第一章 化学工业与化学工程(1)

1、化化 学学 工工 程程 基基 础础Basis of Chemical Engineering武汉理工大学化学工程学院武汉理工大学化学工程学院郑京京郑京京Telmail：参考书目参考书目1. 化学工程基础（第二版） 主编：李德华. 化学工业出版社. 2009-052. 化学工程基础 主编：罗运柏. 化学工业出版社. 2007-013. 化工原理（上、下） 主编：夏青等. 天津大学出版社. 2005-014. Chemical Engineering Science； AIChE J. 授课内容授课内容1. 化学工业及化学工程化学工业及化学工程 2. 流体流动过程流体流动

2、过程 3. 传热传热 4. 吸收吸收 5. 精馏精馏 6. 新型分离技术新型分离技术 7. 化学反应工程学化学反应工程学 学习要求学习要求： 认真听讲认真听讲 独立思考独立思考 按时完成作业按时完成作业考核方式考核方式：平时作业、考勤 10 期中 20 期末考试 （闭卷） 70 化学与化工的关系化学与化工的关系化学实验研究与化工生产的区别化学实验研究与化工生产的区别研究对象与目的研究对象与目的工业化生产开发过程工业化生产开发过程 化学工业化学工业是以天然物质或其他物质为原材料，利用这些物质的性质或形态变化，或以这些物质组合，加工成对国计民生有价值的化学产品的一种工业。 在化学工业中，以化学反应

3、化学反应过程为核心。 第一章第一章 化学工业与化学工程化学工业与化学工程第一节第一节 化学工业概述化学工业概述 1.1 化学工业的重要性及其发展化学工业的重要性及其发展 化学工业是国民经济重要的基础工业。化学工业是国民经济重要的基础工业。 1. 为农业提供农用生产资料；为农业提供农用生产资料； 2. 为其他工业提供各种配套原材料；为其他工业提供各种配套原材料； 3. 为高科技产业提供新型化工材料和新产品；为高科技产业提供新型化工材料和新产品； 4. 为人们提供各种化工产品和生活用品。为人们提供各种化工产品和生活用品。 1.2 化学工业的分类及其特点化学工业的分类及其特点 按照美国标准工业分类手

4、册（美国标准工业分类手册（standard industrial classification， SIC)分类： 1. 基本化工产品；基本化工产品； 2. 进一步加工用产品；进一步加工用产品； 3. 供最终消费的化工产品。供最终消费的化工产品。 中国化学工业分类中国化学工业分类（“大化工大化工”）：1. 基础化学工业基础化学工业2. 化肥工业化肥工业3. 石油化学工业石油化学工业4. 其他化学工业其他化学工业 与化工行业相关的部门：石油化工、塑料制品、化学纤维、炼焦化学、日用化工、皮革化工业、医药等。化化 工工 行行 业业主主 要要 产产 品品 或或 用用 途途化学矿山磷矿、硫矿、硼矿、矾矿和

5、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

6、性染料、活性染料、碱性染料、还原燃料、分散染料、冰染染料、阳离子染料等表表1-1 主要化工行业及其相关产品主要化工行业及其相关产品续表续表1-1 主要化工行业及其相关产品主要化工行业及其相关产品化化 工工 行行 业业主主 要要 产产 品品 或或 用用 途途涂 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

7、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、碳黑等精细化工产品分类精细化工产品分类（依据功能和结构特征）：依据功能和结构特征）：13类类农药；黏合剂；涂料；染料和颜料；农药；黏合剂；涂料；染料和颜料；表面活性剂和合成洗涤剂；化妆品；表面活性剂和合成洗涤剂；化妆品；塑料、合成纤维和橡胶用助剂；塑料、合成纤维和橡胶用助剂；香料；感光材料；试剂和高纯物；香料；感光材料；试剂和高纯物；食品和饲料添加剂；石油用化学品；食品和饲料添加剂；石油用化学品；造纸用化学品；功能高分子材料；造纸用化学品；功能高分子材料；催化剂；生化酶；无机精细化学

8、品催化剂；生化酶；无机精细化学品 1.3 化工产品的市场及其前景化工产品的市场及其前景 精细化工精细化工已经被列入中国 “十二五”期间优先发展的六大领域之一。 功能涂料及水性涂料，染料新品种及其产业化技术，重要化工中间体绿色合成技术及新品种，电子化学品，高性能水处理化学品，造纸化学品，油田化学品，功能型食品添加剂，高性能环保型阻燃剂，表面活性剂，高性能橡塑助剂等列为技术开发和产业化的重点。 趋势：趋势： 随着中国石油化工的蓬勃发展和化学工业由粗放型向精细化方向发展，以及高新技术的广泛应用，精细化工的创新能力和产业技术显著提高。 2010年，中国精细化工率已达45，计划“十二五”期间，中国化工产

9、业总体目标及重要任务是将精细化工率提升至48。 化学工业将会由传统工业过渡到以新材料、精细化学品和专用化学品、生物技术为主体的技术密集型产业。 精细化、个性化、绿色化将是现代化学工业、化学工艺及化学工程的大趋势。化学工业的特点化学工业的特点：（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

