化学工程基础ppt课件

化学工程基础FundamentalsofChemicalEngineering12020/5/72规则：遵守课堂纪律独立思考按时完成作业考核方式：•平时作业、实验、课堂表现30％•期末考试（闭卷）70％学时：40+12教材内容讲解：2~11周实验部分：平时空闲（周末等），2个考试：17周（暂定）2020/5/73课程进度安排：2020/5/74参考书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导.杨国泰等编.化学工业出版社2020/5/75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第四章传质分离基础第五章吸收第六章精馏第一章化学工业与化学工程§1.1化学工业概述§1.2化学工程学§1.3物料衡算与能量衡算62020/5/77§1.1化学工业概述化学工业是国民经济重要的基础工业，是工业经济中最具活力，有待开发且竞争力极强的一个部门。86%6.9%7.1%其他工业石油天然气化学工业————工业和信息化部，2011年1-1化学工业的重要性2020/5/78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；…………触及现代生活的各个角落：2020/5/79——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2020/5/710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1941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19C中叶、20C初利用煤、农副产品20C30年代开始石油、天然气的开发1-2化学工业的发展2020/5/711今天（2011年我国）产品名称产量（万吨）世界排名化肥70001染料761农药2652合成橡胶3801乙烯18502三废占排放总量份额排名废渣8-10％9废水20-30％2废气5-7％32020/5/712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。2020/5/713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OHCaClEOOHCaOHClCHCHHClOHClCHCHClOHHC2222222224222)(2EOOHC2425.0直接氧化法:氯乙醇法发展趋势环氧乙烷2020/5/714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％。2020/5/7151-3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322..NHHNgecat提倡采用新工艺、新设备，提高物料的综合利用，降低能耗。2020/5/7161-4化学工业的分类美国：按照美国标准工业分类手册（SIC）确定的分类法，化学工业包括：生产基本化工产品的企业以化学方法为主进行产品加工的企业中国：基本化学工业化肥工业石油化学工业其他化学工业化学工业包括：2020/5/7171-5化工生产工艺及流程化工生产过程：有目的的使原料经过一系列的化学或物理变化，以获得产品的工业过程，也称为化工生产，或化工生产过程。原料（1）预处理（2）反应（3）后处理产品基本化工生产过程2020/5/718例如:可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。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%）甲醇的生产：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%）苯的生产：2020/5/719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）2020/5/720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。•固体和流体物料输送•物料的加热和冷却•非均相混合物料的分离•液体混合物料的蒸发、蒸馏和萃取•气体物料的吸收•物料的干燥和冷却单元操作的结果只改变物料的物理性质化工生产过程就是由若干单元操作和反应过程按一定顺序组合而成2020/5/721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：2020/5/722尿素生产工艺流程框图2020/5/723尿素生产流程简图2020/5/724乙烯苯V101苯乙烯气相烷基化生产流程简图P101R101T101T102V103E101E103E104产品副产物V101E102V102填料催化剂塔板2020/5/725e.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→10DV（容积）?S（传热器壁面积）?1-5实验室研究与化工过程开发2020/5/726项目化学实验化工生产原料数量少、纯度高、配比严格、易储存、无需预处理量大，因来源不同、价格不一、纯度不同，故使用前需预处理工艺操作简单、变更容易、可以精密控制反应条件，无物料返回利用问题操作复杂，不易随意变更，单元操作控制难度大，杂质易积累，中间检测多设备以玻璃器皿为主，防腐，易清洗要求设备强度高、耐腐蚀，结构复杂，清洗、操作难产品量少，易采集，通常无需分离量大，需专门的分离与精制过程公用工程简单易行，无需专门设施需供水、供气、供电、动力等设施环境保护三废排放量少，易于处理，无需专用设施三废排放量大，必须通过专用设施予以治理2020/5/727实验室工业过程直接过渡想一想是否可行?2020/5/728举例说明：萘邻苯二甲酸酐+Q催化剂氧化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1-20g0.04-0.8g·h-110-30吨400-1200kg·h-12020/5/729萘〔O〕邻苯二甲酸酐+Q实验室反应器加热533.5310Vm621.0610Sm71.5210QW反62.7810QW移工业反应器335.34Vm冷却22.36Sm0.157QW反0.0296QW移2020/5/730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第一章化学工业与化学工程§1.1化学工业概述§1.2化学工程学§1.3物料衡算与能量衡算312020/5/732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，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（UnitOperation）的概念；1923年，第一本化学工程教科书《PrinciplesofChemicalEngineering》；§1.2化学工程学科2020/5/7331957年，正式提出了“化学反应工程”（ChemicalReactionEngineering）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“经济地开发利用物质和能量的方法为人类造福的工学”。2020/5/734化工生产写实19世纪90年代化学工艺学或工业化学单元操作（物理过程）抽象1923年化学反应工程单元过程（化学过程）化工系统工程传递过程1960年抽象计算机20世纪60年代2-1学科的发展2020/5/7352-2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2020/5/736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生产的原料路线生产方法、技术操作程序物料走向相关单元操作设备的组合动量、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学品具体生产过程或技术“化工原理“研究：工业生产的共同规律指导：生产工艺的设计2020/5/737二.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第一章化学工业与化学工程§1.1化学工业概述§1.2化学工程学§1.3物料衡算与能量衡算382020/5/739§1.3物料衡算和热量衡算1.物料衡算：也称质量衡算，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2020/5/740积累M∑M入∑M出系统物料衡算示意图物料衡算式：∑M入＝∑M出＋M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。4.最后还要确定衡算对象的物理量及单位。41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！42包含精馏塔在内的虚线框a.物流的流量b.物流中乙醇的量确定：衡算范围：衡算对象：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。由物料衡算式：∑M入＝∑M出对物流的量进行衡算：10＝X+Y对乙醇的量进行衡算：10×5％＝X×95％+Y×0.1％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432020/5/7442.能量衡算（能量守恒定律）依据：能量守恒定律目的：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2020/5/745积累Q∑Q入∑Q出系统能量衡算示意图无反应热效应：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2020/5/746过程速率过程阻力过程推动力速率温差、浓度差能量衡算式：∑Q入＝∑Q出＋Q积累稳定的连续性操作：∑Q入＝∑Q出化工热力学上，常用“焓”表示物料所处的热状态∑(w·H)入＝∑(w·H)出＋Qw：物料的质量或质量流量；H：焓能量衡算基准：数量基准、温度基准、相态基准例1-2在一列管式热交换器中用压强为136kPa的饱和蒸汽加热298K的