化学工业与化学工程.ppt

绪 论 * 第一章 化学工业与化学工程 4、20世纪初，合成氨技术的问世，标志着化学工业发展到一 个新阶段。 1 化学工业发展概况 1、公元前2000多年前，最早化学工艺为制陶、冶炼、酿造、 漂染、揉革等，规模小、技术简单，作坊式生产。 2、18世纪中期，纺织业实现机械化 ，出现以食盐和硫酸为 原料制纯碱的路布兰法-里程碑 1-1 化学工业概述 3、19世纪中叶，出现了氨碱法制碱的索尔维法。随后，电 解法制碱问世， 5、20世纪初汽油的需求量增大，促进了炼油技术发展，重 整、裂解等工艺的开发，提供了丰富的基本有机化工原料。 Date 7、20世纪80年代以来，化工产品品种多样化、功能化、精细 化成为化学工业的起点，化学工业由发展基础化工转向重点 发展精细化工。 1 化学工业发展概况 6、 20世纪中叶，塑料、合成纤维、合成橡胶三大合成材料 的原料几乎全部来自石油化工。引发了化工产业结构的变革 ，带动了精细化工的发展。 1-2 我国化学工业的发展与进步 1-3 化学工业分类 产物组成：无机化学工业、有机化学工业 原料资源：煤炭化学工业、石油化学工业、农产化学工业 世界上：产品的性质、用途及加工过程相似原则 我国：行业划分、产品划分 P4 Date 1、特点 1 化学工业发展概况 1-4 化学工业的特点与发展趋势 2、现代化学工业的发展趋势 A、生产规模大型化 B、原料的生产方法的多样化 C、产品的精细化和专业化 A、 与人类的生存和发展息息相关 人口增长、环境污染和能源短缺三大挑战 B、 原料路线、工艺路线和产品品种的多样性 C、 技术密集型和能源密集型 D、生产过程的节能与绿色化 Date 2 化学工程基础课程简介 化学反应和若干个单元操作串联而成 化学工程基础研究各个独立的单元操作 1. 化学工程的研究对象 单元操作（Unit Operations） (1) 单元操作的概念 化工生产过程 原料的预处理 进行化学反应 反应产物的分离与提纯 单元操作 原料的预处理 反应产物的分离与提纯 化工生产中共有的物理操作 Date 2）单元操作的特点 所有的单元操作都是物理性操作，只改变物料的状态或 物理性质，并不改变化学性质。 单元操作是化工生产过程中共有的操作，只是不同的化 工生产中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。 单元操作作用于不同的化工过程时，基本原理相同，所 用的设备也是通用的。 Date 3）单元操作的分类 根据单元操作所遵循的基本规律，分为三类（三传） 流体动力过程 遵循流体动力基本规律，用 动量 传 递理论研究 如：流体输送、沉降、过滤、固体流态化 热过程 遵循传热基本规律，用热量传递理论研究 如：传热、冷凝、蒸发等 传质过程 遵循传质基本规律，用 质量 传递理论研究 如：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等 Date 2. 化学工程原理学科性质与研究方法 1）学科性质工程学科 用自然科学的基本原理来分析和处理化工生产中的物理过程 2）研究方法工程方法 因次分析法 数学模型法 参数综合法 当量法 类比法 直管湍流阻力 双膜模型的建立 过滤常数 当量直径、当量长度等 动量、热量、质量传递的类似律 Date 3. 化学工程原理的学习方法 发展：如何根据某个物理或物理化学原理开发成为一个 单元操作，寻本求源。 选择：为了达到或实现某一工程目的，能否对过程和设 备作合理的选择和组合。 设计：对已掌握了性能的过程和设备作直接的设计计算 以及对性能不十分掌握的过程和设备通过必要的试验，测取 设计数据，做逐级放大。 操作：如何根据基本原理发现操作上可能出现的各种不 正常现象，寻找其原因及可能采取的调节措施。 Date 3 化学工程处理问题的方法 物料衡算 依据质量守恒定律 输入系统的物料质量等于从系统输出的物料质量和系 统 中积累的物料质量。 