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文档简介
化学工程与技术工程作业指导书TOC\o"1-2"\h\u27883第一章绪论 2262241.1化学工程与技术概述 2285931.1.1化学反应工程 3282741.1.2化学工艺 3283671.1.3化学分离工程 3213201.1.4化学过程强化与集成 389261.2课程目的与要求 3297051.2.1理论知识 3235381.2.2工程技能 31091.2.3创新能力 3294521.2.4跨学科综合素质 323791第二章流体力学基础 4297462.1流体力学基本概念 484662.2流体力学方程 4118202.3流体流动与阻力 518592第三章传热学基础 5320503.1传热学基本概念 5143683.1.1热量 641183.1.2温度 6301763.1.3传热速率 691333.2热传导 6174623.2.1热传导基本定律 6200943.2.2热导率 6283943.3对流传热 618023.3.1对流传热基本方程 6278863.3.2对流传热系数 784843.4辐射传热 7165863.4.1斯蒂芬玻尔兹曼定律 790093.4.2辐射传热系数 75475第四章质量传递 767324.1质量传递基本概念 7169044.2质量传递过程 732304.2.1分子扩散 7307044.2.2湍流扩散 7254544.2.3对流 8113984.3质量传递设备 8129794.3.1塔设备 8120904.3.2换热器 8128464.3.3分离设备 837554.3.4反应器 87251第五章化学反应工程 8205925.1化学反应工程概述 824465.2均相反应 8224655.2.1气相反应 9211645.2.2液相反应 9314415.2.3固相反应 970115.3非均相反应 99245.3.1气液反应 9282445.3.2气固反应 91115.3.3液固反应 924070第六章催化剂工程 10106216.1催化剂概述 10313846.2催化剂的制备 1031236.2.1沉淀法 10108276.2.2浸渍法 10292386.2.3共沉淀法 1089776.2.4溶胶凝胶法 11269146.3催化剂的活性评价 11301356.3.1实验室评价 11147346.3.2工业评价 1124440第七章化学工艺流程设计 11201907.1化学工艺流程设计原则 11319817.2工艺流程图的绘制 12242947.3工艺参数的确定 124538第八章化学工程设计 13223848.1化学工程设计概述 13292908.2设计程序与内容 1323338.3设计规范与标准 1419023第九章化学工程实验技术 145809.1实验室安全与环保 1413949.2实验方法与设备 15250109.3实验数据处理与分析 159928第十章化学工程案例分析 152674110.1典型案例分析 162183410.1.1案例一:某化工企业丙烯酸生产过程中的优化 16285610.1.2案例二:某制药企业废水处理工程 163242410.2工程问题解决方法 16161210.3案例分析与总结 17第一章绪论1.1化学工程与技术概述化学工程与技术作为一门涉及广泛领域的基础工程学科,旨在运用化学原理与工程技术相结合的方法,研究物质及其变化规律,实现化学过程的高效、安全、清洁生产。化学工程与技术不仅涵盖化学、物理、数学、生物等基础学科,还与材料科学、能源、环境、制药等多个领域密切相关。在我国,化学工程与技术已经取得了显著的成就,为国家的经济发展、科技创新和环境保护做出了重要贡献。化学工程与技术主要包括以下几个方面:1.1.1化学反应工程化学反应工程是化学工程的核心内容,主要研究化学反应的动力学、热力学、催化等基本问题,以及反应器设计、操作和优化等工程技术问题。