化工基礎

1、2024/3/21,1,化 工 基 礎,,2,第一章 緒言,§1.1 化學工業(yè)概述,§1.2 化工生產過程概述,§1.3 化學工程學簡介,§1.4 化工數據,3,§1.1 化學工業(yè)概述,四、 化學工業(yè)的特點,一、 化學工業(yè)的重要性及其發(fā)展,二、 化學工業(yè)范疇及分類,三、 化學工業(yè)原料及選擇原則,五、 化工的發(fā)展與現狀,4,,,化學

2、工業(yè):,一、 化學工業(yè)的重要性及其發(fā)展,化學工業(yè)是將各種原材料通過不同條件下所進行的化學反應，使其性質或形態(tài)產生變化，定向加工成對國民經濟發(fā)展和人民生活水平改善有價值的化學產品的工業(yè)。,5,其重要性可歸納為：,（1）為農業(yè)提供化肥、農藥、塑料薄膜等農用生產資料；（2）為輕紡、建材、冶金、國防、軍工以及其他工業(yè)提供各種配套原材料；（3）為微電子、信息、生物、航天技術等高技術產業(yè)提供新型化工材料和新產品；（4）為人們的衣、食、住

3、、行提供各種化工產品。,,,一、 化學工業(yè)的重要性及其發(fā)展,,6,1、化學工業(yè)的分類：美國：,按照美國標準工業(yè)分類手冊（SIC）確定的分類法：,化學工業(yè)包括：生產基本化工產品的企業(yè) 以化學方法為主進行產品加工的企業(yè),中國：,化學工業(yè)包括：,二、 化學工業(yè)范疇及分類,分為25類或通用化學品及 精細化學品.,化學品:,基本化學工業(yè) 化肥工

4、業(yè) 石油化學工業(yè) 精細化學工業(yè) 其他化學工業(yè),7,2 主要化工行業(yè)及其相關產品,8,2.主要化工行業(yè)及其相關產品,9,三、化工原料及選擇原則,1.化學工業(yè)原料,,按來源劃分：,無機材料和有機材料,無機材料主要有：,空氣、水和化學礦物,有機材料主要有：,煤、石油、天然氣和生物質,10,2.選擇原則,在選擇原料路線和技術線路時應當全面地權衡

5、技術、經濟、社會和環(huán)保等方面的利弊。1.原料的品位、供應量2.經濟性3.原料資源的綜合利用,11,四、 化學工業(yè)的特點,,(1)、化學工業(yè)是獨特的,不可取代的工業(yè)部門；(2)、化工產品品種繁多,工藝復雜;(3)、化學工業(yè)是裝置型工業(yè),具有規(guī)模經濟性;(4)、化學工業(yè)是資金密集,技術密集的工業(yè)部門;(5)、化學工業(yè)是能源消耗的大戶; (6)、化學工業(yè)是易污染、重污染的工業(yè)部門,12,18世紀中硫酸生產;19世紀中

6、制堿;20世紀初合成氨;20世紀中石油工業(yè)20世紀后精細化工,五、化學工業(yè)的發(fā)展與現狀,（1）、化學工業(yè)的發(fā)展,化學工業(yè)是一個十分古老的工業(yè)，最早可追根溯源至公元前２０００年以前，最早的化學工藝為制陶、釀造、漂染、鞣革等行業(yè),13,（2）、我國的化學工業(yè),舊中國的化學工業(yè)基礎十分薄弱。從1876年在天津建立的一個2t/d鉛室法制硫酸廠開始，只有幾個沿海、沿江城市有化工企業(yè)。除少數工廠生產基本化工原料外，大多只有生產油漆、染料、橡膠

7、制品、醫(yī)藥制劑等加工產品。到1949年，國內化工產品僅100種左右，主要產品產量為：化肥0.6萬噸,硫酸11萬噸,燒堿1.5萬噸,純堿8.8萬噸.全部化工產值僅1.77億元,占全國工業(yè)總產值的1.6%,14,（3）、世界化學工業(yè) 自1746年英國出現第一座硫酸銅廠以來,現代世界化學工業(yè)經過過260多年的發(fā)展,已形成一個技術成熟、規(guī)模宏大和品種繁多的產業(yè)部門。從世界化學工業(yè)布局來看，世界化工生產、市場、技術和大型企業(yè)主要集中在

