化工基础

第1章 绪论 化学工程学是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的共同规律的一门工程学科，它以化学、物理和数学为基础，化学反应为核心，同时还需要机械、电气、仪表、控制等工程学科的理论支持和技术上的应用。因此，化学工程学是源自化学同时融合了诸多工程技术学科的综合学科。 化学工程学与化学和化学工业有着密切的联系。化学工业是国民经济中重要的一个组成部分，它既为农业、轻工业、重工业和国防工业提供生产资料，也为人类衣、食、住、行等各方面提供必不可少的化工产品。 化学工程学的任务是研究化工生产过程的基本规律和工程技术，从理论上阐明化工生产的各个过程，找到其中具有规律性的问题，为有效地实现工业生产提供可靠的基础理论和技术。这些基础理论和技术也是实施各种化工类型工业生产和工程（如冶金、医药、核能和环境工程等）的基本依据。 1.1 化学工程学的形成与发展 化学工程学始于19世纪末，经历了三个发展阶段：20世纪40年代之前的“单元操作”阶段；20世纪60年代的“三传一反”阶段；1996年以来提出的“多尺度、多目标”的研究阶段。它是随着化学工业的发展而逐渐形成和发展的。 1791年吕布兰（LeBlanc）发明的吕布兰法制碱工业化标志着化学工业的诞生。19世纪70年代，制碱、制酸、化肥、煤化工等都已有了相当规模，许多新发明、新技术应用到化学工业生产中。1888年美国的麻省理工学院开设了世界上**个“化学工程”的四年制学士学位课程，并于1920年成立了化学工程系。从此，化学工程这一名词获得应用。1901年戴维斯（Davis）出版了《化学工程手册》，这是世界上**部阐述各种化工生产过程共性规律的著作。戴维斯首次将化工生产过程的各个步骤加以分类，系统阐述了化工基本操作过程，如蒸馏、干燥、过滤、吸收和萃取等，从化工产品的生产工艺中归纳出共同规律。化学工程学成为继冶金、机械、土建和电气工程学科之后诞生的第五个学科。这一时期化学工业正在兴起，主要研究对象是化学加工技术、涉及各种行业的化工生产工艺；研究内容涉及原料特点、生产原理、工艺流程、*适宜操作条件以及所用机械设备的构造和使用，开设的课程称为化学工艺学。 1915年利特尔（Little）提出“单元操作”的概念，他明确提出任何化工生产过程，无论其规模大小都可以用一系列称为单元操作的技术来解决，只有将纷杂众多的化工生产过程分解为构成它们的单元操作来进行研究，才能使化学工程专业具有广泛的适应能力。之后沃克（Walker）、刘易斯（Lewis）和麦克亚当斯（McAdams）完成了《化工原理》一书的初稿并于1923年正式出版。该书阐述了各种单元操作的物理、化学原理，提出了定量计算方法，并从物理学等基础学科中吸取了对化学工程有用的研究成果和研究方法，奠定了化学工程成为一门独立学科的基础。单元操作概念提出后，在处理只含有物理变化的化工操作时获得了巨大成功，但在处理含有化学变化的化工操作时却很不成功。对气、固相催化反应的研究使化学工程师认识到，在工业反应过程中，质量传递和热量传递对反应结果都有影响。20世纪40年代，化工技术的突破发展促进了工程上对化学反应过程的研究，在50年代形成了化学反应工程分支。化学反应工程研究反应器内传递过程和化学反应的相互关系和影响，阐明工业反应过程的实质，目的在于控制生产规模下的化学反应过程，实现反应器的*佳设计。在对连续过程的研究中，提出了返混、停留时间、微观混合、反应器参数敏感性和反应器稳定性等一系列概念，同时化学工程师认识到，从本质上看所有单元操作都可以分解为动量传递、热量传递和质量传递三种过程。在工业反应器的研究中应注重传递过程规律的探索。 