第一章化学工业与化学工程(1)

化学工程基础BasisofChemicalEngineering武汉理工大学化学工程学院郑京京Tel：18971076927Email：[e-mail]参考书目1.《化学工程基础》（第二版）主编：李德华.化学工业出版社.2009-052.《化学工程基础》主编：罗运柏.化学工业出版社.2007-013.《化工原理》（上、下）主编：夏青等.天津大学出版社.2005-014.ChemicalEngineeringScience；AIChEJ.授课内容1.化学工业及化学工程2.流体流动过程3.传热4.吸收5.精馏6.新型分离技术7.化学反应工程学学习要求：•认真听讲•独立思考•按时完成作业考核方式：平时作业、考勤10％期中20％期末考试（闭卷）70％化学与化工的关系化学实验研究与化工生产的区别研究对象与目的工业化生产开发过程化学工业是以天然物质或其他物质为原材料，利用这些物质的性质或形态变化，或以这些物质组合，加工成对国计民生有价值的化学产品的一种工业。在化学工业中，以化学反应过程为核心。第一章化学工业与化学工程第一节化学工业概述1.1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。1.为农业提供农用生产资料；2.为其他工业提供各种配套原材料；3.为高科技产业提供新型化工材料和新产品；4.为人们提供各种化工产品和生活用品。1.2化学工业的分类及其特点按照美国标准工业分类手册（standardindustrialclassification，SIC)分类：1.基本化工产品；2.进一步加工用产品；3.供最终消费的化工产品。中国化学工业分类（“大化工”）：1.基础化学工业2.化肥工业3.石油化学工业4.其他化学工业与化工行业相关的部门：石油化工、塑料制品、化学纤维、炼焦化学、日用化工、皮革化工业、医药等。化工行业主要产品或用途化学矿山磷矿、硫矿、硼矿、矾矿和石灰石矿等酸、碱硫酸、烧碱、纯碱无机盐磷酸、碳酸钾、小苏打、无水硫酸钠、氰化钠、硫酸铝、硝酸钠、氯化锌、轻质碳酸钙、过氧化氫、沉淀硫酸钡等化肥氮肥（硫酸铵、硝酸铵、尿素、氯化铵、碳酸氫铵、氨水、石灰氮等）、磷肥（普通过磷酸钙、钙镁磷肥等）、钾肥化学农药敌百虫、乐果、甲胺磷、杀虫双、草甘磷、多菌灵等电石可作为生产聚氯乙烯、聚乙烯醇、氯丁橡胶、乙酸、乙醛、乙炔黑、双氰胺、硫脲等工业的原料热固性塑料和工程塑料酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚碳酸酯、聚甲醛、ABS树脂、尼龙1010、尼龙6、尼龙66、聚砜等合成橡胶顺丁橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶等染料硫化染料、直接染料、酸性染料、活性染料、碱性染料、还原燃料、分散染料、冰染染料、阳离子染料等表1-1主要化工行业及其相关产品续表1-1主要化工行业及其相关产品化工行业主要产品或用途涂料天然树脂漆、酚醛树脂漆、醇酸树脂漆、氨基树脂漆、过氯乙烯漆、聚酯漆、聚氨酯漆、硝基漆、有机硅漆等增塑剂邻苯二甲酸酯、对苯二甲酸二辛酯、己二酸二辛酯、烷基磺酸苯酯、氯化石蜡、磷酸酯等橡胶加工助剂防老剂、促进剂表面活性剂阳离子型、阴离子型、非离子型、两性型等造纸化学品脱墨剂、助留剂、助滤剂、表面处理剂、浆内施胶剂、纸张增强剂、涂布胶粘剂、分散剂等感光材料电影胶片、照相胶片、特种胶片、彩色像纸等磁性记忆材料磁带、磁盘等橡胶加工轮胎、运输带、胶管、胶鞋、碳黑等精细化工产品分类（依据功能和结构特征）：13类农药；黏合剂；涂料；染料和颜料；表面活性剂和合成洗涤剂；化妆品；塑料、合成纤维和橡胶用助剂；香料；感光材料；试剂和高纯物；食品和饲料添加剂；石油用化学品；造纸用化学品；功能高分子材料；催化剂；生化酶；无机精细化学品1.3化工产品的市场及其前景精细化工已经被列入中国“十二五”期间优先发展的六大领域之一。