化工原理-绪论

强不息 知行合一 强不息 知行合一 绪论 一、化工原理课程概述 二、化工原理处理问题的基本方法 三、单位与单位制 强不息 知行合一 一、化工原理课程简介 化学反应和若干个单元操作串联而成 化工原理 研究各个独立的单元操作 1 化工原理的研究对象 单元操作 （ （ 1） 单元操作的概念 过程工程 原料的 预处理 化学反应过程 反应产物的分离与提取 单元操作 过程工程中共有的物理操作 强不息 知行合一 强不息 知行合一 强不息 知行合一 强不息 知行合一 原油 电精制（脱 盐脱水） 初馏 加热 常压 蒸馏 加热 减压 蒸馏 减压各种馏分油 减压渣油 瓦斯 轻汽油 瓦斯、汽油、煤油 轻柴油、重柴油 初馏 加热初馏 常压蒸馏加热加热初馏轻柴油、重柴油石油化工流程简图 加热常压蒸馏加热初馏 加热初馏 减压蒸馏加热常压蒸馏加热初馏物理过程 强不息 知行合一 废蓄电池 倒酸 破碎分离 填料 脱硫 脱硫料 浸出 浸出液 电解沉积 析出铅 熔铸 电铅 贫电解液 合金锭 熔铸 铅锑合金 外壳回收 脱硫液 结晶 副产品 浸出结晶 浸出熔铸结晶 浸出熔铸结晶 浸出结晶 浸出结晶 浸出结晶 浸出结晶 浸出结晶铅蓄电池回收工艺流程图 倒酸脱硫浸出电解沉积浸出浸出浸出浸出浸出浸出浸出浸出化学过程 破碎分离熔铸熔铸结晶结晶结晶结晶结晶结晶结晶结晶结晶物理过程 强不息 知行合一 铁矿石 筛分 皮带传送 料车 高炉炉顶 重力除尘 返粉 煤粉 气力输送 高炉 热风炉 鼓风机 炉渣 铁水 高炉煤气 高炉铁水 供炼钢 重力除尘 喷吹搅拌 荒煤气 换热 扩散 大灰仓 喷水降温 转炉 布袋除尘 炉渣 钢水 转炉烟气 净煤气 炉渣 汽化冷却 除尘 饱和烟气 铁矿石 料车高炉炉顶返粉煤粉 高炉 热风炉炉渣 铁水 高炉煤气高炉铁水 供炼钢荒煤气大灰仓转炉炉渣钢水转炉烟气净煤气炉渣饱和烟气筛分 皮带传送重力除尘气力输送重力除尘喷吹搅拌 换热扩散喷水降温布袋除尘汽化冷却除尘筛分 皮带传送重力除尘气力输送喷吹搅拌 换热扩散 布袋除尘汽化冷却除尘物理过程 炼铁炼钢化工过程简图 强不息 知行合一 氧气 转炉吹炼 氧气底吹熔炼 高铁渣 渣选矿 缓冷 渣精矿 铁精矿 渣尾矿 返回熔炼 配料皮带 烟气 高品位铜锍 熔剂 粗铜 高钙渣 阳极炉精炼 返回熔炼 烟尘等返料 熔剂 铜精矿 氧气 制酸 收尘 余热回收 转炉吹炼氧气底吹熔炼阳极炉精炼化学过程 渣选矿缓冷配料皮带制酸收尘余热回收物理过程 氧气底吹炼铜 (火法 )流程图 强不息 知行合一 矿石 精矿 脉石 焙烧矿 副产物 火法冶炼 化学处理 （焙烧等） 浸出 选矿 粉碎 过滤 净液 电积 电铜 浸出渣 废电解液 火法冶炼电积化学过程 化学处理（焙烧等）浸出选矿粉碎过滤物理过程 湿法炼铜流程简图 强不息 知行合一 铝土矿 溶出 稀释 液固分离 叶滤 晶种分解 焙烧 洗涤 蒸发 分离 溶解 苛化 石灰 补充苛性碱 粗液 赤泥浆 精液 氢氧化铝 母液 氧化铝 蒸发母液 结晶碳酸钠 热水 赤泥 洗液 补充苛性碱结晶碳酸钠补充苛性碱结晶碳酸钠补充苛性碱结晶碳酸钠补充苛性碱母液结晶碳酸钠热水补充苛性碱结晶碳酸钠化学过程 分离溶解苛化补充苛性碱结晶碳酸钠补充苛性碱结晶碳酸钠补充苛性碱结晶碳酸钠化学过程 物理过程 拜耳法生产氧化铝简图 强不息 知行合一 电解 气体净化 净化 澄清 铸锭 氧化铝 冰晶石 氟化铝 阳极糊（阳极炭块） 废气 铝液 铝锭 阳极气体 载氟氧化铝 电解化学过程 电解气体净化净化澄清铸锭化学过程物理过程 铝电解生产流程简图 强不息 知行合一 液态钢渣热焖池 溢流 回水井 高温高碱高钙洗水 压力输送 高效气液反应（系统） 固液分离 液 补充新水 压力输送 低温清液 喷洒 液态钢渣 补充新水 效气液反应（系统） 化学过程 