化學(xué)工程基礎(chǔ)

1、化學(xué)工程基礎(chǔ)化學(xué)工程基礎(chǔ)Fundamentals of Chemical EngineeringE-mail: dfzhang2022-4-252規(guī)規(guī) 則：則：l 遵守課堂紀(jì)律遵守課堂紀(jì)律l 獨(dú)立思考獨(dú)立思考l 按時完成作業(yè)按時完成作業(yè)考核方式：考核方式：平時作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、課堂表現(xiàn)平時作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、課堂表現(xiàn) 30期末考試期末考試 （閉卷）（閉卷） 70 l學(xué)時：學(xué)時：40 + 12l教材內(nèi)容講解：教材內(nèi)容講解：2 11周周l實(shí)驗(yàn)部分：平時空閑（周末等），實(shí)驗(yàn)部分：平時空閑（周末等），2個個l考試：考試：17周（暫定）周（暫定）2022-4-253課程進(jìn)度安排：課程進(jìn)度安排：2022-4-254參考

2、書參考書 化工原理化工原理. . 姚玉英主編姚玉英主編. . 天津科學(xué)技術(shù)出版社天津科學(xué)技術(shù)出版社 化學(xué)工程基礎(chǔ)化學(xué)工程基礎(chǔ). . 武漢大學(xué)主編武漢大學(xué)主編. . 高等教育出版社高等教育出版社 化學(xué)工程基礎(chǔ)化學(xué)工程基礎(chǔ). . 林愛光編林愛光編. . 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 化學(xué)工程基礎(chǔ)化學(xué)工程基礎(chǔ). . 李德華編李德華編. . 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 化學(xué)工程基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指引和習(xí)題解答化學(xué)工程基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指引和習(xí)題解答. . 林愛光編林愛光編. . 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 化學(xué)工程基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指導(dǎo)化學(xué)工程基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指導(dǎo). . 楊國泰等編楊國泰等編. . 化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè)出版社出版社2022

3、-4-255主講章節(jié)主講章節(jié)l 第一章第一章 化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程l 第二章第二章 流體流動與輸送流體流動與輸送l 第三章第三章 傳熱過程傳熱過程l 第四章第四章 傳質(zhì)分離基礎(chǔ)傳質(zhì)分離基礎(chǔ)l 第五章第五章 吸收吸收l 第六章第六章 精餾精餾第一章第一章 化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程 1.11.1 化學(xué)工業(yè)概述化學(xué)工業(yè)概述 1.21.2 化學(xué)工程學(xué)化學(xué)工程學(xué) 1.31.3 物料衡算與能量衡算物料衡算與能量衡算2022-4-2571.1 化學(xué)工業(yè)概述化學(xué)工業(yè)概述化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)工業(yè)，是工業(yè)經(jīng)濟(jì)化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)工業(yè)，是工業(yè)經(jīng)濟(jì)中最具活力，有待開發(fā)且競爭

4、力極強(qiáng)的一個部門。中最具活力，有待開發(fā)且競爭力極強(qiáng)的一個部門。1-1 化學(xué)工業(yè)的重要性化學(xué)工業(yè)的重要性2022-4-258為農(nóng)業(yè)提供化肥、農(nóng)藥等農(nóng)用生產(chǎn)資料；為農(nóng)業(yè)提供化肥、農(nóng)藥等農(nóng)用生產(chǎn)資料；為輕紡、建材、冶金、國防、軍工及其他行為輕紡、建材、冶金、國防、軍工及其他行業(yè)提供各種配套原材料；業(yè)提供各種配套原材料；為微電子、信息、生物工程等高科技產(chǎn)業(yè)提為微電子、信息、生物工程等高科技產(chǎn)業(yè)提供新型化工材料和新產(chǎn)品；供新型化工材料和新產(chǎn)品；為人們的衣、食、住、行提供各種化工產(chǎn)品；為人們的衣、食、住、行提供各種化工產(chǎn)品；觸及現(xiàn)代生活的各個角落：觸及現(xiàn)代生活的各個角落：2022-4-259開源節(jié)流開源節(jié)

