化学工程基础

1、化学工程基础Fundamentals of Chemical Engineering河南理工大学物理化学学院张大峰Tel:-mail: 2022/9/212规 则：遵守课堂纪律独立思考按时完成作业考核方式：平时作业、实验、课堂表现 30期末考试 （闭卷） 70 学时：40 + 12教材内容讲解：2 11周实验部分：平时空闲（周末等），2个考试：17周（暂定）2022/9/213课程进度安排：2022/9/214参考书化工原理. 姚玉英主编. 天津科学技术出版社化学工程基础. 武汉大学主编. 高等教育出版社化学工程基础. 林爱光编. 清华大学出版社化学工程基础. 李德华

2、编. 化学工业出版社化学工程基础学习指引和习题解答. 林爱光编. 清华大学出版社化学工程基础学习指导. 杨国泰等编. 化学工业出版社2022/9/215主讲章节 第一章 化学工业与化学工程 第二章 流体流动与输送 第三章 传热过程 第四章 传质分离基础 第五章 吸收 第六章 精馏第一章 化学工业与化学工程 1.1 化学工业概述 1.2 化学工程学 1.3 物料衡算与能量衡算2022/9/2171.1 化学工业概述化学工业是国民经济重要的基础工业，是工业经济中最具活力，有待开发且竞争力极强的一个部门。1-1 化学工业的重要性2022/9/218为农业提供化肥、农药等农用生产资料；为轻纺、建材、冶

3、金、国防、军工及其他行业提供各种配套原材料；为微电子、信息、生物工程等高科技产业提供新型化工材料和新产品；为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品；触及现代生活的各个角落：2022/9/219 衣食住行化学工业人类生存密切相关 能源 国防和科技现代化 环保开源节流2022/9/2110昨天（始于18 世纪工业革命）无机化学工业1746 年 英国人罗巴克 铅室法制硫酸1791 年 法国人路布兰 制碱1861 年 比利时人索尔维 氨碱法1905 年 德国人哈伯 合成氨1941 年 中国人侯德榜 联碱法有机化学工业1826 年 从氰酸铵合成尿素19 C 中叶、20 C 初利用煤、农副产品20 C 30

4、 年代开始石油、天然气的开发1-2 化学工业的发展2022/9/2111 今天（2011年我国） 产品名称 产量（万吨） 世界排名 化肥 7000 1 染料 76 1 农药 265 2 合成橡胶 380 1 乙烯 1850 2三废占排放总量份额排名废渣8-109废水20-302 废气5-732022/9/2112 明天（发展趋势）以信息技术为先导以新材料技术为基础以新能源技术为支柱微观尺度向生物技术开拓宏观尺度向空间和海洋扩展化学工业不再局限于传统的化工领域，与这六大技术渗透结合。2022/9/2113材料工程 高分子功能材料、陶瓷、纳米材料、富勒碳能源化工 发展煤化工（洁净煤技术）环境化工

5、CO2 化学 环境工程 清洁生产 直接氧化法:氯乙醇法 发展趋势环氧乙烷2022/9/2114生物工程生物学化学工程学生物技术生化工程化学工程生物化学e.g. 将淀粉酶基因克隆到酵母菌中发酵生产乙醇，时间缩短了十分之九，能量消耗减少了60。2022/9/21151-3 化学工业的特点与人类的生存和发展息息相关 世界面临着三大挑战：人口增长、环境污染和能源短缺。原料路线、工艺路线和产品品种的多样性化学工业属于技术密集型和能源密集型产业提倡采用新工艺、新设备，提高物料的综合利用，降低能耗。2022/9/21161-4 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

6、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：基本化学工业化肥工业石油化学工业其他化学工业化学工业包括：2022/9/21171-5 化工生产工艺及流程化工生产过程：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。原料（1）预处理 （2） 反 应 （3）后处理产品基本化工生产过程2022/9/2118例如:可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。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%）甲醇的生产：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.