1.1.2化学工艺化学工艺涉及化学产品的生产过程,包括原料的选择、工艺路线的确定、设备选型、操作参数的优化等,旨在实现生产过程的连续化、自动化和高效化。1.1.3化学分离工程化学分离工程是化学工程的重要组成部分,主要研究物质的分离、提纯和回收技术,包括蒸馏、吸收、吸附、膜分离等。1.1.4化学过程强化与集成化学过程强化与集成旨在提高化学过程的生产效率、降低能耗、减少污染,包括过程优化、系统集成、绿色工艺等。1.2课程目的与要求本课程旨在使学生全面了解化学工程与技术的基本理论、方法和应用,培养具备以下能力的工程技术人才:1.2.1理论知识掌握化学工程与技术的基本理论,包括化学反应工程、化学工艺、化学分离工程等方面的知识。1.2.2工程技能熟悉化学工程与技术的工程实践,具备一定的化工设计和操作能力。1.2.3创新能力具备较强的创新意识和能力,能够运用化学工程与技术知识解决实际问题。1.2.4跨学科综合素质具备良好的跨学科知识结构,能够与相关领域进行有效沟通和协作。通过本课程的学习,使学生能够适应化学工程与技术的发展需求,为我国化工产业的可持续发展贡献力量。第二章流体力学基础2.1流体力学基本概念流体力学是研究流体(液体和气体)在静止和运动状态下的物理规律及其相互作用的科学。流体力学的基本概念主要包括以下几个方面:(1)流体的连续性:流体是由大量分子组成的连续介质,其物理量(如密度、压力、速度等)在空间上连续变化,可用连续函数表示。(2)流体的可压缩性:流体在受到外力作用时,体积和密度会发生变化。对于气体,这种变化较为显著;对于液体,可压缩性较小,通常可视为不可压缩流体。(3)流体的粘性:流体内部质点在运动过程中,由于分子间的相互作用力,产生内摩擦力。这种性质称为流体的粘性。(4)流体的稳定性:流体在运动过程中,受到扰动后能否恢复到原有状态的性质。稳定流体在受到扰动后,能迅速恢复到平衡状态;不稳定流体则相反。2.2流体力学方程流体力学方程是描述流体运动规律的数学表达式。以下为几种常见的流体力学方程:(1)连续性方程:描述流体在运动过程中质量守恒的规律。对于不可压缩流体,连续性方程可表示为:$$\frac{\partial\rho}{\partialt}\nabla\cdot(\rho\mathbf{v})=0$$其中,$\rho$为流体密度,$\mathbf{v}$为流体速度,$\nabla$为梯度算子。(2)动量方程:描述流体在运动过程中动量守恒的规律。牛顿第二定律的流体力学形式为:$$\rho\left(\frac{\partial\mathbf{v}}{\partialt}(\mathbf{v}\cdot\nabla)\mathbf{v}\right)=\nablap\rho\mathbf{g}\mu\nabla^2\mathbf{v}$$其中,$p$为流体压力,$\mathbf{g}$为重力加速度,$\mu$为流体动力粘度。(3)能量方程:描述流体在运动过程中能量守恒的规律。能量方程可表示为:$$\rho\left(\frac{\partiale}{\partialt}\mathbf{v}\cdot\nablae\right)=\nabla\cdot(p\mathbf{v})\mu\nabla^2\mathbf{v}\cdot\mathbf{v}\Phi$$其中,$e$为流体单位质量内能,$\Phi$为流体内摩擦力所做的功。2.3流体流动与阻力流体流动是指流体在管道或空间内的运动。根据流动性质的不同,流体流动可分为层流和湍流。(1)层流:流体流动时,流线平行且速度分布呈抛物线状。层流的特点是流动稳定,阻力较小。(2)湍流:流体流动时,流线交错,速度分布不均匀。湍流的特点是流动不稳定,阻力较大。流体阻力是指流体在流动过程中,由于粘性作用产生的内摩擦力。流体阻力的大小与流体的粘性、流速、管道形状等因素有关。以下为几种常见的流体阻力计算公式:(1)层流阻力:在圆形管道中,层流阻力可表示为:$$f=\frac{64}{Re}$$其中,$f$为阻力系数,$Re$为雷诺数。