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1、化学工程基础化学工程基础Fundamentals of Chemical Engineering2023-3-62参考书参考书 化工原理化工原理. . 姚玉英主编姚玉英主编. . 天津科学技术出版社天津科学技术出版社 化学工程基础化学工程基础. . 武汉大学主编武汉大学主编. . 高等教育出版社高等教育出版社 化学工程基础化学工程基础. . 林爱光编林爱光编. . 清华大学出版社清华大学出版社 化学工程基础化学工程基础. . 李德华编李德华编. . 化学工业出版社化学工业出版社 化学工程基础学习指引和习题解答化学工程基础学习指引和习题解答. . 林爱光编林爱光编. . 清华大学出版社清华大学出
2、版社 化学工程基础学习指导化学工程基础学习指导. . 杨国泰等编杨国泰等编. . 化学工业化学工业出版社出版社2023-3-63主讲章节主讲章节l 第一章第一章 化学工业与化学工程化学工业与化学工程l 第二章第二章 流体流动与输送流体流动与输送l 第三章第三章 传热过程传热过程l 第六章第六章 精馏精馏l 第八章第八章 化学反应工程学基本原理化学反应工程学基本原理l 第九章第九章 均相反应过程均相反应过程第一章第一章 化学工业与化学工程化学工业与化学工程2023-3-651 化学工业概述化学工业概述1-1 化学工业的重要性化学工业的重要性l 为农业提供化肥、农药等农用生产资料；为农业提供化肥、
3、农药等农用生产资料；l 为轻纺、建材、冶金、国防、军工及其他行业为轻纺、建材、冶金、国防、军工及其他行业提供各种配套原材料；提供各种配套原材料；l 为微电子、信息、生物工程等高科技产业提供为微电子、信息、生物工程等高科技产业提供新型化工材料和新产品；新型化工材料和新产品；l 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。国民经济的重要基础产业国民经济的重要基础产业2023-3-662023-3-67开源节流开源节流2023-3-68化学不断发现和创造的新物质化学不断发现和创造的新物质产品产品化工过程化工过程化学反应化学反应有经济价值的商业产品有经济价值的商业产品
4、化学工程化学工程化学工业化学工业国民经济的支柱产业国民经济的支柱产业世界化工产品的总销售额世界化工产品的总销售额( (年年) ) - - 几千亿美元几千亿美元2023-3-691-2 化学工业的发展化学工业的发展l 昨天昨天（始于（始于18 世纪工业革命）世纪工业革命）无机化无机化学工业学工业1746 年年 英国人罗巴克英国人罗巴克 铅室法制硫酸铅室法制硫酸1791 年年 法国人路布兰法国人路布兰 制碱制碱1861 年年 比利时人索尔维比利时人索尔维 氨碱法氨碱法1905 年年 德国人哈伯德国人哈伯 合成氨合成氨1941 年年 中国人中国人侯德榜侯德榜 联碱法联碱法有机化有机化学工业学工业18
5、26 年年 从氰酸铵合成尿素从氰酸铵合成尿素19 C 中叶、中叶、20 C 初利用煤、农副产品初利用煤、农副产品20 C 30 年代开始石油、天然气的开发年代开始石油、天然气的开发2023-3-610l 今天今天（我国）（我国） 产品名称产品名称 产量（万吨）产量（万吨） 世界排名世界排名 化肥化肥 2955 1 染料染料 23.8 1 农药农药 38.2 2 合成橡胶合成橡胶 60 4 乙烯乙烯 383.48 5三废三废占排放总量份额占排放总量份额排名排名废渣废渣8-108-109 9废水废水20-3020-302 2 废气废气5-75-73 32023-3-611l 明天明天（发展趋势）（
6、发展趋势）以以信息技术信息技术为先导为先导以以新材料技术新材料技术为基础为基础以以新能源技术新能源技术为支柱为支柱微观尺度向微观尺度向生物技术生物技术开拓开拓宏观尺度向宏观尺度向空间空间和和海洋海洋扩展扩展化学工业不再局限于传统的化工领域，与这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。六大技术渗透结合。2023-3-612材料工程材料工程 高分子功能材料、陶瓷、纳米材料、富勒碳高分子功能材料、陶瓷、纳米材料、富勒碳能源化工能源化工 发展煤化工（洁净煤技术发展煤化工（洁净煤技术）环境化工环境化工 CO2 化学化学 环境工程环境工程 清洁生产清洁生产 OHCaClEOOHCaOHCl
