化工基礎-第一章 緒論

化工(huàgōng)基礎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本課程的性質與內(nèi)容(nèiróng)一、本課程的性質化工基礎是是高師化學專業(yè)唯一的一門工程技術類課程，這是一門緊密聯(lián)系化工生產(chǎn)實際的技術基礎課。是一門探討化工類型生產(chǎn)過程的基本規(guī)律，并應用這些規(guī)律來分析和解決化工類型生產(chǎn)實際問題的學科。

精品資料2/4/20233該課程兼有“科學”與“技術”的特點，它綜合運用數(shù)學、物理、化學等基礎知識，來分析和解決化工類型生產(chǎn)過程中的各種問題，在化學、化工類專業(yè)人才培養(yǎng)中，它承擔著工程科學與工程技術的雙重教育任務，所以它起到理論學科與應用學科的搭橋作用。本課程強調(diào)(qiángdiào)工程觀點、定量運算、實驗技能及設計能力的培養(yǎng)，強調(diào)(qiángdiào)理論聯(lián)系實際。工程觀點－－理論上的正確性、技術上的可行性、操作上的安全性、經(jīng)濟上的合理性。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”）”、“化學反應工程（基本反應器）”及“化工工藝學”三大部分內(nèi)容。習慣上稱為“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)過程統(tǒng)稱為化工生產(chǎn)過程?；瘜W工業(yè)是一個多行業(yè)多品種的生產(chǎn)部門(bùmén)，各種產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和工藝方法可能千差萬別，但是任何化工生產(chǎn)過程都可以分解和歸納為兩類過程，即化學反應過程和物理處理過程，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：化學反應過程(guòchéng)及其設備（反應器）是整個化工生產(chǎn)過程(guòchéng)的核心。前處理過程(guòchéng)：又稱預處理過程(guòchéng)，在進行化學反應之前，對原料進行各種預處理，以便為反應過程(guòchéng)創(chuàng)造最適宜的工藝條件，如適宜的物料狀態(tài)、純度以及它應具有的溫度、壓強等。后處理過程(guòchéng)：化學反應后，對產(chǎn)物或中間產(chǎn)物需要進行必要的后處理，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，上述過程可圖示如下：壓縮機加熱器聚合反應器分離器?；?/p>

聚乙烯

乙烯回收乙烯

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

前后處理工序中所進行的過程多數(shù)(duōshù)是純物理過程。同樣，其它各種化工生產(chǎn)過程，除化學反應外，其余操作步驟都可歸納為若干種基本的物理過程，如流體的輸送與壓縮、沉降、過濾、傳熱、蒸發(fā)、結晶、吸收、蒸餾、萃取、冷凍等。人們在長期從事化工生產(chǎn)實踐中，自然而然地把組成不同化工行業(yè)生產(chǎn)過程所共有的基本的物理操作過程抽提出來，研究其各自內(nèi)在的規(guī)律性，并在理論上加以總結和提高，再應用到生產(chǎn)實踐中去，這些基本的物理操作過程就稱為單元操作。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)過程中所共有的基本的物理操作過程稱為單元操作。任何(rènhé)一個化工生產(chǎn)過程都是由若干個單元操作經(jīng)過合理地組合，再與化學反應串聯(lián)而成。所有單元操作的綜合就構成了化學工程的基礎學科——化學工程原理，簡稱化工原理。精品資料2/4/202392、單元操作的特點：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，并不改變物料的化學性質；②單元操作都是化工生產(chǎn)過程中共有的操作。單元操作廣泛的應用于石油、化工、輕工、冶金、動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)過程，其遵循的原理是相同的，進行該操作的設備也是相似的、通用(tōngyòng)的。當然，同一單元操作在不同的化工生產(chǎn)過程中有以上的共性，但也有其各自的特性，比如各自的工藝條件、操作指標等，是完全不同的。就是同一單元操作，所用設備的形式、結構也是各種各樣的?；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上歸納為三類基本傳遞過程，即：動量傳遞過程、熱量傳遞過程、質量傳遞過程，簡稱“三傳”。（1）動量傳遞過程：主要討論流體動力學過程的基本規(guī)律，即研究流體的流動及流體和與之接觸的固體壁面間發(fā)生相對運動時的基本規(guī)律，以及(yǐjí)受這些規(guī)律支配的若干單元操作，如：流體的流動與輸送、沉降、過濾等。1mainswf\001\1-33.swf精品資料2/4/202311（2）熱量傳遞過程：主要討論熱量傳遞過程的基本規(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）質量傳遞過程：主要討論物質通過相界面的遷移過程的基本規(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、化學反應工程部分內(nèi)容：（一反）化學反應工程是以化學動力學、化學熱力學以及“三傳”的原理為基礎，研究工業(yè)(gōngyè)規(guī)模的化學反應的規(guī)律，為反應器的設計、放大、選型及生產(chǎn)控制提供理論依據(jù)。精品資料2/4/202312化學反應器是化工生產(chǎn)中用于進行化學反應的設備，是整個(zhěnggè)生產(chǎn)過程的心臟。這一部分內(nèi)容討論的不深，參考書也很少，只是討論化學反應工程的某些基本概念和基本反應器的基本原理。精品資料2/4/2023133、化工工藝學部分內(nèi)容：（一工）化工工藝學是研究(yánjiū)如何利用天然原料或半成品通過適當?shù)幕瘜W和物理的方法加工成化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程的學科。它的任務是依據(jù)化學、物理化學、化學工程原理，尋求技術上先進、經(jīng)濟上合理的生產(chǎn)方法、工藝流程、最佳操作條件和適宜的設備構型。