(2)湍流阻力:在圆形管道中,湍流阻力可表示为:$$f=0.316Re^{0.25}$$其中,$f$为阻力系数,$Re$为雷诺数。流体流动与阻力研究在化工过程中具有重要意义,对于设备设计、操作优化等方面具有指导作用。通过对流体流动与阻力的深入理解,可以为化工过程提供更加可靠的理论依据。第三章传热学基础3.1传热学基本概念传热学是研究热量传递过程及其规律的学科,主要涉及热传导、对流和辐射三种基本传热方式。传热学在化学工程与技术的发展中具有重要意义,对于设备的优化设计和操作参数的调整具有指导作用。3.1.1热量热量是物体内部微观粒子的动能和位能的总和,表征物体的内能。热量的单位为焦耳(J)。3.1.2温度温度是衡量物体热状态的物理量,表示物体内部微观粒子平均动能的大小。温度的单位为摄氏度(℃)或开尔文(K)。3.1.3传热速率传热速率是指单位时间内通过单位面积传递的热量,单位为瓦特每平方米(W/m²)。3.2热传导热传导是指热量在固体、液体和气体中,由于微观粒子的碰撞和相互作用,使热量从高温区域向低温区域传递的过程。3.2.1热传导基本定律热传导基本定律为傅里叶定律,表达式为:\[q=k\cdotA\cdot\frac{dT}{dx}\]其中,q为传热速率,k为热导率,A为传热面积,dT为温度差,dx为传热距离。3.2.2热导率热导率是表征材料传热功能的物理量,单位为瓦特每米每开尔文(W/(m·K))。热导率的大小与材料的性质、温度和状态有关。3.3对流传热对流传热是指流体在运动过程中,由于流体内部微观粒子的碰撞和相互作用,使热量从高温区域向低温区域传递的过程。3.3.1对流传热基本方程对流传热基本方程为牛顿冷却定律,表达式为:\[q=h\cdotA\cdot(T_{\text{表面}}T_{\text{流体}})\]其中,q为传热速率,h为对流传热系数,A为传热面积,T_{\text{表面}}为固体表面温度,T_{\text{流体}}为流体温度。3.3.2对流传热系数对流传热系数是表征对流传热功能的物理量,单位为瓦特每平方米每开尔文(W/(m²·K))。对流传热系数的大小与流体的性质、流动状态、温度和几何形状有关。3.4辐射传热辐射传热是指物体由于温度差而自发地向外界发射电磁波,从而实现热量传递的过程。3.4.1斯蒂芬玻尔兹曼定律斯蒂芬玻尔兹曼定律描述了辐射传热的基本规律,表达式为:\[q=\sigma\cdotT^4\cdotA\]其中,q为辐射传热速率,σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数,T为物体的绝对温度,A为辐射面积。3.4.2辐射传热系数辐射传热系数是表征辐射传热功能的物理量,单位为瓦特每平方米每开尔文(W/(m²·K))。辐射传热系数的大小与物体的温度、发射率和吸收率有关。第四章质量传递4.1质量传递基本概念质量传递是指物质在浓度梯度的作用下,通过分子扩散、湍流扩散以及对流等途径,从一个区域向另一个区域转移的过程。质量传递是化学工程中一个重要的现象,它涉及到物质的传输和混合,对反应过程、分离过程等具有重要意义。4.2质量传递过程4.2.1分子扩散分子扩散是指物质在浓度梯度的作用下,通过分子间的自由运动实现质量传递的过程。分子扩散的驱动力是浓度梯度,其速率与浓度梯度、扩散系数和扩散距离等因素有关。4.2.2湍流扩散湍流扩散是指湍流流动中,物质在湍流脉动的作用下实现质量传递的过程。湍流扩散的驱动力是湍流脉动,其速率与湍流强度、湍流尺度、扩散系数等因素有关。4.2.3对流对流是指流体流动过程中,物质流体运动实现质量传递的过程。对流分为自然对流和强制对流两种。自然对流是由于流体密度差异产生的流动,强制对流是由于外部因素(如泵、风机等)产生的流动。对流速率与流体流速、流动状态、扩散系数等因素有关。4.3质量传递设备4.3.1塔设备塔设备是化工过程中常用的质量传递设备,如吸收塔、解吸塔、精馏塔等。