化工基础(张四方)绪论

化工基础 Elementary Chemical Engineering 化工基础 化学工程基础 什么是化学工程？ 化学过程 是指物质发生化学变化的反应过程，如 柴油的催化裂化制备高辛烷值汽油是一个化学反应过程。 物理过程 系指物质不经化学反应而发生的组成、 性质、状态、能量变化过程，如原油经过蒸馏的分离而得 到汽油、柴油、煤油等产品。 实际上， 化学过程往往和物理过程同时发生 。例如催 化裂化是一个典型的化学过程，但辅有加热、冷却和分离， 并且在反应进行过程中，伴随有流动、传热和传质。 化学工程学 研究化学工业和其他过程工业生产中所进 行的 化学过程和物理过程共同规律 的一门 工程学科 。 这些工业包括 石油炼制工业、冶金工业、建筑材料工业、 食品工业、造纸工业 等。 它们从石油、煤、天然气、盐、 石灰石、其他矿石和粮食、木材、水、空气等基本的原料 出发， 借助化学过程或物理过程，改变物质的组成、性质 和状态，使之成为多种价值较高的产品 ，如化肥、汽油、 润滑油、合成纤维、合成橡胶、塑料等等。 通过化学工程的研究，认识和阐释这些过程的规律性，并 使之应用于生产过程和装置的开发、设计、操作，以达到 优化和提高效率的目的。 化学过程与化学工程 的区别 化学工程：如何通 过一系列的设备、 工艺、操作来实现 化学过程。注重过 程、条件、影响因 素。关注操作性、 合理性、经济性。 化学过程：化学 反应的原理、机 理，过程进行的 可行性。注重能 否进行的问题。 问题：专科教育与本科教育的差异何在？ 专科教育以应用为目的，在理论学习上以够用为度；而 本科 教育重在培养学生的理论体系 。 例子：虹吸现象。大家都知道水往低处流，但在虹吸中水先 往高处流，越过一个高点后才往低处流。为什么呢？只有用流 体动力学的理论才能作出解释。 经验只能解决现象问题，理论才能解决本质问题 。 请 珍惜本科教育机会，注重培养自己的理论体系 ，认真学好 每门基础理论课。 化工基础 ，是化工类各专业课的基础理论课，也是化学工艺 等专业考研的必考专业课。 一 .化学工业概述 化学工业（ chemical industry）又称化学 加 工工业 ，是综合运用化学和物理方法将原料加工成 化学产品的加工工业。也泛指生产过程中化学方法 占主要地位的 过程工业 。 1.化学工业的重要性及其发展 化学工业是国民经济重要的基础工业，是最具 活力、最具竞争力、可发展前景极强的产业。随着 石油工业的发展，化学工业从 50年代起进入高速发 展期，已成为世界经济发展的支柱产业。 2.化学工业的分类 化工生产装置实例 70万吨乙烯装置 化工生产装置实例 甲醇回收装置 化工生产装置实例 合成氨装置 化工生产过程实例 湿法磷酸生产工艺流程 磷矿石 破碎 球磨 酸解反应 过滤 浓缩 精制 磷酸（化肥、 饲料用） 磷酸（医药、 食品用） 硫酸 HF气体 （回收） 过滤 水 滤渣石膏 洗液 加工成盐 3.化学工业的特点 (1)化学工业与人类的生存和发展息息相关 当今世界面临的 三大挑战 ： A.人口增长 ： 1804年 10亿人 1927 年 20亿人 1960 年 30亿人 1974 年 40亿人 1987 年 50亿人 1999 年 60亿人，每年 7800万人的增长速度， 预计 2013年 70亿，实际 2010年 64.64亿人。 吃饭大问题！ B.环境污染 ：人口增长 工业发展 大气和水污染。每年流入海洋的石 油达 1000多万吨，排入大气的 CO2达 230亿吨，水土流失 240亿吨。 C.能源短缺 ：以现有速度，全世界的石油只够用 60年，煤炭 300年左右。 化学工业已担负起迎接三大挑战的历史重任：可提供充足的化肥、 农药、化学纤维、合成医药及各种新型合成材料，满足人口增长带来的 衣、食、住、行的需要；在化工生产中合理使用能源和开发新能源，可 有效解决能源紧缺问题（如生物能源、核能等）；“三废”的治理更是 化学工业义不容辞的责任，其作用是其他工业无法替代的。 (2)化工产品品种繁多，工艺复杂 品种繁多导致生产工艺的多样性。同一原料可生产多种产品， 同一产品又可利用多种原料生产，所以技术难度大。合理的资源配 置和原料路线，恰当工艺技术的选择和组合，产品结构和产业结构 的优化，是化工中要解决的主要问题。 (3)化学工业是装置型工业，具有规模经济性 化工生产的主要设备大多是塔、罐、槽、器及管道，生产能力与 容积（即其线性尺寸的三次方）呈正比，制造费与容器表面积（即 其线性尺寸的二次方）呈正比。