7、999%）苯的生产：2022/9/2119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）2022/9/2120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。固体和流体物料输送物料的加热和冷却非均相混合物料的分离液体混合物料的蒸发、蒸馏和萃取气体物料的吸收物料的干燥和冷却单元操作的结果只改变物料的物理性质化工生产过程就是由若干单元操作和反应过程按一定顺序组合而成2022/9/2121流程图描述从物料开始，经过一系列按一定顺序并相互衔接的单元操作和反应过程，生产合格产品的生产工艺过程称为化工工艺流程。用图表示的化工工艺流程称为化工工艺流程图。工艺

8、流程框图、装置流程图、管线图、带控制点的流程图等。类型有：2022/9/2122尿素生产工艺流程框图2022/9/2123尿素生产流程简图2022/9/2124乙烯苯V101苯乙烯气相烷基化生产流程简图P101R101T101T102V103E101E103E104产品副产物V101E102V102填料催化剂塔板2022/9/2125e.g. a. 搅拌 化学实验与化工生产过程比较b. 放大效应c. 加料D 10 DV（容积）? S（传热器壁面积）?1-5 实验室研究与化工过程开发2022/9/2126项目化学实验化工生产 原料数量少、纯度高、配比严格、易储存、无需预处理量大，因来源不同、价格

9、不一、纯度不同，故使用前需预处理 工艺操作简单、变更容易、可以精密控制反应条件，无物料返回利用问题操作复杂，不易随意变更，单元操作控制难度大，杂质易积累，中间检测多 设备以玻璃器皿为主，防腐，易清洗要求设备强度高、耐腐蚀，结构复杂，清洗、操作难 产品量少，易采集，通常无需分离量大，需专门的分离与精制过程公用工程简单易行，无需专门设施需供水、供气、供电、动力等设施环境保护三废排放量少，易于处理，无需专用设施三废排放量大，必须通过专用设施予以治理2022/9/2127实验室工业过程直接过渡想 一 想是否可行 ?2022/9/2128举例说明：萘邻苯二甲酸酐 + Q催化剂氧化实验室化工生产催化剂升温

10、活化电加热空气预热至活化温度，通入少量反应物量催萘反应温度控制外加热冷却即：1.量上少多2.传质、传热及材质上的差别3.能源、动力及技术与经济上的差别1 - 20 g0.04 - 0.8 gh-110 - 30 吨400 - 1200 kgh-12022/9/2129萘O邻苯二甲酸酐+ Q实验室反应器加热工业反应器冷却 2022/9/2130 从实验室研究到工业生产实验室成果能否进行工业化的四个要求:对环境无危害 技术上可靠 经济上可行生产上安全第一章 化学工业与化学工程 1.1 化学工业概述 1.2 化学工程学 1.3 物料衡算与能量衡算2022/9/21321887 年，英国人David.

11、 G. E . 在曼彻斯特工学院做了一系列化学工程问题的讲演；1888 年，美国麻省理工学院，世界上第一次讲授“化学工程”这门课程；1915 年，利特尔Little. A. D. 提出了单元操作（Unit Operation）的概念；1923 年，第一本化学工程教科书Principles of Chemical Engineering；1.2 化学工程学科2022/9/21331957 年，正式提出了“化学反应工程”（Chemical Reaction Engineering）20 世纪 60 年代后期，计算机用于化学工程以解决最优规划，最优设计“化工系统工程”1983 年在美国化学工程师学会

12、（AICHE）第 75 周年年会上，把化学工程定义为“经济地开发利用物质和能量的方法为人类造福的工学”。2022/9/2134化工生产写实19 世纪90 年代化学工艺学或工业化学单元操作（物理过程）抽象1923 年化学反应工程单元过程（化学过程）化工系统工程传递过程1960 年抽象计算机20 世纪 60 年代 2-1学科的发展2022/9/21352-2 化学工程学科的内容单元操作 固体和流体物料输送、加热和冷却、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、干燥等基本操作的总称。传递过程 “三传”： 动量传递、热量传递、质量传递化学反应工程 研究理想反应器内化学反应的一些共同规律化工热力学 研究化工过程中各种形式

