化工基础(张四方)绪论
化工基础(张四方),传热
四.传热中的一些基本物理量和单位
热量Q：是能量的一种形式， J 传热速率 常用q表示 是指单位时间传递的热量， W 传热速率也称为热流量，或热负荷
热流密度q：单位面积上的传热速率，W· m 潜热：单位质量的物质在发生相变化时伴随的热量变化J/kg 比定压热容cp：压力恒定时，单位质量的物质温度升高1K时 所需的热量，J· -1· -1 K kg
均值。
二. 平面壁的稳定热传导 1）单层平壁的稳定热传导
对于稳定传热，导热速率q不随时间而变。
t2
t1
q dt
A 0 d
q t 2 t1 A
t1 t2
q
A
t1 t 2
t1 t 2 t 推动力 (A) R 热阻
R——导热热阻，传导距离δ越大，传热面 积和导热系数越小，传导热阻越大。
3 间壁式传热
在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触，故直接接触式 传热和蓄热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是间壁式传热过 程。这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热 性能好的非金属壁)隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传 递。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器为典型设备。
液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体 的导热系数随温度的升高而略有减小。
气体的导热系数
气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。 气体的导热系数随温度升高而加大 。 在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小 注意：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同， 因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平
对数平均半径
2rm l t1 t 2 2l (t1 t 2 ) r2 r2 r1 ln r1
化工基础 第一章 绪论
第一章 绪 论§1.1 课程的性质与任务1 课程的性质化工生产由各种各样的化工过程组成，化工产品的生产与应用都离不开化工的基础知识。
《化工基础》课程是讲述化工生产过程中的单元操作的课程，是化工类各专业都需要开设的专业基础课，属工程学科，具有工程性和应用性。
2 课程的任务通过本课程的学习，使学生初步掌握化学工程学中关于动量传递、热量传递和质量传递以及反应器的基本原理；初步掌握一些主要化工产品的生产过程的一般原则；了解一些典型化工设备的结构、性能和工作原理以及生产中涉及的一些实际问题和解决问题的基本方法，并把这些认识用于化工生产和研究之中，使生产技术不断改进。
借以逐步树立辩证唯物主义观点、技术经济观点、使学生具有初步的研究化工生产实际问题的能力和分析处理中学化学有关教材、联系化工实际开展课外活动的能力。
§1.2课程内容和学习目的1 课程内容化学工业包括各种各样的化工生产过程，各个生产过程又有多个环节组成。
尽管如此，任何化工生产过程总涉及两个基本内容：化学工程和化学工艺。
它们又都包含多个基本单元操作。
因此，本课程的内容包括三个方面：单元操作部分内容、化学反应工程部分内容和化学工艺学部分内容。
其中单元操作部分是我们本书学习的重点。
（1）单元操作部分内容化工过程是指化学工业的生产过程，特点之一是操作步骤多，原料在各步骤中依次通过若干个或若干组设备，经历各种方式的处理之后才能成为产品。
由于不同的化学工业所用的原料与所得的产品不同，所以各种化工过程的差别很大。
一个化工过程所包含的操作步骤可分为两大类。
一类以进行化学反应为主，通常是在反应器中进行；另一类则为不进行化学反应的物理过程，包括原料预处理过程和反应产物后处理过程。
尽管从生产某种产品的意义上说，反应过程是生产过程的核心，但它在工厂的设备投资和操作费用中通常并不占据主要比例，实际上起决定作用的往往是众多的物理过程，它们决定了整个生产的经济效益。
化工基础(张四方) 第四章精馏
2、α =1，pA*=pB*，yA=xA，即蒸气组成与液相组成相同，
故用普遍精馏方法分不开A、B。说明此溶液有恒沸点。