化学反应工程涉及化工生产过程的核心问题，自创立以后，至今方兴未艾，与早先发展起来的传递过程共同形成化学工程学两大支柱，有力地解释和解决了化学过程中的理论问题。1957年的**届欧洲化学反应工程讨论会宣布化学反应工程学科的诞生。而1960年伯德（Bird）、斯图尔特（Stewart）、莱特富特（Lightfoot）合著的《传递现象》出版，标志着化学工程进入了“三传一反”的时代。20世纪70年代以后，化工生产日趋大型化、连续化以及随着计算机技术的迅速发展，化学工程学的研究已不再限于单个单元操作或化学反应过程，而是深入整个工厂，甚至是整个行业的大系统研究，从而形成了化学系统工程，其主要任务是研究系统的设计、控制和管理，并用数学模拟方法寻求*有效的化工系统。这种从实际到理论、分解到综合的研究过程是人们认识化学工业生产实际、解决工程实际问题的过程。这就是*新发展起来的化工系统工程学。 1.2 化学工程学的性质、任务、内容和研究方法 1.2.1 化学工程学的性质和任务 化学工业是将自然界的物质经过化学和物理方法的处理，制造成生产资料和生活资料的工业。化工产品生产过程中，从原料到成品，往往需要几个或几十个加工过程。其中除了化学反应过程外，还有大量的物理加工过程。化学工程学是研究大规模地改变物料的化学组成和物理性质的工程技术学科。化学工程学研究的对象包括化工生产装置中进行的化学变化过程，也包括混合物的分离净化过程，以及改变物料物理状态和性质的过程。其任务是从理论上阐明化工生产的各个过程，找出其中具有规律性的问题，减少在化工开发中的盲目性。 1.2.2 化学工程学的内容 化学工业产品种类繁多，各生产过程差异很大，每一种化工过程包含着许多操作工序。但是分析发现，任何化工生产过程都包括工程和工艺两个基本内容。因此，相应的课程内容就包括化学工程和化学工艺两个方面。 化学工程学研究化工生产过程中共同性操作规律及其工程性质的问题。众多的化工过程可以归纳为动量传递、热量传递、质量传递和化学反应工程，即“三传一反”。研究以“三传一反”为中心的化学工程，可以解决生产中出现的下列问题： （1）设计或改进生产设备和装置，使其效率和性能更佳。 （2）确定适宜的操作条件。 （3）提高物料利用率以及物料和能量的综合利用。 （4）指导实验室或中试研究工作，获得能应用于工业生产的实验数据。 1.2.3 化学工程学的研究方法 化学工程学之所以成为一门学科，除了有具体的研究对象外，还有统一的研究方法。化学工程学作为一门工程技术学科，面临着真实的、复杂的化工生产过程，其复杂性不完全在于过程本身，而首先在于化工设备复杂的几何形状和所处理的物料千变万化的物性。例如，过滤中发生的过程是流体的流动，本身并不复杂，但滤饼提供的则是形状不规则的网状通道，并且过滤物各式各样，使过滤这一过程复杂化。要对其流动过程做出如实的、逼真的描述几乎不可能，采用理论的研究方法困难重重。因此，对实际的化工生产过程，探求合理的研究方法是化学工程学科的重要方面。 化学工程学的发展过程中形成了两种基本的研究方法。一种是经验归纳法，即对一些化工过程，通过大量实验归纳影响过程的变量之间的关系，常采用物理学的相似论和因次分析法等。例如，热交换过程中的传热系数是通过实验测定将其归纳成量纲为一的相似特征数的关系式予以确定的。另一种是数学模型法。化工生产过程中的问题并不是用经验归纳法都能解决，化学反应工程的复杂性用物理学的相似方法和因次分析的方法不能完全解决，它的研究主要借助于数学模型法。数学模型法的实质是使复杂的工程问题简化或分解为一个或若干个单纯的问题。例如，将工业化学反应器中传递过程和反应过程的相互关联、互相制约的复杂问题分解成化学方面、传递过程方面和两者的结合方面的问题。