精品資料2/4/202314§1－2學習本課程(kèchéng)的目的課程的學習目的和要求是由專業(yè)的培訓規(guī)格和目標決定的，對于化學專業(yè)的學生(xuésheng)，學習一定的化工基礎知識，其主要目的有以下幾個方面：

精品資料2/4/202315一、改善專業(yè)知識結構的需要作為化學專業(yè)的學生，學習一些“三傳”及反應器的基本知識，了解幾個典型的化工工藝，對改善自己的知識結構，拓寬知識面，無疑是有益(yǒuyì)的。二、科技發(fā)展和經(jīng)濟建設的需要21世紀的中學教師必須是“全能型”或“完整型”的教師。即21世紀的中學教師既能教學，又會科研，還要懂生產(chǎn)的多面手，否則難以適應科技發(fā)展和經(jīng)濟建設的需要。因此，化學專業(yè)的學生具備必要的技術經(jīng)濟觀點和一定的工業(yè)生產(chǎn)知識，就是必須的了。精品資料2/4/202316三、中等教育結構改革的需要高等師范化學專業(yè)將會有更多的畢業(yè)生從事中等職業(yè)技術教育。為適應這一新的需要，很有必要(bìyào)對化學專業(yè)學生和在職中學教師加強化工方面的教育，使他們不僅有堅實的基礎理論知識，較寬的知識視野，還要有一定的解決實際問題的能力。四、對科研起到一定的指導作用學習本課程，將有助于指導化學科研工作。學習化工基礎，有助于改進實驗室的裝置及組合，改進實驗的操作方式、方法和條件，或者對實驗的優(yōu)化提供指導性建議，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)換算化學工程和化學工藝中涉及多種物理量，任何一個物理量的大小都是用數(shù)字(shùzì)與單位聯(lián)合表達的，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，都是首先選擇幾個獨立的物理量，如長度、時間、質量等，并以使用方便為原則規(guī)定出它們的單位，這些物理量稱為基本物理量，簡稱基本量，其單位稱為基本單位；導出量：其它的物理量，如速度、加速度等的單位則根據(jù)有關(yǒuguān)的物理定義或定律，由有關(yǒuguān)的基本單位推導而出，這些物理量稱為導出量，對應的單位稱為導出單位。精品資料2/4/202319基本(jīběn)單位、導出單位再加上一些輔助單位及有關的規(guī)則，即可構成一種單位制。精品資料2/4/202320常用單位制長度時間質量重量（力）cgs制（物理單位制）cmsgMKS制mskg重力制（工程制）mskgf千克力一、過去(guòqù)常用的單位制重力單位制是工程學科(xuékē)常用的單位制，因此又稱工程單位制。精品資料2/4/202321二、國際單位制國際單位制是1960年10月第十一界國際計量大會通過的一種優(yōu)越性較大的新單位制，其代號為SI。1、SI的基本量與基本單位SI是MKS制的引申(yǐnshēn)，除了MKS制中原有的長度、時間和質量三個基本量外，又加上了四個基本量：精品資料2/4/202322基本量的名稱基本單位名稱基本單位符號長度米m質量千克kg時間秒s電流安培A熱力學溫度開爾文K物質的量摩爾mol發(fā)光強度坎德拉cd表1.國際(guójì)單位制的基本量與基本單位（7個）其他物理量的單位，都可以(kěyǐ)由這七個基本單位中的某幾個單位根據(jù)物理定義或規(guī)律組合而成。精品資料2/4/202323表2.國際(guójì)單位制的輔助單位（2個）表3.國際單位制中具有專門(zhuānmén)名稱的導出單位（共17個）量的名稱單位名稱單位符號平面角弧度rad立體角球面角sr量的名稱單位名稱單位符號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）應力帕斯卡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。它包括了所有領域中的計量單位，從而使科學技術、工業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟貿(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在導出單位時，不需引入比例系數(shù)，而且SI中任何一個物理量只有一個單位。熱、功、能是本質相同的物理量，計算或比較時由于單位不同必須采用“熱功當量”進行換算：1kcal=427kgf.m,1kcal=4.18kJ。在SI中，既然三者本質相同，則其單位統(tǒng)一，統(tǒng)一使用kJ為單位，這樣(zhèyàng)使得計算或比較非常方便。精品資料2/4/202325三、目前我國使用的單位制1984年國務院發(fā)布命令，確定我國統(tǒng)一使用以SI為基礎，包括由我國指定的若干非國際單位制在內(nèi)的《中華人民共和國法定計量單位制》，簡稱《法定計量單位制》，并且規(guī)定(guīdìng)，從1991年起，除個別領域外，不允許使用非《法定計量單位制》。精品資料2/4/202326非國際(guójì)單位制是指，如時間的單位除了用秒外，還可以用分（min）、小時（h），天（d）；質量的單位除了用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.國家(guójiā)選定的非國際單位制單位量的名稱單位名稱單位符號換算關系時間分min1min=60s小時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旋轉角度轉每分r/min1r/min=(1/60)s-1質量噸t1t=103kg原子質量單位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，換算時需要引用換算因數(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)律建立起來的反映物理量之間關系的方程式稱為(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使用兩種單位制。物理方程又稱量綱一致性方程。精品資料2/4/202330例1－1SI中，質量為1kg的物體(wùtǐ)在重力場的作用下受到多大的力？解：F=mg=1×9.81=9.81N質量為1kg的物體(wùtǐ)在重力場的作用下受到的力，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