21
4-2 连续精馏
4-2.1 精馏原理
根据气液相平衡相图，混合液中 A组分的挥发度较大，在发生部 分气化和部分冷凝时，平衡的气 相浓度要比液相浓度大。这在tx-y图上看得很清楚，这就是分 离混合液的根据。 如右图，一次部分气化和部分冷 凝后：y1>xF>x1 y1——加热原料液时产生的第一 个 气泡的组成。 x1——经过一次气化后原料剩下 的液体的组成。
1
第四章 精馏
本章重点及难点
掌握双组分理想溶液气液相平衡的各种表达形式； 掌握进料的不同热状况及其对精馏操作的影响； 掌握两组分连续精馏塔理论塔板数的的图解法； 掌握回流比对精馏过程的影响及回流比的选择；
了解简捷法求理论板层数的方法；
2
3
4
概述
蒸馏基本概念
液体都具有挥发而变成蒸气的能力，这种能力称为物 质的挥发性。蒸馏是分离均相液体混合物的一种单元操 作。蒸馏分离的依据是，利用溶液中各组分挥发度（或
A
对理想溶液，因
pA pB ， B xA xB
A A B B
p , p PA P x PB P x A A B B 易挥发组分PA大则νA大，故挥发度可描述组分的挥发物
故
性。
相对挥发度：是指溶液中两组分挥发度之比，常以易挥发组 分的挥发度为分子。
吸收
16
4-1.2 相平衡相图
t -x （或 y）图（温度-组成图）
气相区 露点
两相区
t-x(y) 图表示在总压 P 一定的条件 下，相平衡时气（液）相组成与温 度的关系。 在总压一定的条件下，将组成为 xf 的溶液加热至该溶液的泡点 tA，产 生第一个气泡的组成为 yA。 继续加热，随温度升高，物系变为 互成平衡的汽液两相，两相温度相 同组成分别为 yA 和 xA
化工基础 绪论
化工基础
College of Chemistry & Materials
化学反应过程 化工生产的核心
化工生产过程
原料的预处理
物理处理过程 (单元操作)
产品的加工
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第一章 绪 论
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化工基础
College of Chemistry & Materials
单元操作：化工生产中除化学反应单
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。
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。
进入的物料量必等于排出的物料量和过程 中的积累量：
输入物料量 ＝ 排出物料量＋过程积累量
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第一章 绪 论
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∑M入
系统 积累 M
化工基础
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量的条件
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第一章 绪 论
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化工基础
College of Chemistry & Materials
4、过程速率（动力学过程）：
过程速率（γ）=
过程推动力（ Δ ） 过程阻力（R）
确定所需设备大小：
根据过程需处理的物料量。
根据过程速率大小。 确定提高过程速率的方法：
增加过程推动力Δ ：压强差、温度差、浓度差。
化工基础(张四方),化学反应工程与反应器
5-3均相等温等容反应的动力学方程式
一、不可逆反应 1、一级反应：反应速率与反应物浓度的一次方成正比。
A k1 P
dcA r k 1cA dt
1 cA0 1 1 t ln ln k 1 cA k 1 1 xA
2、二级反应：反应速率与反应物浓度的平方（或两物 质浓度的乘积）成正比。
dcS rS k 2cP dt
5-4 均相反应器
理想置换
理想流动模型 物料在反应器 内的流动模型 非理想流动模型 多级理想混合模型 一、理想流动模型 1、理想置换：又称为活塞流或理想排挤，反应物料以一致 的方向向前移动，截面上各点的流速完全相等。 特点： ①在垂直流动方向的截面上，所有的物性都是均匀一致，即 截面上各点的温度、浓度、压力、速度均分别相同。 ②反应器内所有物料粒子的停留时间相同，物料在反应器内 的停留时间是管长的函数。 理想混合 扩散模型
