时平衡。,流体流动：高液位低液位，液面位置相同时平衡。,化学反应：由不平衡向平衡移动，直到平衡。,确定过程的极限，确定能量利用和物料利用方案。,考察外界条件对平衡的影响，找出最大利用物料、能 量的条件,2019/5/14,第一章 绪 论,26,4、过程速率（动力学过程）：,确定所需设备大小：,根据过程需处理的物料量。,确定提高过程速率的方法：,根据过程速率大小。,增加过程推动力 ：压强差、温度差、浓度差。,降低过程阻力R：传热中提高、等。,2019/5/14,第一章 绪 论,27,单位制：,英制单位：,质量：,“磅”,1 lb 0.4536 kg,长度：,“英尺”,1 ft 0.3048 m,表1-2 我国几种旧单位制的基本量和基本单位,2019/5/14,第一章 绪 论,28,表1-3 SI 基本单位和辅助单位,2019/5/14,第一章 绪 论,29,表1-4 化工中常用的SI 导出单位举例,2019/5/14,第一章