化工基礎(chǔ)-第一章 緒論

化工(huàgōng)基礎(chǔ)Elementary

Chemical

Engineering陳玉琴精品資料2/4/20231第一章緒論(xùlùn)Introduction精品資料2/4/20232§1－1本課程的性質(zhì)與內(nèi)容(nèiróng)一、本課程的性質(zhì)化工基礎(chǔ)是是高師化學(xué)專(zhuān)業(yè)唯一的一門(mén)工程技術(shù)類(lèi)課程，這是一門(mén)緊密聯(lián)系化工生產(chǎn)實(shí)際的技術(shù)基礎(chǔ)課。是一門(mén)探討化工類(lèi)型生產(chǎn)過(guò)程的基本規(guī)律，并應(yīng)用這些規(guī)律來(lái)分析和解決化工類(lèi)型生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的學(xué)科。

精品資料2/4/20233該課程兼有“科學(xué)”與“技術(shù)”的特點(diǎn)，它綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，來(lái)分析和解決化工類(lèi)型生產(chǎn)過(guò)程中的各種問(wèn)題，在化學(xué)、化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)中，它承擔(dān)著工程科學(xué)與工程技術(shù)的雙重教育任務(wù)，所以它起到理論學(xué)科與應(yīng)用學(xué)科的搭橋作用。本課程強(qiáng)調(diào)(qiángdiào)工程觀點(diǎn)、定量運(yùn)算、實(shí)驗(yàn)技能及設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)(qiángdiào)理論聯(lián)系實(shí)際。工程觀點(diǎn)－－理論上的正確性、技術(shù)上的可行性、操作上的安全性、經(jīng)濟(jì)上的合理性。精品資料2/4/20234二、本課程的主要內(nèi)容（“三傳一反一工”）

本課程包括“化工原理（“三傳”）”、“化學(xué)反應(yīng)工程（基本反應(yīng)器）”及“化工工藝學(xué)”三大部分內(nèi)容。習(xí)慣上稱(chēng)為“三傳一反一工”。共八章的內(nèi)容。用化工手段將原料加工成產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程統(tǒng)稱(chēng)為化工生產(chǎn)過(guò)程?；瘜W(xué)工業(yè)是一個(gè)多行業(yè)多品種的生產(chǎn)部門(mén)(bùmén)，各種產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程和工藝方法可能千差萬(wàn)別，但是任何化工生產(chǎn)過(guò)程都可以分解和歸納為兩類(lèi)過(guò)程，即化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和物理處理過(guò)程，這也就是核心部分和輔助部分兩大部分。精品資料2/4/20235核心部分：化學(xué)反應(yīng)過(guò)程(guòchéng)及其設(shè)備（反應(yīng)器）是整個(gè)化工生產(chǎn)過(guò)程(guòchéng)的核心。前處理過(guò)程(guòchéng)：又稱(chēng)預(yù)處理過(guò)程(guòchéng)，在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)之前，對(duì)原料進(jìn)行各種預(yù)處理，以便為反應(yīng)過(guò)程(guòchéng)創(chuàng)造最適宜的工藝條件，如適宜的物料狀態(tài)、純度以及它應(yīng)具有的溫度、壓強(qiáng)等。后處理過(guò)程(guòchéng)：化學(xué)反應(yīng)后，對(duì)產(chǎn)物或中間產(chǎn)物需要進(jìn)行必要的后處理，以便獲得合格的最終產(chǎn)品或中間產(chǎn)物。~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~（核心部分）（輔助部分）精品資料2/4/20236

例如，高壓法生產(chǎn)(shēngchǎn)聚乙烯，上述過(guò)程可圖示如下：壓縮機(jī)加熱器聚合反應(yīng)器分離器粒化器

聚乙烯

乙烯回收乙烯

粒狀聚乙烯乙烯的壓縮與預(yù)熱為預(yù)處理過(guò)程；聚合反應(yīng)后，物料(wùliào)的分離與聚乙烯的?；?，則為產(chǎn)物的后處理過(guò)程。精品資料2/4/20237

前后處理工序中所進(jìn)行的過(guò)程多數(shù)(duōshù)是純物理過(guò)程。同樣，其它各種化工生產(chǎn)過(guò)程，除化學(xué)反應(yīng)外，其余操作步驟都可歸納為若干種基本的物理過(guò)程，如流體的輸送與壓縮、沉降、過(guò)濾、傳熱、蒸發(fā)、結(jié)晶、吸收、蒸餾、萃取、冷凍等。人們?cè)陂L(zhǎng)期從事化工生產(chǎn)實(shí)踐中，自然而然地把組成不同化工行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程所共有的基本的物理操作過(guò)程抽提出來(lái)，研究其各自?xún)?nèi)在的規(guī)律性，并在理論上加以總結(jié)和提高，再應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中去，這些基本的物理操作過(guò)程就稱(chēng)為單元操作。精品資料2/4/20238