③数学模型的应用
大设备的设计
放大的依据：相似论 (相似准数Re、Pr、Nu、Pe、Sc等)
研究的方法：
（1）经验归纳法：将实验数据用因次分析法和相似方法整 理而获得经验关联式。 （2）数学模拟法：将复杂对象合理简化成一个与原过程近 似等效的模型，然后对简化模型进行数学描述。
在化学工程中，数学模型主要包括以下内容：
c A 0 cA t k0
二、可逆反应 反应正向和逆向都可以进行的反应，也称对峙反应。
k1, P k A
rA r1 r 2 k1cA k cP
三、复杂反应 A k1 P 1、平行反应：反应物能同时进行两个或以上的反应。
rA k1cA k 2cA (k1 k 2)cA
① ② ③ ④
对于间歇反应器：①、②项为零。 对于定态操作的连续反应器：不存在累积，④项为零。 对于半连续操作和非定态操作的连续流动反应器:四项均需考虑. 2、热量衡算
化 工 基 础
化工教案课程名称化工基础学时学分学时专业班级1503化工技术类授课教师王蕊兰-本课程教学总体安排课程名称：化工基础课程性质与类型：专业必修课总学时：106学时教学目的与要求：化工基础是以定性阐述基本概念和基础理论为主，进行少量必要的定量计算，通过有关化学工程基本原理和设备的感性认识，进一步加深对基本概念和基础知识的理解，物理化学上的热力学和动力学的运用使学生对化工生产实际有一定的印象。
本课程通过理论教学及实验教学、课程实习等实践性环节相结合，使学生牢固建立起”单元操作”的概念，培养学生工程分析方法及独立分析问题和解决问题的能力。
通过系统的理论学习与实践，使学生具有一定的工程设计能力，为未来的工作和后继课程的学习打下基础。
教材及参考书目:教材：《化工基础》化学工业出版社章节题目：绪论，第一章流体流动与输送学时分配：24学时本章教学目的与要求:本课程的研究对象和内容；学科发展史;主要研究方法；单元操作；单位和单位换算.和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题,诸如:流体输送:流速的选择，管径的计算，输送机械选型.流动参数的测量：压强（压力）、流速（流量）等。
其它：课堂教学方案课题名称、授课时数：绪论,第一章流体流动（1.1概述）（4学时）授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体教学目的要求:掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律,并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题。
教学重点、难点：流体静力学基本方程及其应用；连续性方程式;伯努利方程式及其应用;流体在管内的流动阻力；能量守衡控制体的选取边界层概念等。
第一章流体流动第一节概述流体:包括液体和气体特点：（a）具有流动性（b）受外力作用时内部产生相对运动流体流动基本原理的应用一、流体的输送（1）确定输送管路的直径,选择适宜的流动速度（2）选用输送设备，需要确定流体在流动过程中应加入的外功二、压力、流速和流量的测量三、为强化设备提供适宜的流动条件教学反思:课堂教学方案课题名称、授课时数：1.2流体静力学（4学时）授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体教学目的要求：掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律,并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题.教学重点、难点：一、流体的压强及其特性二、流体静力学基本方程式.第二节流体静力学——-静止流体内部压力变化的规律一、流体的压缩性液体的形状与容器相同,其体积几乎不随压强和温度而改变.气体的形状与容器完全相同，完全充满整个容器,其体积随压强和温度的变化而有明显改变。
第一章石油化工基础
化学工业出版社
第一章 石油化工工艺基础
授课时间 第1周二 1、2节
授课班级 15石化
学习内容 绪论
能力目标
上课地点
ห้องสมุดไป่ตู้1212
课时
2
熟悉化工生产的过程，熟练运用转化率、选择性、收率
教学目标
知识目标
掌握化工生产过程的步骤、转化率、选择性、收率定义
素质目标
提高创新能力，建立标准化意识
目标群 体
