《化工基础》PPT课件.ppt

*1 第一章 绪言 1.1 化学工业概述 1.2 化工生产过程概述 1.3 化学工程学简介 1.4 化工数据 2 v1.1 化学工业概述 v 四、 化学工业的特点 v一、 化学工业的重要性及其发展 v 二、 化学工业范畴及分类 v 三、 化学工业原料及选择原则 v 五、 化工的发展与现状 3 化学工业: v一、 化学工业的重要性及其发展 化学工业是将各种原材料通过不同条件 下所进行的化学反应，使其性质或形态产生 变化，定向加工成对国民经济发展和人民生 活水平改善有价值的化学产品的工业。 4 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。 v一、 化学工业的重要性及其发展 5 1、化学工业的分类： 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： v 二、 化学工业范畴及分类 分为25类 或通用化学品及 精细化学品. 化学品: 基本化学工业 化肥工业 石油化学工业 精细化学工业 其他化学工业 6 化 工 行 业业主 要 产产 品 或 用 途 化学矿山磷矿、硫矿、硼矿、矾矿和石灰石矿等 酸、碱硫酸、烧碱、纯碱 无机盐磷酸、碳酸钾、小苏打、无水硫酸钠、氰化钠、硫酸铝、硝酸钠 、氯化锌、轻质碳酸钙、过氧化氫、沉淀硫酸钡等 化 肥氮肥（硫酸铵、硝酸铵、尿素、氯化铵、碳酸氫铵、氨水、石灰 氮等）、磷肥（普通过磷酸钙、钙镁磷肥等）、钾肥 化学农药敌百虫、乐果、甲胺磷、杀虫双、草甘磷、多菌灵等 电 石可作为生产聚氯乙烯、聚乙烯醇、氯丁橡胶、乙酸、乙醛、乙炔 黑、双氰胺、硫脲等工业的原料 热固性塑料和 工程塑料 酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚碳酸酯、 聚甲醛、ABS树脂、尼龙1010、尼龙6、尼龙66、聚砜等 合成橡胶顺丁橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶等 染 料硫化染料、直接染料、酸性染料、活性染料、碱性染料、还原燃料 、分散染料、冰染染料、阳离子染料等 2 主要化工行业及其相关产品 7 2.主要化工行业及其相关产品 化 工 行 业业主 要 产产 品 涂 料天然树脂漆、酚醛树脂漆、醇酸树脂漆、氨基树脂漆、过氯乙烯 漆、聚酯漆、聚氨酯漆、硝基漆、有机硅漆等 增塑剂邻苯二甲酸酯、对苯二甲酸二辛酯、己二酸二辛酯、烷基磺酸苯 酯、氯化石蜡、磷酸酯等 橡胶加工助剂防老剂、促进剂 表面活性剂阳离子型、阴离子型、非离子型、两性型等 造纸化学品脱墨剂、助留剂、助滤剂、表面处理剂、浆内施胶剂、纸张增强 剂、涂布胶粘剂、分散剂等 感光材料电影胶片、照相胶片、特种胶片、彩色像纸等 磁性记忆材料磁带、磁盘等 橡胶加工轮胎、运输带、胶管、胶鞋、碳黑等 8 v 三、化工原料及选择原则 1.化学工业原料 按来源划分：无机材料和有机材料 无机材料主要有： 空气、水和化学矿物 有机材料主要有： 煤、石油、天然气和生物质 9 2.选择原则 在选择原料路线和技术线路时应当全面地权衡 技术、经济、社会和环保等方面的利弊。 1.原料的品位、供应量 2.经济性 3.原料资源的综合利用 10 v 四、 化学工业的特点 (1)、化学工业是独特的,不可取代的工业部门； (2)、化工产品品种繁多,工艺复杂; (3)、化学工业是装置型工业,具有规模经济性; (4)、化学工业是资金密集,技术密集的工业部门 ; (5)、化学工业是能源消耗的大户; (6)、化学工业是易污染、重污染的工业部门 11 18世纪中硫酸生产; 19世纪中制碱; 20世纪初合成氨; 20世纪中石油工业 20世纪后精细化工 v 五、化学工业的发展与现状 （1）、化学工业的发展 化学工业是一个十分古老的工业，最早可追根 溯源至公元前年以前，最早的化学工艺为 制陶、酿造、漂染、鞣革等行业 12 （2）、我国的化学工业 旧中国的化学工业基础十分薄弱。从1876年在 天津建立的一个2t/d铅室法制硫酸厂开始，只有几 个沿海、沿江城市有化工企业。除少数工厂生产基 本化工原料外，大多只有生产油漆、染料、橡胶制 品、医药制剂等加工产品。到1949年，国内化工产 品仅100种左右，主要产品产量为：化肥0.6万吨, 硫酸11万吨,烧碱1.5万吨,纯碱8.8万吨.全部化工 产值仅1.77亿元,占全国工业总产值的1.6% 13 （3）、世界化学工业 自1746年英国出现第一座硫酸铜厂以来,现代世界化学工业 经过过260多年的发展,已形成一个技术成熟、规模宏大和品种繁 多的产业部门。