5、流2022-4-2510昨天昨天（始于（始于18 世紀(jì)工業(yè)革命）世紀(jì)工業(yè)革命）無機(jī)化無機(jī)化學(xué)工業(yè)學(xué)工業(yè)1746 年年 英國人羅巴克英國人羅巴克 鉛室法制硫酸鉛室法制硫酸1791 年年 法國人路布蘭法國人路布蘭 制堿制堿1861 年年 比利時人索爾維比利時人索爾維 氨堿法氨堿法1905 年年 德國人哈伯德國人哈伯 合成氨合成氨1941 年年 中國人中國人侯德榜侯德榜 聯(lián)堿法聯(lián)堿法有機(jī)化有機(jī)化學(xué)工業(yè)學(xué)工業(yè)1826 年年 從氰酸銨合成尿素從氰酸銨合成尿素19 C 中葉、中葉、20 C 初利用煤、農(nóng)副產(chǎn)品初利用煤、農(nóng)副產(chǎn)品20 C 30 年代開始石油、天然氣的開發(fā)年代開始石油、天然氣的開發(fā)1-2 化學(xué)

6、工業(yè)的發(fā)展化學(xué)工業(yè)的發(fā)展2022-4-2511l 今天今天（2011年我國）年我國） 產(chǎn)品名稱產(chǎn)品名稱 產(chǎn)量（萬噸）產(chǎn)量（萬噸） 世界排名世界排名 化肥化肥 7000 1 染料染料 76 1 農(nóng)藥農(nóng)藥 265 2 合成橡膠合成橡膠 380 1 乙烯乙烯 1850 2三廢三廢占排放總量份額占排放總量份額排名排名廢渣廢渣8-108-109 9廢水廢水20-3020-302 2 廢氣廢氣5-75-73 32022-4-2512l 明天明天（發(fā)展趨勢）（發(fā)展趨勢）以以信息技術(shù)信息技術(shù)為先導(dǎo)為先導(dǎo)以以新材料技術(shù)新材料技術(shù)為基礎(chǔ)為基礎(chǔ)以以新能源技術(shù)新能源技術(shù)為支柱為支柱微觀尺度向微觀尺度向生物技術(shù)生物技術(shù)

7、開拓開拓宏觀尺度向宏觀尺度向空間空間和和海洋海洋擴(kuò)展擴(kuò)展化學(xué)工業(yè)不再局限于傳統(tǒng)的化工領(lǐng)域，與這化學(xué)工業(yè)不再局限于傳統(tǒng)的化工領(lǐng)域，與這六大技術(shù)滲透結(jié)合。六大技術(shù)滲透結(jié)合。2022-4-2513材料工程材料工程 高分子功能材料、陶瓷、納米材料、富勒碳高分子功能材料、陶瓷、納米材料、富勒碳能源化工能源化工 發(fā)展煤化工（潔凈煤技術(shù)發(fā)展煤化工（潔凈煤技術(shù)）環(huán)境化工環(huán)境化工 CO2 化學(xué)化學(xué) 環(huán)境工程環(huán)境工程 清潔生產(chǎn)清潔生產(chǎn) OHCaClEOOHCaOHClCHCHHClOHClCHCHClOHHC2222222224222)(2 EOOHC 2425 .0直接氧化法直接氧化法:氯乙氯乙醇法醇法l 發(fā)展

8、趨勢發(fā)展趨勢環(huán)環(huán)氧氧乙乙烷烷2022-4-2514生物工程生物工程生物學(xué)生物學(xué)化學(xué)化學(xué)工程學(xué)工程學(xué)生物技術(shù)生物技術(shù)生化生化工程工程化學(xué)工程化學(xué)工程生物化學(xué)生物化學(xué)e.g. 將淀粉酶基因克隆到酵母菌中發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，將淀粉酶基因克隆到酵母菌中發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，時間縮短了時間縮短了十分之九十分之九，能量消耗減少了，能量消耗減少了60。2022-4-25151-3 化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)l 與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān)與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān) 世界面臨著三大挑戰(zhàn)：世界面臨著三大挑戰(zhàn)：人口增長、環(huán)境污染和能源人口增長、環(huán)境污染和能源短缺。短缺。l 原料路線、工藝路線和產(chǎn)品品種的多樣性原料路線、工藝路線

9、和產(chǎn)品品種的多樣性l 化學(xué)工業(yè)屬于技術(shù)密集型和能源密集型產(chǎn)化學(xué)工業(yè)屬于技術(shù)密集型和能源密集型產(chǎn)業(yè)業(yè)322.NHHNgecat 提倡采用新工藝、新設(shè)備，提高物料的綜合提倡采用新工藝、新設(shè)備，提高物料的綜合利用，降低能耗。利用，降低能耗。2022-4-25161-4 化學(xué)工業(yè)的分類化學(xué)工業(yè)的分類美國美國： 按照美國標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)分類手冊（按照美國標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)分類手冊（SIC）確定的分確定的分類法，化學(xué)工業(yè)包括：類法，化學(xué)工業(yè)包括：生產(chǎn)基本化工產(chǎn)品的企業(yè)生產(chǎn)基本化工產(chǎn)品的企業(yè)以化學(xué)方法為主進(jìn)行產(chǎn)品加工的企業(yè)以化學(xué)方法為主進(jìn)行產(chǎn)品加工的企業(yè)中國中國：基本化學(xué)工業(yè)基本化學(xué)工業(yè)化肥工業(yè)化肥工業(yè)石油化學(xué)工業(yè)石油化學(xué)工