➢ 分离和精制的方法和技术是多种多样的，通常有冷凝、吸 收、吸附、冷冻、闪蒸、精馏、萃取、渗透膜分离、结晶 、过滤和干燥等，不同生产过程可以有针对性地采用相应 的分离和精制方法。分离出来的副产物和“三废’也应加 以利用或处理。
9
第二节 化工生产过程的主要销量指标
一、生产能力和生产强度 （1）生产能力系指一个设备，一套装置或一个工厂
实现化学反应过程的设备称为反应器。工业反应 器的类型众多，不同反应过程，所用的反应器形式 不同。反应器若按结构特点分；有管式反应器（装 填催化剂，也可是空管）、床式反应器（装填催化 剂，有固定床、移动床、流化床及沸腾床等）、釜 式反应器和塔式反应器等；若按操作方式分，有间 歇式、连续式和半连续式三种；若按换热状况分， 有等温反应器、绝热反应器和变温反应器，换热方 式有间接换热式和直接换热式。
在单位时间内生产的产品量，或在单位时间内处 理的原料量。其单位为kg/h，t／d或kt／a，万 t/a等。 （2）生产强度为设备的单位特征几何量的生产能 力。即设备的单位体积的主产kg/h•m3能力，或 单位面积的生产能力。其单位为，kg/h•m2等 。生产强度指标主要用于比较那些相同反应过程 或物理加工过程的设备或装置的优劣。设备中进 行的过程速率高，其生产强度就高。
化工基础第一章绪论
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前后处理工序中所进行的过程多数是纯物理过 程。同样，其它各种化工生产过程，除化学反应外， 其余操作步骤都可归纳为若干种基本的物理过程， 如流体的输送与压缩、沉降、过滤、传热、蒸发、 结晶、吸收、蒸馏、萃取、冷冻等。
人们在长期从事化工生产实践中，自然而然地 把组成不同化工行业生产过程所共有的基本的物理 操作过程抽提出来，研究其各自内在的规律性，并 在理论上加以总结和提高，再应用到生产实践中去， 这些基本的物理操作过程就称为单元操作。
尽管各单元操作多种多样，但就它们发生的过程
和所遵循的物理规律的共性而言，可以将它们从物理
本质上归纳为三类基本传递过程，即：动量传递过程、
热量传递过程、质量传递过程，简称“三传”。
（1）动量传递过程：主要讨论流体动力学过程的
基本规律，即研究流体的流动及流体和与之接触的固
体壁面间发生相对运动时的基本规律，以及受这些规
后处理过程：化学反应后，对产物或中间产物需要进
行必要的后处理，以便获得合格的最终产品或中间产
物。 15.02.2021
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例如，高压法生产聚乙烯，上述过程可图示如 下：
回收乙烯
乙烯 压缩机
加热器
聚合 反应器
分离器
粒状聚乙烯 粒化器
聚乙烯
乙烯的压缩与预热为预处理过程；聚合反应后， 物料的分离与聚乙烯的粒化，则为产物的后处理过程。
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基本单位、导出单位再加上一些辅助单位及有 关的规则，即可构成一种单位制。
基本量（基本单位）
单位制
导出量（导出单位） 辅助单位
有关规则
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一、过去常用的单位制
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化工生产过程实例
湿法磷酸生产工艺流程
磷矿石
破碎
硫酸
HF气体 （回收）
磷酸（化肥、
加工成盐
饲料用）
球磨
酸解反应
过滤
浓缩
洗液
水
过滤
精制
磷酸（医药、 食品用）
滤渣石膏
3.化学工业的特点
(1)化学工业与人类的生存和发展息息相关 当今世界面临的三大挑战：
A.人口增长：1804年10亿人→1927年20亿人→1960年30亿人→1974年 40亿人→1987年50亿人→1999年60亿人，每年7800万人的增长速度， 预计2013年70亿，实际2010年64.64亿人。→吃饭大问题！ B.环境污染：人口增长→工业发展→大气和水污染。每年流入海洋的石 油达1000多万吨，排入大气的CO2达230亿吨，水土流失240亿吨。 C.能源短缺：以现有速度，全世界的石油只够用60年，煤炭300年左右。
30万吨合成氨,45万吨尿素的化肥厂，投资达到40-50亿元；年 产30万吨的乙烯厂，需投资60-80亿元。化工技术更新速度快， 化工厂设备的寿命一般不超过15年
流动资金占固定投资的12-20%，每年的设备维修费5-10%。 如：M=100万元/年，T=2000万元，流动资金300-400万元， 维修费100-200万元/年。
