1、2020/9/4,1,化 工 基 礎,2,第一章 緒言,1.1 化學工業(yè)概述,1.2 化工生產過程概述,1.3 化學工程學簡介,1.4 化工數(shù)據(jù),3,1.1 化學工業(yè)概述,四、 化學工業(yè)的特點,一、 化學工業(yè)的重要性及其發(fā)展,二、 化學工業(yè)范疇及分類,三、 化學工業(yè)原料及選擇原則,五、 化工的發(fā)展與現(xiàn)狀,4,化學工業(yè):,一、 化學工業(yè)的重要性及其發(fā)展,化學工業(yè)是將各種原材料通過不同條件下所進行的化學反應，使其性質或形態(tài)產生變化，定向加工成對國民經濟發(fā)展和人民生活水平改善有價值的化學產品的工業(yè)。,5,其重要性可歸納為：,（1）為農業(yè)提供化肥、農藥、塑料薄膜等農用生產資料； （2）為輕紡、建材、冶

2、金、國防、軍工以及其他工業(yè)提供各種配套原材料； （3）為微電子、信息、生物、航天技術等高技術產業(yè)提供新型化工材料和新產品； （4）為人們的衣、食、住、行提供各種化工產品。,一、 化學工業(yè)的重要性及其發(fā)展,6,1、化學工業(yè)的分類： 美國：,按照美國標準工業(yè)分類手冊（SIC）確定的分類法：,化學工業(yè)包括：生產基本化工產品的企業(yè) 以化學方法為主進行產品加工的企業(yè),中國：,化學工業(yè)包括：,二、 化學工業(yè)范疇及分類,分為25類 或通用化學品及 精細化學品.,化學品:,基本化學工業(yè) 化肥工業(yè) 石油化學工業(yè) 精細化學工業(yè) 其他化學工業(yè),7,2 主要化工行業(yè)及其相關產品,8,2.主要化工行業(yè)及其相關產品,9,

3、三、化工原料及選擇原則,1.化學工業(yè)原料,按來源劃分：,無機材料和有機材料,無機材料主要有：,空氣、水和化學礦物,有機材料主要有：,煤、石油、天然氣和生物質,10,2.選擇原則,在選擇原料路線和技術線路時應當全面地權衡技術、經濟、社會和環(huán)保等方面的利弊。 1.原料的品位、供應量 2.經濟性 3.原料資源的綜合利用,11,四、 化學工業(yè)的特點,(1)、化學工業(yè)是獨特的,不可取代的工業(yè)部門； (2)、化工產品品種繁多,工藝復雜; (3)、化學工業(yè)是裝置型工業(yè),具有規(guī)模經濟性; (4)、化學工業(yè)是資金密集,技術密集的工業(yè)部門; (5)、化學工業(yè)是能源消耗的大戶; (6)、化學工業(yè)是易污染、重污染的工

4、業(yè)部門,12,18世紀中硫酸生產;19世紀中制堿;20世紀初合成氨;20世紀中石油工業(yè)20世紀后精細化工,五、化學工業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)狀,（1）、化學工業(yè)的發(fā)展,化學工業(yè)是一個十分古老的工業(yè)，最早可追根溯源至公元前年以前，最早的化學工藝為制陶、釀造、漂染、鞣革等行業(yè),13,（2）、我國的化學工業(yè),舊中國的化學工業(yè)基礎十分薄弱。從1876年在天津建立的一個2t/d鉛室法制硫酸廠開始，只有幾個沿海、沿江城市有化工企業(yè)。除少數(shù)工廠生產基本化工原料外，大多只有生產油漆、染料、橡膠制品、醫(yī)藥制劑等加工產品。到1949年，國內化工產品僅100種左右，主要產品產量為：化肥0.6萬噸,硫酸11萬噸,燒堿1.5萬噸,

5、純堿8.8萬噸.全部化工產值僅1.77億元,占全國工業(yè)總產值的1.6%,14,（3）、世界化學工業(yè) 自1746年英國出現(xiàn)第一座硫酸銅廠以來,現(xiàn)代世界化學工業(yè)經過過260多年的發(fā)展,已形成一個技術成熟、規(guī)模宏大和品種繁多的產業(yè)部門。從世界化學工業(yè)布局來看，世界化工生產、市場、技術和大型企業(yè)主要集中在北美、日本、西歐和前蘇聯(lián)與東歐四個地區(qū)。20世紀90年代以來，亞洲特別是東南亞，化學工業(yè)異軍突起，發(fā)展勢頭引人注目。,15,1、 化工過程 2、 單元操作及其分類,1.2 化工生產過程概述,16,原料,（1） 預處理,化工過程：有目的的使原料經過一系列的化學或物理變化，以獲得產品的工業(yè)過程，也稱為化工