溢流压力输送 固液分离 压力输送 喷洒 物理过程 钢焖渣循环水脱钙流程简图 强不息 知行合一 独居石精矿 球 磨 碱液分解 沉 降 过 滤 滤饼（混合氢氧化物） 优先溶解 过 滤 水 水 滤 液 综合回收 2滤饼（钍 送溶剂萃取分离钍、铀 滤液 （ 送密封保存 （副产品） 除 镭 钡镭渣 浓缩结晶 剂萃取分组 轻稀土 浓缩结晶 中重稀土富集物 降过 滤沉 降过 滤沉 降碱液分解浓缩结晶过 滤沉 降过 滤沉 降球 磨碱液分解沉 降过 滤滤饼（混合氢氧化物）优先溶解水水滤 液综合回收滤饼（钍 铀富集物）送溶剂萃取分离钍、铀送密封保存除 镭钡镭渣浓缩结晶 溶剂萃取分组轻稀土 中重稀土富集物沉 降过 滤沉 降过 滤沉 降沉 降沉 降沉 降沉 降水水滤 液滤饼（钍 铀富集物）送密封保存钡镭渣浓缩结晶轻稀土 中重稀土富集物沉 降沉 降沉 降球 磨沉 降沉 降球 磨沉 降过 滤球 磨沉 降球 磨沉 降过 滤球 磨沉 降过 滤优先溶解过 滤球 磨沉 降浓缩结晶过 滤优先溶解过 滤球 磨沉 降碱液分解除 镭 溶剂萃取分组 除 镭溶剂萃取分组综合回收除 镭溶剂萃取分组化学过程 浓缩结晶浓缩结晶过 滤优先溶解过 滤球 磨沉 降物理过程 稀土碱法生产工艺简图 强不息 知行合一 硫酸焙烧 尾气 尾气处理 排空 浓硫酸 焙烧产物 浸出 中和 净化后的浸出液 沉淀 水洗 过滤 碳酸稀土 洗水 废水处理 排放 负载有机相 萃余水相 反萃取 全萃取 有机相 反萃液 沉淀 钐铕钆富集物 送废水处理 反萃取 氯化稀土溶液 浓缩结晶 供分离单一稀土 结晶氯化稀土 有机相 水相 含钍渣 （封存） 水 排放尾气尾气处理排空浓硫酸焙烧产物浸出净化后的浸出液沉淀水洗过滤碳酸稀土洗水废水处理排放分组负载有机相 萃余水相有机相 反萃液沉淀钐铕钆富集物送废水处理 反萃取氯化稀土溶液浓缩结晶 供分离单一稀土结晶氯化稀土有机相水相含钍渣（封存）水排放浸出水洗浸出过滤水洗浸出浓缩结晶过滤水洗浸出沉淀混合稀土精矿 有机相 硫酸焙烧中和沉淀 分组反萃取 全萃取沉淀 反萃取中和沉淀反萃取 全萃取沉淀 反萃取沉淀化学过程 尾气处理 浸出水洗过滤废水处理浓缩结晶浸出水洗过滤废水处理浓缩结晶浸出水洗浸出过滤水洗浸出浓缩结晶过滤水洗浸出物理过程 稀土酸法生产工艺简图 强不息 知行合一 过程工程 以物理变化为主的生产过程 以化学反应为主的生产过程 单元操作 反应工程 强不息 知行合一 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 。 单元操作是过程工程中共有的操作 ， 只是不同的过程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过程工程时 ， 基本原理相同 ， 所用的设备也是通用的 。 （ 2） 单元操作的特点 强不息 知行合一 （ 3） 单元操作的分类 遵循流体流动基本规律的单元操作，包括流体输送、沉降、过滤、物料混合（搅拌）。 遵循热量传递基本规律的单元操作，包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。 遵循质量传递基本规律的单元操作，包括蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。从工程目的来看，这些操作都可将混合物进行分离，故又称之为分离操作。 同时遵循流动 /热量、流动 /质量基本规律的单元操作，包括气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。 另外，还有热力过程（制冷）、粉体工程（粉碎、颗粒分级、流态化）等单元操作。 