1、現(xiàn)代化工與高科技 第六章 化學(xué)工程與工藝的科學(xué)基礎(chǔ),在18世紀(jì)以前，化學(xué)品的制造還是手工業(yè)操作，與實(shí)驗(yàn)室沒有很大的差別。 隨著對(duì)化學(xué)品需求的增長(zhǎng)，引起了手工業(yè)向大工業(yè)的過渡。工業(yè)化學(xué)家著眼于將化學(xué)反應(yīng)與產(chǎn)品的純化分離在工業(yè)上運(yùn)用和實(shí)現(xiàn)。 因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)中需要使用鋼鐵制造的機(jī)械和設(shè)備，這就要求工業(yè)化學(xué)家具備較多的物理和機(jī)械知識(shí)，或與具有一定化學(xué)知識(shí)的機(jī)械工程師合作，才能勝任。 這便是19世紀(jì)解決化工生產(chǎn)問題的“化學(xué)（家）機(jī)械（工程師）”的方式。,6.1 化工學(xué)科的產(chǎn)生與發(fā)展,6.1 化工學(xué)科的產(chǎn)生與發(fā)展 化學(xué)工程的早期定義,化學(xué)工程是工程技術(shù)的一個(gè)分支，化學(xué)工程從事物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化或物理變化的加工

2、過程的開發(fā)和應(yīng)用。通?？蓪⑦@些加工過程分解為一系列物理單元操作和化學(xué)單元操作。化學(xué)工程師主要從事運(yùn)用上述單元操作和單元過程進(jìn)行裝置和工廠的設(shè)計(jì)、制造和操作?；瘜W(xué)、物理和數(shù)學(xué)是化學(xué)工程的基礎(chǔ)學(xué)科，而在化學(xué)工程實(shí)踐中，經(jīng)濟(jì)則占主導(dǎo)地位”。 以上為被稱為化學(xué)工程先驅(qū)的英國(guó)工程師G.E.戴維斯（George Edwards Davis,18501907）在他的化學(xué)工程手冊(cè)中給出的定義。這一定義，今天看來仍然是正確的。,單元操作的概念的提出,化學(xué)工業(yè)中存在著千變?nèi)f化的各種化學(xué)加工過程，即化工過程?；み^程中不僅包含化學(xué)變化的過程，而且還包含分離混合物為較純凈的不同組分以及改變其物理狀態(tài)和性質(zhì)的各種過程。

3、 生產(chǎn)過程中除了反應(yīng)器內(nèi)有化學(xué)反應(yīng)外，其余步驟均屬物理操作，實(shí)際上化工生產(chǎn)過程是以化學(xué)反應(yīng)為核心，而物理步驟只起到為化學(xué)反應(yīng)準(zhǔn)備必要的反應(yīng)條件以及進(jìn)一步將粗產(chǎn)品提純的作用。 構(gòu)成多種化工產(chǎn)品生產(chǎn)的物理過程都可歸納為有限的幾個(gè)基本過程，如流體輸送、加熱或冷卻、沉降、蒸發(fā)、蒸餾、結(jié)晶、干燥等。這些基本物理操作統(tǒng)稱為化工單元操作，簡(jiǎn)稱單元操作。 1915年由美國(guó)麻省理工學(xué)院A.D.Little 首次正式提出。,化工學(xué)科體系的形成,1888年美國(guó)麻省理工學(xué)院首先在化學(xué)系科內(nèi)設(shè)置化學(xué)工程課程，后來才開始設(shè)置化學(xué)工程系。其它國(guó)家隨后也逐步建立了化學(xué)工程系。 WHWalker、WKLewis和WHMcAda

4、ms三人合著的化工原理初版在1923年問世，由此原來多種化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)各異的工藝被歸納為為具有共同規(guī)律的單元操作，如流體流動(dòng)、流體輸送、固體和液體分離、攪拌、固體的粉碎、加熱冷卻、蒸發(fā)、結(jié)晶、蒸餾、吸收、干燥等單元操作。,“三傳一反”概念的提出,隨著化學(xué)工業(yè)的進(jìn)步，單元操作的種類不斷增加，如萃取，吸附、離子交換、膜分離等。 20世紀(jì)60年代，“三傳一反”（動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)工程）概念的提出，開辟了化學(xué)工程發(fā)展過程的第二個(gè)歷程。,化工學(xué)科的發(fā)展,20世紀(jì)60年代末，計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和普及，給化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展注入了新的活力。 化學(xué)工程學(xué)科形成了單元操作、傳遞過程、反應(yīng)工程、化工