从世界化学工业布局来看，世界化工生产、市场 、技术和大型企业主要集中在北美、日本、西欧和前苏联与东欧 四个地区。20世纪90年代以来，亚洲特别是东南亚，化学工业异 军突起，发展势头引人注目。 14 1、 化工过程 2、 单元操作及其分类 v 1.2 化工生产过程概述 15 原料 （1） 预处理 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。 （2） 反 应 （3） 后处理 产品 基本化工生产过程 1、 化工过程 16 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%） 17 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） 18 （）概念 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。 2、 单元操作及其分类 19 )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 20 （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 21 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。 化学工艺阶段 1、 化学工程学的发展阶段 v1.3 化学工程学简介 22 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。 23 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。 传递过程阶段 24 “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。 25 2.化学工程学的研究方法 主要研究方法有： 经验归纳法和演绎的模型法 26 3.化学工程学的几个基本概念 在从事化学工程研究、进行化工过程 开发及设备的设计、操作时，经常运用下面 基本概念: 1、物料衡算 2、能量衡算 3、平衡关系 4、过程速率 27 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，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 28 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 连续稳定流动：M入 M出 29 积累 Q Q入Q出 系 统 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 2)、热量衡算： 热量衡算的依据是能量守恒定律。 30 4、化工基础在化学领域的地位 31 v1.4 化工数据 单位制与单位换算 32 1）、 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 中国： 附表1-4-1 我国几种旧单位制的基本量和基本单位 长 度 质 量时 间 力 厘米克秒制 CGS cm (厘米) g (克)s (秒) 米千克秒制 MKS m (米) kg (千克)s (秒) 米千克力秒制 MKfS m (米)s (秒)kgf (千克力) 单位制 基本量 单位制与单位换算 33 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。 34 国际单位制的构成： 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 35 表1-4-2 SI 基本单位和辅助单位 量的名称单单 位 名 称国际际符号备备 注 基 本 单 位 长 度米metrem （1） 圆括号中 的名称与前面的 名称是同义词； （2）去掉方括号 后为全称，去掉 方括号和其中的 字后为简称。 