化工基础(讲义)

第一章化工生产概述第一节化工生产特点

1、化工生产特点

2、化工原料

3、化工产品第二节化工生产的基本概念

1、化工单元操作及其分类

2、化工过程的规律第二章传热过程

1、概述

2、传热原理

3、化工换热设备

4、冷冻目录Page1

第三章化学反应器第一节化学反应速度与化学平衡一、化学反应速度

1．定义与公式

2．影响主要因素二、化学平衡

1．定义与化学平衡常数

2．影响因素与最大产率第二节化工反应器一、类型、分类与应用二、主要介绍釜式反应器结构与操作Page2

第一节化工生产特点一、化工生产特点化学反应是人类生产、生活的组成部份。化工生产是以煤、石油、天然气、矿石、水、空气等天然资源或农副产品为原料，经过一系列化学变化或化学处理为主要生产手段，改变物质原来的性质、状态和组成，制成所需的产品。化工产品化工产品数以万计，有生产资料、生活资料，与人类活动密切相关。化学工业是国民经济中一个十分重要组成部分，在实现农业、工业、国防和科学文化现代化的建设中担负着极其艰巨的任务。

第一章化工生产概述Page3

特点生产过程连续性与间接性；生产技术的复杂性和严密性；原料、产品和工艺的多样性；安全生产的极端重要性。化工生产规律由若干单元操作和单元反应等构成；三个基本步骤：预处理、化学反应、反应产物加工；二个转换：物质、能量转换。Page4

化工生产的基本任务研究化工生产的基本过程和反应原理；化工生产的工艺流程和最佳工艺条件；生产中运用的主要设备的构造、工作原理及强化生产的方法。二、化工原料分类无机原料、有机原料和农副产品原料无机原料，如：空气、水、氯化钠、黄铁矿、萤石矿。有机原料，如：煤、石油、天然气。农副产品，如：油类。二、化工产品化学肥料、农药、合成树脂及塑料、橡胶、合成纤维、颜料、涂料、试剂、化工其他产品。Page5

第二节化工生产基本概念一、化工单元操作及其分类化工单元操作在化工生产过程中，具有共同特点，遵循共同的物理学或化学规律，所用设备相似，作用相同的基本加工过程，称单元操作或单元反应。分类常用单元操作有十八种，按性质、原理分五种类型流体流动的单元操作，符合流体力学原理，如流体的输送、过滤、离心、沉降、固体流态化等；热量传递过程的单元操作，符合物质间热量交换的基本规律，如传热、蒸发等；Page6

质量传递过程的单元操作，符合物质从一个相转移到另一个相传质理论，如蒸馏、吸收、干燥等；热力学过程的单元操作，符合热力学原理的一些单元操作，如冷冻、深度冷冻等；机械过程的单元操作，符合机械力学的单元操作，如固体的粉碎、过筛、物料搅拌、固体输送等。

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二、物质转换与能量转换化工生产过程都是物料和能量转换相伴过程物料衡算根据质量守恒定律，在一个稳定的化工生产过程中向系统或设备所投入的物料量必等于所得产品量及过程损失量之和，即：W投＝W产＋W损。按照这一规律对总物料或其中某一组分进行的计算，称为物料衡算。物料衡算可以了解化工生产的原料量、产量、损耗量、确定设备的生产能力及其主要尺寸；判定操作过程进行的好坏和经济效益的评价等。Page8

热量衡算根据能量守恒定律，对于一个稳定的化工生产过程，向系统和设备内输入的热量应等于输出的热量加上损失的热量，即：Q入=Q出十Q损按照这一规律对系统或设备热量进行的计算，称为热量衡算。通过热量衡算，可以检查热量消耗的程度，确定经济合理的热量消耗方案、热能综合开用途径和选择最适宜的生产资料等。Page9

第一节概述第二章化工热过程一、传热在化工与生活中应用

热过程即为传热过程，是热量发生传递、交换过程。1、传热过程定义从温度较高的部分自动传给温度较低的热量传递过程。形成原因：物体内或系统内存在着温度差造成。在生活中应用：取暖、空调、烧饭、汽车等等。在化工生产中应用原料准备，如：加热烘房。Page10

化工操作过程，如：反应时加热、冷却、溶液的蒸发浓缩、

精馏、湿物料干燥。设备保温，如：蒸汽、冷却水、反应器保温。二、稳定传热、非稳定传热、载热体稳定传热：在传热过程中，各点温度只随位置变化而不随时间变化的过程。非稳定传热：在传热过程中，各点温度只随位置变化还随时间变化的过程。载热体：在传热过程中，参与传热的流体。根据用途分类：热载热体、冷载热体。Page11