10、業(yè)其他化學(xué)工業(yè)其他化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè)包括：包括：2022-4-25171-5 化工生產(chǎn)工藝及流程化工生產(chǎn)工藝及流程化工生產(chǎn)過程：化工生產(chǎn)過程：有目的的使原料經(jīng)過一系列的化學(xué)或物理變化，以獲得有目的的使原料經(jīng)過一系列的化學(xué)或物理變化，以獲得產(chǎn)品的工業(yè)過程，也稱為化工生產(chǎn)，或化工生產(chǎn)過程。產(chǎn)品的工業(yè)過程，也稱為化工生產(chǎn)，或化工生產(chǎn)過程。原料原料（1）預(yù)處理預(yù)處理 （2） 反反 應(yīng)應(yīng) （3）后處理后處理產(chǎn)品產(chǎn)品基本化工生產(chǎn)過程基本化工生產(chǎn)過程2022-4-2518例如例如: :可見，一個化工過程往往包含幾個或幾十個加工過程?？梢?，一個化工過程往往包含幾個或幾十個加工過程。合成氣（合成氣（CO，

11、H2，CO2）輸送輸送管式反應(yīng)器管式反應(yīng)器粗甲醇粗甲醇冷卻冷卻精餾精餾精甲醇（精甲醇（99.8599.95%）甲醇的生產(chǎn)：甲醇的生產(chǎn)：原料油（甲苯、二甲苯）、原料油（甲苯、二甲苯）、H H2 2輸送輸送加熱加熱反應(yīng)器反應(yīng)器減壓減壓蒸餾塔蒸餾塔精餾精餾苯（苯（99.99299.99299.999%）苯的生產(chǎn)：苯的生產(chǎn)：2022-4-2519化工生產(chǎn)過程化工生產(chǎn)過程化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)過程物理處理過程物理處理過程化工生產(chǎn)的核心化工生產(chǎn)的核心 原料的預(yù)處理原料的預(yù)處理 產(chǎn)品的加工產(chǎn)品的加工（單元操作）（單元操作）2022-4-2520單元操作：單元操作：化工生產(chǎn)中除化學(xué)反應(yīng)單元以外的所有化工生產(chǎn)中除

12、化學(xué)反應(yīng)單元以外的所有物理性操作物理性操作。 固體和流體物料輸送固體和流體物料輸送 物料的加熱和冷卻物料的加熱和冷卻 非均相混合物料的分離非均相混合物料的分離 液體混合物料的蒸發(fā)、蒸餾和萃取液體混合物料的蒸發(fā)、蒸餾和萃取 氣體物料的吸收氣體物料的吸收 物料的干燥和冷卻物料的干燥和冷卻單元操作的結(jié)果只改變物料的物理性質(zhì)單元操作的結(jié)果只改變物料的物理性質(zhì)化工生產(chǎn)過程就是由若干單元操作和反應(yīng)過程按一定順化工生產(chǎn)過程就是由若干單元操作和反應(yīng)過程按一定順序組合而成序組合而成2022-4-2521流程圖流程圖描述從描述從物料物料開始，經(jīng)過一系列按一定順序并相互開始，經(jīng)過一系列按一定順序并相互銜接的銜接的單

13、元操作單元操作和和反應(yīng)過程反應(yīng)過程，生產(chǎn)合格，生產(chǎn)合格產(chǎn)品產(chǎn)品的生的生產(chǎn)工藝過程稱為產(chǎn)工藝過程稱為化工工藝流程化工工藝流程。用圖表示的化工。用圖表示的化工工藝流程稱為化工工藝流程圖。工藝流程稱為化工工藝流程圖。工藝流程框圖工藝流程框圖、裝置流程圖裝置流程圖、管線圖管線圖、帶控制點(diǎn)的流程圖帶控制點(diǎn)的流程圖等。等。類型有：類型有：2022-4-2522尿素生產(chǎn)工藝流程框圖尿素生產(chǎn)工藝流程框圖2022-4-2523尿素生產(chǎn)流程簡圖尿素生產(chǎn)流程簡圖2022-4-2524乙烯乙烯苯苯V101苯乙烯氣相烷基化生產(chǎn)流程簡圖苯乙烯氣相烷基化生產(chǎn)流程簡圖P101R101T101T102V103E101E103E