装置的投资费用 T与其生产能力 M的 2/3次方呈正比（所谓的 0.6次方法则）： T=M0.60.7 如： M=10万元 /年，则 T=4050万元， 45倍 M=100万元 /年，则 T=16002500万元， 1625倍 M=1000万元 /年，则 T=6.312.6亿元， 63126倍 (4)化学工业是资金密集型、技术密集型工业 工艺复杂性和装置大型化决定了它的这一特征。如年产值 30万吨合成氨 ,45万吨尿素的化肥厂，投资达到 40-50亿元；年 产 30万吨的乙烯厂，需投资 60-80亿元。 化工技术更新速度快， 化工厂设备的寿命一般不超过 15年 流动资金占固定投资的 12-20%，每年的设备维修费 5-10%。 如： M=100万元 /年， T=2000万元，流动资金 300-400万元， 维修费 100-200万元 /年。 技术密集表现在工艺流程长，从原料到产品，涉及化学、 机械、电子、仪表等诸多领域，有很高的知识密集度和很强的 技术综合性。 若以机械工业的技术密集指数为 100，则化学工 业达到 2480。 (5)化学工业是能耗大户 化学工业以煤、石油、天然气等能源为原料，也作为生 产的动力和燃料。能源中约 40作为生产原料， 60作为 动力和燃料， 原料消耗费占产品成本的 60%-70%。 (6)化学工业是易污染、重污染的工业部门 化工产品大多是易燃、易爆、有毒的，在生产、储存、 运输、使用过程中，如果发生泄露，就会严重危害人的健 康，污染环境。例如广西广维集团爆炸事件。 2008年 8月 26 日 6时 45分，广维化工股份有限公司有机车间发生爆炸事故 ， 爆炸引发的火灾导致车间内装有甲醇、乙炔、醋酸乙烯等 易燃易爆物品的储罐发生爆炸，共造成 20人死亡。事故还 造成周围 3公里范围内 18个村屯和广维集团生活区的 11500 名群众紧急疏散。 二 .化学工程概述 课程特点 ：理论与经验相结合的工程研究方法 经验方法 实验方法 理论方法 数学模型法 相似准则：利用经验公式和实验曲线对设计和工程进行相似 性放大 因次分析：利用实验来确定变量关系，用无因次数群构成关 系式 利用基本定律对过程的微观机理进行相应的数学描述（数学 模型） 注：该方法着眼于过程参数的整体变化，不究其微观机理，得到的结果带有局限 性 ，不可任意推而广之。 “ 化工原理 ” 半理论、半经验的方法特点 实际工程复杂问题 理论与经验是化工工程技术人员迈向成功的两条腿 分析并抓住描述 过程物理本质的 基本规律 实验数据回归确 定待定模型参数 对次要因素作出合 理假设（简化） 建立数学模型 通过实验或工 程实践检验模 型的可靠性 核心部分： 化学反应过程及其设备 （ 反应器 ） 前处理过程： 又称预处理过程 ， 在进行化学反应之前 ， 对原料进行各种 预处理 ， 以便为反应过程创造最适宜的工艺条件 ， 如适宜的物料状态 、 纯度以及它应具有的温度 、 压强等 。 后处理过程： 化学反应后，对产物或中间产物需要进行必要的后处理， 以便获得合格的最终产品或中间产物。 （核心部分） （辅助部分） 三 .化工生产过程 原料 前处理 化学处理（核心） 后处理 产品 （或中间产品） 例如，高压法生产聚乙烯，上述过程可图示如下： 压缩机 加热器 聚合 反应器 分离器 粒化器 聚乙烯 乙烯 回收乙烯 粒状聚乙烯 乙烯的压缩与预热为预处理过程；聚合反应后， 物料的分离与聚乙烯的粒化，则为产物的后处理过程。 人们在长期从事化工生产实践中，自然而然地把 组成不 同化工行业生产过程所共有的基本的物理操作过程 抽提出来， 研究其各自内在的规律性，并在理论上加以总结和提高，再 应用到生产实践中去，这些基本的物理操作过程就称为 单元 操作。 单元操作定义： 指在各种化工产品的生产过程中，具有 共同的物理变化，遵循共同的物理学定律和具有共同作用的 基本操作。 如：流体的输送与压缩、沉降、过滤、传热、蒸 发、结晶、吸收、蒸馏、萃取、冷冻等。 以 “ 三传 ” 为物理内核的单元操作 四 . 化学工程中的一些基本规律 1.质量守恒（物料衡算） ： 它反映一个过程中原料、产物、副产物等之间的关系， 即进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的积累量。 积累或 损失 M M入 M出 系 统 物料衡算式 ： M入 M出 M累或损 对连续稳定流动 ： M入 M出 进行物料衡算时，必须明确下面几点： 1. 首先要确定衡算的系统，即衡算对象包括的范围。 