1、化工基础化工基础化学与材料科学学院化学与材料科学学院孙孙 婷婷教材：上海师范大学，福建师范大学合编的教材：上海师范大学，福建师范大学合编的化工基础化工基础第第四四版版化工基础课程介绍化工基础课程介绍o 化工（专业必修课）：化工（专业必修课）：n化工原理：材料，环境和生物n化工基础：化学o 基础：物理化学基础：物理化学n公式多，计算多，过程复杂o 考试：半开卷考试：半开卷n不允许带书，只允许带“一张”A4的纸，正反面都可以写o 成绩成绩n作业+提问+出勤=平时成绩（30%）n期末考试占70%o 基本要求：基本要求：n 不迟到，不讲话，按时交作业第一节第一节 化学工业与化学工程概述化学工业与化学工
2、程概述第二节第二节 化工过程与单元操作化工过程与单元操作第三节第三节 化工中应用的几个基本规律化工中应用的几个基本规律第四节第四节 化工数据及单位化工数据及单位2022-11-16第一章 绪 论42022-11-16第一章 绪 论5 化学工业是国民经济重要的基础工业，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。极强的一个部门。其重要性可归纳为：其重要性可归纳为：（1）为农业提供化肥、农药、塑料薄膜等农用生产资料；）为农业提供化肥、农药、塑料薄膜等农用生产资料；（2）为轻纺、建材、冶金、国防、军工以及其他工业提）为
3、轻纺、建材、冶金、国防、军工以及其他工业提 供各种配套原材料；供各种配套原材料；（3）为微电子、信息、生物、航天技术等高技术产业提）为微电子、信息、生物、航天技术等高技术产业提 供新型化工材料和新产品；供新型化工材料和新产品；（4）为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品。）为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品。2022-11-16第一章 绪 论6化学工业的特点：化学工业的特点：（1）增长速度快；）增长速度快；（2）化工科研和新产品开发费用高；）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；）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
4、产品、工艺路线、技术创造性上竞争激烈；）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）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；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；）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；）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。）化学工业与整个工业相辅相存，在经济发展中起支柱作用。2022-11-16第一章 绪 论
5、7化学工程的研究内容化学工程的研究内容：2022-11-16第一章 绪 论8化学工程的发展阶段化学工程的发展阶段：在在20世纪前的几百年时间里，出现了不少化学工业，如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。化学工程学。1.化学工艺学阶段化学工艺学阶段2.单元操作阶段单元操作阶段 20世纪初，人们逐渐发现，许多门化学工业中存在共同世纪初，人们逐渐发现，许多门化学工业中存在共同
6、的操作原理。例如，无论是制糖业还是制碱业，从溶液蒸发的操作原理。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：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、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。蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等。2022-11-16第一章 绪 论9 到到20世纪世纪50年代，人们又发现，各单元操作之间还
7、存年代，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、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。作归纳为动量传递、热量传递和质量传递。3.传递过程阶段传递过程阶段4.“三传一反三传一反”阶段阶段 20世纪世纪50年代中期，化学工程中出现了年代中期，化学工程中出现了“化学反应工化学反应工程学程学”这一新的分支。对化学反应器的研究，不仅要运用这一新的分支。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
8、用动量、热量和质量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。于是传递原理。于是“传递过程传递过程”与与“反应工程反应工程”成为当今成为当今化学工程学的两大支柱。简称化学工程学的两大支柱。简称“三传一反三传一反”阶段。阶段。2022-11-16第一章 绪 论10 化工过程化工过程：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。图图1-1 基本化工生产过程基本化工生产过程原原料料 （1）预处理预处理 （2）反反 应应 （3）后处理后处理产产品品2022-11-16第一章 绪 论11化工生产过程化学反应过程物理处理过程 化工生产的核
9、心 原料的预处理 产品的加工(单元操作单元操作)2022-11-16第一章 绪 论12 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。2022-11-16第一章 绪 论13单元操作的分类单元操作的分类：1）按操作目的分：）按操作目的分：p 流体输送：p 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p 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p 均相混合物的分离：气体吸收、液体蒸馏、萃取等p 非均相混合物的分离：过滤和