塔设备通过填料层或板式塔实现气液两相的接触,从而实现质量传递。塔设备的设计和操作参数包括塔径、塔高、填料类型、喷淋密度等。4.3.2换热器换热器是用于实现热量和质量传递的设备。在化工过程中,换热器通常用于加热或冷却流体,同时实现质量传递。换热器的类型包括壳管式换热器、板式换热器、板翅式换热器等。4.3.3分离设备分离设备是用于实现混合物中组分分离的设备,如离心分离器、膜分离器、吸附剂床等。分离设备通过不同的作用原理,如离心力、压力差、分子间作用力等,实现质量传递。4.3.4反应器反应器是化工过程中实现化学反应的设备。在反应过程中,物质通过质量传递实现反应物与产物的转化。反应器的类型包括釜式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。第五章化学反应工程5.1化学反应工程概述化学反应工程作为化学工程与技术的核心分支,主要研究化学过程中物质的转化规律及其调控方法。化学反应工程涉及的内容包括反应动力学、反应器设计、反应器操作与优化等方面。化学反应工程在化工、炼油、制药、环保等领域具有广泛应用。5.2均相反应均相反应是指反应物和产物在同一相中进行反应。根据反应物和产物的状态,均相反应可以分为气相反应、液相反应和固相反应。在均相反应中,反应物之间的碰撞概率较高,反应速率较快。均相反应的研究主要包括反应机理、反应动力学以及反应器设计等方面。5.2.1气相反应气相反应是指反应物和产物均为气态的反应。气相反应的特点是反应速率较快,反应物和产物的扩散功能较好。气相反应在化工过程中较为常见,如燃烧、氧化等过程。5.2.2液相反应液相反应是指反应物和产物均为液态的反应。液相反应的特点是反应物和产物的混合功能较好,反应速率相对较慢。液相反应在制药、环保等领域具有重要意义。5.2.3固相反应固相反应是指反应物和产物均为固态的反应。固相反应的特点是反应速率较慢,反应物和产物的扩散功能较差。固相反应在材料制备、电池等领域有广泛应用。5.3非均相反应非均相反应是指反应物和产物存在于不同相中的反应。非均相反应主要包括气液反应、气固反应、液固反应等。非均相反应的特点是反应速率较慢,反应物和产物的扩散功能较差。5.3.1气液反应气液反应是指气态反应物与液态反应物之间的反应。气液反应在化工过程中较为常见,如吸收、氧化等过程。气液反应器的设计与操作是化学反应工程研究的重要内容。5.3.2气固反应气固反应是指气态反应物与固态反应物之间的反应。气固反应在燃烧、催化等领域具有重要意义。气固反应器的设计与操作需要考虑反应物和产物的扩散、热量传递等因素。5.3.3液固反应液固反应是指液态反应物与固态反应物之间的反应。液固反应在材料制备、环保等领域有广泛应用。液固反应器的设计与操作需要考虑反应物和产物的扩散、热量传递等因素。通过对均相反应和非均相反应的研究,化学反应工程为化工过程的设计与优化提供了理论依据和技术支持。在实际应用中,化学反应工程师需要根据具体反应过程的特点,合理选择反应器类型、操作条件等,以实现高效、稳定的化学反应过程。第六章催化剂工程6.1催化剂概述催化剂是化学工程领域中具有重要地位的物质,其主要作用是改变化学反应的速率,降低反应活化能,从而提高反应效率。催化剂在石油化工、环保、医药、材料等领域具有广泛应用。根据催化剂的作用机理,可分为酸碱催化剂、金属催化剂、氧化物催化剂、络合物催化剂等。本章将重点介绍催化剂的基本概念、分类及其在化学工程中的应用。6.2催化剂的制备催化剂的制备是催化剂工程的核心环节,其制备方法直接影响催化剂的功能。以下介绍几种常见的催化剂制备方法:6.2.1沉淀法沉淀法是将催化剂前驱体溶液与沉淀剂混合,在一定条件下使催化剂沉淀出来,然后经过滤、洗涤、干燥等步骤得到催化剂。沉淀法操作简单,成本较低,但催化剂粒径分布较宽,活性组分分散性较差。6.2.2浸渍法浸渍法是将载体浸泡在活性组分溶液中,使活性组分吸附在载体表面,然后经过干燥、焙烧等步骤得到催化剂。浸渍法具有活性组分分布均匀、载体利用率高等优点,但制备过程中活性组分的负载量不易控制。