8、北美、日本、西歐和前蘇聯與東歐四個地區(qū)。20世紀90年代以來，亞洲特別是東南亞，化學工業(yè)異軍突起，發(fā)展勢頭引人注目。,15,1、 化工過程 2、 單元操作及其分類,,§1.2 化工生產過程概述,16,原料,,（1）預處理,化工過程：有目的的使原料經過一系列的化學或物理變化，以獲得產品的工業(yè)過程，也稱為化工生產，或化工生產過程。,,,（2） 反 應,（3）后處理,,產品,基本化工生產過程,1、 化工過程,17

9、,例如：,可見，一個化工過程往往包含幾個或幾十個加工過程。,苯的生產：原料油（甲苯、二甲苯）、H2→輸送→加熱→反應器→減壓蒸餾塔→精餾→苯（99.992~99.999%）,甲醇的生產：合成氣（CO，H2，CO2）→輸送→管式反應器→粗甲醇→冷卻→精餾→精甲醇（99.85~99.95%）,18,化工生產過程,,化學反應過程,物理處理過程,,化工生產的核心,,原料的預處理,產品的加工,（單元操作）,,19,（１）概念 單元操作：化工

10、生產中除化學反應單元以外的 所有物理性操作。,2、 單元操作及其分類,20,２)．單元操作的分類：,(1）按操作目的分：,流體輸送：,物料的混合：,氣體和液體的輸送,主要指通過攪拌達到物料混合或分散的目的,物料的加熱或冷卻：,利用物料和環(huán)境之間的溫度差輸入或輸出熱量,均相混合物的分離：,氣體吸收、液體蒸餾、萃取等,非均相混合物的分離：,過濾和沉降,21,（2）按單元操作遵循的基本規(guī)律分：,動量傳遞過程：,熱量傳遞過程：,遵循

11、流體力學基本規(guī)律的單元操作：流體輸送、沉降、過濾和離心分離等,遵循熱交換基本規(guī)律的單元操作：如傳熱、蒸發(fā)等,質量傳遞過程：,遵循通過擴散，從一相轉移到另一相的過程：吸收、吸附、蒸餾、萃取、離子交換、膜分離等,22,在20世紀前的幾百年時間里，出現了不少化學工業(yè)，如制糖工業(yè)、制堿工業(yè)、造紙工業(yè)等。介紹每一種工業(yè)從原料到成品的生產過程，作為一種特殊的知識講解，這是最早的化學工程學。,化學工藝階段,1、 化學工程學的發(fā)展階段,§

12、;1.3 化學工程學簡介,23,單元操作階段,20世紀初，人們逐漸發(fā)現，許多門化學工業(yè)中存在共同的操作原理。例如，無論是制糖業(yè)還是制堿業(yè)，從溶液蒸發(fā)得到固體糖和固體堿的原理是相同的，于是，蒸發(fā)成為最早提出的單元操作之一。,24,到20世紀50年代，人們又發(fā)現，各單元操作之間還存在著共性。例如，傳熱和蒸發(fā)都是熱量傳遞的形式，蒸餾、吸附、吸收、萃取都是質量傳遞的形式。于是，把單元操作歸納為動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞。,傳遞過程階段,返回

13、,25,“三傳一反”階段,20世紀50年代中期，化學工程中出現了“化學反應工程學”這一新的分支。對化學反應器的研究，不僅要運用化學動力學和熱力學原理，而且要運用動量、熱量和質量傳遞原理。于是 “傳遞過程” 與 “反應工程” 成為當今化學工程學的兩大支柱。簡稱 “三傳一反” 階段。,返回,26,2.化學工程學的研究方法,主要研究方法有：經驗歸納法和演繹的模型法,27,3.化學工程學的幾個基本概念,在從事化學工程研究、進行化工過程開發(fā)及

