化工基础张四方绪论

1、化工基础ElementaryChemicalEngineering,提一个问题：专科生与本科生的差异何在？ 专科教育以应用为目的，在理论学习上以够用为度；而本科教育重在培养学生的理论体系。 例子：虹吸现象。大家都知道水往低处流，但在虹吸中水先往高处流，越过一个高点后才往低处流。为什么呢？只有用流体动力学的理论才能作出解释。 这说明，我们感觉到了的事物，不一定能立刻理解它，但我们理解了的事物，却能深刻地感觉到它。 经验只能解决现象问题，理论才能解决本质问题。,现在有部分同学受求职压力的影响和对素质教育的误解，热衷于技能学习，去获取各种职业资格证书，如驾驶证，电工证，会计证等，而忽视理论学习，这相

2、当于把对自己的要求降低了。 请珍惜本科教育机会，注重培养自己的理论体系，认真学好每门基础理论课。 化工基础，是化工类各专业课的基础理论课，也是化学工艺等专业考研的必考专业课。,绪 论,基本要求： 1.了解化学工业及化学工程基础课程的发展、性质、内容和目的; 2.了解化工生产过程的构成，单元操作的内容； 3.了解实验室与化工生产之间的差别，以及化工过程开发的基本步骤； 4.理解化学工程常用的几个基本概念：物料衡算、能量衡算、平衡关系和过程速率； 5熟悉并掌握国际单位制。,一.化学工业概述,化学工业（chemical industry）又称化学加工工业，是综合运用化学和物理方法将原料加工成化学产品

3、的加工工业。也泛指生产过程中化学方法占主要地位的过程工业。,1.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，是最具活力、最具竞争力、可发展前景极强的产业。随着石油工业的发展，化学工业从50年代起进入高速发展期，已成为世界经济发展的支柱产业。,2.化学工业的分类,化工生产装置实例 70万吨乙烯装置,化工生产装置实例 甲醇回收装置,化工生产装置实例 70万吨乙烯装置,化工生产装置实例 合成氨装置,化工生产过程实例,湿法磷酸生产工艺流程,磷矿石,破碎,球磨,酸解反应,过滤,浓缩,精制,磷酸（化肥、饲料用）,磷酸（医药、食品用）,硫酸,HF气体（回收）,过滤,水,滤渣石膏,洗液,加工成

4、盐,化工生产过程实例,柠檬酸生产工艺流程,白薯干,粉碎,发酵反应,过滤,中和过滤,酸解过滤,产品,石灰乳,CaCO3,粗盐液,净化,H2SO4,废糖液,浓缩,结晶,离心,干燥,菌体、残渣,3.化学工业的特点,(1)化学工业与人类的生存和发展息息相关 当今世界面临的三大挑战： A.人口增长：1804年10亿人1927年20亿人1960年30亿人1974年40亿人1987年50亿人1999年60亿人，每年7800万人的增长速度，预计2013年70亿，实际2010年64.64亿人。吃饭大问题！ B.环境污染：人口增长工业发展大气和水污染。每年流入海洋的石油达1000多万吨，排入大气的CO2达230亿

5、吨，水土流失240亿吨。 C.能源短缺：以现有速度，全世界的石油只够用60年，煤炭300年左右。 化学工业已担负起迎接三大挑战的历史重任：可提供充足的化肥、农药、化学纤维、合成医药及各种新型合成材料，满足人口增长带来的衣、食、住、行的需要；在化工生产中合理使用能源和开发新能源，可有效解决能源紧缺问题（如生物能源、核能等）；“三废”的治理更是化学工业义不容辞的责任，其作用是其他工业无法替代的。,(2)化工产品品种繁多，工艺复杂 品种繁多导致生产工艺的多样性。同一原料可生产多种产品，同一产品又可利用多种原料生产，即使工艺过程相同而工艺条件不同，也能得到不同产品，所以技术难度大。合理的资源配置和原料