◆请珍惜本科教育机会，注重培养自己的理论体系，认真学好 每门基础理论课。
◆化工基础，是化工类各专业课的基础理论课，也是化学工艺 等专业考研的必考专业课。
一.化学工业概述
化学工业（chemical industry）又称化学加 工工业，是综合运用化学和物理方法将原料加工成 化学产品的加工工业。也泛指生产过程中化学方法 占主要地位的过程工业。 1.化学工业的重要性及其发展
化工基础
Elementary Chemical Engineering
化工基础——化学工程基础
什么是化学工程？
化学过程——是指物质发生化学变化的反应过程，如 柴油的催化裂化制备高辛烷值汽油是一个化学反应过程。
物理过程——系指物质不经化学反应而发生的组成、 性质、状态、能量变化过程，如原油经过蒸馏的分离而得 到汽油、柴油、煤油等产品。
化学工业
基本有机化工： 醇、 醛、 酸、 酮、 酯
有机化工高食精石分品细油子有炼化化机制学工合及工：成加业橡工工： 胶业糖， 、煤、： 塑的淀染料焦粉料、、、化合油医及成加脂药纤工、、 维蛋农白药、质香、 酒料类
化工生产装置实例 ——70万吨乙烯装置
化工生产装置实例 ——甲醇回收装置
化工生产装置实例 ——合成氨装置
通过化学工程的研究，认识和阐释这些过程的规律性，并 使之应用于生产过程和装置的开发、设计、操作，以达到 优化和提高效率的目的。
化学过程与化学工程 的区别
化学过程：化学 反应的原理、机 理，过程进行的 可行性。注重能 否进行的问题。
化学工程：如通 过一系列的设备、 工艺、操作来实现 化学过程。注重过 程、条件、影响因 素。关注操作性、 合理性、经济性。
T=M0.6~0.7 如： M=10万元/年，则T=40~50万元，4~5倍
M=100万元/年，则T=1600~2500万元，16~25倍 M=1000万元/年，则T=6.3~12.6亿元，63~126倍
(4)化学工业是资金密集型、技术密集型工业 工艺复杂性和装置大型化决定了它的这一特征。如年产值
◆问题：专科教育与本科教育的差异何在？ ◆专科教育以应用为目的，在理论学习上以够用为度；而本科 教育重在培养学生的理论体系。 ◆例子：虹吸现象。大家都知道水往低处流，但在虹吸中水先 往高处流，越过一个高点后才往低处流。为什么呢？只有用流 体动力学的理论才能作出解释。 ◆经验只能解决现象问题，理论才能解决本质问题。
实际上，化学过程往往和物理过程同时发生。例如催 化裂化是一个典型的化学过程，但辅有加热、冷却和分离， 并且在反应进行过程中，伴随有流动、传热和传质。
化学工程学——研究化学工业和其他过程工业生产中所进 行的化学过程和物理过程共同规律的一门工程学科。
这些工业包括石油炼制工业、冶金工业、建筑材料工业、 食品工业、造纸工业等。 它们从石油、煤、天然气、盐、 石灰石、其他矿石和粮食、木材、水、空气等基本的原料 出发，借助化学过程或物理过程，改变物质的组成、性质 和状态，使之成为多种价值较高的产品，如化肥、汽油、 润滑油、合成纤维、合成橡胶、塑料等等。
技术密集表现在工艺流程长，从原料到产品，涉及化学、 机械、电子、仪表等诸多领域，有很高的知识密集度和很强的 技术综合性。若以机械工业的技术密集指数为100，则化学工 业达到2480。
(5)化学工业是能耗大户 化学工业以煤、石油、天然气等能源为原料，也作为生
产的动力和燃料。能源中约40％作为生产原料，60％作为 动力和燃料，原料消耗费占产品成本的60%-70%。 (6)化学工业是易污染、重污染的工业部门
(2)化工产品品种繁多，工艺复杂 品种繁多导致生产工艺的多样性。同一原料可生产多种产品，
同一产品又可利用多种原料生产，所以技术难度大。合理的资源配 置和原料路线，恰当工艺技术的选择和组合，产品结构和产业结构 的优化，是化工中要解决的主要问题。 (3)化学工业是装置型工业，具有规模经济性
化工生产的主要设备大多是塔、罐、槽、器及管道，生产能力与 容积（即其线性尺寸的三次方）呈正比，制造费与容器表面积（即 其线性尺寸的二次方）呈正比。装置的投资费用T与其生产能力M的 2/3次方呈正比（所谓的0.6次方法则）：
化学工业是国民经济重要的基础工业，是最具活 力、最具竞争力、可发展前景极强的产业。随着石 油工业的发展，化学工业从50年代起进入高速发展 期，已成为世界经济发展的支柱产业。
2.化学工业的分类
基本无机化工： 三酸两碱、 无机盐
无机化工电精硅化细酸学无盐工机工业化业：工： 电：玻解药璃食品、 盐、水水催泥、化、 电剂陶解、瓷融无盐机(试产剂钠、 铝)