14、設備的設計、操作時，經常運用下面基本概念: 1、物料衡算 2、能量衡算 3、平衡關系 4、過程速率,28,1)、物料衡算：,物料衡算也稱為質量衡算，其依據是質量守恒定律。它反映一個過程中原料、產物、副產物等之間的關系，即進入的物料量必等于排出的物料量和過程中的積累量。,輸入物料的總量 ＝ 排出物料的總量＋過程積累的總量,29,物料衡算示意圖,物料衡算式： ∑M入 ＝ ∑M出 ＋ M,連續(xù)穩(wěn)定流動：∑M入 ＝

15、 ∑M出,30,熱量衡算示意圖,熱量衡算式： ∑Q入 ＝ ∑Q出 ＋ Q,穩(wěn)定的連續(xù)性操作：∑Q入 ＝ ∑Q出,2)、熱量衡算：,熱量衡算的依據是能量守恒定律。,31,,,,4、化工基礎在化學領域的地位,32,1.4 化工數據,單位制與單位換算,33,1）、 單位制：,英國：,英制單位：,質量：,“磅”,1 b ＝ 0.4536 kg,長度：,“英尺”,1 ft ＝ 0.3048 m,中國：,附表1-4-1 我國幾種舊單位制的基

16、本量和基本單位,單位制,基本量,單位制與單位換算,34,國際單位制：,在1960年10月的第11屆國際計量大會上通過了一種新的單位制度，稱為國際單位制度，代號為 “SI”，也稱為 SI單位制。SI 單位制是目前國際上最先進的一種單位制，被許多國家廣泛使用。我國的法定計量單位也是以 SI單位制為基礎的。,35,國際單位制的構成：,國際單位制 （SI）,,SI 單位,SI 單位的十進倍數和分數單位,,SI 基本單位,SI 導出單位,SI 詞

17、頭,SI 輔助單位,36,表1-4-2 SI 基本單位和輔助單位,37,表1-4-3 化工中常用的SI 導出單位舉例,38,續(xù)表1-4-3 化工中常用的SI 導出單位,,39,表1-4-4 SI 詞頭,,40,SI 單位的十進倍數和分數單位：,把 SI 詞頭加在 SI單位前就構成了 SI單位的十進倍數和分數單位。,如，壓強單位 MPa，力的單位 kN。,原則：,詞頭不可重疊使用,,n m (納米)：10-9m,41,計量單位和 SI

18、 詞頭使用方法要點：,由 SI 基本單位相除構成的單位，若分母中有兩個以上的單位符號時，要給分母加上圓括號，避免混淆。,如，傳熱系數單位： W/(m2·K),42,計量單位和 SI 詞頭使用方法要點：,2. 由 SI 基本單位通過乘或除構成的組合單位，在使用 SI 詞頭時，詞頭應加在整個單位之前，分母一般不用詞頭。,如，摩爾內能單位： kJ/mol,而不用 J /(m·mol),43,第二章 流體流動過程,

19、,44,3.1 流體的基本性質,什么是流體？有哪些特征？,45,流體的特征,1．易流動性,當流體受到外部切向力作用時，易于變形而產生流動。,2．可壓縮性,流體在外部溫度和壓力作用下，流體分子間的距離會發(fā)生一定的改變，表現為流體密度大小的變化。,工程上：,,密度為常數,46,1．流體的密度,流體的密度—單位體積流體的質量。用? 表示，屬于物性。,影響因素：流體種類、濃度、溫度、壓力,47,流體的密度,液體混合物：,氣體：,-------

20、---理想氣體狀態(tài)方程,Mm = M1y1+ M2y2 + … + Mnyn,氣體混合物：,48,2. 比體積,單位質量流體具有的體積，稱為流體的比體積與流體密度互為倒數 ν=1/ρ,49,3．流體的壓強及其表示方法,流體的壓強—流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的壓強，簡稱壓強。用p表示，工程上習慣稱之為壓力。,1）壓力單位,SI 制中， N/m2 = Pa，稱為帕斯卡,2）壓力大