6、生產，或化工生產過程。,（2） 反 應,（3） 后處理,產品,基本化工生產過程,1、 化工過程,17,例如：,可見，一個化工過程往往包含幾個或幾十個加工過程。,苯的生產： 原料油（甲苯、二甲苯）、H2輸送加熱反應器減壓蒸餾塔精餾苯（99.99299.999%）,甲醇的生產： 合成氣（CO，H2，CO2）輸送管式反應器粗甲醇冷卻精餾精甲醇（99.8599.95%）,18,化工生產過程,化學反應過程,物理處理過程,化工生產的核心,原料的預處理,產品的加工,（單元操作）,19,（）概念 單元操作：化工生產中除化學反應單元以外的 所有物理性操作。,2、 單元操作及其分類,20,)單元操作的分類：,(1

7、）按操作目的分：,流體輸送：,物料的混合：,氣體和液體的輸送,主要指通過攪拌達到物料混合 或分散的目的,物料的加熱或冷卻：,利用物料和環(huán)境之間的 溫度差輸入或輸出熱量,均相混合物的分離：,氣體吸收、液體蒸餾、萃取等,非均相混合物的分離：,過濾和沉降,21,（2）按單元操作遵循的基本規(guī)律分：,動量傳遞過程：,熱量傳遞過程：,遵循流體力學基本規(guī)律的單元操作： 流體輸送、沉降、過濾和離心分離等,遵循熱交換基本規(guī)律的單元操作： 如傳熱、蒸發(fā)等,質量傳遞過程：,遵循通過擴散，從一相轉移到另一相的過程： 吸收、吸附、蒸餾、萃取、離子交換、膜分離等,22,在20世紀前的幾百年時間里，出現(xiàn)了不少化學工業(yè)，如制

8、糖工業(yè)、制堿工業(yè)、造紙工業(yè)等。介紹每一種工業(yè)從原料到成品的生產過程，作為一種特殊的知識講解，這是最早的化學工程學。,化學工藝階段,1、 化學工程學的發(fā)展階段,1.3 化學工程學簡介,23,單元操作階段,20世紀初，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，許多門化學工業(yè)中存在共同的操作原理。例如，無論是制糖業(yè)還是制堿業(yè)，從溶液蒸發(fā)得到固體糖和固體堿的原理是相同的，于是，蒸發(fā)成為最早提出的單元操作之一。,24,到20世紀50年代，人們又發(fā)現(xiàn)，各單元操作之間還存在著共性。例如，傳熱和蒸發(fā)都是熱量傳遞的形式，蒸餾、吸附、吸收、萃取都是質量傳遞的形式。于是，把單元操作歸納為動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞。,傳遞過程階段,返回,25

9、,“三傳一反”階段,20世紀50年代中期，化學工程中出現(xiàn)了“化學反應工程學”這一新的分支。對化學反應器的研究，不僅要運用化學動力學和熱力學原理，而且要運用動量、熱量和質量傳遞原理。于是 “傳遞過程” 與 “反應工程” 成為當今化學工程學的兩大支柱。簡稱 “三傳一反” 階段。,返回,26,2.化學工程學的研究方法,主要研究方法有： 經驗歸納法和演繹的模型法,27,3.化學工程學的幾個基本概念,在從事化學工程研究、進行化工過程開發(fā)及設備的設計、操作時，經常運用下面基本概念: 1、物料衡算 2、能量衡算 3、平衡關系 4、過程速率,28,1)、物料衡算：,物料衡算也稱為質量衡算，其依據(jù)是質量守恒定律

10、。它反映一個過程中原料、產物、副產物等之間的關系，即進入的物料量必等于排出的物料量和過程中的積累量。,輸入物料的總量 排出物料的總量過程積累的總量,29,物料衡算示意圖,物料衡算式： M入 M出 M,連續(xù)穩(wěn)定流動：M入 M出,30,熱量衡算示意圖,熱量衡算式： Q入 Q出 Q,穩(wěn)定的連續(xù)性操作：Q入 Q出,2)、熱量衡算：,熱量衡算的依據(jù)是能量守恒定律。,31,4、化工基礎在化學領域的地位,32,1.4 化工數(shù)據(jù),單位制與單位換算,33,1）、 單位制：,英國：,英制單位：,質量：,“磅”,1 b 0.4536 kg,長度：,“英尺”,1 ft 0.3048 m,中國：,附表1-4-1 我國幾

11、種舊單位制的基本量和基本單位,單位制,基本量,單位制與單位換算,34,國際單位制：,在1960年10月的第11屆國際計量大會上通過了一種新的單位制度，稱為國際單位制度，代號為 “SI”，也稱為 SI單位制。SI 單位制是目前國際上最先進的一種單位制，被許多國家廣泛使用。我國的法定計量單位也是以 SI單位制為基礎的。,35,國際單位制的構成：,國際單位制 （SI）,SI 單位,SI 單位的十進倍數(shù)和分數(shù)單位,SI 基本單位,SI 導出單位,SI 詞頭,SI 輔助單位,36,表1-4-2 SI 基本單位和輔助單位,37,表1-4-3 化工中常用的SI 導出單位舉例,38,續(xù)表1-4-3 化工中常用