（一）單元操作（UnitOperation）1、單元操作概念：不同化工行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所共有的基本的物理操作過(guò)程稱(chēng)為單元操作。任何(rènhé)一個(gè)化工生產(chǎn)過(guò)程都是由若干個(gè)單元操作經(jīng)過(guò)合理地組合，再與化學(xué)反應(yīng)串聯(lián)而成。所有單元操作的綜合就構(gòu)成了化學(xué)工程的基礎(chǔ)學(xué)科——化學(xué)工程原理，簡(jiǎn)稱(chēng)化工原理。精品資料2/4/202392、單元操作的特點(diǎn)：①單元操作都是純物理性操作，這些操作只改變物料的狀態(tài)或物理性質(zhì)，并不改變物料的化學(xué)性質(zhì)；②單元操作都是化工生產(chǎn)過(guò)程中共有的操作。單元操作廣泛的應(yīng)用于石油、化工、輕工、冶金、動(dòng)力及原子能等多種行業(yè)中。③某單元操作作用于不同的化工生產(chǎn)過(guò)程，其遵循的原理是相同的，進(jìn)行該操作的設(shè)備也是相似的、通用(tōngyòng)的。當(dāng)然，同一單元操作在不同的化工生產(chǎn)過(guò)程中有以上的共性，但也有其各自的特性，比如各自的工藝條件、操作指標(biāo)等，是完全不同的。就是同一單元操作，所用設(shè)備的形式、結(jié)構(gòu)也是各種各樣的?；ぴ碇皇怯懻撈涔残?。精品資料2/4/202310（二）本課程的主要內(nèi)容（“三傳一反一工”）1、化工原理部分內(nèi)容：（三傳）盡管各單元操作多種多樣，但就它們發(fā)生的過(guò)程和所遵循的物理規(guī)律的共性而言，可以將它們從物理本質(zhì)上歸納為三類(lèi)基本傳遞過(guò)程，即：動(dòng)量傳遞過(guò)程、熱量傳遞過(guò)程、質(zhì)量傳遞過(guò)程，簡(jiǎn)稱(chēng)“三傳”。（1）動(dòng)量傳遞過(guò)程：主要討論流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程的基本規(guī)律，即研究流體的流動(dòng)及流體和與之接觸的固體壁面間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的基本規(guī)律，以及(yǐjí)受這些規(guī)律支配的若干單元操作，如：流體的流動(dòng)與輸送、沉降、過(guò)濾等。1mainswf\001\1-33.swf精品資料2/4/202311（2）熱量傳遞過(guò)程：主要討論熱量傳遞過(guò)程的基本規(guī)律，以及受這些規(guī)律支配的若干單元操作，如：加熱、冷卻、蒸發(fā)等。2main.swf列管式換熱器（3）質(zhì)量傳遞過(guò)程：主要討論物質(zhì)通過(guò)相界面的遷移過(guò)程的基本規(guī)律，以及受這些規(guī)律支配的若干單元操作，如：液體的蒸餾、氣體的吸收、固體的干燥等。swf/003/3-06.swfswf/3main.swf板式塔2、化學(xué)反應(yīng)工程部分內(nèi)容：（一反）化學(xué)反應(yīng)工程是以化學(xué)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)以及“三傳”的原理為基礎(chǔ)，研究工業(yè)(gōngyè)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律，為反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大、選型及生產(chǎn)控制提供理論依據(jù)。精品資料2/4/202312化學(xué)反應(yīng)器是化工生產(chǎn)中用于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備，是整個(gè)(zhěnggè)生產(chǎn)過(guò)程的心臟。這一部分內(nèi)容討論的不深，參考書(shū)也很少，只是討論化學(xué)反應(yīng)工程的某些基本概念和基本反應(yīng)器的基本原理。精品資料2/4/2023133、化工工藝學(xué)部分內(nèi)容：（一工）化工工藝學(xué)是研究(yánjiū)如何利用天然原料或半成品通過(guò)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)和物理的方法加工成化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程的學(xué)科。它的任務(wù)是依據(jù)化學(xué)、物理化學(xué)、化學(xué)工程原理，尋求技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理的生產(chǎn)方法、工藝流程、最佳操作條件和適宜的設(shè)備構(gòu)型。