10、沉降2022-11-16第一章 绪 论142）按单元操作遵循的基本规律分：）按单元操作遵循的基本规律分：p 动量传递过程：动量传递过程：p 热量传递过程：热量传递过程：遵循流体力学基本规律的单元操作：遵循流体力学基本规律的单元操作：流体输送、沉降、过滤和离心分离等流体输送、沉降、过滤和离心分离等遵循热交换基本规律的单元操作：遵循热交换基本规律的单元操作：如传热、蒸发等如传热、蒸发等p 质量传递过程：质量传递过程：遵循通过扩散，从一相转移到另一相的过程：遵循通过扩散，从一相转移到另一相的过程：吸收、吸附、蒸馏、萃取、离子交换、膜分离等吸收、吸附、蒸馏、萃取、离子交换、膜分离等尿素生产流程尿素生产
11、流程生产尿素的原料是生产尿素的原料是氨氨和和二氧化碳二氧化碳。合成反应分两步合成反应分两步：（1）氨与二氧化碳生产氨基甲酸铵；氨与二氧化碳生产氨基甲酸铵；2NH3（气）+CO2（气）=NH4COONH2（固）（2）甲酸铵脱水生成尿素；甲酸铵脱水生成尿素；NH4COONH2=NH2CONH2+H2O尿素生产流程尿素生产流程尿素生产流程图2022-11-16第一章 绪 论17第三节第三节 化工中应用的几个基本规律化工中应用的几个基本规律o 物料衡算o 热量衡算o 平衡关系o 过程速率2022-11-16第一章 绪 论181、物料衡算：、物料衡算：物料衡算也称为质量衡算，其依据是质量物料衡算也称为质
12、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。产物等之间的关系。进入的物料量必等于排出的物料量和过程进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的积累量：中的积累量：输入物料量输入物料量 排出物料量过程积累量排出物料量过程积累量2022-11-16第一章 绪 论19积累 MM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)2022-11-16第一章 绪 论20进行物料衡算时，必须明确下面几点：进行物料衡算时，必须明确下面几点：p 首先要确定衡算的范围。首先要确定衡算的范
13、围。p 其次要确定衡算的基准。其次要确定衡算的基准。p 然后确定衡算的对象。然后确定衡算的对象。p 最后还要确定衡算对象的物理量及单位。最后还要确定衡算对象的物理量及单位。2022-11-16第一章 绪 论212、热量衡算：、热量衡算：热量衡算的依据是能量守恒定律。热量衡算的依据是能量守恒定律。热量衡算的目的是：热量衡算的目的是：p 计算单位产品的能耗计算单位产品的能耗p 了解过程中能量的利用和损失情况了解过程中能量的利用和损失情况p 确定生产过程中需要输入、输出的热量确定生产过程中需要输入、输出的热量p 设计换热设备设计换热设备2022-11-16第一章 绪 论22积累积累 QQ入入Q出出系
14、系 统统图图1-3 热量衡算示意图热量衡算示意图热量衡算式：热量衡算式：Q入入 Q出出 Q稳定的连续性操作：稳定的连续性操作：Q入入 Q出出 (1-3)(1-4)2022-11-16第一章 绪 论233、平衡关系：、平衡关系：平衡关系可以确定过程进行的方向、程度，平衡关系可以确定过程进行的方向、程度，平衡状态是过程进行的极限。平衡状态是过程进行的极限。p 平衡关系的形式：平衡关系的形式：传热：高温传热：高温低温，温差为低温，温差为0时平衡。时平衡。传质：吸收，精馏等，传质推动力为传质：吸收，精馏等，传质推动力为0时平衡。时平衡。流体流动：高液位流体流动：高液位低液位，液面位置相同时平衡。低液位
15、，液面位置相同时平衡。化学反应：由不平衡向平衡移动，直到平衡。化学反应：由不平衡向平衡移动，直到平衡。p 确定过程的极限，确定能量利用和物料利用方案。确定过程的极限，确定能量利用和物料利用方案。p 考察外界条件对平衡的影响，找出最大利用物料、能考察外界条件对平衡的影响，找出最大利用物料、能 量的条件量的条件2022-11-16第一章 绪 论244、过程速率（动力学过程）：、过程速率（动力学过程）：p 确定所需设备大小：确定所需设备大小：根据过程需处理的物料量。根据过程需处理的物料量。p 确定提高过程速率的方法：确定提高过程速率的方法：过程速率（过程速率（）=过程推动力（过程推动力（）过程阻力（
16、过程阻力（R）根据过程速率大小。根据过程速率大小。增加过程推动力增加过程推动力：压强差、温度差、浓度差。：压强差、温度差、浓度差。降低过程阻力降低过程阻力R：传热中提高：传热中提高、等等。2022-11-16第一章 绪 论25单位制：单位制：英制单位：质量：“磅”1 lb 0.4536 kg长度：“英尺”1 ft 0.3048 m表表1-2 我国几种旧单位制的基本量和基本单位我国几种旧单位制的基本量和基本单位kgf(千克力)s (秒)m (米)米千克力秒制 MKfSs (秒)kg(千克)m (米)米千克秒制 MKSs (秒)g (克)cm(厘米)厘米克秒制 CGS 力时 间 质 量长 度单位制
17、基本量2022-11-16第一章 绪 论26表表1-3 SI 基本单位和辅助单位基本单位和辅助单位2022-11-16第一章 绪 论27表表1-4 化工中常用的化工中常用的SI 导出单位举例导出单位举例2022-11-16第一章 绪 论28 续表续表1-4 化工中常用的化工中常用的SI 导出单位举例导出单位举例2022-11-16第一章 绪 论29表表1-5 SI 词头词头2022-11-16第一章 绪 论30例例1-1 通用气体常数通用气体常数 R82.06 atmcm3/(molK)，将其换算成国际单位：将其换算成国际单位：kJ/(kmolK)表示。表示。3atm cmR82.06mol K方法：将复合单位所包含的简单单位逐一按要求替换，方法：将复合单位所包含的简单单位逐一按要求替换，最后化成所要求的单位形式。最后化成所要求的单位形式。5321.013 10 N1182.06(0.01m)m0.001kmolK 8314N m/(kmol K)8.314kJ/(kmol K)2022-11-16第一章 绪 论31 武汉大学武汉大学高等教育出版社高等教育出版社参考书参考书
