1、化工基礎(chǔ)ElementaryChemicalEngineering,授課教師簡介：易君明（1977.04-），貴州省貞豐縣人。1997.09-2001.07貴州大學(xué)化學(xué)系應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，學(xué)士；2001.07-2005.08中國振華集團(tuán)科技股份有限公司，工程技術(shù)員；2005.09-2008.07貴州大學(xué)精細(xì)化工研究開發(fā)中心有機(jī)化學(xué)專業(yè)，碩士；2008.09-今，興義民族師范學(xué)院講師。研究方向：有機(jī)合成及超分子化學(xué)學(xué)術(shù)成就：已在國內(nèi)外刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，其中SCI收錄3篇.,聯(lián)系方式：電話Q：595578736E-Mail:yijunming9999地址：北校區(qū)教務(wù)

2、處,化工基礎(chǔ)化學(xué)工程基礎(chǔ)什么是化學(xué)工程？化學(xué)過程是指物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化的反應(yīng)過程，如柴油的催化裂化制備高辛烷值汽油是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程。物理過程系指物質(zhì)不經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生的組成、性質(zhì)、狀態(tài)、能量變化過程，如原油經(jīng)過蒸餾的分離而得到汽油、柴油、煤油等產(chǎn)品。實(shí)際上，化學(xué)過程往往和物理過程同時(shí)發(fā)生。例如催化裂化是一個(gè)典型的化學(xué)過程，但輔有加熱、冷卻和分離，并且在反應(yīng)進(jìn)行過程中，伴隨有流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)。,化學(xué)工程學(xué)研究化學(xué)工業(yè)和其他過程工業(yè)生產(chǎn)中所進(jìn)行的化學(xué)過程和物理過程共同規(guī)律的一門工程學(xué)科。這些工業(yè)包括石油煉制工業(yè)、冶金工業(yè)、建筑材料工業(yè)、食品工業(yè)、造紙工業(yè)等。它們從石油、煤、天然氣、鹽、石灰石、其他

3、礦石和糧食、木材、水、空氣等基本的原料出發(fā)，借助化學(xué)過程或物理過程，改變物質(zhì)的組成、性質(zhì)和狀態(tài)，使之成為多種價(jià)值較高的產(chǎn)品，如化肥、汽油、潤滑油、合成纖維、合成橡膠、塑料等等。通過化學(xué)工程的研究，認(rèn)識(shí)和闡釋這些過程的規(guī)律性，并使之應(yīng)用于生產(chǎn)過程和裝置的開發(fā)、設(shè)計(jì)、操作，以達(dá)到優(yōu)化和提高效率的目的。,化學(xué)工程：如何通過一系列的設(shè)備、工藝、操作來實(shí)現(xiàn)化學(xué)過程。注重過程、條件、影響因素。關(guān)注操作性、合理性、經(jīng)濟(jì)性。,化學(xué)過程：化學(xué)反應(yīng)的原理、機(jī)理，過程進(jìn)行的可行性。注重能否進(jìn)行的問題。,問題：專科教育與本科教育的差異何在？專科教育以應(yīng)用為目的，在理論學(xué)習(xí)上以夠用為度；而本科教育重在培養(yǎng)學(xué)生的理論體系

4、。例子：虹吸現(xiàn)象。大家都知道水往低處流，但在虹吸中水先往高處流，越過一個(gè)高點(diǎn)后才往低處流。為什么呢？只有用流體動(dòng)力學(xué)的理論才能作出解釋。經(jīng)驗(yàn)只能解決現(xiàn)象問題，理論才能解決本質(zhì)問題。請(qǐng)珍惜本科教育機(jī)會(huì)，注重培養(yǎng)自己的理論體系，認(rèn)真學(xué)好每門基礎(chǔ)理論課?；せA(chǔ)，是化學(xué)類各專業(yè)課的基礎(chǔ)理論課，也是化學(xué)工藝等專業(yè)考研的必考專業(yè)課。,一.化學(xué)工業(yè)概述,化學(xué)工業(yè)（chemicalindustry）又稱化學(xué)加工工業(yè)，是綜合運(yùn)用化學(xué)和物理方法將原料加工成化學(xué)產(chǎn)品的加工工業(yè)。也泛指生產(chǎn)過程中化學(xué)方法占主要地位的過程工業(yè)。,1.化學(xué)工業(yè)的重要性及其發(fā)展化學(xué)工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)工業(yè)，是最具活力、最具競爭力、可發(fā)