化学方面的问题归纳为研究反应对象，提出反应动力学模型；传递方面的问题归纳为研究不同类型反应器，提出反应器的传递模型；而两者结合的问题则是将各种反应模型和各种传递模型相结合的问题。 数学模型法应用于解决化工生产过程的实际问题，推动了化学反应工程的迅速发展，使化学工程学摆脱了单纯从实验数据归纳过程规律的传统做法。例如，前面涉及的单元操作过滤也可使用数学模型法，将滤饼中的不规则网状通道简化成若干个平行的圆形细管，由此引入的一些修正系数则由实验测定，从而建立起过滤过程的数学模型。 1.2.4 本课程的学习目的 根据化学和化学师范专业的培养目标，学习“化学工程基础”课程的目的如下： （1）加深对基本理论的理解。熟悉化工生产中涉及的基本原理和典型设备，了解它们在化工生产中的应用，理解物理化学原理和化学工程基础中的规律在化工生产中的应用，以及这些规律在设备的选择、工艺流程的确定、操作条件的优化等方面所起的作用，加强理论与实际的联系，从而加深对物理和化学原理的理解。 （2）提高分析问题和解决问题的能力。认识在化工生产中分析问题、解决问题的方法和途径。实际生产过程中存在诸多影响因素，需根据生产特点，抓住主要因素，确定生产流程和设备。 （3）指导化学科研工作。科研实验的结果能否应用于生产中是检验其能否成为科研成果的标志。在实验室的研究过程中，不仅要探索反应的*适宜条件，而且要考虑工程因素和实际生产条件的各种限制因素。在确定原料路线时既要考虑技术经济的原则，在工艺中又要考虑能量和原料的综合利用，同时还要考虑环保的要求和可持续发展的要求。 1.3 化学工程学的基本规律 在化学工程研究、化工过程开发及设备的设计、操作时，经常要用到的是物料衡算、能量衡算、平衡关系和过程速率等基本规律。 1.3.1 物料衡算 物料衡算遵循质量守恒定律。对任意化工生产过程的进入物料量、排出物料量和积累物料量进行衡算，其衡算式为 Σmi=Σmo+A （1-1） 式中，Σmi为输入系统物料量的总和；Σmo为输出系统物料量的总和；A为系统内积累的物料量。 无化学变化时，混合物中的任一组分都符合此通式，当有化学变化时，物料中所具有的各种元素仍然符合此通式。 物料衡算的范围根据衡算目的而定，可以是一个单一设备或其中一部分，也可以是一组设备，还可以是一个生产过程的全流程。进行衡算的物料可以是总物料，也可以是其中某一组分。 物料衡算是化工计算中*基本、*重要的计算，也是其他化工计算的基础。物料衡算概念虽然简单，但它在化工生产过程中起着重要作用： （1）根据处理的物料量，确定设备的某些主要尺寸或规模。 （2）拟订加工方案，选择工艺流程。 （3）了解操作偏离正常情况的程度，为进一步改进提供依据。 【例1-1】 KNO3溶液浓度为20%，以1000kg/h的速率加入蒸发器中，KNO3溶液浓度达到50%，温度为422K，冷却结晶，结晶温度为311K，KNO3晶体含水4%，母液中KNO3 浓度为37.5%，送回蒸馏器浓缩，计算KNO3晶体的产量P、蒸发的水分量W 、循环的母液量R及被浓缩KNO3（50%）的速度S。 解 （1）总的物料衡算。 1000=W+P KNO3的衡算 1000×0.2=P×（1-0.04） H2O的衡算 1000×0.8=W+P×0.04 得P=208.3kg/h，W=791.7kg/h。 （2）结晶器的物料衡算。 S=R+208.3 KNO3 的衡算 S×0.5=0.375R+0.96×208.3 H2O的衡算 S×0.5=0.625R+0.04×208.3 得S=974.0kg/h，R=766.6kg/h。 1.3.2 能量衡算 能量衡算依据能量守恒定律。根据能量守恒定律，对于连续、稳定的操作过程，输入系统的能量等于输出系统的能量，即 ΣE输入=ΣE输出（1-2） 有化学反应参加的过程，式（1-2）变为