13、能量之间的相互转换规律和过程趋于平衡的条件化工系统工程 以化工系统为研究对象，从整体目标出发确定最优决策2022/9/2136化工化学工艺化学工业化学工程化工过程单元操作传递过程化学反应工程化工热力学过程系统工程生产的原料路线生产方法、技术操作程序物料走向相关单元操作设备的组合动量、热量、质量传递的总称研究化工过程中各种状态变化、能量转化和能量有效利用包括系统分析、系统模拟、系统综合和系统优化等化学品具体生产过程或技术“化工原理“研究：工业生产的共同规律指导：生产工艺的设计2022/9/2137二. 研究方法实验研究法测试技术实验规划数据处理数学模型法过程分析数学描述检验与修正第一章 化学工业

14、与化学工程 1.1 化学工业概述 1.2 化学工程学 1.3 物料衡算与能量衡算2022/9/21391.3 物料衡算和热量衡算1. 物料衡算：也称质量衡算，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2022/9/2140积累 MM入M出系 统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 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

15、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 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 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！包含精馏塔在内的虚线框a. 物流的流量 b. 物流中乙醇的量确定：衡算范围：衡算对象：衡算基准：单位时间：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

16、量进行衡算：10 X + Y 对乙醇的量进行衡算：10 5 X 95 + Y 0.1X 0.516 吨/时 Y 9.484 吨/时 每年损失乙醇：9.484 0.1 7200 68.28 吨/年2022/9/21442. 能量衡算 （能量守恒定律）依据：能量守恒定律目的：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2022/9/2145积累 QQ入Q出系 统能量衡算示意图无反应热效应：系统累积能量 = 输入能量输出能量伴随反应热效应：系统累积能量 = 输入能量输出能量 + 反应放出（+）或吸收（-）的能量2022/9/2146过程速率温差、浓度

17、差能量衡算式： Q入 Q出 Q积累稳定的连续性操作：Q入 Q出 化工热力学上，常用 “焓”表示物料所处的热状态(wH)入 (wH)出 Qw ：物料的质量或质量流量；H ：焓能量衡算基准：数量基准、温度基准、相态基准例1-2 在一列管式热交换器中用压强为 136 kPa 的饱和蒸汽加热 298 K 的冷空气，蒸汽的流量为 0.01 kg/s，空气的流量为 1 kg/s。冷凝水在饱和温度 381 K下排出。若取空气的平均比热为 1.005 kJ/(kgK)，试计算空气的出口温度（热损失忽略不计）。热空气 T冷空气298 K1 kg/s加热蒸汽 381K 冷凝水热交换器381 K0.01 kg/s解

18、：分析：只有一个未知变量，只需列一个能量衡算方程即可求解。关键问题是确定能量衡算的基准！能量衡算基准：数量基准：温度基准：以单位时间内物流量为基准加热蒸汽： 0.01 kg/s ； 冷空气： 1 kg/s 以进口冷空气的温度为基准：298 K取H冷空气 0w冷空气H冷空气w蒸汽H蒸汽 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)由能量衡算式 得：(wH)入 (wH)出 Q= w冷空气H热空气w蒸汽H冷凝水查饱和水蒸汽表，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

19、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：2022/9/2150基础数据：物性数据过程参数：控制生产过程的指标无量纲量：由各种变量和参数组成的数群3. 单位制与单位换算国际单位制（SI）The International System of Units化工数据的分类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SI 基本单位和辅助单位量的名称单 位 名 称国际符号基 本单位长 度米metrem质 量千克 kilogramkg

20、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 角steradiansr化工中常用的SI 导出单位量的名称单 位 名 称单位符号用SI 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)化工中常用的SI 导出单位量的名称单 位 名 称单位符号用SI 基本单位表

21、示的单位能，功，热量焦 耳J (=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)SI 词头表示的因数词头名称词头符号1018艾 可萨E1015拍 它P1012太 拉T109吉 咖G106兆M103千k102百h101十da表示的因数词头名称词头符号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：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mm (毫微米)nm (纳米)：10-9 m单位换算：例 一标准大气压 (1 atm) 的压力等于1.033 kgf/cm2 ，(kgf：千克力)，将其换算成 SI单位。解：kgfNcm2m2换算关系：1 千克力 质