14、104產(chǎn)品產(chǎn)品副產(chǎn)物副產(chǎn)物V101E102V102填料填料催化劑催化劑塔板塔板2022-4-2525e.g. a. 攪拌攪拌 化學(xué)實(shí)驗(yàn)與化工生產(chǎn)過程比較化學(xué)實(shí)驗(yàn)與化工生產(chǎn)過程比較b. 放大效應(yīng)放大效應(yīng)c. 加料加料D 10 DV（容積）（容積）? S（傳熱器壁面積）（傳熱器壁面積）?1-5 實(shí)驗(yàn)室研究與化工過程開發(fā)實(shí)驗(yàn)室研究與化工過程開發(fā)2022-4-2526項(xiàng)目項(xiàng)目化學(xué)實(shí)驗(yàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)化工生產(chǎn)化工生產(chǎn) 原料原料數(shù)量少、純度高、配比嚴(yán)格、數(shù)量少、純度高、配比嚴(yán)格、易儲存、無需預(yù)處理易儲存、無需預(yù)處理量大，因來源不同、價格不一、純量大，因來源不同、價格不一、純度不同，故使用前需預(yù)處理度不同，故使用前

15、需預(yù)處理 工藝工藝操作簡單、變更容易、可以精操作簡單、變更容易、可以精密控制反應(yīng)條件，無物料返回密控制反應(yīng)條件，無物料返回利用問題利用問題操作復(fù)雜，不易隨意變更，單元操操作復(fù)雜，不易隨意變更，單元操作控制難度大，雜質(zhì)易積累，中間作控制難度大，雜質(zhì)易積累，中間檢測多檢測多 設(shè)備設(shè)備以玻璃器皿為主，防腐，易清以玻璃器皿為主，防腐，易清洗洗要求設(shè)備強(qiáng)度高、耐腐蝕，結(jié)構(gòu)復(fù)要求設(shè)備強(qiáng)度高、耐腐蝕，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，清洗、操作難雜，清洗、操作難 產(chǎn)品產(chǎn)品量少，易采集，通常無需分離量少，易采集，通常無需分離量大，需專門的分離與精制過程量大，需專門的分離與精制過程公用工程公用工程 簡單易行，無需專門設(shè)施簡單易行，無需

16、專門設(shè)施需供水、供氣、供電、動力等設(shè)施需供水、供氣、供電、動力等設(shè)施環(huán)境保護(hù)環(huán)境保護(hù) 三廢排放量少，易于處理，無三廢排放量少，易于處理，無需專用設(shè)施需專用設(shè)施三廢排放量大，必須通過專用設(shè)施三廢排放量大，必須通過專用設(shè)施予以治理予以治理2022-4-25272022-4-2528舉例說明：舉例說明：萘萘鄰苯二甲酸酐鄰苯二甲酸酐 + Q催化劑催化劑氧化氧化實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室化工生產(chǎn)化工生產(chǎn)催化劑升催化劑升溫活化溫活化電加熱電加熱空氣預(yù)熱至活化溫度，空氣預(yù)熱至活化溫度，通入少量反應(yīng)物通入少量反應(yīng)物量量催催萘萘反應(yīng)溫反應(yīng)溫度控制度控制外加熱外加熱冷卻冷卻即：即：1.量上量上少少多多2.傳質(zhì)、傳熱及材質(zhì)上的差

17、別傳質(zhì)、傳熱及材質(zhì)上的差別3.能源、動力及技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上的差別能源、動力及技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上的差別1 - 20 g0.04 - 0.8 gh-110 - 30 噸噸400 - 1200 kgh-12022-4-2529萘萘O鄰苯二甲酸酐鄰苯二甲酸酐 + Q533.53 10Vm621.06 10Sm71.52 10QW反62.78 10QW移335.34Vm22.36Sm0.157QW反0.0296QW移2022-4-2530l 從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)生產(chǎn)從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室成果能否進(jìn)行工業(yè)化的四個要求實(shí)驗(yàn)室成果能否進(jìn)行工業(yè)化的四個要求: :對環(huán)境無危害對環(huán)境無危害 技術(shù)上可靠技術(shù)上可靠 經(jīng)濟(jì)上可