三、间壁换热的传热分析间壁换热在化工生产中，冷、热两种流体的热交换，大多数情况下不允许两种流体直接接触，要求用固体壁隔开，这种通过间壁传热的过程称为间壁换热过程。传热方式换热过程中，热流体靠对流传热将热量传给管壁，在管壁中靠热传导将热量从一侧传到另一侧，再靠对流传热将热量从管壁传给冷流体，如下图所示：Page12

第一节概述Page13

四、传热方式根据热量传递过程与特点，热量的传递分以下三种基本方式：传导传热、对流传热、辐射传热。传导传热热量从物体高温部分向低温部分传递，依靠物体内分子相互碰撞进行的热量传递过程称为传导传热，简称热传导、导热。特点：在导热过程中，没有物质的宏观位移。同一物体内部传递、或与其相接触的另一物体间传递。Page14

导热系数（λ）导热系数表示物质的导热能力，一般情况下，金属的导热系数值最大，固体非金属次之，气体最小。导热系数大的材料用于换热设备，导热系数小的材料用于保温、隔热。对流传热流体各部分的质点发生相对位移和混合，将热能由一处传至另一处的传递热量方式称为对流传热。工业中，将流体和固体壁面之间传热称为对流传热；Page15

若流体的运动是由于受到外力的作用所引起，则称为强制对流；若流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同而引起的，则称为自然对流。对流传热影响因素受流体的种类、性质、流动状况、传热壁面形状、相变情况等因素影响。Page16

辐射传热热能不依靠介质而以电磁波形式被另一物体部分或全部吸收后，转变为热能，这种传递方式称为辐射传热，简称辐射或热辐射。实际上，上述三种传热方式往往是相互伴随着同时出现，化工生产中，大都采用间壁换热器，换热过程以对流传热、热传导为主，热辐射量很小。Page17

第二节传热原理一、传热方程式工业上，传热基本上稳定传热过程，由于可得：

Q=KA△t

K—比例系数，称为总传热系数；Q--单位时间内的传热量，即传热速率；△t--两流体的平均温度差。Page18

第三节化工传热设备二、提高传热效率途径由传热速率方程可知，通过改变总传热系数K、平均温差、传热面积，可提高传热速速率，但提高哪一个因素有利，需综合考虑，得到节能与经济的合理值。传热平均温度差当两种流体的进、出口温度一定时，采用逆流操作可以得到较大的平均温度差。如：用水蒸气作加热剂时，增大蒸气压力可以提高热流体的温度；用水作冷却剂时，降低水温或增加水的流量，也都可以增大传热温度差。Page19

传热面积A

增加传热面积可使传热量增大，对间壁两侧对流传热系数相差很大时，应设法增对流传热系数小的一侧的传热面积，改进传热面结构，提高单位容积内设备传热面积。总传热系数强化传热最有效的途径是提高传热系数K值。K值决定于两个流体的对流传热膜系数、管壁和污垢层热阻，在提高K值时主要应减小热阻较大的一项。而换热器的管壁一般都是金属壁，导热系数较大，通常可以忽略不计。提高K值途径是设法提高对流传热膜系数a和减少垢层热阻。Page20

二、主要设备与分类用途分类加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、冷凝器、分凝器等。热量传递原理间壁式换热器、直接接触式换热器、蓄热式换热器。材质分类金属材料、非金属材料制作。传热壁面的形状管式换热器、喷淋式换热器、U型管式换热器等类型；板式换热器，如：夹套换热器、板式换热器、翅片板式换热器、螺旋板式换热器、石墨板式换热器等类型。Page21

列管式换热器

称管壳式换热器，结构简单、坚固、材料范围广、处理能力大、适应性强、操作弹性较大。

如图所示,列管式换热器以下部件组成：１－壳体

２－管板

３－管束

４－封头(又称端盖)５－挡板(又称花板)Page22

夹套式换热器

结构简单,主要用于反应器的加热或冷却。夹套装在容器外部,在夹套和器壁间形成流体的通道，进行换热。夹套式换热器的传热面积受到限制，内部清洗困难,故一般用不易产生垢层的水蒸汽、冷却水等作为载热体。当夹套内通冷却水时,为提高其对流传热系数可在夹套内加设挡板。Page23