7、CHCHHClOHClCHCHClOHHC2222222224222)(2 EOOHC 2425 .0直接氧化法直接氧化法:氯乙氯乙醇法醇法l 发展趋势发展趋势2023-3-613生物工程生物工程生物学生物学化学化学工程学工程学生物技术生物技术生化生化工程工程化学工程化学工程生物化学生物化学e.g. 将淀粉酶基因克隆到酵母菌中发酵生产乙醇，将淀粉酶基因克隆到酵母菌中发酵生产乙醇，时间缩短了时间缩短了十分之九十分之九，能量消耗减少了，能量消耗减少了60。2023-3-6141-3 化学工业的特点化学工业的特点l 与人类的生存和发展息息相关与人类的生存和发展息息相关 世界面临着三大挑战：世界面临着
8、三大挑战：人口增长、环境污染和能源人口增长、环境污染和能源短缺。短缺。l 原料路线、工艺路线和产品品种的多样性原料路线、工艺路线和产品品种的多样性l 化学工业属于技术密集型和能源密集型产化学工业属于技术密集型和能源密集型产业业322.NHHNgecat 提倡采用新工艺、新设备，提高物料的综合提倡采用新工艺、新设备，提高物料的综合利用，降低能耗。利用，降低能耗。2023-3-615l 1887 年，英国人年，英国人David. G. E . 在曼彻斯特工在曼彻斯特工学院做了一系列化学工程问题的讲演；学院做了一系列化学工程问题的讲演；l 1888 年，美国麻省理工学院，世界上第一次年，美国麻省理工
9、学院，世界上第一次讲授讲授“化学工程化学工程”这门课程；这门课程；l 1915 年，利特尔年，利特尔Little. A. D. 提出了单元操作提出了单元操作（Unit Operation）的概念；）的概念；l 1923 年，第一本化学工程教科书年，第一本化学工程教科书Principles of Chemical Engineering；2 化学工程学科化学工程学科2023-3-616l 1957 年，正式提出了年，正式提出了“化学反应工程化学反应工程”（Chemical Reaction Engineering）l 20 世纪世纪 60 年代后期，计算机用于化学工程以年代后期，计算机用于化学工
10、程以解决最优规划，最优设计解决最优规划，最优设计“化工系统工程化工系统工程”l 1983 年在美国化学工程师学会（年在美国化学工程师学会（AICHE）第）第 75 周年年会上，把化学工程定义为周年年会上，把化学工程定义为“经济地开经济地开发利用物质和能量的方法为人类造福的工学发利用物质和能量的方法为人类造福的工学”。2023-3-617化化工工生生产产写实写实19 世纪世纪90 年代年代化学工艺学化学工艺学或工业化学或工业化学单元操作单元操作（物理过程）（物理过程）抽象抽象1923 年年化学反应工程化学反应工程单元过程单元过程（化学过程）（化学过程）化工系统工程化工系统工程传递过程传递过程19
11、60 年年抽象抽象计算机计算机20 世纪世纪 60 年代年代l 学科的发展学科的发展2023-3-618l 化学工程学科的内容化学工程学科的内容 单元操作单元操作 固体和流体物料输送、加热和冷却、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、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。干燥等基本操作的总称。 传递过程传递过程 “三传三传”： 动量传递、热量传递、质量传递动量传递、热量传递、质量传递 化学反应工程化学反应工程 研究理想反应器内化学反应的一些共同规律研究理想反应器内化学反应的一些共同规律 化工热力学化工热力学 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研究化
