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1、化学工程基础 Fundamentals of Chemical Engineering,化学工程与生物工程系 吐 松 Tel: 2183054 E-mail: ,2018/10/22,2,规 则,课堂纪律:不允许打、接电话不允许在上课过程中进出教室 考核：平时成绩（0-30%），考试（70-100%）,2018/10/22,3,参考书,化工原理. 姚玉英主编. 天津科学技术出版社 化学工程基础. 武汉大学主编. 高等教育出版社 化学工程基础. 林爱光编. 清华大学出版社 化学工程基础. 李德华编. 化学工业出版社 化学工程基础学习指引和习题解答. 林爱光编. 清华大学出版社 化学工程基础学习指
2、导. 杨国泰等编. 化学工业出版社,2018/10/22,4,主讲章节,第一章 化学工业与化学工程第二章 流体流动与输送第三章 传热过程第六章 精馏第八章 化学反应工程学基本原理第九章 均相反应过程,第一章 化学工业与化学工程,2018/10/22,6,1 化学工业概述,1-1 化学工业的重要性 为农业提供化肥、农药等农用生产资料； 为轻纺、建材、冶金、国防、军工及其他行业提供各种配套原材料； 为微电子、信息、生物工程等高科技产业提供新型化工材料和新产品； 为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品。,国民经济的重要基础产业,2018/10/22,7,酸处理,过滤器,一级NF,二级NF,截流水,脱
3、碳器,氯处理,石灰处理,产品水,水的纳滤软化流程,2018/10/22,8, 衣食住行,化学工业,人类生存密切相关, 能源, 国防和科技现代化, 环保,开源节流,2018/10/22,9,化学不断发现和创造的新物质,产品,化工过程,化学反应,有经济价值的商业产品,化学工程,化学工业,国民经济的支柱产业,世界化工产品的总销售额(年),- 几千亿美元,2018/10/22,10,1-2 化学工业的发展昨天（始于18 世纪工业革命）,无机化学工业,1746 年 英国人罗巴克 铅室法制硫酸 1791 年 法国人路布兰 制碱 1861 年 比利时人索尔维 氨碱法 1905 年 德国人哈伯 合成氨 194
4、1 年 中国人侯德榜 联碱法,有机化学工业,1826 年 从氰酸铵合成尿素 19 C 中叶、20 C 初利用煤、农副产品 20 C 30 年代开始石油、天然气的开发,2018/10/22,11,今天（我国）,2018/10/22,12,明天（发展趋势）,以信息技术为先导,以新材料技术为基础,以新能源技术为支柱,微观尺度向生物技术开拓,宏观尺度向空间和海洋扩展,化学工业不再局限于传统的化工领域，与这六大技术渗透结合。,2018/10/22,13,材料工程高分子功能材料、陶瓷、纳米材料、富勒碳 能源化工发展煤化工（洁净煤技术） 环境化工CO2 化学 环境工程 清洁生产,直接氧化法:,氯乙醇法,发展
5、趋势,2018/10/22,14,生物工程,生物学,化学,工程学,生物技术,生化 工程,化学工程,生物化学,e.g. 将淀粉酶基因克隆到酵母菌中发酵生产乙醇，时间缩短了十分之九，能量消耗减少了60。,2018/10/22,15,1-3 化学工业的特点,与人类的生存和发展息息相关世界面临着三大挑战：人口增长、环境污染和能源短缺。 原料路线、工艺路线和产品品种的多样性 化学工业属于技术密集型和能源密集型产业,提倡采用新工艺、新设备，提高物料的综合利用，降低能耗。,2018/10/22,16,1887 年，英国人David. G. E . 在曼彻斯特工学院做了一系列化学工程问题的讲演； 1888 年
6、，美国麻省理工学院，世界上第一次讲授“化学工程”这门课程； 1915 年，利特尔Little. A. D. 提出了单元操作（Unit Operation）的概念； 1923 年，第一本化学工程教科书Principles of Chemical Engineering；,2 化学工程学科,2018/10/22,17,1957 年，正式提出了“化学反应工程”（Chemical Reaction Engineering） 20 世纪 60 年代后期，计算机用于化学工程以解决最优规划，最优设计“化工系统工程” 1983 年在美国化学工程师学会（AICHE）第 75 周年年会上，把化学工程定义为“经济地