物料衡算的通式 Date 定态过程，积累为零。则： 衡算的系统 整个生产过程 某一设备 系统中的所有物料 某一个组分 衡算的对象 例 Date 例：在两个蒸发器中，每小时将5000kg的无机盐水溶液从 12（质量）浓缩到30%。第二蒸发器比第一蒸发器多蒸 出5%的水分。试求： （1）各蒸发器每小时蒸出水分的量； （2） 第一蒸发器送出的溶液浓度。 解：首先画一个流程图表示进行的过程 用方框表示设备，输入输出设备的物流方向用箭头表示。 划定衡算的范围 为求各蒸发器蒸发的水量，以整个流程为衡算范围， 用一圈封闭的虚线画出。 Date 选择衡算基准（连续操作以单位时间为基准，间歇操作 以一批操作为基准） 由于连续操作，以1小时为基准。 蒸发器1蒸发器2 x1 W1W2 F0=5000kg/h x0=0.12 F1 F2 x2=0.3 Date 确定衡算对象 此题中有两个未知数，蒸发的水量及送出的NaOH溶液量 B，因此，我们就以不同衡算对象列出两个衡算式。 对盐作物料衡算： 对总物料作衡算： 代入已知数据，得： 由题意知 Date 求第一个蒸发器送出的溶液浓度，选择第一个蒸发器为衡 算范围。 对盐作物料衡算： 对总物料作衡算： 代入已知数据，得： 解得： Date 2 热量衡算 依据：能量守恒定律 即任何时间内输入系统的总热量等于系 统输出的总热量 与损失的热量之和。 热量衡算通式 或写成 Date 热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，也必须首先 划定衡算范围及衡算基准。 此外应注意焓是相对值，因此必须指明基准温度，习惯上 选0为基准温度，并规定0时液态的焓值为零。 3.过程的平衡和速率 平衡问题 过程的平衡问题是说明过程进行的方向和所能达到的极限 。 平衡是一个动态的过程。 例 Date 速率 过程的速率表示为： 过程的速率推动力阻力 推动力：过程所处的状态与平衡状态的距离， 阻力：过程的阻力是各种因素对速率影响的总的体现。 过程的速率是指过程由不平衡到平衡进行的快慢。 Date 例：在换热器里将平均比热为3.56kJ/（kg）的某溶液自 25加热到80，溶液流量为1.0kg/s，加热介质为120的饱 和水蒸气，其消耗量为0.095kg/s，蒸气冷凝成同温度的饱和 水排出。试计算此换热器的热损失占水蒸气所提供热量的百 分数。 解：根据题意画出流程图 换热器 120饱和水蒸 气 0.095kg/s 120饱和水 0.095kg/s 1.0kg/s 25溶液 80溶液 1.0kg/s Date 基准：1s 在图中虚线范围内作热量衡算 从附录查出120饱和水蒸气的焓值为278.9kJ/kg，120饱 和水的焓值为503.67kJ/kg。 在此系统中输入的热量： 蒸气带入的热量： 溶液带入的热量： 输出的热量： Date 冷凝水带出的热量： 溶液带出的热量： 根据能量衡算式，有： 热量损失的百分数= Date 三、单位及单位制 1.单位及单位 基本量：任意选定的几个独立的物理量(如长度,时间等)。 基本单位：根据使用方便的原则制定的基本量的单位。 导出量：根据物理量与基本量之间的关系来确定的量。 导出单位：导出量的单位称为导出单位，均由基本单位相乘 、除而构成的 。 单位制：基本单位与导出单位的总和。 Date 物理单位制：基本单位：长度cm/m 质量g/kg 时间s 工程单位制：基本单位：长度cm 力 kgf 时间s SI单位制：基本单位有7个，化工中常用的有5个： 长度m 、质量kg 、时间s 、温度K、 物质量mol 2单位衡算 已知1atm=1.033kgf/cm2,将其换算成N/m2。 按题意需将kgf/cm2中的单位换算成N，cm2换算成m2,查附录 1：换算关系为： Date 1kgf=9.81N， 1cm=0.01m 上述关系代入 ，得： 3单位的正确运用 理论公