质 量千克 (公斤)kilogramkg 时 间秒seconds 电 流安 培AmpereA 热力学温度开 尔文KelvinK 发光强度坎 德拉CandelaCd 物质的量摩 尔molemol 辅 助 单 位 平 面 角弧 度radianrad 立 体 角球 面 角steradiansr 36 表1-4-3 化工中常用的SI 导出单位举例 量的名称单单 位 名 称单单位符号用SI 基本单单位表示的单单位 面 积平方米m2m2 体 积立方米m3m3 速 度米每秒m/sm/s 密 度千克每立方米kg/m3kg/m3 浓 度摩尔每立方米mol/m3mol/m3 力牛顿Nkgm/s2 压强，应力帕 斯卡Pa (=N/m2)kg/(ms2) 37 续表1-4-3 化工中常用的SI 导出单位 量的名称单单 位 名 称单单位符号用SI 基本单单位表示的单单位 能，功，热量焦 耳J (=Nm)kgm2/s2 功 率瓦 特W (=J/s)kgm2/s3 粘 度帕 斯卡秒Paskg/(ms) 扩散系数平方米/秒m2/sm2/s 热容，熵焦 耳每开尔文J/Kkgm2/(s2K) 导热 系数 瓦 特每米开尔文 W/(mK)kgm/(s3K) 传热 系数 瓦 特每平方米开 尔文 W/(m2K)kg/(s3K) 38 表1-4-4 SI 词头 表示的因数词头词头 名称 词头词头 符 号 1018艾 可萨E 1015拍 它P 1012太 拉T 109吉 咖G 106兆M 103千k 102百h 101十da 表示的因数词头词头 名称 词头词头 符 号 10-1分d 10-2厘c 10-3毫m 10-6微 10-9纳 诺n 10-12皮 可P 10-15飞 母托f 10-18阿 托a 39 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 m m (毫微米)n m (纳米)：10-9m 40 计量单位和 SI 词头使用方法要点： 1. 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，避免混淆。 如，传热系数单位： W/(m2K) 41 计量单位和 SI 词头使用方法要点： 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) 42 第二章 流体流动过程 43 3.1 流体的基本性质 什么是流体？ 有哪些特征？ 流体 气体 液体 44 流体的特征 1易流动性 当流体受到外部切向力作用时，易于变 形而产生流动。 2可压缩性 流体在外部温度和压力作用下，流体分 子间的距离会发生一定的改变，表现为流体 密度大小的变化。 工程上： 流体 可压缩流体 不可压缩流体 密度为常数 45 1流体的密度 流体的密度单位体积流体的质量。用 表示， 属于物性。 影响因素：流体种类、浓度、温度、压力 46 流体的密度 液体混合物： 气体： -理想气体状态方程 Mm = M1y1+ M2y2 + + Mnyn 气体混合物： 47 2. 比体积 单位质量流体具有的体积，称为流体的 比体积 与流体密度互为倒数 =1/ 48 3流体的压强及其表示方法 流体的压强流体垂直作用于单位面积上的力 ，称为流体的压强，简称压强。用p表示，工程上 习惯称之为压力。 1）压力单位 SI 制中， N/m2 = Pa，称为帕斯卡 2）压力大小的两种表征方法绝对压力 表压 1atm（标准大气压）=1.033at（工程大气压） =1.013105Pa =760mmHg=10.33mH2O 49 绝对压强以绝对零压作起点计算的压强，是 流体的真实强。 表压强压强表上的读数，表示被测流体的绝 对压强比大气压强高出的数值，即: 表压强绝对压强大气压强 50 真空度 真空表上的读数，表示被测流体的 绝对压强低于大气压强的数值，即: 真空度大气压强绝对压强 51 4. 流体的流量和流速 流量 流量 体积流量 qV V t m3/s 质量流量 m qm t kg/s qm qV 摩尔流量 qm M qn 52 2流速 流速 体积流速 u qV A 质量流速 qm W A 平均流速 m/s kg/(m2s) W u qm W A u A 53 流体的粘性和内摩擦力 流体的粘性 流体在运动的状态下,有一种抗 拒内在的向前运动的特性。 流体的内摩擦力 运动着的流体内部相邻两流 体层间的相互作用力。是流体粘性的表现, 又称为 粘滞力或粘性摩擦力。 由于粘性存在，流体在管内流动时，管内任一 截面上各点的速度并不相同,如图所示。 5、 流体的粘性与牛顿粘性定律 54 各层速度不同,速度快的 流体层对与之相邻的速度较 慢的流体层发生了一个推动 其向运动方向前进的力，而同 时速度慢的流体层对速度 快的流体层也作用着一个大 小相等、方向相反的力，即 流体的内摩力。 流体在圆管内分层流动示意图 55 牛顿粘性定律 l 流体流动时的内摩擦力大小与哪些因素有关 平板间液体速度分布图 1）表达式 实验证明,对于一定的液 体,内摩擦力F与两流体层的 速度差u成正比；与两层之 间的垂直距离y成反比,与 两层间的接触面积S（F与S平 行）成正比，即: 56 单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力 或剪应力，以表示，于是上式可写成: 此式只适用于u与y成直线关系的场合。 比例系数，其值