10、学工业与整个工业相辅相存，在经济发展中起支柱作用。第二节第二节 化学工程的发展趋势化学工程的发展趋势 化学工程是一门工程技术学科，它以物理学、化学和数学为基础，并结合工业经济基本法则，主要研究化学工业中的物理变化和化学变化过程及其有关机理和设备的共同规律，并把这些规律应用到化工装置的开发、设计、操作、控制、管理、强化以及自动化等过程中，在化工工艺与化工设备之间起着承上启下的桥梁和纽带作用。化学工程的发展阶段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。1

11、. 化学工艺学阶段化学工艺学阶段2. 单元操作阶段单元操作阶段 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

12、. 传递过程阶段传递过程阶段4. “三传一反三传一反”阶段阶段 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。 2.1 化学工程的兴起和发展化学工程的兴起和发展 1888年美国麻省理工学院（MIT）以诺顿（L. M. Norton）为首，设置了应用化学工程教育问题研究委员会，并在历史上第一次设置化学工程课程。 1915年利特尔（A.D. Little）提出“单元操作”（unit opera

13、tion) 的概念。 1923年W.K. Lewis和W.H. McAdams合著了化学工程第一本教科书化工原理（principles of chemical engineering）。 20世纪40年代，以合成纤维、合成橡胶和合成塑料三大合成材料为代表的石油化工的迅速发展，促进了化学工程从经验向科学演变，并发现化学工程的本质问题：“三传”（动量、质量和热量）。 20世纪50年代，开始从“三传”的角度研究化学过程中的物理变化，采用高速电子计算机解决复杂工程计算问题。1957年，正式提出“化学反应工程”（Chemical Reaction Engineering）概念，极大地促进了化学工程的发展

14、，至此，“三传一反”（mass transfer, heat transfer, momentum transfer and reaction engineering)就形成了化学工程的主要内容。 20世纪60年代，计算机技术应用于化学工程中，以解决化工过程的优化规划、最优设计、最优控制和最优操作等，促成了“化工系统工程”的诞生。 20世纪70年代，随着电子计算机的进一步发展,同时化学工程基础理论日趋成熟，数学模型化方法普遍应用，化工系统工程有了较大发展，对于化工过程的开发、设计，现有工厂技术改造等方面发挥了极大的作用。 20世纪80年代以来，面对环境、能源等可持续发展的挑战，化学工程发展特征

15、也逐渐演变，将化学工程定义为：“经济地开发利用物质和能量地方法为人类造福的工学”。 进入21世纪，化学工程学在发展过程中还在不断向科学技术新领域渗透和拓展，其应用对象涵盖了所有物质的化学、物理转化过程。同时，也正被化学工程、石油炼制、合成材料、能源工业、冶金工业、核能工业、建材工业，以及农业、军事、航空、环境、资源、生物、医药、食品饮料、纸浆造纸等过程应用。2.2 化学工程的前沿研究领域化学工程的前沿研究领域1. 材料化学工程材料化学工程2. 能源与资源化学工程能源与资源化学工程3. 环境化学工程环境化学工程4. 生物化学工程生物化学工程第三节第三节 化工过程与单元操作化工过程与单元操作3.1

16、 化工过程简介化工过程简介 指将与原材料进行若干化学和物理过程加工、处理，指将与原材料进行若干化学和物理过程加工、处理，生产出预期产品或中间产品，并获得一定附加值的生产生产出预期产品或中间产品，并获得一定附加值的生产过程。过程。原料原料 预处理预处理 反应反应 后处理后处理 产品产品 （准备）（准备） （加工）（加工） 图1-2基本化工生产过程基本化工生产过程例如：例如：可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。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：苯的生产：原料油（甲苯、二甲苯）、原料油（甲苯、二甲苯）、H H2 2输送输送加热加热反应器反应器减压蒸减压蒸馏塔馏塔精

17、馏精馏苯（苯（99.99299.99299.999%）甲醇的生产：甲醇的生产：合成气（合成气（CO，H2，CO2）输送输送管式反应器管式反应器粗甲醇粗甲醇冷却冷却精馏精馏精甲醇（精甲醇（99.8599.95%）化工生产过程化工生产过程化学反应过程化学反应过程物理处理过程物理处理过程 化工生产的核心化工生产的核心 原料的预处理原料的预处理 产品的加工产品的加工（单元操作）（单元操作） 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。3.2 化工单元操作化工单

18、元操作单元操作的分类单元操作的分类：1）按操作目的分）按操作目的分： 流体输送流体输送： 物料的混合物料的混合：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非均相混合物的分离：过滤和沉降1. 动量传递过程：动量传递过程：遵循流体力学基本规律的单元操作 流体输送、搅拌、沉降、过滤、离心分离等。2. 热量传递过程：热量传递过程：遵循热交换基本规律的单元操作： 传导、对流和辐射传热、热交换（加热、冷却、冷凝）、蒸发等。3. 质量传递过

