化工基础第一章

1.5 热量衡算
化工生产中所需的能量以热为主，用于改变物料的温度与聚集状 态，提供反应所需热量等。若操作中有几种能量相互转化，则其 间的关系用能量衡算来定，若只牵涉到热，能量衡算便简化为热 量衡算。 能量衡算的基础是能量守恒定律。 输入 输出 累积 消耗 输入=输出 累积/消耗 输出+累积 若为稳定过程，输入 输出 输入=输出 输入
SI中能量和热量都是以J(焦尔)或kJ(千焦尔)为单位。1 J=1N·m。工
程制的能量单位是[千克(力)·米]，热量单位是[千卡]。它们之间的换 算关系如下： 1kcal=427kgf·m=4.187kJ 热量衡算计算方法与物料衡算相同 返回
1千克（力）指的是质量为1kg的物体在地面上的重量，即：
1kgf = 9.81kg ⋅ m / s = 9.81N
2
则： 1kg =
1 kgf ⋅ s 2 / m 9.81
各种单位之间的换算详见教材P441附录一。 *注：在以后所进行的计算中，需将所有单位转换成同一单位制。 如题目无特别说明，均采用SI制 Example：
化学工程学科的发展 1923年美国麻省理工学院的著名教授W. 1923年美国麻省理工学院的著名教授W. H. 华克尔等人编写出版的 年美国麻省理工学院的著名教授 第一部关于单元操作的著作――化工原理（ ――化工原理 第一部关于单元操作的著作――化工原理（Principles of ），从而奠定了化学工程作为一门独立工 Chemical Engineering ），从而奠定了化学工程作为一门独立工 程学科的基础，完成了从化工生产工艺到单元操作的发展， 程学科的基础，完成了从化工生产工艺到单元操作的发展，推进认 识上的一个飞跃。 识上的一个飞跃。对于化学工程学科的形成和发展起到了推动作用 我国于20世纪 年代创办了化学工程系，开设了化工原理课程。 世纪20年代创办了化学工程系 。我国于 世纪 年代创办了化学工程系，开设了化工原理课程。 解放之后，我国先后出版了以单元操作为主线的《化工原理》 解放之后，我国先后出版了以单元操作为主线的《化工原理》、《 化工过程及设备》 化工操作原理及设备》等教科书。 化工过程及设备》、《化工操作原理及设备》等教科书。 随着对化学品需求的增长，引起了从手工业向大工业的过渡。 随着对化学品需求的增长，引起了从手工业向大工业的过渡。化学 家分为纯化学家和工业化学家（或称应用化学家）。 ）。纯化学家主要 家分为纯化学家和工业化学家（或称应用化学家）。纯化学家主要 对合成新物质，发现新的化学反应，测定物质的化学结构和性质， 对合成新物质，发现新的化学反应，测定物质的化学结构和性质， 以及新的机理、规律、理论感兴趣。 以及新的机理、规律、理论感兴趣。工业化学家则着眼于将该化学 物质或化学反应在工业上的运用和实现。 物质或化学反应在工业上的运用和实现。要求工业化学家具备较多 的物理和机械知识。英国工程师G.E.戴维斯 戴维斯(George Edwards 的物理和机械知识。英国工程师 戴维斯 Davis,1850-1907年)最早提出“化学工程”这一概念。1915年麻省 最早提出“ 年 最早提出 化学工程”这一概念。 年麻省 理工学院A.D.Little首次提出“化工单元操作”的概念。 首次提出“ 理工学院 首次提出 化工单元操作”的概念。
注：同一原料可以生产出多种产品；同一产品可以由不同的原料进 行生产。
化工生产过程实例
湿法磷酸生产工艺流程
磷矿石 硫酸 HF气体 （回收） 磷酸（化肥、 饲料用）
破碎 球磨
加工成盐
酸解反应
过滤
水 洗液
浓缩 精制
磷酸（医药、 食品用）
过滤
滤渣石膏
化工生产过程实例
柠檬酸生产工艺流程
白薯干 石灰乳 CaCO3
化学工程的发展