5、熱力學(xué)、化工系統(tǒng)工程、過程控制等完整體系。 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的高速發(fā)展，更把化學(xué)工程推向了過程優(yōu)化集成、分子模擬的新階段。,化學(xué)工業(yè)中存在著千變?nèi)f化的各種化學(xué)加工過程，即化工過程?；み^程中不僅包含化學(xué)變化的過程，而且還包含分離混合物為較純凈的不同組分以及改變其物理狀態(tài)和性質(zhì)的各種過程。,6. 2 化工單元操作原理及設(shè)備,化學(xué)工業(yè)中存在著千變?nèi)f化的各種化學(xué)加工過程，即化工過程?；み^程中不僅包含化學(xué)變化的過程，而且還包含分離混合物為較純凈的不同組分以及改變其物理狀態(tài)和性質(zhì)的各種過程。 任何化工過程無論規(guī)模大小，都可以分為一系列基本操作，如流體輸送、過濾、加熱、冷卻、蒸餾、萃取等等。單元操作就是按

6、照特定要求使物料發(fā)生物理變化的這些基本操作的總稱。 只有將各種不同的化工過程分解為單元操作來進(jìn)行研究，才能揭示其共性的本質(zhì)、原理和規(guī)律.,6. 2 化工單元操作原理及設(shè)備 1、單元操作的概念,大規(guī)模裝置（15萬噸/年） 此裝置有六臺(tái)結(jié)晶器，此規(guī)模中顯示出其中的兩臺(tái),在某現(xiàn)有裝置中進(jìn)行一臺(tái)結(jié)晶器的安裝,結(jié)晶與精餾結(jié)合用于分離萘及其衍生物,2、單元操作的內(nèi)容、原理及設(shè)備,如流體輸送、沉降、過濾、攪拌、加熱、冷卻、蒸發(fā)、蒸餾、萃取、吸收、吸附、干燥、離子交換、膜分離、結(jié)晶、粉碎、顆粒分級(jí)等等。 動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞 三種 “傳遞過程” 是單元操作的科學(xué)基礎(chǔ)。,用傳遞現(xiàn)象觀察單元操作,凡是以流

7、體流動(dòng)為特征的各種單元操作，如流體輸送、沉降、過濾、攪拌等，都視動(dòng)量傳遞為理論基礎(chǔ)。 凡是以升溫、降溫、相變過程為特征的單元操作，如加熱、冷卻、蒸發(fā)、結(jié)晶等，都視熱量傳遞為理論基礎(chǔ)。 凡是以傳質(zhì)分離為特征的單元操作，如蒸餾、吸附、萃取等，都視質(zhì)量傳遞為理論基礎(chǔ)。,用傳遞現(xiàn)象觀察單元操作,實(shí)際上，在化工單元操作和設(shè)備中，三種傳遞現(xiàn)象有時(shí)可能單獨(dú)存在，有時(shí)可能同時(shí)存在兩種或三種。 例如，蒸餾雖然以質(zhì)量傳遞為主， 但由于氣液兩相的流動(dòng)和相互接觸，動(dòng)量和熱量傳遞也同時(shí)存在。上述三種傳遞現(xiàn)象有著類似的機(jī)理和類似的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以相互類比，常常結(jié)合起來進(jìn)行研究。,2.1 流體輸送,在化工生產(chǎn)中，所用的原料

8、或加工后得到的產(chǎn)物及中間產(chǎn)物等，有許多是流體。為了制得產(chǎn)品，常需要將流體物料按照生產(chǎn)工藝的要求，依次輸送到各種設(shè)備中（如反應(yīng)設(shè)備、換熱設(shè)備、塔設(shè)備等）進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)或物理變化。 通常在設(shè)備之間用管道連接，需借助流體輸送設(shè)備（如泵和風(fēng)機(jī)等），使流體物料從一個(gè)設(shè)備輸送到另一個(gè)設(shè)備，或由上一工序送往下一工序，形成完整的生產(chǎn)流程。,在化工廠中，氣體必須利用封閉的管道進(jìn)行輸送，液體除少數(shù)可用明溝排送外，大多也是用管道輸送的。 管道的設(shè)置要考慮以下幾項(xiàng)主要內(nèi)容： 管壁厚度：取決于管內(nèi)物料的壓力、管道的材質(zhì)以及物料對(duì)管道材料的腐蝕性。 管道直徑：與流體輸送量、適宜流速及允許的壓力降有關(guān)。 流體輸送功耗：與管道