5、展前景極強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，化學(xué)工業(yè)從50年代起進(jìn)入高速發(fā)展期，已成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。,2.化學(xué)工業(yè)的分類,化工生產(chǎn)裝置實(shí)例70萬噸乙烯裝置,化工生產(chǎn)裝置實(shí)例甲醇回收裝置,化工生產(chǎn)裝置實(shí)例合成氨裝置,化工生產(chǎn)過程實(shí)例,濕法磷酸生產(chǎn)工藝流程,磷礦石,破碎,球磨,酸解反應(yīng),過濾,濃縮,精制,磷酸（化肥、飼料用）,磷酸（醫(yī)藥、食品用）,硫酸,HF氣體（回收）,過濾,水,濾渣石膏,洗液,加工成鹽,3.化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn),(1)化學(xué)工業(yè)與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān)當(dāng)今世界面臨的三大挑戰(zhàn)：A.人口增長：1804年10億人1927年20億人1960年30億人1974年40億人1987年50億人1

6、999年60億人，每年7800萬人的增長速度，預(yù)計(jì)2013年70億，實(shí)際2010年64.64億人。吃飯大問題！B.環(huán)境污染：人口增長工業(yè)發(fā)展大氣和水污染。每年流入海洋的石油達(dá)1000多萬噸，排入大氣的CO2達(dá)230億噸，水土流失240億噸。C.能源短缺：以現(xiàn)有速度，全世界的石油只夠用60年，煤炭300年左右?；瘜W(xué)工業(yè)已擔(dān)負(fù)起迎接三大挑戰(zhàn)的歷史重任：可提供充足的化肥、農(nóng)藥、化學(xué)纖維、合成醫(yī)藥及各種新型合成材料，滿足人口增長帶來的衣、食、住、行的需要；在化工生產(chǎn)中合理使用能源和開發(fā)新能源，可有效解決能源緊缺問題（如生物能源、核能等）；“三廢”的治理更是化學(xué)工業(yè)義不容辭的責(zé)任，其作用是其他工業(yè)無法替

7、代的。,(2)化工產(chǎn)品品種繁多，工藝復(fù)雜品種繁多導(dǎo)致生產(chǎn)工藝的多樣性。同一原料可生產(chǎn)多種產(chǎn)品，同一產(chǎn)品又可利用多種原料生產(chǎn)，所以技術(shù)難度大。合理的資源配置和原料路線，恰當(dāng)工藝技術(shù)的選擇和組合，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，是化工中要解決的主要問題。(3)化學(xué)工業(yè)是裝置型工業(yè)，具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)性化工生產(chǎn)的主要設(shè)備大多是塔、罐、槽、器及管道，生產(chǎn)能力與容積（即其線性尺寸的三次方）呈正比，制造費(fèi)與容器表面積（即其線性尺寸的二次方）呈正比。裝置的投資費(fèi)用T與其生產(chǎn)能力M的2/3次方呈正比（所謂的0.6次方法則）：T=M0.60.7如：M=10萬元/年，則T=4050萬元，45倍M=100萬元/年，則T=160

8、02500萬元，1625倍M=1000萬元/年，則T=6.312.6億元，63126倍,(4)化學(xué)工業(yè)是資金密集型、技術(shù)密集型工業(yè)工藝復(fù)雜性和裝置大型化決定了它的這一特征。如年產(chǎn)值30萬噸合成氨,45萬噸尿素的化肥廠，投資達(dá)到40-50億元；年產(chǎn)30萬噸的乙烯廠，需投資60-80億元?；ぜ夹g(shù)更新速度快，化工廠設(shè)備的壽命一般不超過15年流動(dòng)資金占固定投資的12-20%，每年的設(shè)備維修費(fèi)5-10%。如：M=100萬元/年，T=2000萬元，流動(dòng)資金300-400萬元，維修費(fèi)100-200萬元/年。技術(shù)密集表現(xiàn)在工藝流程長，從原料到產(chǎn)品，涉及化學(xué)、機(jī)械、電子、儀表等諸多領(lǐng)域，有很高的知識(shí)密集度和很