2. 其次要确定衡算的基准。 3. 然后确定衡算的对象（指标、参数）。 4. 最后还要确定衡算对象的物理量及单位。 例 1-1 每小时有 10 吨 5 的乙醇水溶液进入精馏塔，塔 顶馏出的产品中含乙醇 95，塔底排出的废水中含乙醇 0.1。求每小时可得产品多少吨？若废水全部排放，每 年（按操作 7200小时 计）损失的乙醇多少吨？ 精 馏 塔 原料液 含乙醇 5 10吨 /时 乙醇产品 含乙醇 95 含乙醇 0.1 废水 解： 已知 ： 原料液流量及其中乙醇含量 产品和废水中乙醇含量 确定： 衡算范围： 衡算对象： 衡算基准： 设：产品流量为 X 吨 /时、废水流量为 Y 吨 /时 。 由物料衡算式 ： M入 M出 对物流的量进行衡算： 10 X + Y (1) 对乙醇的量进行衡算： 10 5 X 95 + Y 0.1 (2) 解得： X 0.516 吨 /时 ， Y 9.484 吨 /时 每年损失乙醇： 9.484 0.1 7200 68.28 吨 /年 2.能量守恒（能量衡算） ： 目的： 计算单位产品的能耗， 了解过程中能量的利用和损 失情况，确定生产过程中需要输入、输出的热量， 设计换热设备 积累或 损失 Q Q入 Q出 系 统 热量衡算式： Q入 Q出 Q累或损 稳定的连续性操作： Q入 Q出 3.平衡关系 平衡决定过程进行的方向各可能够达到的极限 可以确定当时条件下物料或能量能够利用的极限，从而 确定加工方案 4.过程速率 过程速率决定装置和设备的生产能力，过程速率越 高，设备生产能力越大，或设备的尺寸越小。 过程速率（ r） 5.从实验室研究到工厂生产 将实验室研究扩大为生产规模，使新产品、新工艺或新技 术在工业装置中运转或转变为生产的全过程称为 化工过程开发 。 实验室与化工生产过程的区别 ： （ 1）原料数量、质量上的不同 （ 2）工艺方法、工艺条件、工艺要求、操作手段的不同 （ 3）设备大小、结构、材质的不同 如：边长为 1m的正方体容器， V=1m3， S=6m2 ，若将每条边长扩大 10倍 为 10m，则 V=1000m3， S=600m2， 体积扩大 1000倍而表面积只扩大 100倍，不同步 ，则必然造成散热不均。故必须采用其他措施，如水 冷、风冷等，否则反应结果必然改变。 （ 4）产品数量、质量不同，分离要求及分离设备也不同 （ 5）附属设施：生产上须设置水、电、气、动力、安全、运输、贮存 等设施 （ 6）废水、废气、废渣的排放量不同，治理要求和设施也不同 开发步骤 ：实验室研究（小试） 可行性研究（技术经济 评价） 中间试验（中试） 基础设计（技术经济评价） 工业装置的设计和投产 6.单位制与单位换算 （ 1）国际单位制 国际单位制 是 1960年 10月第十一界国际计量大会通过的 一种优越性较大的新单位制，其代号为 SI。 通用性 ： SI具有高度的通用性或者统一性。 一贯性 ： 使用 SI在导出单位时，不需引入比例系数，而且 SI中任何一 个物理量只有一个单位。 A、 SI的基本量与基本单位 基本量的名称 基本单位名称 基本单位符号 长 度 米 m 质 量 千 克 kg 时 间 秒 s 电 流 安 培 A 热力学温度 开尔文 K 物质的量 摩 尔 mol 发光强度 坎德拉 cd 表 1. 国际单位制的基本量与基本单位 （ 7个） 其他物理量的单位，都可以由这七个基本单位中的某几个单位根 据物理定义或规律组合而成。 表 2. 国际单位制的辅助单位（ 2个） 表 3. 国际单位制中具有专门名称的导出单位 （共 17个） 量 的 名 称 单 位 名 称 单 位 符 号 平面角 弧度 rad 立体角 球面角 sr 量 的 名 称 单 位 名 称 单 位 符 号 其它表示式示例 频率 赫兹 Hz s 1 力；重力 牛顿 N m/s2 压力（压强） 应力 帕斯卡 Pa N/m 2 能量，功，热 焦耳 J Nm 功率 瓦特 W J/s 摄氏温度 摄氏度 * （ 2）目前我国使用的单位制 1984年国务院发布命令，确定我国 统一使用以 SI为基 础，包括由我国指定的若干非国际单位制在内的中华人民 共和国法定计量单位制，简称 法定计量单位制 ， 并且 规定，从 1991年起，除个别领域外，不允许使用非法定计 量单位制。 非国际单位制是指，如时间的单位除了用秒外，还可以 用分（ min）、小时（ h），天（ d）；质量的单位除了用 kg 外，还可以用吨（ t），体积的单位除了用 m3外，还可以用 升（ l）等。