化工基础绪论

1、1化化 工工 基基 础础制作人：徐光年材料与化工学院2总学时总学时56（理论授课（理论授课40+课内实验课内实验16） 学分：学分：2.5+1 1 绪绪 论论 2 2 流体流动过程及输送设备流体流动过程及输送设备 8 3 传热过程及换热器传热过程及换热器 6 4 气体的吸收气体的吸收 6 5 液体的精馏液体的精馏 6 6 工业反应过程及反应器工业反应过程及反应器 8 7 合成氨生产合成氨生产4学时安排 3教材教材: : 张近张近.化工基础化工基础. .北京北京: :高等教育出版社高等教育出版社,2002,2002参考书参考书:(1)姚玉英姚玉英.化工原理化工原理(上、下册上、下册 ）.天津：天

2、津天津：天津科技出版社，科技出版社，1992(2)上海师大、福建师大上海师大、福建师大 编编. 化工基础化工基础(上、下上、下册册 ）.北京北京:高等教育出版社高等教育出版社,2001(3)蒋家俊蒋家俊.化学工艺学化学工艺学(无机部分无机部分).北京北京:高等高等教育出版社教育出版社,1988(4)郭锴郭锴, 等编等编.化学反应工程化学反应工程.北京北京:化学工业化学工业出版社出版社,2007教材及主要参教材及主要参 考书考书4 通过对绪论的学习，了解化工基础课程的主要内容及通过对绪论的学习，了解化工基础课程的主要内容及学习目的，化工过程中的基本规律，工程学科的研究学习目的，化工过程中的基本规

3、律，工程学科的研究方法，我国化学工业的行业现状及研究进展，掌握单位方法，我国化学工业的行业现状及研究进展，掌握单位制及单位换算方法制及单位换算方法。一.学习目的与要求1绪论51.本课程涉及面广，牵涉的因素很多，要分清主次以及主本课程涉及面广，牵涉的因素很多，要分清主次以及主次间的相互关系；次间的相互关系；2.准确理解各章中的基本概念、基本原理和基本运算方法；准确理解各章中的基本概念、基本原理和基本运算方法；(如如“流体的流动与输送流体的流动与输送”一章中雷诺数的含义、泊肃叶一章中雷诺数的含义、泊肃叶公式及范宁公式及其应用前提条件要准确的把握；公式及范宁公式及其应用前提条件要准确的把握；3.重视

4、物理量的单位和量纲；重视物理量的单位和量纲；4.对基本计算方程的物理意义及应用条件有清楚的了解。对基本计算方程的物理意义及应用条件有清楚的了解。注意：套用公式时必须明确公式的物理意义和应用的前提注意：套用公式时必须明确公式的物理意义和应用的前提条件，统一单位或量纲，计条件，统一单位或量纲，计算时选用的基准要统一。算时选用的基准要统一。二.学习方法6三、国际标准基本单位(SI)量的名称量的名称单位名称单位名称单位符号单位符号长度米m质量千克kg时间秒s电流安A热力学温度开(尔文)K物质的量摩(尔)mol发光强度坎(德拉)cd7基本单位定义（1）米光在真空中1/299792458秒的时间间隔内所经

5、过的距离1960年国际计量大会上，确定以上定义的同时,宣布废除1889年生效的以铂铱国际米原器为标准的米定义。 （2）千克质量单位，等于国际千克原器的质量。国际千克原器是1889年第一届国际权度大会批准制造的。它是一个高度和直径均为39 mm的，用铂铱合金制成的圆柱体。原型保存在巴黎国际计量局。 8（3）秒）秒铯铯-133-133基态原子的两个超精细能级之间跃迁所对应的基态原子的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的辐射的91926317709192631770个周期的持续时间。科学家们发个周期的持续时间。科学家们发现，原子能级跃迁时现，原子能级跃迁时, ,吸收或发射一定频率的电磁波吸收或发射一

6、定频率的电磁波, ,其频率非常稳定。于是在其频率非常稳定。于是在19671967年第十三届国际计量大年第十三届国际计量大会上确认了上述定义。会上确认了上述定义。 (4)安培安培在两条置于真空中的、相互平行、相距在两条置于真空中的、相互平行、相距1 1米的无限长而圆截面米的无限长而圆截面可以忽略的导线中可以忽略的导线中, ,通以强度相同的恒定电流通以强度相同的恒定电流, ,若导若导线每米长线每米长所受的力为所受的力为2 21010-7-7 N, N,则每根导线中的电流强度为则每根导线中的电流强度为1 1 A A。 19481948年国际度量衡委员会第九次会议作了这样年国际度量衡委员会第九次会议作