9、長(zhǎng)度、直徑、流體粘度及流速等有關(guān)。 輸送機(jī)械選型：與流體的性質(zhì)、所需輸送量、壓力等有關(guān)。,流體的輸送與輸送管道,圖6-1 離心泵裝置簡(jiǎn)圖,圖6-2 往復(fù)泵的裝置簡(jiǎn)圖,1泵缸；2活塞；3活塞桿4吸入閥；5排出閥,2.2 換熱,換熱（加熱和冷卻操作的總稱）是以熱量傳遞為主要理論基礎(chǔ)的一種單元操作。,熱傳導(dǎo)，依靠物質(zhì)分子、原子和電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)來傳遞熱量； 對(duì)流傳熱，是依靠流體的宏觀運(yùn)動(dòng)和混合來傳遞熱量； 輻射傳熱，在不需要任何傳播媒介的情況下，物體通過電磁波向外界發(fā)射熱輻射能。,熱的傳遞的三種基本方式,換熱設(shè)備 在化工生產(chǎn)中最常用的換熱器是列管式換熱器。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造比較容易，處理能力大

10、，操作性強(qiáng)，尤其適用于在高溫、高壓和大型裝置中使用。,2.3 蒸餾,蒸餾是利用液體混合物中各組分揮發(fā)度的差異，從而實(shí)現(xiàn)液體混合物各組分的分離的一種單元操作。,簡(jiǎn)單蒸餾：是一種間歇操作的蒸餾方式。分批加入的料液在蒸餾釜中不斷加熱氣化，產(chǎn)生的蒸氣中低沸點(diǎn)易揮發(fā)組分得到增濃。此蒸氣立即移出冷凝，成為餾出液。隨著蒸餾過程的持續(xù)，釜液中低沸物濃度不斷下降，餾出液中的低沸點(diǎn)物質(zhì)的濃度也隨之降低，所以要分段收集。用簡(jiǎn)單蒸餾方法分離混合液不能獲得高純度的產(chǎn)品， 精餾： 采用由多次部分氣化、部分冷凝演變成的精餾方法來分離混合液，以獲得高純度產(chǎn)品。 精餾原理：相當(dāng)于把許多個(gè)冷凝器和氣化器疊加起來，同時(shí)將兩者合并起

11、來，使冷凝放出的熱量作為氣化所需要的熱量，不但能簡(jiǎn)化設(shè)備，而且也可以節(jié)省能量。工業(yè)中精餾塔就是依據(jù)此原理而設(shè)計(jì)的。,簡(jiǎn)單蒸餾和精餾,連續(xù)精餾生產(chǎn)流程示意圖,2.4 吸收,利用氣體在液體中溶解度的差異而分離氣體混合物的操作稱為吸收。,吸收操作是一種重要的分離方法，主要用于： 氣體混合物的分離； 氣體凈化 制取溶液,2.5 萃取,利用混合物中的各個(gè)組分在溶劑中溶解度的不同，而達(dá)到分離的目的。用溶劑分離液體混合物中的組分，稱液-液萃取或溶劑萃??；用溶劑分離固體混合物中的組分，稱固-液萃取或稱浸取。,萃取過程示意圖 1混合器 2分層器,6.3 化學(xué)反應(yīng)工程,1、化學(xué)反應(yīng)工程的任務(wù)和內(nèi)容 化學(xué)反應(yīng)工程主