精品資料2/4/202314§1－2學(xué)習(xí)本課程(kèchéng)的目的課程的學(xué)習(xí)目的和要求是由專(zhuān)業(yè)的培訓(xùn)規(guī)格和目標(biāo)決定的，對(duì)于化學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生(xuésheng)，學(xué)習(xí)一定的化工基礎(chǔ)知識(shí)，其主要目的有以下幾個(gè)方面：

精品資料2/4/202315一、改善專(zhuān)業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)的需要作為化學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，學(xué)習(xí)一些“三傳”及反應(yīng)器的基本知識(shí)，了解幾個(gè)典型的化工工藝，對(duì)改善自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，拓寬知識(shí)面，無(wú)疑是有益(yǒuyì)的。二、科技發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要21世紀(jì)的中學(xué)教師必須是“全能型”或“完整型”的教師。即21世紀(jì)的中學(xué)教師既能教學(xué)，又會(huì)科研，還要懂生產(chǎn)的多面手，否則難以適應(yīng)科技發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要。因此，化學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生具備必要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)和一定的工業(yè)生產(chǎn)知識(shí)，就是必須的了。精品資料2/4/202316三、中等教育結(jié)構(gòu)改革的需要高等師范化學(xué)專(zhuān)業(yè)將會(huì)有更多的畢業(yè)生從事中等職業(yè)技術(shù)教育。為適應(yīng)這一新的需要，很有必要(bìyào)對(duì)化學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生和在職中學(xué)教師加強(qiáng)化工方面的教育，使他們不僅有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，較寬的知識(shí)視野，還要有一定的解決實(shí)際問(wèn)題的能力。四、對(duì)科研起到一定的指導(dǎo)作用學(xué)習(xí)本課程，將有助于指導(dǎo)化學(xué)科研工作。學(xué)習(xí)化工基礎(chǔ)，有助于改進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的裝置及組合，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的操作方式、方法和條件，或者對(duì)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化提供指導(dǎo)性建議，使科研取得更好的成果。精品資料2/4/202317§1－3單位(dānwèi)制和單位(dānwèi)換算化學(xué)工程和化學(xué)工藝中涉及多種物理量，任何一個(gè)物理量的大小都是用數(shù)字(shùzì)與單位聯(lián)合表達(dá)的，缺一不可。精品資料2/4/202318

§1－3－1單位制基本量：任何單位制的建立，都是首先選擇幾個(gè)獨(dú)立的物理量，如長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量等，并以使用方便為原則規(guī)定出它們的單位，這些物理量稱(chēng)為基本物理量，簡(jiǎn)稱(chēng)基本量，其單位稱(chēng)為基本單位；導(dǎo)出量：其它的物理量，如速度、加速度等的單位則根據(jù)有關(guān)(yǒuguān)的物理定義或定律，由有關(guān)(yǒuguān)的基本單位推導(dǎo)而出，這些物理量稱(chēng)為導(dǎo)出量，對(duì)應(yīng)的單位稱(chēng)為導(dǎo)出單位。精品資料2/4/202319基本(jīběn)單位、導(dǎo)出單位再加上一些輔助單位及有關(guān)的規(guī)則，即可構(gòu)成一種單位制。精品資料2/4/202320常用單位制長(zhǎng)度時(shí)間質(zhì)量重量（力）cgs制（物理單位制）cmsgMKS制mskg重力制（工程制）mskgf千克力一、過(guò)去(guòqù)常用的單位制重力單位制是工程學(xué)科(xuékē)常用的單位制，因此又稱(chēng)工程單位制。精品資料2/4/202321二、國(guó)際單位制國(guó)際單位制是1960年10月第十一界國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)的一種優(yōu)越性較大的新單位制，其代號(hào)為SI。1、SI的基本量與基本單位SI是MKS制的引申(yǐnshēn)，除了MKS制中原有的長(zhǎng)度、時(shí)間和質(zhì)量三個(gè)基本量外，又加上了四個(gè)基本量：精品資料2/4/202322基本量的名稱(chēng)基本單位名稱(chēng)基本單位符號(hào)長(zhǎng)度米m質(zhì)量千克kg時(shí)間秒s電流安培A熱力學(xué)溫度開(kāi)爾文K物質(zhì)的量摩爾mol發(fā)光強(qiáng)度坎德拉cd表1.國(guó)際(guójì)單位制的基本量與基本單位（7個(gè)）其他物理量的單位，都可以(kěyǐ)由這七個(gè)基本單位中的某幾個(gè)單位根據(jù)物理定義或規(guī)律組合而成。精品資料2/4/202323表2.國(guó)際(guójì)單位制的輔助單位（2個(gè)）表3.國(guó)際單位制中具有專(zhuān)門(mén)(zhuānmén)名稱(chēng)的導(dǎo)出單位（共17個(gè)）量的名稱(chēng)單位名稱(chēng)單位符號(hào)平面角弧度rad立體角球面角sr量的名稱(chēng)單位名稱(chēng)單位符號(hào)其它表示式示例頻率赫茲Hzs－1力；重力牛頓N㎏·m/s2壓力（壓強(qiáng)）應(yīng)力帕斯卡PaN/m2