7、了这样的规定的规定.1960.1960年年1010月，第十一届国际权度大会上确认月，第十一届国际权度大会上确认为国际单位制中的七个基本单位之一。为国际单位制中的七个基本单位之一。 9 (5)开尔文开尔文水的三相点热力学温度的水的三相点热力学温度的1273.16为为1K。该单。该单位是以英国物理学家开尔文的名字命名的。位是以英国物理学家开尔文的名字命名的。“开开尔文尔文”的温度间隔与的温度间隔与“摄氏度摄氏度”的温度间隔相等的温度间隔相等.但但开氏温标的零度开氏温标的零度(0 K)，是摄氏温标的，是摄氏温标的-273.15。 1968年国际计量大会决定把年国际计量大会决定把“开尔文开尔文”作为七

8、个作为七个基本单位之一。基本单位之一。 10(6)摩尔摩尔简称摩，摩尔是一系统的物质的量简称摩，摩尔是一系统的物质的量,该系统中所包该系统中所包含的基本单元数与含的基本单元数与0.012kg 12C的原子数目相等的原子数目相等. 使使用摩尔时，基本单元应予指明，可以是原子、分子、用摩尔时，基本单元应予指明，可以是原子、分子、离子、电子及其他粒子，或者是这些粒子的特定组离子、电子及其他粒子，或者是这些粒子的特定组合。合。 摩尔拉丁文的原意是大量和堆量。它是用宏摩尔拉丁文的原意是大量和堆量。它是用宏观的量来度量微观粒子的一个单位。观的量来度量微观粒子的一个单位。1971年第十四年第十四届国际计量大

9、会通过了对摩尔的定义。我国届国际计量大会通过了对摩尔的定义。我国1977年年国务院公布了介绍摩尔的文件，同时取消克原子、国务院公布了介绍摩尔的文件，同时取消克原子、克分子、克分子浓度、克分子体积等概念。克分子、克分子浓度、克分子体积等概念。11(7)坎德拉坎德拉简称坎，一个光源在给定方向上的发光强度。该光源发出的频率为5401012赫兹的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。第16届国际计量大会（1979）。12四、化工单元操作的分类和特点(1)(1)传动过程：传动过程：流体输送、沉降、过滤、搅拌流体输送、沉降、过滤、搅拌(2)(2)传热过程：传热过程： 热交换、蒸发、冷冻

10、热交换、蒸发、冷冻(3)(3)传质过程：传质过程：蒸馏、吸收、萃取、吸附、浸取、蒸馏、吸收、萃取、吸附、浸取、 离子交换、膜分离离子交换、膜分离(4)(4)热质同时传热过程：热质同时传热过程：增减湿、结晶、干燥增减湿、结晶、干燥1.分类分类13 化工基础是一门实践性很强的化工基础是一门实践性很强的工程学科工程学科。单。单元操作的元操作的研究内容研究内容包括包括“过程过程”和和“设备设备”两个两个方面。方面。 所有的单元操作都可分解为所有的单元操作都可分解为动量传递动量传递、热量传热量传递递、质量传递质量传递这三种传递过程或者它们的结合。这三种传递过程或者它们的结合。三种传递过程现象中存在着类似

11、的规律和内在的三种传递过程现象中存在着类似的规律和内在的联系。传递过程是联系各单元操作的一条主线。联系。传递过程是联系各单元操作的一条主线。 2.特点14五、化工基础课程的研究方法五、化工基础课程的研究方法1、实验研究方法（经验法）、实验研究方法（经验法）: 用用量纲分析量纲分析和和相似论相似论为指导，依靠试验来为指导，依靠试验来确定过程变量之间的关系，通过确定过程变量之间的关系，通过量纲为一数量纲为一数群群（或称准数）构成的关系式来表达。是一（或称准数）构成的关系式来表达。是一种工程上通用的基本方法。种工程上通用的基本方法。152、数学模型法（半经验半理论方法）、数学模型法（半经验半理论方法

12、） 在对实际过程的机理深入分析的基础上，在对实际过程的机理深入分析的基础上，在抓住过程本质的前提下，作出某种合理简在抓住过程本质的前提下，作出某种合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得出数化，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。学模型。通过实验确定模型参数。 研究工程问题的方法是联系各单元操作的研究工程问题的方法是联系各单元操作的另一条主线。另一条主线。 16六六化工过程计算的理论基础化工过程计算的理论基础设计型计算操作型计算质量守恒质量守恒( (输入物料输入物料= =输出物料输出物料) )能量守恒能量守恒( (输入能量输入能量= =输出能量输出能量) )平衡关系