9、強(qiáng)的技術(shù)綜合性。若以機(jī)械工業(yè)的技術(shù)密集指數(shù)為100，則化學(xué)工業(yè)達(dá)到2480。,(5)化學(xué)工業(yè)是能耗大戶化學(xué)工業(yè)以煤、石油、天然氣等能源為原料，也作為生產(chǎn)的動(dòng)力和燃料。能源中約40作為生產(chǎn)原料，60作為動(dòng)力和燃料，原料消耗費(fèi)占產(chǎn)品成本的60%-70%。(6)化學(xué)工業(yè)是易污染、重污染的工業(yè)部門化工產(chǎn)品大多是易燃、易爆、有毒的，在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用過程中，如果發(fā)生泄露，就會(huì)嚴(yán)重危害人的健康，污染環(huán)境。例如廣西廣維集團(tuán)爆炸事件。2008年8月26日6時(shí)45分，廣維化工股份有限公司有機(jī)車間發(fā)生爆炸事故，爆炸引發(fā)的火災(zāi)導(dǎo)致車間內(nèi)裝有甲醇、乙炔、醋酸乙烯等易燃易爆物品的儲(chǔ)罐發(fā)生爆炸，共造成20人死亡。事

10、故還造成周圍3公里范圍內(nèi)18個(gè)村屯和廣維集團(tuán)生活區(qū)的11500名群眾緊急疏散。,二.化學(xué)工程概述,化學(xué)工程的研究方法：理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的工程研究方法,經(jīng)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法,理論方法數(shù)學(xué)模型法,相似準(zhǔn)則：利用經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)設(shè)計(jì)和工程進(jìn)行相似性放大因次分析：利用實(shí)驗(yàn)來確定變量關(guān)系，用無因次數(shù)群構(gòu)成關(guān)系式,利用基本定律對(duì)過程的微觀機(jī)理進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述（數(shù)學(xué)模型）,注：該方法著眼于過程參數(shù)的整體變化，不究其微觀機(jī)理，得到的結(jié)果帶有局限性，不可任意推而廣之。,“化工原理”半理論、半經(jīng)驗(yàn)的方法特點(diǎn),實(shí)際工程復(fù)雜問題,理論與經(jīng)驗(yàn)是化工工程技術(shù)人員邁向成功的兩條腿,分析并抓住描述過程物理本質(zhì)的基本規(guī)律,實(shí)

11、驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸確定待定模型參數(shù),對(duì)次要因素作出合理假設(shè)（簡化）,建立數(shù)學(xué)模型,通過實(shí)驗(yàn)或工程實(shí)踐檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃?核心部分：化學(xué)反應(yīng)過程及其設(shè)備（反應(yīng)器）前處理過程：又稱預(yù)處理過程，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)過程創(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。后處理過程：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。,三.化工生產(chǎn)過程,原料前處理化學(xué)處理（核心）后處理產(chǎn)品（或中間產(chǎn)品）,例如，高壓法生產(chǎn)聚乙烯，上述過程可圖示如下：,乙烯的壓縮與預(yù)熱為預(yù)處理過程；聚合反應(yīng)后，物料的分離與聚乙烯的?；?，則為產(chǎn)物的后

12、處理過程。,人們?cè)陂L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(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程就稱為單元操作。單元操作定義：指在各種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，具有共同的物理變化，遵循共同的物理學(xué)定律和具有共同作用的基本操作。如：流體的輸送與壓縮、沉降、過濾、傳熱、蒸發(fā)、結(jié)晶、吸收、蒸餾、萃取、冷凍等。,以“三傳”為物理內(nèi)核的單元操作,四.化學(xué)工程中的一些基本規(guī)律,1.質(zhì)量守恒（物料衡算）：,它反映一個(gè)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程中的積累量