三、使用基本知识选择符合工艺条件要求、传热效率要高、流体阻力损失要小。列管式换热器使用投产前检查各类仪表与阀门；通蒸汽前必须冷凝水排放阀、放空阀；报产时，先通冷液，当液面到一定时，再通加热剂，做到先预热后加热；工作时，经常检查各类仪表，定时分析介质成份变化，以确定有无内漏；定时排放不凝性气体和冷凝液，根据热效率下降情况及时清理。Page24

第四节冷冻知识一、冷冻方法、分类与工业上应用冷冻方法冰融化法冰融化使周围物料冷却，如：食品贮存和防暑降温等。冰盐水法利用冰和盐类的混合物来制冷，达到低温。干冰法利用固体二氧化碳（又叫干冰）升华来制冷，一般可冷却到一40℃左右，广泛应用于实验研究、医疗、食品、机械零件的冷处理等。液体汽化法Page25

在低温下,容易汽化的液体汽化的特点制冷，目前应用最广泛，用于冷藏、冷冻、空调等制冷过程。气体绝热膨胀法利用高压低温气体经过绝热膨胀后，使气体压力和温度急剧下降而获得更低温度制冷，主要用于气体液化和分离工业。分类按冷冻低温普通冷冻（又叫冷冻），范围在173K（-100℃）；深度冷冻，冷冻范围在173K（－100℃）以下者。按冷冻过程液体汽化、蒸汽喷射和吸收式制冷等，广泛应用液体汽化。Page26

二、冷冻循环过程与冷冻设备冷冻剂（如氨）以T1、P1的干饱和气蒸汽进入1，经1压缩升至T2、P2变成过热蒸气，通过2，被冷却，放出热量Q2，气态冷凝为液体，温度为T3，再使液体通过3，经节流膨胀，使液体部分汽化成气液混合物，温度、压力下降为T1、P1，最后通过蒸发器4，从被冷冻物质（如冷冻盐水）中取出热量Q1，全部变成干饱和蒸气，然后开始新循环过程。Page27

冷冻循环特点

在整个冷冻循环过程中，冷冻剂（如氨）作为中间工作介质，完成从低温的冷冻物质中不断吸收热量转交给高温物质（如冷却水）的任务。冷冻循环过程的实质是由压缩机作功，通过冷冻剂从低温热源取出热量，送到高温热源。冷冻能力冷冻剂在单位时间内从被冷冻物料中取出的热量，称制冷量，单位为：W或KW，工业上，常用将每小时的制冷量表示，如：Kcal.Page28

冷冻主要设备压缩机：又称冷冻机、冰机按冷冻能力分类冷冻能力＜120KW，小型冷冻机；冷冻能力＜120-1000KW，中型冷冻机；冷冻能力＞1000KW，大型冷冻机。按结构分类压缩方式：单动或双动往复式；多级压缩往复式、滑片式及螺杆式等。形状：立式、卧式、高速多缸式（气缸呈V型、W型）等。

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冷凝器和蒸发器冷凝器和蒸发器都是一种换热设备膨胀阀又叫节流阀。作用液态冷冻剂经过节流阔减压使冷冻剂得到较低气化温度，调节冷冻剂循环量。Page30

冷冻剂通过冷冻剂状态变化，进行热量交换，冷冻剂的性质直接影响冰机的温度、压力、设备、结构。主要冷冻剂：氨、氟里昂、烃类载冷体

工业上，一般不采用冷冻剂直接吸取被冷物料的热量，而以载冷体在冷冻剂和被冷物料之间循环，从被冷物料中吸取热量传送给冷冻剂。主要载冷体：水、冷冻盐水、有机物。Page31

深度冷冻冷冻温度低于一100℃（173K）的操作叫深度冷冻。基本原理任何气体只要冷却到临界温度以下，在一定的压力下皆可使之液化成液体。深度冷冻的方法绝热节流膨胀、作外动绝热膨胀用途主要用于气体的液化分离过程。如：空气中分离制氧和氮，天然气和焦炉气中分离氢等。Page32

一、化学反应速度化学反应定义：反应物分子中原子重新组合的过程。化学反应速度定义：在化学反应中物质变化快慢的程度与公式化学反应速度表示方法：单位时间内反应物浓度的减少量或生成物浓度的增加量来表示，单位：mol／（L·s）。如：反应：A+C→B+D