13、平衡关系( (各种过程变化可能达到的极限各种过程变化可能达到的极限) )过程速率过程速率= = 过程推动力过程推动力/ /过程阻力过程阻力基本关系：化工计算分为17能量守恒在有反应热效应时能量守恒在有反应热效应时,则为则为:输入能量输入能量+反应放出能量反应放出能量=输出能量输出能量+积累能量积累能量根据平衡关系：根据平衡关系： (1)可以确定当时条件下物料、能量能够利用的极限，从而确定可以确定当时条件下物料、能量能够利用的极限，从而确定产品的加工方案（如转化率低的产品采用循环利用的方）；产品的加工方案（如转化率低的产品采用循环利用的方）；（2）可以确定外界参数对平衡转化率的作用，从而找出）可

14、以确定外界参数对平衡转化率的作用，从而找出 最大最大程度利用物料或能量所应选择的条件；程度利用物料或能量所应选择的条件；（3）可以用实际操作结果与平衡数据的比较作为衡量过程的效）可以用实际操作结果与平衡数据的比较作为衡量过程的效率，从而找出改进的方法（如精馏塔的塔板效率，或是改进率，从而找出改进的方法（如精馏塔的塔板效率，或是改进塔板结构，或是改进操作条件等）塔板结构，或是改进操作条件等）18过程速率过程速率过程速率决定设备的生产能力。过程速率决定设备的生产能力。过程速率可用如下的基本关系式表示：过程速率可用如下的基本关系式表示：过程速率与过程推动力成正比，与过程阻力过程速率与过程推动力成正比

15、，与过程阻力成反比。成反比。过程的推动力是该过程距平衡的差额，它可过程的推动力是该过程距平衡的差额，它可以是压力差，温度差或浓度差等。如流体流以是压力差，温度差或浓度差等。如流体流动时加大压差，热交换时提高温差，传质、动时加大压差，热交换时提高温差，传质、反应时提高浓度差均可增大过程推动力，从反应时提高浓度差均可增大过程推动力，从而提高过程速率。而提高过程速率。19提高过程速率也可以通过减少过程提高过程速率也可以通过减少过程阻力来实现。如流体输送时加大管阻力来实现。如流体输送时加大管径，对流传热时附加搅拌，传质时径，对流传热时附加搅拌，传质时提高流体的湍动程度，多相传质时提高流体的湍动程度，多

16、相传质时降低扩散阻力，反应时用催化剂降降低扩散阻力，反应时用催化剂降低反应的活化能等。低反应的活化能等。20七混合物浓度的表示方法n1.物质的量浓度与物质的量分数物质的量浓度与物质的量分数nCi = ni/V (kmol/m3) (1-1)nxi = ni/n (1-2)nn=n1+n2+=n (1-3)nx1+x2 +=x=1 (1-4)Ci 、xi 分别表示组份分别表示组份i的量浓度与量分数的量浓度与量分数212.物质的质量浓度和质量分数i=mi/V (kg/m3) (1-5)wi=mi/m (1-6)wi=W1+W2 +=1 (1-7)i 、 wi分别表示组份分别表示组份i的的质量浓度和

17、质量浓度和质量分数，质量分数，m表示混合物的总质量。表示混合物的总质量。 223.摩尔比与质量比1.摩尔比：由摩尔比：由A与与B组成的双组份混合物，若组份组成的双组份混合物，若组份B的量的量在过程进行中保持不变，而组份在过程进行中保持不变，而组份A的量有变化，以组的量有变化，以组份份B的量为基准来表示的量为基准来表示A的组成，会给计算带来方便。的组成，会给计算带来方便。 x=nA/ nB (1-8)2.质量比：质量比： x= mA/mB (1-9)234.气体混合物组成的表示方法(1) 摩尔分数摩尔分数yi, yi =ni/n(2) 压力分数压力分数pi/P P=P1+P2+Pi+ (1-10

18、)式中式中:P为气体混合物的总压为气体混合物的总压, pi为组份为组份i的分压力。的分压力。对理想气体混合物，组份对理想气体混合物，组份i单独存在于单独存在于体积体积V中所呈现的中所呈现的分压分压pi可表示为：可表示为： piV= niRT （1-11）对气体混合物中所有组份，有对气体混合物中所有组份，有 PV= nRT （1-12）24由以上两式可得由以上两式可得： P Pi i/P=/P=n ni i/n/n (1-13)(1-13)(3)(3)体积分数体积分数i i V=V V=V1 1+V+V2 2 +Vi i+ (1-14)V V为气体混合物的总体积，为气体混合物的总体积， Vi i为组份为组份i i在在总压总压P P下单独存下单独存在时所具有的体积称为分体积，可表示为：在时所具有的体积称为分体积，可表示为： P PVi i= = niRT (1-15)对气体混合物中所有组份，有对气体混合物中所有组份，有 PV= nRT (1-16)25由以上两式可得由以上两式可得： i i=V Vi i/V/V=n ni i/n/n (1-17) (1-17)由式（由式（1-131-13）和（）和（1-171-17）可知，理想气体混合物中各组）可知，理