强不息 知行合一 动量传递、热量传递、质量传递 “三传” 化学（冶金）反应工程学 “一反” 强不息 知行合一 本课程强调工程观点、定量运算、实验技能及设计能力的培养，强调理论联系实际。在过程工程类专门人才培养中，它承担着工程科学与工程技术的双重教育任务，担负着由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用。化工原理是过程工程类各专业重点课程之一，是过程工程类学生最实用的一门课程，是过程工程类学生考研课程。 理论与经验相结合的工程研究方法 半经验半理论方法 重要的专业技术基础课，兼有 “ 科学 ” 与 “ 技术 ” 的特点 综合运用数学、物理、化学和算法语言等基础知识，将自然科学中的基本原理（动量守恒、质量守衡、能量守衡及平衡关系等）用来研究过程工业生产中内在的共同规律，讨论过程工业生产中共同的基本过程的基本原理、典型设备结构，工艺尺寸设计和设备的选型以及计算方法的一门工程课程。 2. 化工原理的课程性质与研究方法 （ 1） 化工原理课程性质 强不息 知行合一 随着新产品、新工艺的开发或为实现绿色生产过程，对物理过程提出了一些特殊要求，又不断地发展出新的单元操作或过程技术，如膜分离、参数泵分离 、电磁分离、超临界技术等。同时，以节约能耗，提高效率或洁净无污染生产的集成化工艺（如反应精馏、反应膜分离、萃取精馏、多塔精馏系统的优化热集成等）将是未来的发展趋势。 单元操作的研究包括 “ 过程 ” 和 “ 设备 ” 两个方面的内容，故单元操作又称为化工过程和设备。化工原理是研究诸单元操作共性的课程。 研究诸单元操作共性的课程 强不息 知行合一 “ 三传 ” 是贯穿化工原理课程的一条理论主线 动量传递、传热和传质皆属于传递过程，是本门课程统一的研究对象，是联系各单元操作的一条主线。 以热 量传递为基础的 第二部分 以质量传递为基础的 第三部分 以动量传递为基础的 第一部分 强不息 知行合一 研究工程问题的方法论是联系各单元操作的另一条主线 。 各单元操作有共同的研究方法 。 因次分析法 直管湍流阻力系数的求解 数学模型法 过滤方程的建立 参数综合法 过滤常数 当量法 当量直径 、 当量长度等 类比法 动量 、 热量 、 质量传递的类似律 （ 2） 课程的研究方法 强不息 知行合一 实验研究方法 （ 经验法 ） ： 用量纲分析和相似论为指导 ， 依靠实验来确定过程变量之间的关系 ， 通常用无量纲数群 (或称准数 )构成的关系来表达 。 实验研究方法可避免建立数学方程 ， 是工程上通用的研究方法 。 因次论指导下的实验研究法 强不息 知行合一 数学模型法 （ 半经验半理论方法 ） ： 在对实际过程的机理进行深入分析的基础上 ， 抓住过程的本质 ， 作出某些合理的 “ 等效 ” 与 “ 简化 ” ， 建立物理模型 ， 进行数学描述 ， 得出数学模型 ， 通过实验确定模型参数。 数学模型法（半经验半理论） 学模型法与因次分析方法的对比 数学模型法 因次分析方法 对象的认识程度不同 机理比较清楚 机理不清、输出与输出 处理方法不同 等效、简化 因次一致性原理 实验目的不同 确定参数 确定数学关系 参数意义不同 物理意义 /K 数字关系 /a 方程 物理方程 准数方程 强不息 知行合一 3. 化工原理的学习方法 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 。 2012年我国钢渣产量 t，钢渣是一种高钙、高铁资源渣，其中铁品位 20%30%，钙品位 35%50%，如何实现钢渣中铁、钙资源的综合利用，已成为我国钢渣“零排放”以及钢铁工业走循环经济和可持续发展的关键所在。 中冶建筑研究总院和中国京冶工程技术有限公司研发出的第三代钢渣余热自解热焖处理工艺技术和设备，成功解决了钢渣不稳定的现象，实现了钢渣的“零”排放，该技术入选 2009年国家先进污染防治示范技术名录。 