18、行經(jīng)濟(jì)上可行生產(chǎn)上安全生產(chǎn)上安全第一章第一章 化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程 1.11.1 化學(xué)工業(yè)概述化學(xué)工業(yè)概述 1.21.2 化學(xué)工程學(xué)化學(xué)工程學(xué) 1.31.3 物料衡算與能量衡算物料衡算與能量衡算2022-4-2532l 1887 年，英國人年，英國人David. G. E . 在曼徹斯特工在曼徹斯特工學(xué)院做了一系列化學(xué)工程問題的講演；學(xué)院做了一系列化學(xué)工程問題的講演；l 1888 年，美國麻省理工學(xué)院，世界上第一次年，美國麻省理工學(xué)院，世界上第一次講授講授“化學(xué)工程化學(xué)工程”這門課程；這門課程；l 1915 年，利特爾年，利特爾Little. A. D. 提出了單元操作提出了單

19、元操作（Unit Operation）的概念；）的概念；l 1923 年，第一本化學(xué)工程教科書年，第一本化學(xué)工程教科書Principles of Chemical Engineering；1.2 化學(xué)工程學(xué)科化學(xué)工程學(xué)科2022-4-2533l 1957 年，正式提出了年，正式提出了“化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程”（Chemical Reaction Engineering）l 20 世紀(jì)世紀(jì) 60 年代后期，計(jì)算機(jī)用于化學(xué)工程以年代后期，計(jì)算機(jī)用于化學(xué)工程以解決最優(yōu)規(guī)劃，最優(yōu)設(shè)計(jì)解決最優(yōu)規(guī)劃，最優(yōu)設(shè)計(jì)“化工系統(tǒng)工程化工系統(tǒng)工程”l 1983 年在美國化學(xué)工程師學(xué)會（年在美國化學(xué)工程師學(xué)會（AIC

20、HE）第）第 75 周年年會上，把化學(xué)工程定義為周年年會上，把化學(xué)工程定義為“經(jīng)濟(jì)地開經(jīng)濟(jì)地開發(fā)利用物質(zhì)和能量的方法為人類造福的工學(xué)發(fā)利用物質(zhì)和能量的方法為人類造福的工學(xué)”。2022-4-2534化化工工生生產(chǎn)產(chǎn)寫實(shí)寫實(shí)19 世紀(jì)世紀(jì)90 年代年代化學(xué)工藝學(xué)化學(xué)工藝學(xué)或工業(yè)化學(xué)或工業(yè)化學(xué)單元操作單元操作（物理過程）（物理過程）抽象抽象1923 年年化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程單元過程單元過程（化學(xué)過程）（化學(xué)過程）化工系統(tǒng)工程化工系統(tǒng)工程傳遞過程傳遞過程1960 年年抽象抽象計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)20 世紀(jì)世紀(jì) 60 年代年代 2-1 2-1學(xué)科的發(fā)展學(xué)科的發(fā)展2022-4-25352-2 2-2 化學(xué)工程

21、學(xué)科的內(nèi)容化學(xué)工程學(xué)科的內(nèi)容 單元操作單元操作 固體和流體物料輸送、加熱和冷卻、蒸發(fā)、吸收、蒸餾、萃取、固體和流體物料輸送、加熱和冷卻、蒸發(fā)、吸收、蒸餾、萃取、干燥等基本操作的總稱。干燥等基本操作的總稱。 傳遞過程傳遞過程 “三傳三傳”： 動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞 化學(xué)反應(yīng)工程化學(xué)反應(yīng)工程 研究理想反應(yīng)器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的一些共同規(guī)律研究理想反應(yīng)器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的一些共同規(guī)律 化工熱力學(xué)化工熱力學(xué) 研究化工過程中各種形式能量之間的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律和過程趨于研究化工過程中各種形式能量之間的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律和過程趨于平衡的條件平衡的條件 化工系統(tǒng)工程化工系統(tǒng)工程 以化工系統(tǒng)為研究對象

22、，從整體目標(biāo)出發(fā)確定最優(yōu)決策以化工系統(tǒng)為研究對象，從整體目標(biāo)出發(fā)確定最優(yōu)決策2022-4-2536生產(chǎn)的原料路線生產(chǎn)的原料路線生產(chǎn)方法、技術(shù)生產(chǎn)方法、技術(shù)操作程序操作程序物料走向物料走向相關(guān)單元操作設(shè)備的組合相關(guān)單元操作設(shè)備的組合化學(xué)品具化學(xué)品具體生產(chǎn)過體生產(chǎn)過程或技術(shù)程或技術(shù)“化工原理化工原理“研究：研究：工業(yè)生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)的共同規(guī)律的共同規(guī)律指導(dǎo)：指導(dǎo)：生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)2022-4-2537二二. . 研究方法研究方法實(shí)驗(yàn)研究法實(shí)驗(yàn)研究法測試技術(shù)測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)規(guī)劃實(shí)驗(yàn)規(guī)劃數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型法過程分析過程分析數(shù)學(xué)描述數(shù)學(xué)描述第一章第一章 化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程化學(xué)工業(yè)與化