21、小的兩種表征方法,,絕對壓力,表壓,,,1atm（標準大氣壓）=1.033at（工程大氣壓） =1.013?105Pa =760mmHg=10.33mH2O,50,絕對壓強以絕對零壓作起點計算的壓強，是 流體的真實強。 表壓強壓強表上的讀數，表示被測流體的絕對壓強比大氣壓強高出的數值，即: 　 表壓強＝絕對壓強－大氣壓強,5

22、1,真空度 真空表上的讀數，表示被測流體的絕對壓強低于大氣壓強的數值，即:　　　真空度＝大氣壓強－絕對壓強,52,4. 流體的流量和流速,流量,流量,,體積流量,m3/s,質量流量,kg/s,qm ＝ ? qV,,摩爾流量,qm ＝ M qn,53,2．流速,流速,,體積流速,質量流速,平均流速,……,m/s,kg/(m2?s),W ＝ ? u,,qm ＝W A ＝? u A,,54,流體的粘性和內摩擦力　　 流體的粘

23、性 流體在運動的狀態(tài)下,有一種抗拒內在的向前運動的特性。 流體的內摩擦力 運動著的流體內部相鄰兩流體層間的相互作用力。是流體粘性的表現, 又稱為粘滯力或粘性摩擦力。 由于粘性存在，流體在管內流動時，管內任一截面上各點的速度并不相同,如圖所示。,5、 流體的粘性與牛頓粘性定律,55,各層速度不同,速度快的流體層對與之相鄰的速度較 慢的流體層發(fā)生了一個推動其向運動方向前進的力，而同時速度慢的流體層對速度 快的流體

24、層也作用著一個大 小相等、方向相反的力，即 流體的內摩力。,流體在圓管內分層流動示意圖,56,牛頓粘性定律,,流體流動時的內摩擦力大小與哪些因素有關,平板間液體速度分布圖,1）表達式 實驗證明,對于一定的液體,內摩擦力F與兩流體層的速度差Δu成正比；與兩層之間的垂直距離Δy成反比,與兩層間的接觸面積S（F與S平行）成正比，即:,,57,單位面積上的內摩擦力稱為內摩擦應力或剪應力，以τ表示，于是上式可寫成:,此式只

25、適用于u與y成直線關系的場合。,μ── 比例系數，其值隨流體的不同而異，流體的粘性愈大，其值愈大，所以稱為粘滯系數或動力粘度,簡稱為粘度。,58,當流體在管內流動時，徑向速度的變化并不是直線關系，而是的曲線關系。則式應改寫成： 　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　 式中 ── 速度梯度，即在與流動方向相垂直的y方向上流體速度的變化率；,以上兩式均稱為牛頓粘性定律。,59,牛頓粘性定律說明流體在

26、流動過程中流體層間所產生的剪應力與法向速度梯度成正比，與壓力無關。 流體的這一規(guī)律與固體表面的摩擦力規(guī)律不同。,2）物理意義,60,流體的粘度　 （a）定義式 　　 粘度的物理意義是促使流體流動產生單位速度梯度的剪應力。粘度總是與速度梯相聯系,只有在運動時才顯現出來?！　。╞）單位 　在SI中, 粘度的為單位:,,61,在物理單位制中,粘度的單位為:泊,不同單位之間的換算關系為: 　　

27、1Pa·s=10P=1000cP,當流體的粘度較小時，單位常用cP（厘泊）表示。,（b）單位,1Pa·s=10P,62,(c) 影響因素 　液體：μ＝f（t），與壓強p無關，溫度t↑， μ ↓。水（20℃）， μ ＝1.005cP；油的粘度可達幾十、到幾百Cp。理想流體（實際不存在） ，流體無粘性μ＝0,63,（d）數據獲取 粘度是流體物理性質之一,其值由實驗測定； 某些常用流體的

28、粘度,可以從本教材附錄或有關手冊中查得。,64,牛頓型流體與非牛頓型流體,根據流變特性，流體分為牛頓型與非牛頓型兩類。牛頓型流體 服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體。其流變方程式為 （3-14） 非牛頓型流體 凡不遵循牛頓粘性定律的流體，稱為非牛頓型流體。如牙膏。