6、路线，恰当工艺技术的选择和组合，产品结构和产业结构的优化，是化工中要解决的主要问题。 (3)化学工业是装置型工业，具有规模经济性 化工生产的主要设备大多是塔、罐、槽、器及管道，生产能力与容积（即其线性尺寸的三次方）呈正比，制造费与容器表面积（即其线性尺寸的二次方）呈正比。装置的投资费用T与其生产能力M的2/3次方呈正比（所谓的0.6次方法则）： T=M0.60.7 如： M=10万元/年，则T=4050万元，45倍 M=100万元/年，则T=16002500万元，1625倍 M=1000万元/年，则T=6.312.6亿元，63126倍,(4)化学工业是资金密集型、技术密集型工业 工艺复杂性和装

7、置大型化决定了它的这一特征。如年产值30万吨合成氨,45万吨尿素的化肥厂，投资达到40-50亿元；年产30万吨的乙烯厂，需投资60-80亿元。化工技术更新速度快，化工厂设备的寿命一般不超过15年 流动资金占固定投资的12-20%，每年的设备维修费5-10%。如：M=100万元/年，T=2000万元，流动资金300-400万元，维修费100-200万元/年。 技术密集表现在工艺流程长，从原料到产品，涉及化学、机械、电子、仪表等诸多领域，有很高的知识密集度和很强的技术综合性。若以机械工业的技术密集指数为100，则化学工业达到2480。 化学工业的资金和技术密集还表现在化工研究和开发投入大。由于工业

8、技术发展加快、化工产品更新换代快及化学工业产业结构的调整，研发费用占工业总支出的1/6，仅次于电子和通讯业。以新医药和农药为例，开发成功率为万分之一，完成一个新品种研制，在美国需10年左右时间，耗资6000万美元。,(5)化学工业是能耗大户 化学工业以煤、石油、天然气等能源为原料，也作为生产的动力和燃料。能源中约40作为生产原料，60作为动力和燃料，原料消耗费占产品成本的60%-70%。 (6)化学工业是易污染、重污染的工业部门 化工产品大多是易燃、易爆、有毒的，在生产、储存、运输、使用过程中，如果发生泄露，就会严重危害人的健康，污染环境。例如广西广维集团爆炸事件。2008年8月26日6时45

9、分，广维化工股份有限公司有机车间发生爆炸事故，爆炸引发的火灾导致车间内装有甲醇、乙炔、醋酸乙烯等易燃易爆物品的储罐发生爆炸，共造成20人死亡。事故还造成周围3公里范围内18个村屯和广维集团生活区的11500名群众紧急疏散。 生产中会产生废气、废水和固体废弃物，给大气、水、土壤带来危害。对产生的“三废”，力求实现生产过程内循环或综合利用；对最终排入环境的“三废”，必须进行无害化处理。要治理污染、解决废弃物的处理和资源利用等问题，离不开化工过程和操作。,二.化学工程概述,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

10、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。,单一化学工艺学阶段,2. 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。,3. 传递过程阶段,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

11、量传递和质量传递“三传”。 对应的三大定律：动量守恒定律、能量守恒定律和质量守恒定律，贯穿化工基础的始终。,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。,4. “三传一反”阶段,课程特点 理论与经验相结合的工程研究方法,经验方法实验方法,理论方法数学模型法,相似准则：利用经验公式和实验曲线进行设计和工程的相似性放大 因次分析：利用实验来确定变量关系，用无因次数群构成关系式,动量守恒：动量

12、传递 质量守恒：质量传递 热量守恒：热量传递,利用基本定律对过程的微观机理进行相应的数学描述（数学模型）,“三传一反”中的“三传”, 现象方程,注：该方法着眼于过程参数的整体变化，不究其微观机理，得到的结果带有局限性 ，不可任意推而广之。,工程问题的复杂性与“化工原理”半理论、半经验的方法特点,实际工程复杂问题,理论与经验是化工工程技术人员迈向成功的两条腿,分析并抓住描述 过程物理本质的基本规律,实验数据回归确定待定模型参数,对次要因素作出合理假设（简化）,建立数学模型,通过实验或工程实践检验模型的可靠性,核心部分：化学反应过程及其设备（反应器）是整个化工生产过程的核心 前处理过程：又称预处理