19、程质量传递过程：遵循通过扩散，从一相转移到另一相的过程： 吸收、蒸馏、吸附、萃取、结晶、干燥等。2）按单元操作遵循的基本规律分）按单元操作遵循的基本规律分：3.3 常用基本概念常用基本概念1. 物料平衡：物料平衡：2. 能量守恒：能量守恒： 3. 平衡关系平衡关系4. 过程速率过程速率过程推动力过程速率过程阻力物料衡算：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。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。进入的物料量必等于排出的物

20、料量和过程中的积累量。输入物料的总量输入物料的总量 排出物料的总量过程积累的总量排出物料的总量过程积累的总量积累积累 MM入入M出出系系 统统图图1-2 物料衡算示意图物料衡算示意图物料衡算式物料衡算式： M入 M出 M(1-1)连续稳定流动连续稳定流动：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。精馏塔原料液含乙醇510吨/时乙醇产品含乙醇95含乙醇0.1 废水例1-1 附图例例1-1 每小时有每小时有1

21、0 吨吨 5 的乙醇水溶液进入精馏塔，塔的乙醇水溶液进入精馏塔，塔顶馏出的产品中含乙醇顶馏出的产品中含乙醇 95，塔底排出的废水中含乙醇，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。求每小时可得产品多少吨？若废水全部排放，每年（按操作年（按操作 7200小时小时 计）损失的乙醇多少吨？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：确定：衡算范围：衡算范围：包含精馏塔在内的虚线框衡算对象衡算对象：a. 物流的流量 b. 物流中乙醇的量衡算基准：衡算基准：单位时间：

22、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： 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积累积累 QQ入入Q出出系系 统统图图1-3 热量衡算示意图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-

23、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热状态有关。 在热力学上，用 “焓焓”表示物料所处的热状态。式 (1-3) 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、相态基准例例1-2 在一列管式热交换器中用压强为在一列管式热交换器中用压强为 136 kPa 的饱的饱和蒸汽加热和蒸汽加热 298 K 的冷空气，蒸汽的流量为的冷空气，蒸汽的流量为 0.01 kg/s，空气的流量为空气的流量为 1 kg/s。冷凝水在饱和温度冷凝水在饱和温度 381 K下排出。若取空气的平均比热为下排出。

24、若取空气的平均比热为 1.005 kJ/(kgK)，试计算空气的出口温度（热损失忽略不试计算空气的出口温度（热损失忽略不计）。计）。解：解：热空气 T冷空气298 K 1 kg/s加热蒸汽381K 冷凝水例例1-2 附图附图热交换器381 K0.01 kg/s分析：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：热量衡算基准：数量基准：数量基准：以单位时间内物流量为基准温度基准温度基准：以进口冷空气的温度为基准：298Kw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

25、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：n4.1 化工数据的分类化工数据的分类n1. 基础数据（物理化学性质及有关状态）基础数据（物理化学性质及有关状态）n2. 过程参数：与生产过程进行和操

26、作条件有关的数据过程参数：与生产过程进行和操作条件有关的数据n3. 结构参数：表征设备结构特征参数结构参数：表征设备结构特征参数n4. 无量纲量：如无量纲量：如L；导出特征数值数群，如雷诺准数；导出特征数值数群，如雷诺准数Ren4.2单位与单位制单位与单位制n国际单位制（国际单位制（SI）：七个）：七个n第四节第四节 化工数据化工数据0003LduReMTLTLMLMTL 单位制：单位制：英国：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：中国：表表1-2 我国几种旧单位制的基本量和基本单位我国几种旧单

27、位制的基本量和基本单位长 度 质 量时 间 力厘米克秒制 CGScm (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 MKfSm (米)s (秒)kgf (千克力)单位制基本量 国际单位制：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：国际单位制的构成：国际单位制国际单位制 （SI）SI 单位单位SI 单位的十进倍数和分数单位

28、单位的十进倍数和分数单位 SI 基本单位基本单位 SI 导出单位导出单位SI 词头词头 SI 辅助单位辅助单位表表1-3 SI 基本单位和辅助单位基本单位和辅助单位量的名称量的名称单单 位位 名名 称称国际符号国际符号备备 注注基 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

29、角steradiansr表表1-4 化工中常用的化工中常用的SI 导出单位举例导出单位举例量的名称量的名称单单 位位 名名 称称单位符号单位符号用用SI 基本单位表示的单位基本单位表示的单位面 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) 续表续表1-4 化工中常用的化工中常用的SI 导出单位举例导出单位举例量的名称量的名称单单 位位 名名 称称单位符号单位符号用用SI 基本单位表示的单位基本单位表示的单位能，功，热量焦 耳J

30、 (=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)表表1-5 SI 词头词头表示的因数表示的因数词头名称词头名称词头符号词头符号1018艾 可萨E1015拍 它P1012太 拉T109吉 咖G106兆M103千k102百h101十da表示的因数表示的因数词头名称词头名称词头符号词头符号10-1分d10-2厘c10-3毫m10-6微 10-9纳 诺n10-12皮 可P10-15飞 母托f10-18阿 托aSI 单位的十进倍数和分数单位：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计量单位和计量单位和 SI 词头使用方法要点：词头使用方法要点：1. 由由 SI 基本单位相除构成的单位，若分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。母加上圆括号，避免混淆。 如，传热系数单位：如，传热系数单位：