20世纪 年代“三传一反”（动量传递、热量传递、质量传 世纪60年代 三传一反” 动量传递、热量传递、 世纪 年代“ 化学反应工程）概念的提出， 递、化学反应工程）概念的提出，开辟了化学工程发展过程的第 二个历程。计算机应用的快速发展， 二个历程。计算机应用的快速发展，使化学工程成为更完整的体 并推向了“过程优化集成” 分子模拟”的新阶段。 系，并推向了“过程优化集成”、“分子模拟”的新阶段。 随着科学技术的高速发展， 随着科学技术的高速发展，化学工程与相邻学科相融合逐渐 形成了若干新的分支与生长点，诸如：生物化学工程、 形成了若干新的分支与生长点，诸如：生物化学工程、分子化学 工程、环境化学工程、能源化学工程、计算化学工程、 工程、环境化学工程、能源化学工程、计算化学工程、软化学工 微电子化学工程等。同时，上述新兴产业与学科的发展， 程、微电子化学工程等。同时，上述新兴产业与学科的发展，也 推动了特殊领域化学工程的进步。 推动了特殊领域化学工程的进步。 更为广义地说， 更为广义地说，化学工程是研究化学工业和相关过程工业 （Process industry）生产过程中所进行的化学反应过程及物理 ） 过程普遍规律的一门工程学科。 过程普遍规律的一门工程学科。它的范围不但覆盖了化学与石 化工业，而且渗透到能源、环境、生物、材料、制药、冶金、 化工业，而且渗透到能源、环境、生物、材料、制药、冶金、 轻工、卫生、信息等工业及技术部门。 轻工、卫生、信息等工业及技术部门。
1.2 化工过程与单元操作
化学工程以化学工业的生产过程为研究对象。在化学工业中，对原 料进行大规模的加工处理，使其不仅在状态与物理性质上发生变化 ，而且在化学性质上也发生变化，成为合乎要求的产品，这一过程 即为化学工业的生产过程，简称为化工过程（化工工艺过程）。 化工过程（ 化工过程 化工工艺过程）。 原料 产品
粉碎
发SO4
干燥
产品
离心
结晶
浓缩
净化
粗盐液
酸解过滤
化工生产过程实例
氨基比林生产工艺流程
4－氨基安 替比林晶体 水 氢气 甲醛 触媒 吸附后的 活性炭
活性炭
溶解
氢化
脱色
蒸馏水
压滤
氨基比林 成品
气流 干燥
氨基比林湿品
洗涤 脱水
成品结晶
母液浓缩回收
化工生产装置实例
天然气净化
化工生产装置实例
尿素装置
以教材P10尿素生产工艺为例：化工过程所包含的加工步骤均可分 为两类。一类以进行化学反应 进行化学反应为主，通常是在反应器中进行，它是 进行化学反应 化工过程的核心；另一类则主要是物理性加工步骤，即改变物料的 状态或其物理性质，而不是改变其化学性质。例如：流体输送、过 滤、沉降、搅拌、蒸馏、吸收、干燥、……等，这类化工生产中共 有的过程，用来为化学反应过程创造适宜的条件或将反应产物分离 制成纯净产品，这一系列物理性的化工基本操作过程称为单元操作 单元操作 。任何一种化工过程均是由若干化工单元操作及化学反应过程有机 任何一种化工过程均是由若干化工单元操作 任何一种化工过程均是由若干化工单元操作及化学反应过程有机 组合而成。 组合而成。 单元操作的特点： （1）物理操作； （2）共有操作； （3）通用操作。
《化学基础工程》课程的任务
化学工程学科
热力学和反应工程 在什么条件下所期望的 化学反应才能发生？ 反应的速率将会是多大？ 不期望的反应（副反应） 速率又会是多大？ 转化率为多少？
本课程的内容 通过什么样的工程方法和 设备来实现其工艺过程？ 反应物如何供给、产物又 如何分离？ 如何提供反应所需的热量 及使用反应放出的热量？ 怎样才能从工业规模生产 中获得最佳的经济效益？ 返回
化工学科体系的形成 化工教育是从化学教育中分离出来的。 化工教育是从化学教育中分离出来的。1885年，英国伦敦帝国学院 年 最早创办了化工系，当时的课程是化学与机械工程的混合。 最早创办了化工系，当时的课程是化学与机械工程的混合。不久停 办。1888年，美国麻省理工学院首先在化学系科内设置化学工程课 年 后来才开始设置化学工程系。 ，后来才开始设置化学工程系。其他国家随后也逐步建立了化学工 程系。在美国著名化学家A.D.Little首次提出“化工单元操作”的 首次提出“ 程系。在美国著名化学家 首次提出 化工单元操作” 概念之后， 华克尔等), 概念之后，W.H.Walker(W. H. 