7、开发利用物质和能量的方法为人类造福的工学”。,2018/10/22,18,化工生产,化学工艺学 或工业化学,单元操作 （物理过程）,化学反应工程,单元过程 （化学过程）,化工系统工程,传递过程,学科的发展,2018/10/22,19,化学工程学科的内容 单元操作固体和流体物料输送、加热和冷却、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、干燥等基本操作的总称。 传递过程“三传”： 动量传递、热量传递、质量传递 化学反应工程研究理想反应器内化学反应的一些共同规律 化工热力学研究化工过程中各种形式能量之间的相互转换规律和过程趋于平衡的条件 化工系统工程以化工系统为研究对象，从整体目标出发确定最优决策,2018/10/2
8、2,20,化工,化学工艺,化学工业,化学工程,化工过程,单元操作 传递过程 化学反应工程 化工热力学 过程系统工程,动量、热量、质量传递的总称,研究化工过程中各种状态变化、能量转化和能量有效利用,包括系统分析、系统模拟、系统综合和系统优化等,化工原理,20世纪初美国李特尔提出，麻省理工学院率先开“化工原理”课程，现代“化学工程”是世界公认的一门系统性的工程学科,2018/10/22,21,化学工艺：, 生产过程或技术,原料,制 造,Chemical Technology,化学工业：,原料,化学工艺,化学品,生 产,工厂企业形成的特定生产部门,化学方法,化学品,Chemical Industry
9、,2018/10/22,22,化学工程：,研究,工业生产过程的共同规律,指导,工业装置,放大,设计,生产操作, 学科,Chemical Engineering,2018/10/22,23,化工过程,化学反应,物理过程,流体输送、沉降、过滤、传热、吸收、蒸馏、萃取、干燥, 单元操作, 核心,即：化工过程 化学反应 + 若干单元操作,原料,产品,一系列加工处理步骤,Chemical Process,使物料发生所要求的物理变化的基本操作,2018/10/22,24,二. 研究方法,实验研究法,测试技术,实验规划,数据处理,数学模型法,过程分析,数学描述,检验与修正,2018/10/22,25,3 实
10、验室研究与化工生产差别,e.g. a. 搅拌,化学实验与化工生产过程比较,b. 放大效应,c. 加料,D 10 D,V（容积）?,S（传热器壁面积）?,2018/10/22,26,2018/10/22,27,实验室,工业过程,直接过渡,想 一 想,是否可行 ?,2018/10/22,28,举例说明：,实验室,化工生产,催化剂升温活化,电加热,空气预热至活化温度，通入少量反应物,量,催,萘,反应温度控制,外加热,冷却,即：,1.量上,少,多,2.传质、传热及材质上的差别,3.能源、动力及技术与经济上的差别,1 - 20 g,0.04 - 0.8 gh-1,10 - 30 吨,400 - 1200
11、 kgh-1,2018/10/22,29,萘,O,邻苯二甲酸酐,+ Q,实验室反应器,加热,工业反应器,冷却,2018/10/22,30,从实验室研究到工业生产,实验室成果能否进行工业化的四个要求:,对环境无危害,技术上可靠,经济上可行,生产上安全,2018/10/22,31,4 本课程几个基本概念与方法,4-1 流程图,描述从物料开始，经过一系列按一定顺序并相互衔接的单元操作和反应过程，生产合格产品的生产工艺过程称为化工工艺流程。用图表示的化工工艺流程称为化工工艺流程图。,工艺流程框图、装置流程图、 管线图、带控制点的流程图等。,类型有：,2018/10/22,32,尿素生产工艺流程框图,2
12、018/10/22,33,尿素生产流程简图,2018/10/22,34,乙烯,苯,V101,苯乙烯气相烷基化工艺流程图,P101,R101,T101,T102,V103,E101,E103,E104,产品,副产物,V101,E102,V102,填料,催化剂,塔板,2018/10/22,35,例：,蒸发器,冷却结晶器,20KNO3 1000 kg/h,水 W ?,S 50,R ?,P ?,96,37.5,首先要确定衡算对象,F,F = W + P F0.2 = W0 + P0.96,S = R + P S0.5 = R0.375 + P0.96,W 、 P,R,2018/10/22,36,能量衡算 （能量守恒定律）,无反应热效应： 系统累积能量 = 输入能量输出能量,伴随反应热效应： 系统累积能量 = 输入能量输出能量 + 反应放出（+）或吸收（-）的能量,过程速率,温差、浓度差,2018/10/22,37,基础数据：物性数据 过程参数：控制生产过程的指标 无量纲量：由各种变量和参数组成的数群,4-3 化工数据,国际单位制（SI） The International System of Units,2018/10/22,38,长度 (m) 质量 (kg) 时间 (s) 物质的量 (mol)电流 (A) 热力学温度 (K) 【开尔文】发光强度 (cd) 【坎德拉】,七个基本单位：,