12、要研究?jī)?nèi)容有兩方面，一是對(duì)化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的研究，二是對(duì)反應(yīng)器中傳遞規(guī)律的研究。,2、化學(xué)反應(yīng)的操作方式 （1）間歇式操作 （2）連續(xù)式操作 3、反應(yīng)器的形式 （1）釜式反應(yīng)器 （2）固定床反應(yīng)器 （3）流化床反應(yīng)器,都需要對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行定量的描述，即要用數(shù)學(xué)式來表達(dá)各參數(shù)（如時(shí)間、溫度、壓力、濃度、流速、導(dǎo)熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等）之間的關(guān)系，簡(jiǎn)稱數(shù)學(xué)模型。 根據(jù)問題復(fù)雜程度的不同和對(duì)所描述的范圍以及要求精度的不同，人們所寫出的數(shù)學(xué)模型的繁簡(jiǎn)程度也是不同的。在化學(xué)反應(yīng)工程中，數(shù)學(xué)模型主要包括以下一些內(nèi)容： 動(dòng)力學(xué)方程式；物料衡算式；熱量衡算式；動(dòng)量衡算式 參數(shù)計(jì)算式,反應(yīng)器設(shè)計(jì)、放大或控制,實(shí)驗(yàn)研究和

13、理論分析并舉；用實(shí)驗(yàn)結(jié)果來修正和驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型；用數(shù)學(xué)模型可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)過程進(jìn)行模擬研究，以代替更多的實(shí)驗(yàn)。通過模擬計(jì)算，可進(jìn)一步明確各因素的影響程度，并進(jìn)行生產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)。,6.4 化工過程控制,1、化工過程控制的目的 化工過程控制的目的在于保證化工裝備平穩(wěn)運(yùn)行、從而使生產(chǎn)過程平穩(wěn)、多出合格產(chǎn)品。,加熱爐自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) (a)原理圖 (b)方塊圖,2、化工過程控制的原理,（1）測(cè)量變送器 它的作用是測(cè)量實(shí)際溫度（或其它物理量），并將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。 （2）調(diào)節(jié)器 它接收變送器送來的溫度信號(hào)，與事先設(shè)定的希望溫度值進(jìn)行比較得出偏差，然后按照一定的運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算得出的調(diào)節(jié)命令用

14、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)送出去。 （3）執(zhí)行器 通常指自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，它和普通閥門（手動(dòng)閥門）功能一樣，只不過它能自動(dòng)地根據(jù)調(diào)節(jié)器送來的調(diào)節(jié)命令改變閥門的開度。,3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用,（一）數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) （二）直接數(shù)字控制系統(tǒng) （Direct Digital Control）,6.5 化工技術(shù)與經(jīng)濟(jì),1.概述 技術(shù)經(jīng)濟(jì)(又稱技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)）的基本任務(wù)是研究技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的相互關(guān)系，技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的目標(biāo)是尋求技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的最佳結(jié)合。 2.技術(shù)經(jīng)濟(jì)的評(píng)價(jià)原則 往往同時(shí)涉及社會(huì)、環(huán)境、資源等方面的問題，甚至有時(shí)還涉及政治、國(guó)防、生態(tài)等問題。,經(jīng)濟(jì)效益分析,經(jīng)濟(jì)效益的概念,所謂經(jīng)濟(jì)效益，就是生產(chǎn)過程中所取得的生產(chǎn)

15、成果（使用價(jià)值或價(jià)值）與取得這一成果所消耗的勞動(dòng)（資金和物資是物化了的勞動(dòng)）的比較， 即：,反映投入的指標(biāo)：原材料、燃料、動(dòng)力消耗、廠房和機(jī)器設(shè)備的折舊、工資支出等。 反映產(chǎn)出的指標(biāo)有：產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)值、利潤(rùn)和稅金等。,3.3成本,所謂成本，是生產(chǎn)一種產(chǎn)品時(shí)所消耗的物化勞動(dòng)和人力勞動(dòng)的總和。構(gòu)成化工產(chǎn)品成本的主要組成部分有： （1）原材料； （2）燃料及動(dòng)力費(fèi)； （3）工資和附加費(fèi)； （4）折舊費(fèi)； （5）企業(yè)管理費(fèi)； （6）銷售費(fèi)。,3.4 銷售收入、稅金和利潤(rùn),（1）產(chǎn)量和銷售量：產(chǎn)量不等于銷售量。 （2）產(chǎn)值和銷售收入： 產(chǎn)值-是一種產(chǎn)品的年產(chǎn)量與單位產(chǎn)品價(jià)格的乘積，即： 產(chǎn)值=單價(jià)產(chǎn)量