功能涂料及水性涂料，染料新品种及其产业化技术，重要化工中间体绿色合成技术及新品种，电子化学品，高性能水处理化学品，造纸化学品，油田化学品，功能型食品添加剂，高性能环保型阻燃剂，表面活性剂，高性能橡塑助剂等列为技术开发和产业化的重点。趋势：随着中国石油化工的蓬勃发展和化学工业由粗放型向精细化方向发展，以及高新技术的广泛应用，精细化工的创新能力和产业技术显著提高。2010年，中国精细化工率已达45％，计划“十二五”期间，中国化工产业总体目标及重要任务是将精细化工率提升至48％。化学工业将会由传统工业过渡到以新材料、精细化学品和专用化学品、生物技术为主体的技术密集型产业。精细化、个性化、绿色化将是现代化学工业、化学工艺及化学工程的大趋势。化学工业的特点：（1）增长速度快；（2）化工科研和新产品开发费用高；（3）大规模连续化生产和技术的复杂性促使化学工业投资加大；（4）化工产品、工艺路线、技术创造性上竞争激烈；（5）新工艺的投入、生产规模的扩大以及设备的腐蚀，致使化学工业的工厂寿命缩短、报废快；（6）在资金足够的条件下，化工产品进入市场的自由度大；（7）运输便利、均相及价值高的化工产品贸易有国际性；（8）化学工业与整个工业相辅相存，在经济发展中起支柱作用。第二节化学工程的发展趋势化学工程是一门工程技术学科，它以物理学、化学和数学为基础，并结合工业经济基本法则，主要研究化学工业中的物理变化和化学变化过程及其有关机理和设备的共同规律，并把这些规律应用到化工装置的开发、设计、操作、控制、管理、强化以及自动化等过程中，在化工工艺与化工设备之间起着承上启下的桥梁和纽带作用。化学工程的发展阶段：在20世纪前的几百年时间里，出现了不少化学工业，如制糖工业、制碱工业、造纸工业等。介绍每一种工业从原料到成品的生产过程，作为一种特殊的知识讲解，这是最早的化学工程学。1.化学工艺学阶段2.单元操作阶段20世纪初，人们逐渐发现，许多门化学工业中存在共同的操作原理。例如，无论是制糖业还是制碱业，从溶液蒸发得到固体糖和固体碱的原理是相同的，于是，蒸发成为最早提出的单元操作之一。经不断总结，被称为单元操作的有：流体流动与输送、沉降与过滤、固体流态化、传热、蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等。化学工程的发展阶段：到20世纪50年代，人们又发现，各单元操作之间还存在着共性。例如，传热和蒸发都是热量传递的形式，蒸馏、吸附、吸收、萃取都是质量传递的形式。于是，把单元操作归纳为动量传递、热量传递和质量传递。3.传递过程阶段4.“三传一反”阶段20世纪50年代中期，化学工程中出现了“化学反应工程学”这一新的分支。对化学反应器的研究，不仅要运用化学动力学和热力学原理，而且要运用动量、热量和质量传递原理。于是“传递过程”与“反应工程”成为当今化学工程学的两大支柱。简称“三传一反”阶段。2.1化学工程的兴起和发展1888年美国麻省理工学院（MIT）以诺顿（L.M.Norton）为首，设置了应用化学工程教育问题研究委员会，并在历史上第一次设置化学工程课程。1915年利特尔（A.D.Little）提出“单元操作”（unitoperation)的概念。1923年W.K.Lewis和W.H.McAdams合著了化学工程第一本教科书《化工原理》（principlesofchemicalengineering）。20世纪40年代，以合成纤维、合成橡胶和合成塑料三大合成材料为代表的石油化工的迅速发展，促进了化学工程从经验向科学演变，并发现化学工程的本质问题：“三传”（动量、质量和热量）。20世纪50年代，开始从“三传”的角度研究化学过程中的物理变化，采用高速电子计算机解决复杂工程计算问题。1957年，正式提出“化学反应工程”（ChemicalReactionEngineering）概念，极大地促进了化学工程的发展，至此，“三传一反”（masstransfer,heattransfer,momentumtransferandreactionengineering)就形成了化学工程的主要内容。