华克尔等 W.K.Lewis和 和 W.H.McAdams三人合著的《化工原理》初版在 三人合著的《 年问世。 三人合著的 化工原理》初版在1923年问世。化工 年问世 学科已由一种工艺单元发展为现代化的工程科学。 学科已由一种工艺单元发展为现代化的工程科学。 中国的化工高等教育 1927年4月，李寿恒在浙江大学建立了化工系。李寿恒先生于 年 月 李寿恒在浙江大学建立了化工系。李寿恒先生于1925 年在美国伊利诺伊大学获化学工程博士学位后回国教授应用化学。 年在美国伊利诺伊大学获化学工程博士学位后回国教授应用化学。 不久后，南京的中央大学和天津的南开大学也设立了化工系。 不久后，南京的中央大学和天津的南开大学也设立了化工系。到 1949年，全国约有 个化工系。新中国成立后，进行大规模的院系 个化工系。 年 全国约有30个化工系 新中国成立后， 调整，第一批合并组成了天津大学化工系、大连工学院化工系、 调整，第一批合并组成了天津大学化工系、大连工学院化工系、成 都工学院化工系、华南工学院化工系、华东化工学院、 都工学院化工系、华南工学院化工系、华东化工学院、北京石油学 院等。 院等。1958年，北京化工学院创建。目前，全国有上百个化工学院 年 北京化工学院创建。目前， 或化工系。 或化工系。
化工基础
主讲人：僮祥英
第一章 绪论
1.1 化学工业概述 1.2 化工过程与单元操作 1.3 单位制度与单位换算 1.4 物料衡算 1.5 热量衡算
1.1 化学工业概述
化学工业 (chemical industry)： ： 利用自然界中的物资资源，通过物理 化学的方法将原料加工 物理和 利用自然界中的物资资源，通过物理和化学的方法将原料加工 成为产品的工业。 成为产品的工业。 它的范围不但覆盖了化学与石化工业，而且渗透到能源、环境、 它的范围不但覆盖了化学与石化工业，而且渗透到能源、环境、 生物、材料、制药、冶金、轻工、卫生、信息等工业及技术部门。 生物、材料、制药、冶金、轻工、卫生、信息等工业及技术部门。 在人们的衣、 娱乐等生活中均离不开化学产品。 在人们的衣、食、住、行、娱乐等生活中均离不开化学产品。
本课程的主要教学任务： （1）以动量传递理论为基础，如流体输送、沉降、过滤、固体流 态化、搅拌等；（2）以热量传递理论为基础，如加热、冷却、冷 凝、蒸发等； （3）以质量传递理论为基础，如蒸馏、吸收、萃取 等；即 过滤
流流 输输 气流 液液 喷喷 干干 与 沉降 搅搅
动量传递
液流 汽液 流流 液
蒸蒸 浓浓
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1.4 物料衡算
物料衡算的根据是质量守恒定律，由此可得，进入任何过程的物料 质量，必须等于从该过程离开的物料质量与积存于该过程中的物料 质量之和： 输入=输出 输出+积存 输入 输出 积存 若此过程进行中无物料积存，此种过程称为稳定过程。 则此种情 况下的物料衡算关系便简化为： 输入=输出 输入 输出 整个过程的范围内使用，亦可在1个或 个设备 个或N个设备 *注：上述关系可在整个过程的范围内 整个过程的范围内 个或 全部物料运用，在没有化学反应发生时 的范围内使用。它既可针对全部物料 全部物料 的范围内 还可针对混合物的任一组分 任一组分来运用。 任一组分 Example： 物料衡算步骤总结 返回
热量 传递
质量 传递
气液 吸吸
液液 萃取 气气 吸吸 精精 结结
加加 冷冷
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1.3 单位制度与单位换算
一、三种单位制度 1. 国际制（SI制）；2. 物理制（cgs制）；3. 工程制。 三种单位制度的基本单位： SI制： 长度单位米(m)，质量单位千克(kg)，时间单位秒(s)，温度单位开尔 文(K)，物质的量单位摩尔(mol)。 cgs制 长度单位厘米(cm)，质量单位克(g)，时间单位秒(s)。 工程制 长度单位米(m) ，力或重量单位千克(力) (kgf)，时间单位秒(s)。