6.2.3共沉淀法共沉淀法是将催化剂前驱体溶液与共沉淀剂混合,在一定条件下使催化剂共同沉淀出来,然后经过滤、洗涤、干燥等步骤得到催化剂。共沉淀法可以制备具有特定结构的催化剂,但操作复杂,成本较高。6.2.4溶胶凝胶法溶胶凝胶法是将催化剂前驱体溶液与凝胶剂混合,经过水解、缩合等反应形成凝胶,然后经过干燥、焙烧等步骤得到催化剂。溶胶凝胶法具有活性组分分布均匀、载体利用率高等优点,但制备过程中对反应条件要求较高。6.3催化剂的活性评价催化剂的活性评价是衡量催化剂功能的重要指标。活性评价主要包括实验室评价和工业评价两个方面。6.3.1实验室评价实验室评价是在实验室条件下对催化剂进行功能测试,主要包括以下几种方法:(1)微量反应器法:通过微型反应器对催化剂进行评价,具有操作简便、反应速度快等特点。(2)固定床反应器法:将催化剂装入固定床反应器,在一定条件下进行反应,通过分析产物组成评价催化剂功能。(3)流动床反应器法:将催化剂装入流动床反应器,在一定条件下进行反应,通过分析产物组成评价催化剂功能。6.3.2工业评价工业评价是在工业生产条件下对催化剂进行功能测试,主要包括以下几种方法:(1)工业试验:在实际生产过程中对催化剂进行评价,以验证其在工业生产中的适用性。(2)中试:在中等规模的生产装置中进行催化剂评价,为工业生产提供依据。(3)模拟试验:通过模拟实际生产条件对催化剂进行评价,以预测其在工业生产中的功能。第七章化学工艺流程设计7.1化学工艺流程设计原则化学工艺流程设计是化学工程与技术研究的重要环节,其设计原则对于保障生产过程的安全、高效和环保具有重要意义。以下为化学工艺流程设计的基本原则:(1)安全性原则:在工艺流程设计中,必须保证生产过程的安全性,包括设备、管道、控制系统等的设计与选型,均应满足国家相关安全标准和规范。(2)可靠性原则:工艺流程设计应具备较高的可靠性,保证生产过程的稳定运行,降低故障率和维修成本。(3)经济性原则:在满足生产需求的前提下,力求降低投资成本和运行成本,提高生产效率。(4)环保性原则:工艺流程设计应充分考虑环保要求,减少污染物排放,实现清洁生产。(5)可扩展性原则:工艺流程设计应具备一定的可扩展性,以便在市场需求变化或技术进步时,能够顺利进行调整和升级。7.2工艺流程图的绘制工艺流程图是化学工艺流程设计的重要文件,它以图形化的方式表达生产工艺的各个环节。以下是工艺流程图绘制的基本步骤:(1)明确设计目标:根据生产任务和需求,明确工艺流程设计的目标和任务。(2)收集相关资料:收集与工艺流程设计相关的技术资料、设备参数、工艺参数等。(3)绘制工艺流程框图:根据工艺流程设计原则,绘制工艺流程框图,包括原料处理、反应过程、产品分离等环节。(4)绘制工艺流程图:在工艺流程框图的基础上,绘制详细的工艺流程图,包括设备、管道、阀门、控制系统等。(5)编制工艺说明:对工艺流程图中的各个部分进行文字说明,包括设备选型、工艺参数、操作条件等。7.3工艺参数的确定工艺参数是化学工艺流程设计的关键要素,其确定对于保证生产过程的安全、稳定和高效。以下是工艺参数确定的基本方法:(1)理论计算:根据化学反应原理和物料平衡、能量平衡等基本原理,进行理论计算,确定工艺参数。(2)实验研究:通过实验研究,获取相关工艺参数,为工艺流程设计提供依据。(3)经验数据:借鉴国内外类似工艺的生产实践,收集经验数据,作为工艺参数确定的参考。(4)模拟优化:利用计算机模拟技术,对工艺流程进行优化,确定最佳的工艺参数。(5)生产验证:在生产过程中,对确定的工艺参数进行验证,并根据实际情况进行调整。第八章化学工程设计8.1化学工程设计概述化学工程设计是化学工程领域的重要组成部分,旨在将化学工艺转化为实际的生产过程。化学工程设计涉及多学科交叉融合,包括化学、物理、数学、材料科学、机械工程等。化学工程设计的目标是保证生产过程的安全、高效、环保和经济性。