23、學(xué)工程 1.11.1 化學(xué)工業(yè)概述化學(xué)工業(yè)概述 1.21.2 化學(xué)工程學(xué)化學(xué)工程學(xué) 1.31.3 物料衡算與能量衡算物料衡算與能量衡算2022-4-25391.3 物料衡算和熱量衡物料衡算和熱量衡算算1. 1. 物料衡算：物料衡算：也稱質(zhì)量衡算，其依據(jù)是質(zhì)量守恒定律。也稱質(zhì)量衡算，其依據(jù)是質(zhì)量守恒定律。它反映一個過程中原料、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等之間的它反映一個過程中原料、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等之間的關(guān)系，即進(jìn)入的物料量必等于排出的物料量和過關(guān)系，即進(jìn)入的物料量必等于排出的物料量和過程中的積累量。程中的積累量。輸入物料的總量輸入物料的總量 排出物料的總量過程積累的總量排出物料的總量過程積累的總量2022-4-

24、2540積累積累 MM入入M出出系系 統(tǒng)統(tǒng)物料衡算示意圖物料衡算示意圖物料衡算式：物料衡算式： M入入 M出出 M連續(xù)穩(wěn)定流動：連續(xù)穩(wěn)定流動：M入入 M出出 進(jìn)行物料衡算時，必須明確下面幾點(diǎn)：進(jìn)行物料衡算時，必須明確下面幾點(diǎn)：1. 首先要確定衡算的系統(tǒng)，即衡算對象包首先要確定衡算的系統(tǒng)，即衡算對象包括的范圍。括的范圍。2. 其次要確定衡算的基準(zhǔn)。其次要確定衡算的基準(zhǔn)。3. 然后確定衡算的對象。然后確定衡算的對象。4. 最后還要確定衡算對象的物理量及單位。最后還要確定衡算對象的物理量及單位。精餾塔精餾塔原料液原料液含乙醇含乙醇510噸噸/時時乙醇產(chǎn)品乙醇產(chǎn)品含乙醇含乙醇95含乙醇含乙醇0.1 廢

25、水廢水例例1-1 每小時有每小時有10 噸噸 5 的乙醇水溶液進(jìn)入精餾塔，的乙醇水溶液進(jìn)入精餾塔，塔頂餾出的產(chǎn)品中含乙醇塔頂餾出的產(chǎn)品中含乙醇 95，塔底排出的廢水中含，塔底排出的廢水中含乙醇乙醇 0.1。求每小時可得產(chǎn)品多少噸？若廢水全部排。求每小時可得產(chǎn)品多少噸？若廢水全部排放，每年（按操作放，每年（按操作 7200小時計(jì)）損失的乙醇多少噸？小時計(jì)）損失的乙醇多少噸？解：解：已知：已知：原料液流量及其中乙醇含量原料液流量及其中乙醇含量產(chǎn)品和廢水中乙醇含量產(chǎn)品和廢水中乙醇含量 求：求：產(chǎn)品和廢水流量產(chǎn)品和廢水流量分析：分析：兩個未知量，需列出兩個物料衡兩個未知量，需列出兩個物料衡算方程求解！

26、算方程求解！包含精餾塔在內(nèi)的虛線框包含精餾塔在內(nèi)的虛線框a. 物流的流量物流的流量 b. 物流中乙醇的量物流中乙醇的量確定：確定：衡算范圍：衡算范圍：衡算對象衡算對象：衡算基準(zhǔn)：衡算基準(zhǔn)：單位時間：小時單位時間：小時設(shè)：產(chǎn)品流量為設(shè)：產(chǎn)品流量為 X 噸噸/時、廢水流量為時、廢水流量為 Y 噸噸/時。時。由物料衡算式：由物料衡算式：M入入 M出出對物流的量進(jìn)行衡算：對物流的量進(jìn)行衡算： 10 X + Y 對乙醇的量進(jìn)行衡算：對乙醇的量進(jìn)行衡算：10 5 X 95 + Y 0.1X 0.516 噸噸/時時 Y 9.484 噸噸/時時 每年損失乙醇：每年損失乙醇：9.484 0.1 7200 68.