该技术 2008年在鞍钢鲅鱼圈新炼钢投建第一条生产线，目前已在新余中冶环保资源开发有限公司、九江中冶环保资源开发有限公司、本溪钢铁（集团）有限责任公司、唐山国丰钢铁有限公司、首钢京唐钢铁公司（曹妃甸）、日照钢铁公司、包钢集团、马钢集团等企业投建 30余条生产线，钢渣处理量占全国年钢渣产量的 直接经济效益已接近 40亿元。 2 热焖系统生产现场实景（鞍钢鲅鱼圈 100万吨钢焖渣生产线） 热焖池热焖过程 热焖池热焖过程 回水井 回水管路 回水管路 在实际生产过程中系统循环供水极不稳定，管路结垢现象非常严重，现在已投产的 30余条生产线均存在严重结垢问题。严重时会导致生产线无法运行， 但目前只能靠添加备用管路，人工机械清理来维持生产运行 。 针对钢渣热焖循环洗水管路中的结垢严重的现状，我们对鞍钢鲅鱼圈、新余等南北方典型生产线及管路结垢进行系统调研分析发现： 结垢物为 热焖过程中热焖洗水循环造成钙离子浓度过高（过饱和）、 于 12）是形成结疤的直接原因。如图 3所示 图 3 循环管路结垢物的 0 20 40 60 80 100 0 00500010000150002000025000300003500040000吨， 114； 钢钢渣热焖循环水管路结垢情况 图 钢钢渣热焖循环水管路结垢情况 该技术的关键工艺包括： 液态钢渣直接热焖系统 图 钢渣余热自解热焖处理工艺流程示意图 具体工艺步骤：自转炉来的液态钢渣倒入热焖系统 热焖水循环系统 然后由泵房直接向液态钢渣喷水，利用钢渣余热自解热焖使铁渣分离。 由于液态钢渣热焖是在 1600 左右的高温下进行，热焖过程中形成 “ 高蒸发、高水温 ”工作状态 ,喷淋的热焖循环水会被渣中自由钙离子饱和 ,形成 “ 高硬度、高碱度 ” 的高钙循环水 ,长期循环使用导致循环洗水管路严重结垢 ,如图 2所示。 强不息 知行合一 液态钢渣热焖池 溢流 回水井 高温高碱高钙洗水 压力输送 高效气液反应（系统） 固液分离 液 补充新水 压力输送 低温清液 喷洒 液态钢渣 补充新水 效气液反应（系统） 化学过程 溢流压力输送 固液分离 压力输送 喷洒 物理过程 钢焖渣循环水脱钙流程简图 内容 内容 内容 图 验装置图 拌模式对 0 1 2 3 4 5 6 70100200300400500600700ia m e t e r(m e a n )(m m )有导流筒 无导流筒 图 不同搅拌模式下 的气泡微细化图及气泡直径直方图 0 1 2 3 4 5 6 70100200300400500600700ia m e b e r(m e a n )(m m )无导流筒 6 1 防飞溅隔板， 2 反应槽， 3 射流器， 4 止回阀， 5 转子流量计， 6 电磁流量计， 7 电机水泵组， 8 放液、排污阀， 9 返流搅动水枪， 10 储液罐， 11 溢流管 图 验装置设计图 of 立了国内首套钢渣余热自解热焖用“钢渣热焖含钙循环水喷吹 范装置系统， 已在新余中冶环保资源开发有限公司完成了工业放大试验。工业试验结果表明：该技术不但具有高效软化钢渣热焖含钙循环水效果，有效解决了管路结垢问题；更重要的是该技术实现了废水中钙和 到纳米碳酸钙，如图 5所示。 图 5 含钙循环水喷吹 回水井洗水入口 处理后清液出口 固液分离系统 19 处理前后蓄水池对比 9 ),( 、(50),( 2121g (5),( 2121g (54321 )()( 21 (5气含率准数方程关系式 20 过滤后收得的碳酸钙产品 强不息 知行合一 （ 1）以 工程技术观点 和 经济观点 来分析和处理过程工程的实际问题的能力； （ 2）熟练的进行过程工程的基本运算。