第一节化学反应速度与化学平衡第三章化工反应器Page33

影响因素活化能(△E活)活化分子定义：具有较高能量，相互碰撞后能发生化学反应的分子。活化能定义：将普通分子变成活化分子至少需吸收的能量。反应物性质反应物性质决定活化能，在一定温度下，活化能越大，活化分子少，单位时间内发生碰撞少，反应就越慢。Page34

浓度的影响反应物质的浓度越大，一般情况下，反应速度加快增加压力，浓度增加，反应加快，特殊情况下，如：光反应，与浓度无关。温度的影响对于一定反应，活化能一定，温度越高，反应速度越快，一般情况下，温度每升高10℃，反应速度增加2-4倍。催化剂（cat)的影响定义：能改变化学反应，本身化学反应前后组成、质量和性质不发生变化。加快反应的催化剂称正催化剂，反之为负催化剂。作用：改变反应活化能。Page35

二、化学平衡可逆反应在同一条件下，化学反应中，反应物相互作用可变成生成物，生成物又可变成反应物的化学反应。通常在反应式中用符号表示：化学平衡定义可逆反应，当反应进行到某一时刻时，正、逆反应速度相等时，反应物、生成物浓度保持不变，此时的物系状态。

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特点化学平衡是一个动态平衡，正、逆反应仍在进行；反应达到平衡时，浓度不发生变化，此时反应物转化成生成物的百分比率最高；化学平衡是暂时的，条件发生变化，平衡会被打破；化学平衡移动定义：因外界条件变化发生时，使可逆反应从一种平衡状态转变到另一种平衡状态的过程。主要影响因素浓度

在条件不变，改变反应物和生成物浓度，平衡会发生移动。Page37

压力对有气体物质参加反应的影响（固、液不影响），增加压力，平衡向体积总数减少的方向移动；减少压力，平衡向体积增大的方向移动；反应前后体积无变化的反应，压力变化对平衡无影响。温度温度升高，平衡向吸热方向的移动，降低温度，平衡向放热方向的移动。催化剂不会改变反应平衡。Page38

最大产率转化率定义：反应物被反应掉的数量/反应物反应前数量计算公式平衡时的转化率即为化工生产的最大产率，因此最大产率计算公式就为转化率公式。应用反应物最大产率，是生产组织需考虑的一个总要因素。如：N2+3H2≒2NH3必然考虑氢气的最在产率问题。

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第二节化工反应器一、类型分类与应用应用化工生产过程在致有三个组成部分：原料处理、化学反应、产品分离。化学反应是化工生产核心，用来进行化学反应的设备称为化工反应器，是生产装置的核心设备。类型分类按聚集状态分类均匀相反应、非均匀相反应；按结构分类釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、流化床反应器；按操作方法分类：间歇操作、连续操作、半连续（半间歇）操作Page40

釜式反应器特点结构简单、加工方便、传质效率高、温度分布均匀、操作可控范围较广、操作灵活性大、便于更换品种、能适应多样化的生产。结构主要由釜体、搅伴器、换热器组成。

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釜体由圆形筒体、上盖、下盖组成，上、下盖一般为半球形或椭圆形。上下、高与直径比一般为：1～3；上盖与筒体连接有两种方法：盖子与筒体焊死构成一个整体、用法兰连接；釜底常用形状有平面形、碟形、椭圆、球形。材质多采用普通碳钢制成，根据要求，不锈钢或铸铁制、在釜内壁喷涂如四氟类有机涂料、釜内壁衬以搪瓷、搪玻璃、瓷砖、橡胶、树脂及其他保护层。反应釜的装料量一般采用在0.7一0．8的反应釜容积；如果在反应过程中容易起泡沫或有沸腾现采用0．5～0．6的反应釜容积。

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搅拌器目的

为了物料混合均匀、充分反应和传热良好。从工艺过程要求，可以分为混合、搅动、悬浮、分散。主要作用液体形成循环流、涡流。组成搅伴器：旋转轴与叶轮；辅助部件与附件：密封装置、减速箱、电动机、支架、挡板等。常用的搅拌器Page43

桨式搅拌器

由2一4片板状桨叶用螺丝固定在搅拌轴上，如图所示。桨叶的长度为反应釜直径的1/3～2/3。转数较低，一般在15～80转／分。结构简单，制造方便，使用较为广泛，较深时，可在搅拌器轴上水平安装数排桨叶。搅动程度不强烈。适用流动性大，粘度小液体。Page44

框式搅拌器桨式搅