12、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平衡的条件 化工系统工程化工系统工程 以化工系统为研究对象，从整体目标出发确定最优决策以化工系统为研究对象，从整体目标出发确定最优决策2023-3-619生产的原料路线生产的原料路线生产方法、技术生产方法、技术操作程序操作程序物料走向物料走向相关单元操作设备的相关单元操作设备的组合组合2023-3-620化学工艺：化学工艺： 生产过程或技术生产过程或技术原料原料制制 造造Chemical Technology化学工业：化学工业：原料原料化学工艺化学工艺化学品化学品生生 产产工厂企业形成的特定生产部门工厂企业形成的特定生产部门化学方法化学
13、方法化学品化学品Chemical Industry2023-3-6212023-3-622化工过程化工过程化学反应化学反应物理过程物理过程流体输送、沉降、过滤、传热、流体输送、沉降、过滤、传热、吸收、蒸馏、萃取、干燥吸收、蒸馏、萃取、干燥 单元操作单元操作 核心核心即：化工过程即：化工过程 化学反应化学反应 + 若干单元操作若干单元操作原料原料产品产品一系列加工处理步骤一系列加工处理步骤Chemical Process使物料发生所使物料发生所要求的物理变要求的物理变化的基本操作化的基本操作2023-3-623二二. . 研究方法研究方法实验研究法实验研究法测试技术测试技术实验规划实验规划数据处
14、理数据处理数学模型法数学模型法过程分析过程分析数学描述数学描述2023-3-6243 实验室研究与化工生产差别实验室研究与化工生产差别e.g. a. 搅拌搅拌 化学实验与化工生产过程比较化学实验与化工生产过程比较b. 放大效应放大效应c. 加料加料D 10 DV（容积）（容积）? S（传热器壁面积）（传热器壁面积）?2023-3-625项目项目化学实验化学实验化工生产化工生产 原料原料数量少、纯度高、配比严格、数量少、纯度高、配比严格、易储存、无需预处理易储存、无需预处理量大，因来源不同、价格不一、纯量大，因来源不同、价格不一、纯度不同，故使用前需预处理度不同，故使用前需预处理 工艺工艺操作简
15、单、变更容易、可以精操作简单、变更容易、可以精密控制反应条件，无物料返回密控制反应条件，无物料返回利用问题利用问题操作复杂，不易随意变更，单元操操作复杂，不易随意变更，单元操作控制难度大，杂质易积累，中间作控制难度大，杂质易积累，中间检测多检测多 设备设备以玻璃器皿为主，防腐，易清以玻璃器皿为主，防腐，易清洗洗要求设备强度高、耐腐蚀，结构复要求设备强度高、耐腐蚀，结构复杂，清洗、操作难杂，清洗、操作难 产品产品量少，易采集，通常无需分离量少，易采集，通常无需分离量大，需专门的分离与精制过程量大，需专门的分离与精制过程公用工程公用工程 简单易行，无需专门设施简单易行，无需专门设施需供水、供气、供
16、电、动力等设施需供水、供气、供电、动力等设施环境保护环境保护 三废排放量少，易于处理，无三废排放量少，易于处理，无需专用设施需专用设施三废排放量大，必须通过专用设施三废排放量大，必须通过专用设施予以治理予以治理2023-3-6262023-3-627举例说明：举例说明：萘萘邻苯二甲酸酐邻苯二甲酸酐 + Q催化剂催化剂氧化氧化实验室实验室化工生产化工生产催化剂升催化剂升温活化温活化电加热电加热空气预热至活化温度，空气预热至活化温度，通入少量反应物通入少量反应物量量催催萘萘反应温反应温度控制度控制外加热外加热冷却冷却即：即：1.量上量上少少多多2.传质、传热及材质上的差别传质、传热及材质上的差别3.能源、动力及技术与经济上的差别能源、动力及技术与经济上的差别1 - 20 g0.04 - 0.8 gh-110 - 30 吨吨400 - 1200 kgh-12023-3-628萘萘O邻苯二甲酸酐邻苯二甲酸酐 + Q533.53 10Vm621.06 10Sm71.52 10QW反62.78 10QW移335.34Vm22.36Sm0.157QW反0.0296QW移2023-3-629l 从实验