化学工程设计主要包括以下内容:(1)工艺流程设计:根据化学工艺原理,确定原料和产品的物性、反应条件、操作参数等,设计合理的工艺流程。(2)设备选型与设计:根据工艺流程和操作条件,选择合适的设备,进行设备结构设计和参数优化。(3)控制系统设计:保证生产过程稳定运行,实现自动化控制。(4)生产安全与环保设计:分析生产过程中可能存在的安全隐患和环保问题,采取相应的措施予以解决。(5)工厂布局与建设:合理规划工厂布局,提高生产效率,降低成本。8.2设计程序与内容化学工程设计程序主要包括以下几个阶段:(1)前期调研:收集相关资料,了解市场需求、原料来源、产品规格等。(2)工艺流程设计:确定工艺流程,绘制工艺流程图。(3)设备选型与设计:选择合适的设备,进行设备结构设计和参数优化。(4)控制系统设计:设计控制系统,实现自动化控制。(5)生产安全与环保设计:分析生产过程中的安全隐患和环保问题,制定解决方案。(6)工厂布局与建设:规划工厂布局,编制施工图。以下为化学工程设计的主要内容:(1)工艺流程设计:包括原料处理、化学反应、产品分离等过程。(2)设备选型与设计:包括反应釜、塔器、换热器、压缩机等设备。(3)控制系统设计:包括仪表选型、控制系统架构、编程等。(4)生产安全与环保设计:包括安全生产措施、环保设施、应急预案等。(5)工厂布局与建设:包括设备布局、管道布局、电气布局等。8.3设计规范与标准化学工程设计需要遵循一系列规范和标准,以保证设计质量。以下为部分设计规范与标准:(1)GB/T150—2017《化工设备设计规范》(2)GB50160—2018《化工企业设计卫生标准》(3)GB50288—2018《化工企业环境保护设计规范》(4)GB50316—2013《化工企业安全设施设计规范》(5)GB/T50483—2019《化工企业自动化系统设计规范》(6)GB/T50510—2010《化工企业建筑防火设计规范》在设计过程中,还需关注行业内的其他相关规范和标准,以保证设计符合国家和行业要求。同时设计人员应具备良好的职业素养和责任心,遵循设计原则,为化工行业的发展贡献力量。第九章化学工程实验技术9.1实验室安全与环保实验室安全与环保是化学工程实验技术中不可忽视的重要环节。实验室安全主要包括防火、防爆、防毒、防腐蚀等方面。在进行化学实验时,应严格遵守实验室安全规程,保证实验操作的安全性。实验室应建立健全的安全管理制度,明确实验人员职责,加强安全教育,提高实验人员的安全意识。同时实验室应配备完善的安全设施,如灭火器、洗眼器、紧急喷淋装置等,并定期进行检查和维护。实验室环保工作亦不容忽视。实验过程中应尽量减少废弃物的产生,对废弃物进行分类收集和处理,避免对环境造成污染。实验过程中应遵循绿色化学原则,使用环保型试剂,降低对环境的影响。9.2实验方法与设备实验方法是化学工程实验技术的核心内容。实验方法的选择应依据实验目的、实验条件和实验设备等因素进行。以下简要介绍几种常用的实验方法:(1)滴定法:通过滴定操作,确定溶液中某一组分的含量。根据滴定剂的不同,可分为酸碱滴定、氧化还原滴定、络合滴定等。(2)光谱法:利用光谱仪器对物质进行定性或定量分析。光谱法包括紫外可见光谱、红外光谱、原子吸收光谱等。(3)色谱法:将混合物中的各组分分离,并进行定性或定量分析。色谱法包括气相色谱、液相色谱、薄层色谱等。实验设备是进行化学实验的基础。以下简要介绍几种常用的实验设备:(1)滴定管:用于滴定操作的量器,有酸式滴定管和碱式滴定管两种。(2)光谱仪器:包括紫外可见光谱仪、红外光谱仪、原子吸收光谱仪等。(3)色谱仪器:包括气相色谱仪、液相色谱仪、薄层色谱仪等。9.3实验数据处理与分析实验数据处理与分析是化学工程实验技术的重要组成部分。实验数据处理主要包括以下几个方面:(1)数据整理:将实验数据按照一定的格式进行整理,便于后续分析。(2)数据校验:对实验数据进行校验,保证数据的准确性。(3)数据分析:采用统计学方法
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