27、28 噸噸/年年2022-4-25442. 2. 能量衡算能量衡算 （能量守恒定律）（能量守恒定律）依據(jù)：依據(jù)：能量守恒定律能量守恒定律目的：目的： 計(jì)算單位產(chǎn)品的能耗計(jì)算單位產(chǎn)品的能耗 了解過程中能量的利用和損失情況了解過程中能量的利用和損失情況 確定生產(chǎn)過程中需要輸入、輸出的熱量確定生產(chǎn)過程中需要輸入、輸出的熱量 設(shè)計(jì)換熱設(shè)備設(shè)計(jì)換熱設(shè)備2022-4-2545積累積累 QQ入入Q出出系系 統(tǒng)統(tǒng)能量衡算示意圖能量衡算示意圖無反應(yīng)熱效應(yīng)：無反應(yīng)熱效應(yīng)：系統(tǒng)累積能量系統(tǒng)累積能量 = = 輸入能量輸入能量輸出能量輸出能量伴隨反應(yīng)熱效應(yīng)：伴隨反應(yīng)熱效應(yīng)：系統(tǒng)累積能量系統(tǒng)累積能量 = = 輸入能量輸入

28、能量輸出能量輸出能量 + + 反應(yīng)放出（反應(yīng)放出（+ +）或吸收（）或吸收（- -）的能量）的能量2022-4-2546l 過程速率過程速率過程阻力過程推動力速率 溫差、濃度差溫差、濃度差能量衡算式：能量衡算式： Q入入 Q出出 Q積累積累穩(wěn)定的連續(xù)性操作：穩(wěn)定的連續(xù)性操作：Q入入 Q出出 化工熱力學(xué)上，常用化工熱力學(xué)上，常用 “焓焓”表示物料所處的熱狀態(tài)表示物料所處的熱狀態(tài)(wH)入入 (wH)出出 Qw ：物料的質(zhì)量或質(zhì)量流量；：物料的質(zhì)量或質(zhì)量流量；H ：焓：焓能量衡算基準(zhǔn)：能量衡算基準(zhǔn)：數(shù)量基準(zhǔn)、溫度基準(zhǔn)、相態(tài)基準(zhǔn)數(shù)量基準(zhǔn)、溫度基準(zhǔn)、相態(tài)基準(zhǔn)例例1-2 在一列管式熱交換器中用壓強(qiáng)為在一

29、列管式熱交換器中用壓強(qiáng)為 136 kPa 的飽和的飽和蒸汽加熱蒸汽加熱 298 K 的冷空氣，蒸汽的流量為的冷空氣，蒸汽的流量為 0.01 kg/s，空空氣的流量為氣的流量為 1 kg/s。冷凝水在飽和溫度冷凝水在飽和溫度 381 K下排出。下排出。若取空氣的平均比熱為若取空氣的平均比熱為 1.005 kJ/(kgK)，試計(jì)算空氣的試計(jì)算空氣的出口溫度（熱損失忽略不計(jì)）。出口溫度（熱損失忽略不計(jì)）。熱空氣熱空氣 T冷空氣冷空氣298 K1 kg/s加熱蒸汽加熱蒸汽 381K 冷凝水冷凝水熱交換器熱交換器381 K0.01 kg/s解：解：分析：分析：只有一個未知變量，只有一個未知變量，只需列一

30、個能量衡只需列一個能量衡算方程即可求解。算方程即可求解。關(guān)鍵問題是確定能關(guān)鍵問題是確定能量衡算的基準(zhǔn)！量衡算的基準(zhǔn)！能量衡算基準(zhǔn)：能量衡算基準(zhǔn)：數(shù)量基準(zhǔn)：數(shù)量基準(zhǔn)：溫度基準(zhǔn)溫度基準(zhǔn)：以單位時間內(nèi)物流量為基準(zhǔn)以單位時間內(nèi)物流量為基準(zhǔn)加熱蒸汽： 0.01 kg/s ； 冷空氣： 1 kg/s 以進(jìn)口冷空氣的溫度為基準(zhǔn)：以進(jìn)口冷空氣的溫度為基準(zhǔn)：298 K取H冷空氣 0w冷空氣冷空氣H冷空氣冷空氣w蒸汽蒸汽H蒸汽蒸汽 進(jìn)入系統(tǒng)熱量進(jìn)入系統(tǒng)熱量 離開系統(tǒng)熱量離開系統(tǒng)熱量整理得：w蒸汽蒸汽 ( H蒸汽蒸汽 H冷凝水冷凝水 ) w冷空氣冷空氣 ( H熱空氣熱空氣 H冷空氣冷空氣)由能量衡算式 得：(wH)