13、。,物料衡算式：M入M出M累或損,對(duì)連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)：M入M出,進(jìn)行物料衡算時(shí)，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(duì)象包括的范圍。,2.其次要確定衡算的基準(zhǔn)。,3.然后確定衡算的對(duì)象（指標(biāo)、參數(shù)）。,4.最后還要確定衡算對(duì)象的物理量及單位。,例1-1每小時(shí)有10噸5的乙醇水溶液進(jìn)入精餾塔，塔頂餾出的產(chǎn)品中含乙醇95，塔底排出的廢水中含乙醇0.1。求每小時(shí)可得產(chǎn)品多少噸？若廢水全部排放，每年（按操作7200小時(shí)計(jì)）損失的乙醇多少噸？,解：,已知：,原料液流量及其中乙醇含量,產(chǎn)品和廢水中乙醇含量,確定：,衡算范圍：,衡算對(duì)象：,衡算基準(zhǔn)：,設(shè)：產(chǎn)品流量為X噸/時(shí)、廢水流量為Y噸/時(shí)。

14、,由物料衡算式：,M入M出,對(duì)物流的量進(jìn)行衡算：,10X+Y(1),對(duì)乙醇的量進(jìn)行衡算：,105X95+Y0.1(2),解得：X0.516噸/時(shí)，Y9.484噸/時(shí),每年損失乙醇：,9.4840.1720068.28噸/年,2.能量守恒（能量衡算）：,目的：,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，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,熱量衡算式：Q入Q出Q累或損,穩(wěn)定的連續(xù)性操作：Q入Q出,3.平衡關(guān)系,平衡決定過程進(jìn)行的方向各可能夠達(dá)到的極限可以確定當(dāng)時(shí)條件下物料或能量能夠利用的極限，從而確定加工方案,4.過程速率,過程速率決定裝置和設(shè)備的生產(chǎn)能力，過程速率越高，設(shè)

15、備生產(chǎn)能力越大，或設(shè)備的尺寸越小。,過程速率（r）,5.從實(shí)驗(yàn)室研究到工廠生產(chǎn),將實(shí)驗(yàn)室研究擴(kuò)大為生產(chǎn)規(guī)模，使新產(chǎn)品、新工藝或新技術(shù)在工業(yè)裝置中運(yùn)轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)的全過程稱為化工過程開發(fā)。,實(shí)驗(yàn)室與化工生產(chǎn)過程的區(qū)別：（1）原料數(shù)量、質(zhì)量上的不同（2）工藝方法、工藝條件、工藝要求、操作手段的不同（3）設(shè)備大小、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)的不同如：邊長為1m的正方體容器，V=1m3，S=6m2，若將每條邊長擴(kuò)大10倍為10m，則V=1000m3，S=600m2，體積擴(kuò)大1000倍而表面積只擴(kuò)大100倍，不同步，則必然造成散熱不均。故必須采用其他措施，如水冷、風(fēng)冷等，否則反應(yīng)結(jié)果必然改變。（4）產(chǎn)品數(shù)量、質(zhì)量不同，

16、分離要求及分離設(shè)備也不同（5）附屬設(shè)施：生產(chǎn)上須設(shè)置水、電、氣、動(dòng)力、安全、運(yùn)輸、貯存等設(shè)施（6）廢水、廢氣、廢渣的排放量不同，治理要求和設(shè)施也不同,開發(fā)步驟：實(shí)驗(yàn)室研究（小試）可行性研究（技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)）中間試驗(yàn)（中試）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)（技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)）工業(yè)裝置的設(shè)計(jì)和投產(chǎn),6.單位制與單位換算,（1）國際單位制國際單位制是1960年10月第十一界國際計(jì)量大會(huì)通過的一種優(yōu)越性較大的新單位制，其代號(hào)為SI。,通用性：SI具有高度的通用性或者統(tǒng)一性。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。,A、SI的基本量與基本單位,表1.國際單位制的基本量與基本單位（7個(gè)）,