13、过程，在进行化学反应之前，对原料进行各种预处理，以便为反应过程创造最适宜的工艺条件，如适宜的物料状态、纯度以及它应具有的温度、压强等。 后处理过程：化学反应后，对产物或中间产物需要进行必要的后处理，以便获得合格的最终产品或中间产物。,三.化工生产过程,原料前处理化学处理（核心）后处理产品 （或中间产品）,例如，高压法生产聚乙烯，上述过程可图示如下：,乙烯的压缩与预热为预处理过程；聚合反应后，物料的分离与聚乙烯的粒化，则为产物的后处理过程。,前后处理工序中所进行的过程多数是纯物理过程。同样，其它各种化工生产过程，除化学反应外，其余操作步骤都可归纳为若干种基本的物理过程，如：流体的输送与压缩、沉降

14、、过滤、传热、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、萃取、冷冻等。 人们在长期从事化工生产实践中，自然而然地把组成不同化工行业生产过程所共有的基本的物理操作过程抽提出来，研究其各自内在的规律性，并在理论上加以总结和提高，再应用到生产实践中去，这些基本的物理操作过程就称为单元操作。 单元操作定义：指在各种化工产品的生产过程中，具有共同的物理变化，遵循共同的物理学定律和具有共同作用的基本操作。,以“三传”为物理内核的单元操作,四. 化学工程中的一些基本规律,1.质量守恒（物料衡算）：,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。,物料衡算式： M入 M出 M

15、累或损,对连续稳定流动：M入 M出,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（指标、参数）。,4. 最后还要确定衡算对象的物理量及单位。,例1-1 每小时有10 吨 5 的乙醇水溶液进入精馏塔，塔顶馏出的产品中含乙醇 95，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，每年（按操作 7200小时 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,确定：,衡算范围：,衡算对象：,衡算基准：,设：产品流量为 X 吨/时、废水流量为 Y

16、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),解得： 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,2.能量守恒（能量衡算）：,目的：,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,热量衡算式： Q入 Q出 Q累或损,稳定的连续性操作：Q入 Q出,3.平衡关系,平衡决定过程进行的方向各可能够达到的极限 可以确定当时条件下物料或能量能够利用的极限，从而确定加工方案

17、可以考察外界参数对平衡的影响和体系中物料状态对平衡转化率的影响，从而优化条件 可以用实际结果与平衡数据进行比较，来衡量过程的效率，从而找出改进的方法,4.过程速率,过程速率决定装置和设备的生产能力，过程速率越高，设备生产能力越大，或设备的尺寸越小。,过程速率（r）,在实际工作中，一个过程以多快的速率由不平衡向平衡移动是极为重要的问题。,5.从实验室研究到工厂生产,将实验室研究扩大为生产规模，使新产品、新工艺或新技术在工业装置中运转或转变为生产的全过程称为化工过程开发。,实验室与化工生产过程的区别： （1）原料数量、质量上的不同 （2）工艺方法、工艺条件、工艺要求、操作手段的不同 （3）设备大小

18、、结构、材质的不同 如：边长为1m的正方体容器，V=1m3，S=6m2 ，若将每条边长扩大10倍为10m，则V=1000m3，S=600m2，体积扩大1000倍而表面积只扩大100倍，不同步，则必然造成散热不均。故必须采用其他措施，如水冷、风冷等，否则反应结果必然改变。 （4）产品数量、质量不同，分离要求及分离设备也不同 （5）附属设施：生产上须设置水、电、气、动力、安全、运输、贮存等设施 （6）废水、废气、废渣的排放量不同，治理要求和设施也不同,开发步骤：实验室研究（小试）可行性研究（技术经济评价）中间试验（中试）基础设计（技术经济评价）工业装置的设计和投产,6.单位制与单位换算,基本量：任何单位制的建立，都是首先选择几个独立的物理量，如长度、时间、质量等，并以使用方便为原则规定出它们的单位，这些物理量称为基本物理量，简称基本量，其单位称为基本单位； 导出量：其它的物理量，如速度、加速度等的单位则根据有关的物理定义或定律，由有关的基本单位推导而出，这些物理量称为导出量，对应的单位称为导出单位。,（1）过去常用的单位制,重力单位制是工程学科常用的单位制，因此又称工程单位制。,（2）国际单位制 国际单位制是1960年10月第十一界国际计量大会通过的