以便在生产过程、科研和设计工作中达到 强化 生产过程， 提高产品质量 ， 提高设备能力及效率 ， 降低设备投资及产品成本 ， 节约能耗 ， 防止污染 以及加速新技术开发等方面的目的。 通过本课程的学习，应树立起工程观点（ 安全适用、经济合理 ），掌握解决工程实际的方法，培养下列两种基本能力： 强不息 知行合一 化学工程研究的是：如何把化学家们的小试研究成果开发放大为中试，再开发为生产规模。是在科学实验与化工之间架桥的工作，是直接为人类服务的创造价值的劳动。 本课程，不是教大家如何合成得到新物质？如何提取新物质？如何表征新物质？这是化学家的事。 强不息 知行合一 二、化工原理处理问题的方法 物料衡算的通式 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。 强不息 知行合一 定态过程，积累为零。则 ： 0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 强不息 知行合一 例 1： 在两个蒸发器中 ， 每小时将 50002 （ 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 。 其次划定衡算的范围 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 。 强不息 知行合一 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 1 0=5000kg/h 1 F2 .3 强不息 知行合一 确定衡算对象 此题中有两个未知数 ， 蒸发的水量及送出的无机盐溶液量 B， 因此 ， 我们就以不同衡算对象列出两个衡算式 。 2200 对 总物料 作衡算： 2125000 代入已知数据 ， 得： 0 0 F2 0 0 02 300021 由题意知 12 W 3 6 / 6 3 21 对盐作物料衡算： 强不息 知行合一 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： 1100 对总物料作衡算： 110 代入已知数据 ， 得： 6 35 0 0 0 F解得： 3 61 % 9 强不息 知行合一 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 )()(强不息 知行合一 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 。 例 强不息 知行合一 例 2：在换热器里将平均比热为 ） 的某溶液自 25 加热到80 ， 溶液流量为 s， 加热介质为 120 的饱和水蒸气 ， 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 s 120 饱和水 s s 25 溶液 80 溶液 s 强不息 知行合一 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 120 饱和水的焓值为 在此系统中输入的热量： 21 蒸气带入的热量： 0 80 9 溶液带入的热量 ： 7输出的热量： 43 强不息 知行合一 冷凝水带出的热量： 0 30 9 溶液带出的热量： 有： 1363323346热量损失的百分数 = % 强不息 知行合一 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 。 平衡状态是自然界中广泛存在的现象。例如，在一定温度下，不饱和的食盐溶液与固体食盐接触时，食盐向溶液中溶解，直到溶液为食盐所饱和，食盐就停止溶解，此时固体食盐表面已与溶液成动平衡状态。反之，若溶液中食盐浓度大于饱和