12、的SI 導出單位,39,表1-4-4 SI 詞頭,40,SI 單位的十進倍數(shù)和分數(shù)單位：,把 SI 詞頭加在 SI單位前就構成了 SI單位的十進倍數(shù)和分數(shù)單位。,如，壓強單位 MPa，力的單位 kN。,原則：,詞頭不可重疊使用,n m (納米)：10-9m,41,計量單位和 SI 詞頭使用方法要點：,由 SI 基本單位相除構成的單位，若分母中有兩個以上的單位符號時，要給分母加上圓括號，避免混淆。,如，傳熱系數(shù)單位： W/(m2K),42,計量單位和 SI 詞頭使用方法要點：,2. 由 SI 基本單位通過乘或除構成的組合單位，在使用 SI 詞頭時，詞頭應加在整個單位之前，分母一般不用詞頭。,如，

13、摩爾內能單位： kJ/mol,而不用 J /(mmol),43,第二章 流體流動過程,44,3.1 流體的基本性質,什么是流體？ 有哪些特征？,45,流體的特征,1易流動性,當流體受到外部切向力作用時，易于變形而產生流動。,2可壓縮性,流體在外部溫度和壓力作用下，流體分子間的距離會發(fā)生一定的改變，表現(xiàn)為流體密度大小的變化。,工程上：,密度為常數(shù),46,1流體的密度,流體的密度單位體積流體的質量。用 表示，屬于物性。,影響因素：流體種類、濃度、溫度、壓力,47,流體的密度,液體混合物：,氣體：,-理想氣體狀態(tài)方程,Mm = M1y1+ M2y2 + + Mnyn,氣體混合物：,48,2. 比體積

14、,單位質量流體具有的體積，稱為流體的比體積 與流體密度互為倒數(shù) =1/,49,3流體的壓強及其表示方法,流體的壓強流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的壓強，簡稱壓強。用p表示，工程上習慣稱之為壓力。,1）壓力單位,SI 制中， N/m2 = Pa，稱為帕斯卡,2）壓力大小的兩種表征方法,絕對壓力,表壓,1atm（標準大氣壓）=1.033at（工程大氣壓） =1.013105Pa =760mmHg=10.33mH2O,50,絕對壓強以絕對零壓作起點計算的壓強，是 流體的真實強。 表壓強壓強表上的讀數(shù)，表示被測流體的絕對壓強比大氣壓強高出的數(shù)值，即: 表壓強絕對壓強大氣壓強,51,真空度 真空

15、表上的讀數(shù)，表示被測流體的絕對壓強低于大氣壓強的數(shù)值，即: 真空度大氣壓強絕對壓強,52,4. 流體的流量和流速,流量,流量,體積流量,m3/s,質量流量,kg/s,qm qV,摩爾流量,qm M qn,53,2流速,流速,體積流速,質量流速,平均流速,m/s,kg/(m2s),W u,qm W A u A,54,流體的粘性和內摩擦力 流體的粘性 流體在運動的狀態(tài)下,有一種抗拒內在的向前運動的特性。 流體的內摩擦力 運動著的流體內部相鄰兩流體層間的相互作用力。是流體粘性的表現(xiàn), 又稱為粘滯力或粘性摩擦力。 由于粘性存在，流體在管內流動時，管內任一截面上各點的速度并不相同,如圖所示。,5、 流體

16、的粘性與牛頓粘性定律,55,各層速度不同,速度快的流體層對與之相鄰的速度較 慢的流體層發(fā)生了一個推動其向運動方向前進的力，而同時速度慢的流體層對速度 快的流體層也作用著一個大 小相等、方向相反的力，即 流體的內摩力。 ,流體在圓管內分層流動示意圖,56,牛頓粘性定律,流體流動時的內摩擦力大小與哪些因素有關,平板間液體速度分布圖,1）表達式 實驗證明,對于一定的液體,內摩擦力F與兩流體層的速度差u成正比；與兩層之間的垂直距離y成反比,與兩層間的接觸面積S（F與S平行）成正比，即:,57,單位面積上的內摩擦力稱為內摩擦應力或剪應力，以表示，于是上式可寫成:,此式只適用于u與y成直線關系的場合。,

17、比例系數(shù)，其值隨流體的不同而異，流體的粘性愈大，其值愈大，所以稱為粘滯系數(shù)或動力粘度,簡稱為粘度。,58,當流體在管內流動時，徑向速度的變化并不是直線關系，而是的曲線關系。則式應改寫成： 式中 速度梯度，即在與流動方向相垂直的y方向上流體速度的變化率；,以上兩式均稱為牛頓粘性定律。,59,牛頓粘性定律說明流體在流動過程中流體層間所產生的剪應力與法向速度梯度成正比，與壓力無關。 流體的這一規(guī)律與固體表面的摩擦力規(guī)律不同。,2）物理意義,60,在物理單位制中,粘度的單位為:泊,不同單位之間的換算關系為: 1Pas=10P=1000cP,當流體的粘度較小時，單位常用cP（厘泊）表示。,（b）單位,1Pas=10P,61