17、其他物理量的單位，都可以由這七個(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。,表2.國際單位制的輔助單位（2個(gè)）,表3.國際單位制中具有專門名稱的導(dǎo)出單位（共17個(gè)）,（2）目前我國使用的單位制1984年國務(wù)院發(fā)布命令，確定我國統(tǒng)一使用以SI為基礎(chǔ)，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(jì)量單位制，簡稱法定計(jì)量單位制，并且規(guī)定，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。,非國際單位制是指，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。,思考1：化學(xué)

18、與化工的關(guān)系,思考2：什么是單元操作，什么是過程？兩者的區(qū)別與聯(lián)系。,化工生產(chǎn)過程可視為物理過程和化學(xué)過程組成。由于被加工物料的相態(tài)不同、過程原理和采用方法的差異，將物理過程可進(jìn)一步細(xì)分為一系列遵循不同物理定律，有某種功用的基本操作過程，稱之為單元操作。,每一種單元操作都概括了化工生產(chǎn)中一類有共性的操作，從本質(zhì)上歸納為動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞三種傳遞過程。,三種傳遞過程和反應(yīng)工程，即“三傳一反”構(gòu)成化學(xué)工程學(xué)科研究的一條主線。,單元操作目的物態(tài)原理傳遞過程流體輸送輸送液或氣輸入機(jī)械能動(dòng)量傳遞攪拌混合或分離氣-液輸入機(jī)械能動(dòng)量傳遞液-液,固-液過濾非均相混合物分離氣-固,固-液尺度不同的截留

19、動(dòng)量傳遞沉降非均相混合物分離氣-固,固-液密度差引起的動(dòng)量傳遞沉降運(yùn)動(dòng)加熱,冷卻升溫,降溫,改變氣或液利用溫差傳入熱量傳遞相態(tài)或移出熱量蒸發(fā)溶劑與不揮發(fā)性液供熱汽化溶劑熱量傳遞溶質(zhì)的分離,單元操作,思考3：化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn),(1)化學(xué)工業(yè)是獨(dú)特的、不可取代的工業(yè)部門化學(xué)工業(yè)以化學(xué)加工為主要特征，是創(chuàng)造新物質(zhì)的工業(yè)。,(2)化工產(chǎn)品品種繁多，工藝復(fù)雜,(3)化學(xué)工業(yè)是裝置型工業(yè)，具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)性化工生產(chǎn)的主要設(shè)備大多是塔、罐、槽、器及管道，一般裝置的投資費(fèi)用與其生產(chǎn)能力的2/3次方呈正比。,(4)化學(xué)工業(yè)是資金密集，技術(shù)密集的工業(yè)部門,以機(jī)械工業(yè)的技術(shù)密集指數(shù)為100，化學(xué)工業(yè)則達(dá)到2480。以醫(yī)藥

20、和農(nóng)藥新品種開發(fā)為例，開發(fā)成功率為萬分之一，完成一個(gè)新品種研制，在美國需10年左右時(shí)間，耗資6000萬美元。,(5)化學(xué)工業(yè)是能源消耗的大戶,(6)化學(xué)工業(yè)是易污染、重污染的工業(yè)部門,思考4：物料衡算的理論依據(jù)是什么？進(jìn)行物料衡算時(shí)注意什么？,依據(jù)質(zhì)量守恒定律進(jìn)行，進(jìn)入和離開某一化工過程的物料質(zhì)量之差，等于該過程積累的物料質(zhì)量。其衡算式為：輸入物料量-輸出物料量累積物料量,物料衡算是化工計(jì)算的最基本、最重要的計(jì)算，也是化工計(jì)算的基礎(chǔ)。,進(jìn)行物料衡算時(shí)，必須注意下面幾點(diǎn)：,1.首先要確定衡算的系統(tǒng)，即衡算對(duì)象包括的范圍。,2.其次要確定衡算的基準(zhǔn)。,3.然后確定衡算的對(duì)象（指標(biāo)、參數(shù)）。,4.最后還要確定衡算對(duì)象的物理量及單位。,思考5：化學(xué)工業(yè)的新理解,1.行業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向“精細(xì)化”