20世纪60年代，计算机技术应用于化学工程中，以解决化工过程的优化规划、最优设计、最优控制和最优操作等，促成了“化工系统工程”的诞生。20世纪70年代，随着电子计算机的进一步发展,同时化学工程基础理论日趋成熟，数学模型化方法普遍应用，化工系统工程有了较大发展，对于化工过程的开发、设计，现有工厂技术改造等方面发挥了极大的作用。20世纪80年代以来，面对环境、能源等可持续发展的挑战，化学工程发展特征也逐渐演变，将化学工程定义为：“经济地开发利用物质和能量地方法为人类造福的工学”。进入21世纪，化学工程学在发展过程中还在不断向科学技术新领域渗透和拓展，其应用对象涵盖了所有物质的化学、物理转化过程。同时，也正被化学工程、石油炼制、合成材料、能源工业、冶金工业、核能工业、建材工业，以及农业、军事、航空、环境、资源、生物、医药、食品饮料、纸浆造纸等过程应用。2.2化学工程的前沿研究领域1.材料化学工程2.能源与资源化学工程3.环境化学工程4.生物化学工程第三节化工过程与单元操作3.1化工过程简介指将与原材料进行若干化学和物理过程加工、处理，生产出预期产品或中间产品，并获得一定附加值的生产过程。原料预处理反应后处理产品（准备）（加工）图1-2基本化工生产过程例如：可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。苯的生产：原料油（甲苯、二甲苯）、H2→输送→加热→反应器→减压蒸馏塔→精馏→苯（99.992~99.999%）甲醇的生产：合成气（CO，H2，CO2）→输送→管式反应器→粗甲醇→冷却→精馏→精甲醇（99.85~99.95%）化工生产过程化学反应过程物理处理过程化工生产的核心原料的预处理产品的加工（单元操作）单元操作：化工生产中除化学反应单元以外的所有物理性操作。在当今化工及其相近工业生产中应用的单元操作有几十种之多，而且随着生产的发展和科技的进步还会不断地开发出一些新型的单元操作。3.2化工单元操作单元操作的分类：1）按操作目的分：•流体输送：•物料的混合：气体和液体的输送主要指通过搅拌达到物料混合或分散的目的•物料的加热或冷却：利用物料和环境之间的温度差输入或输出热量•均相混合物的分离：气体吸收、液体蒸馏、萃取等•非均相混合物的分离：过滤和沉降1.动量传递过程：遵循流体力学基本规律的单元操作流体输送、搅拌、沉降、过滤、离心分离等。2.热量传递过程：遵循热交换基本规律的单元操作：传导、对流和辐射传热、热交换（加热、冷却、冷凝）、蒸发等。3.质量传递过程：遵循通过扩散，从一相转移到另一相的过程：吸收、蒸馏、吸附、萃取、结晶、干燥等。2）按单元操作遵循的基本规律分：3.3常用基本概念1.物料平衡：质量守恒定律:输入量-输出量=累积量2.能量守恒：能量守恒定律:物料进入系统的总热量=物料进入系统的总热量+向系统周围散失的热量3.平衡关系4.过程速率过程推动力过程速率＝过程阻力物料衡算：物料衡算也称为质量衡算，其依据是质量守恒定律。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。输入物料的总量＝排出物料的总量＋过程积累的总量积累M∑M入∑M出系统图1-2物料衡算示意图物料衡算式：∑M入＝∑M出＋M(1-1)连续稳定流动：∑M入＝∑M出(1-2)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。4.最后还要确定衡算对象的物理量及单位。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％废水例1-1附图例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？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求：产品和废水流量分析：两个未知量，需列出两个物料衡算方程求解！确定：衡算范围：包含精馏塔在内的虚线框衡算对象：a.物流的流量b.物流中乙醇的量衡算基准：单位时间：小时设：产品流量为X吨/时、废水流量为Y吨/时。