化工基础(课堂PPT)

1、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,2,1.1 化学工业概述,四、 化学工业的特点,一、 化学工业的重要性及其发展,二、 化学工业范畴及分类,三、 化学工业原料及选择原则,五、 化工的发展与现状,3,化学工业:,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

2、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。,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：,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,6,2 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,8,三、化工原料及选择原则,1.化学工业原

3、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,10,四、 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

4、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,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

5、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,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,

6、（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

7、：,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

8、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,1.3 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,返回,24,“三传一反”阶段,20世纪50年代中期

9、，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。,返回,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

10、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,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,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,31,1.4 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,单位制,基

11、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,36,表1-4-3 化工中常用的SI 导出单位举例,37,续表1-4-3 化工中常用的SI 导出单位,38,表1-4-4 S

12、I 词头,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,n m (纳米)：10-9m,40,计量单位和 SI 词头使用方法要点：,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

13、 /(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？,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：,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

14、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

15、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,m3/s,质量流量,kg/s,qm qV,摩尔流量,qm M qn,52,2流速,流速,体积流速,质量流速,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

16、,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,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，其值随流体的不同而异，流体的粘

17、性愈大，其值愈大，所以称为粘滞系数或动力粘度,简称为粘度。,57,当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是直线关系，而是的曲线关系。则式应改写成： 式中 速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率；,以上两式均称为牛顿粘性定律。,58,牛顿粘性定律说明流体在流动过程中流体层间所产生的剪应力与法向速度梯度成正比，与压力无关。 流体的这一规律与固体表面的摩擦力规律不同。,2）物理意义,59,流体的粘度 （a）定义式 粘度的物理意义是促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是与速度梯相联系,只有在运动时才显现出来。 （b）单位 在SI中, 粘度的为单位:,60,在物理单位制中,粘度的单位为:泊,不同单位之间的换算关系为: 1Pas=10P=1000cP,当流体的粘度较小时，单位常用cP（厘泊）表示。,（b）单位,1Pas=10