31、入入 (wH)出出 Q= w冷空氣冷空氣H熱空氣熱空氣w蒸汽蒸汽H冷凝水冷凝水查飽和水蒸汽表，得到查飽和水蒸汽表，得到 136 kPa、381K 條件下的條件下的物性數(shù)據(jù)：物性數(shù)據(jù)：H蒸汽蒸汽 2690 kJ/kg H冷凝水冷凝水 452.9 kJ/kg H冷空氣冷空氣 0 H熱空氣熱空氣 Cp t = Cp (T-298)0.01 ( 2690- 452.9 ) 1 1.005 (T-298) T = 320.3 K將數(shù)據(jù)代入上式得：將數(shù)據(jù)代入上式得：2022-4-2550 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：物性數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：物性數(shù)據(jù) 過程參數(shù)：控制生產(chǎn)過程的指標(biāo)過程參數(shù)：控制生產(chǎn)過程的指標(biāo) 無量綱量：由各種變量和

32、參數(shù)組成的數(shù)群無量綱量：由各種變量和參數(shù)組成的數(shù)群3. 單位制與單位換算單位制與單位換算國際單位制（國際單位制（SI）The International System of Units化工數(shù)據(jù)的分類化工數(shù)據(jù)的分類SI 單位單位SI 單位的十進(jìn)倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位單位的十進(jìn)倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位SI 基本單位基本單位SI 導(dǎo)出單位導(dǎo)出單位SI 詞頭詞頭SI 輔助單位輔助單位SI 基本單位和輔助單位基本單位和輔助單位量的名稱量的名稱單單 位位 名名 稱稱國際符號國際符號基基 本本單單位位長長 度度米metrem質(zhì)質(zhì) 量量千克 kilogramkg時時 間間秒seconds電電 流流安 培AmpereA熱力學(xué)溫度

33、熱力學(xué)溫度開 爾文KelvinK發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度坎 德拉CandelaCd物質(zhì)的量物質(zhì)的量摩 爾molemol輔輔助助單單位位平平 面面 角角弧 度radianrad立立 體體 角角球 面 角steradiansr化工中常用的化工中常用的SI 導(dǎo)出單位導(dǎo)出單位量的名稱量的名稱單單 位位 名名 稱稱單位符號單位符號用用SI 基本單位表示的單位基本單位表示的單位面面 積積平方米m2m2體體 積積立方米m3m3速速 度度米每秒m/sm/s密密 度度千克每立方米kg/m3kg/m3濃濃 度度摩爾每立方米mol/m3mol/m3力力牛頓Nkgm/s2壓強(qiáng)，應(yīng)力壓強(qiáng)，應(yīng)力帕 斯卡Pa (=N/m2)kg/

34、(ms2)化工中常用的化工中常用的SI 導(dǎo)出單位導(dǎo)出單位量的名稱量的名稱單單 位位 名名 稱稱單位符號單位符號用用SI 基本單位表示的單位基本單位表示的單位能，功，熱量能，功，熱量焦 耳J (=Nm)kgm2/s2功功 率率瓦 特W (=J/s)kgm2/s3粘粘 度度帕 斯卡秒Paskg/(ms)擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)平方米/秒m2/sm2/s熱容，熵?zé)崛?，熵?耳每開爾文J/Kkgm2/(s2K)導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)瓦 特每米開爾文W/(mK)kgm/(s3K)傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)瓦 特每平方米開爾文W/(m2K)kg/(s3K)SI 詞頭詞頭表示的因數(shù)表示的因數(shù)詞頭名稱詞頭名稱詞頭符號詞頭符號1018

35、艾 可薩E1015拍 它P1012太 拉T109吉 咖G106兆M103千k102百h101十da表示的因數(shù)表示的因數(shù)詞頭名稱詞頭名稱詞頭符號詞頭符號10-1分d10-2厘c10-3毫m10-6微 10-9納 諾n10-12皮 可P10-15飛 母托f10-18阿 托aSI 單位的十進(jìn)倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位：單位的十進(jìn)倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位：把把 SI 詞頭加在詞頭加在 SI單位前就構(gòu)成了單位前就構(gòu)成了 SI單單位的十進(jìn)倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位。位的十進(jìn)倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位。如，壓強(qiáng)單位如，壓強(qiáng)單位 MPa，力的單位力的單位 kN。原則：原則：詞頭不可重疊使用詞頭不可重疊使用m m (毫微米毫微米)nm (納米納米)：10-9 m單位換算：單位換算：例例 一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 (1 atm) 的壓力等于的壓力等于1.033 kgf/cm2 ，(kgf：千克力：千克力)，將其換算成，將其換算成 SI單位。單位。解：解：kgfNcm2m2換算關(guān)系：換算關(guān)系：1 千克力千克力 質(zhì)量為質(zhì)量為1千克的物體在北緯千克的物體在北緯45度海平面上所度海平面上所受的重力。該處的重力加速