能量，功，熱焦耳JN·m功率瓦特WJ/s攝氏溫度攝氏度℃*精品資料2/4/2023242、SI的優(yōu)越性（1）通用性：SI具有高度的通用性或者統(tǒng)一性。它包括了所有領(lǐng)域中的計(jì)量單位，從而使科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)貿(mào)易甚至日常生活等都只使用SI一種單位制。（2）一貫性：使用SI在導(dǎo)出單位時(shí)，不需引入比例系數(shù)，而且SI中任何一個(gè)物理量只有一個(gè)單位。熱、功、能是本質(zhì)相同的物理量，計(jì)算或比較時(shí)由于單位不同必須采用“熱功當(dāng)量”進(jìn)行換算：1kcal=427kgf.m,1kcal=4.18kJ。在SI中，既然三者本質(zhì)相同，則其單位統(tǒng)一，統(tǒng)一使用kJ為單位，這樣(zhèyàng)使得計(jì)算或比較非常方便。精品資料2/4/202325三、目前我國(guó)使用的單位制1984年國(guó)務(wù)院發(fā)布命令，確定我國(guó)統(tǒng)一使用以SI為基礎(chǔ)，包括由我國(guó)指定的若干非國(guó)際單位制在內(nèi)的《中華人民共和國(guó)法定計(jì)量單位制》，簡(jiǎn)稱(chēng)《法定計(jì)量單位制》，并且規(guī)定(guīdìng)，從1991年起，除個(gè)別領(lǐng)域外，不允許使用非《法定計(jì)量單位制》。精品資料2/4/202326非國(guó)際(guójì)單位制是指，如時(shí)間的單位除了用秒外，還可以用分（min）、小時(shí)（h），天（d）；質(zhì)量的單位除了用kg外，還可以用噸（t），體積的單位除了用m3外，還可以用升（l）等。精品資料2/4/202327表4.國(guó)家(guójiā)選定的非國(guó)際單位制單位量的名稱(chēng)單位名稱(chēng)單位符號(hào)換算關(guān)系時(shí)間分min1min=60s小時(shí)h1h=60min=3600s天（日）d1d=24h=86400s平面角秒(")1"=(π/648000)rad分(')1'=60"(π/108000)rad度(°)1°=60'(π/180)rad旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)每分r/min1r/min=(1/60)s-1質(zhì)量噸t1t=103kg原子質(zhì)量單位u1u≈1.6605655×10-27kg體積升L,(l)1L=10-3m3精品資料2/4/202328§1－3－2單位(dānwèi)換算單位換算包括物理量的單位換算和經(jīng)驗(yàn)公式的單位換算。1、物理量的單位換算物理量由一種(yīzhǒnɡ)單位制換算成另一種(yīzhǒnɡ)單位制時(shí)，換算時(shí)需要引用換算因數(shù)。如：1m=100cm，換算因數(shù)為100cm/m。

精品資料2/4/202329由物理量根據(jù)物理規(guī)律建立起來(lái)的反映物理量之間關(guān)系的方程式稱(chēng)為(chēnɡwéi)物理方程。物理方程的單位符合單位一致性，或量綱一致性，即同一物理方程中的各物理量可以任選一種單位制，但同一方程式中的各物理量絕不允許同時(shí)使用兩種單位制。物理方程又稱(chēng)量綱一致性方程。精品資料2/4/202330例1－1SI中，質(zhì)量為1kg的物體(wùtǐ)在重力場(chǎng)的作用下受到多大的力？解：F=mg=1×9.81=9.81N質(zhì)量為1kg的物體(wùtǐ)在重力場(chǎng)的作用下受到的力，定義為重力單位制中的基本量重量（力）的單位kgf,1kgf＝9.81N。精品資料2/4/202331例1－2