16、銷售收入-是產(chǎn)品作為商品銷售后的收入,即： 銷售收入=單價(jià)銷售量,（3）盈利、利潤(rùn)、稅金： A.盈利和凈利潤(rùn) 盈利（毛利潤(rùn)）=銷售收入-生產(chǎn)成本 凈利潤(rùn)=毛利潤(rùn)-稅金 B.稅金 a） 產(chǎn)品稅：又稱工商稅或增值稅。 b) 資源稅：對(duì)涉及自然資源開發(fā)的項(xiàng)目征收的稅金。 c) 調(diào)節(jié)稅：對(duì)因技術(shù)裝備、地理、交通等客觀條件較好而盈利較高企業(yè)征收的稅金。 d) 所得稅：對(duì)有盈利的企業(yè)普遍征收的利潤(rùn)所得稅。,提高經(jīng)濟(jì)效益的途徑:,A.增加產(chǎn)出的價(jià)值： 增加產(chǎn)品的數(shù)量和提高產(chǎn)品的價(jià)值都可以達(dá)到這一目的。高科技產(chǎn)品和高附加值產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)；從技術(shù)革新、設(shè)備改造、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量等角度著手，都能夠在不同程度

17、上增加產(chǎn)出的價(jià)值。 B. 減少投入，降低消耗，降低成本,通過技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)效率的提高，降低產(chǎn)品生產(chǎn)的人力消耗和物質(zhì)消耗。,圖1-1 各分離過程的現(xiàn)狀,化工專業(yè)范圍的擴(kuò)大,1、從宏觀層次逐步發(fā)展到介觀（泡、滴、粒、團(tuán)）、亞微觀（界面、納米）、微觀（分子）及大宏觀（環(huán)境、資源、能源等全球可持續(xù)發(fā)展）的多層次學(xué)科。因此教育要相應(yīng)擴(kuò)大視野。 2、國(guó)外大學(xué)也在改革：將化學(xué)工程系改稱-化學(xué)及生化工程系、化學(xué)及材料工程系、化學(xué)及環(huán)境工程系、化學(xué)及分子工程系等。 3、教育要與國(guó)際接軌。,現(xiàn)代化工科學(xué)與教育,現(xiàn)代化工高等教育不但涉及石油化工、化肥、醫(yī)藥、合成材料、食品、酸、堿、鹽等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，而且作為支撐技術(shù)教育

18、更是與現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)如生命科學(xué)、信息、電子、材料、能源、環(huán)境等專業(yè)密不可分， 世界化工高等教育不但將持續(xù)發(fā)展，而且在2l世紀(jì)將繼續(xù)和高科技產(chǎn)業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域互相滲透，培養(yǎng)出更多的化工專業(yè)人才。,簡(jiǎn)答題 1、化工基本單元操作理論基礎(chǔ)在于三種傳遞過程，說 出這三種傳遞過程是什么。 2、化工單元操作基本定義是什么？列舉六種化學(xué)工業(yè) 中常見的單元操作。 3、化工自動(dòng)控制的基本原理是什么？ 4、常見的化學(xué)反應(yīng)器有哪三種形式？ 5、簡(jiǎn)答蒸餾單元操作的基本原理和目的。 6、吸收單元操作的原理是什么？ 7、化學(xué)反應(yīng)有哪兩種基本操作方式，說出它們的特點(diǎn) 和應(yīng)用場(chǎng)合。 8、簡(jiǎn)答化工過程控制的目的。,9、 簡(jiǎn)答化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)的基本任務(wù)。 10、化工生產(chǎn)的成本主要包括哪些？ 論述題 1、“測(cè)量變送器”、“調(diào)節(jié)器”和“執(zhí)行器”在自動(dòng)控制中起什么作用？ 2、試論提高化工生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的途徑。 3、論述經(jīng)濟(jì)效益的含義和提高經(jīng)濟(jì)效益的基本途徑。,第一章化工的地位與發(fā)展史,解釋中文“化工”的含義，它包括哪些內(nèi)容？ 化學(xué)工業(yè)按原料、產(chǎn)品噸位、和化學(xué)特性各如何分類？ 簡(jiǎn)述化工的特點(diǎn)是什么？ 簡(jiǎn)述化工與能源的關(guān)系。它們之間應(yīng)如何配合？試舉例說明。,第一章化工的地位與發(fā)展史,如何理解化工過程，它包括哪些內(nèi)容？請(qǐng)舉例說明。 化學(xué)工業(yè)在國(guó)民