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化工基礎(chǔ)

出版社：科學(xué)出版社出版時(shí)間：2021-12-01
開本： 其他 頁(yè)數(shù)： 336
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化工基礎(chǔ) 版權(quán)信息

化工基礎(chǔ) 內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書根據(jù)高等院校“化學(xué)工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)要求編寫。全書共分十二章，以化工過程開發(fā)方法為引導(dǎo)，系統(tǒng)地介紹化學(xué)了工程中典型單元操作與反應(yīng)器基本原理，主要包括流體流動(dòng)過程、傳熱過程、傳質(zhì)分離過程的基本原理、反應(yīng)工程基本原理、合成氨及硫酸工藝，涉及化工單元操作、工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程、工藝過程優(yōu)化、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、環(huán)境保護(hù)與三廢處理及化工過程開發(fā)等內(nèi)容。本書重視化學(xué)工程學(xué)基本知識(shí)、基礎(chǔ)理論的闡述，注重工程觀點(diǎn)和方法的傳授，并適當(dāng)介紹化學(xué)工業(yè)和化學(xué)工程的新進(jìn)展，力求由淺入深、重點(diǎn)突出、主次分明、系統(tǒng)連貫。每章均有小結(jié),并配有復(fù)習(xí)題和習(xí)題。

化工基礎(chǔ) 目錄

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 化學(xué)工程學(xué)的形成與發(fā)展 1
1.2 化學(xué)工程學(xué)的性質(zhì)、任務(wù)、內(nèi)容和研究方法 2
1.2.1 化學(xué)工程學(xué)的性質(zhì)和任務(wù) 2
1.2.2 化學(xué)工程學(xué)的內(nèi)容 2
1.2.3 化學(xué)工程學(xué)的研究方法 3
1.2.4 本課程的學(xué)習(xí)目的 3
1.3 化學(xué)工程學(xué)的基本規(guī)律 4
1.3.1 物料衡算 4
1.3.2 能量衡算 5
1.3.3 平衡關(guān)系 6
1.3.4 過程速率 6
1.4 化學(xué)與化工生產(chǎn) 6
1.4.1 從實(shí)驗(yàn)室研究到工業(yè)化生產(chǎn) 6
1.4.2 化工開發(fā)過程及步驟 7
1.5 化學(xué)工程學(xué)的發(fā)展趨勢(shì) 8
1.5.1 化工過程與系統(tǒng)工程結(jié)合 8
1.5.2 化學(xué)工程與材料科學(xué)結(jié)合 9
1.5.3 化學(xué)工程與信息工程結(jié)合 9
1.5.4 化工過程的綠色化 9
第2章 流體的流動(dòng)過程與輸送機(jī)械 10
2.1 流體靜力學(xué)基本方程式 10
2.1.1 密度和比容 10
2.1.2 壓強(qiáng) 11
2.1.3 流體靜力學(xué)基本方程式及應(yīng)用 12
2.2 流體流動(dòng)基本規(guī)律 15
2.2.1 流量與流速 16
2.2.2 定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng) 17
2.2.3 理想流體與實(shí)際流體 17
2.2.4 連續(xù)性方程 18
2.2.5 伯努利方程 18
2.2.6 伯努利方程的應(yīng)用 21
2.3 流體流動(dòng)阻力 24
2.3.1 牛頓黏性定律與流體的黏度 24
2.3.2 流體的流動(dòng)現(xiàn)象 26
2.3.3 流體管內(nèi)流動(dòng)阻力的計(jì)算 29
2.4 管路計(jì)算 37
2.4.1 管路計(jì)算的類型和基本方法 37
2.4.2 簡(jiǎn)單管路 38
2.4.3 復(fù)雜管路 38
2.5 流速和流量的測(cè)量 39
2.5.1 測(cè)速管 39
2.5.2 孔板流量計(jì) 41
2.5.3 文丘里流量計(jì) 42
2.5.4 轉(zhuǎn)子流量計(jì) 43
2.6 流體輸送機(jī)械 44
2.6.1 離心泵 45
2.6.2 往復(fù)壓縮機(jī) 51
習(xí)題 54
第3章 熱量傳遞 58
3.1 概述 58
3.1.1 傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用 58
3.1.2 傳熱的基本方式 58
3.1.3 定態(tài)傳熱與非定態(tài)傳熱 60
3.1.4 載熱體及其選擇 60
3.1.5 工業(yè)中的換熱方式 61
3.1.6 傳熱速率與熱通量 62
3.2 熱傳導(dǎo) 63
3.2.1 傅里葉定律 63
3.2.2 導(dǎo)熱系數(shù) 63
3.2.3 平壁熱傳導(dǎo) 64
3.2.4 圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo) 67
3.3 對(duì)流傳熱 69
3.3.1 對(duì)流傳熱機(jī)理 69
3.3.2 對(duì)流傳熱基本方程 70
3.3.3 對(duì)流傳熱分系數(shù) 70
3.3.4 對(duì)流傳熱分系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 72
3.4 傳熱計(jì)算 75
3.4.1 熱量衡算式及熱負(fù)荷的計(jì)算 75
3.4.2 總傳熱速率方程 76
3.4.3 總傳熱系數(shù)的計(jì)算 77
3.4.4 傳熱平均溫度差的計(jì)算 80
3.5 傳熱設(shè)備——換熱器 85
3.5.1 間壁式換熱器 85
3.5.2 強(qiáng)化傳熱的途徑 87
習(xí)題 90
第4章 氣體吸收 93
4.1 概述 93
4.1.1 氣體吸收過程 93
4.1.2 吸收過程的分類 94
4.1.3 吸收劑的選擇 95
4.1.4 吸收操作的流程 95
4.2 吸收的氣、液相平衡關(guān)系 95
4.2.1 氣體在液體中的溶解度 95
4.2.2 亨利定律 96
4.2.3 相平衡關(guān)系與吸收過程中的關(guān)系 98
4.3 吸收速率方程 99
4.3.1 單一相內(nèi)物質(zhì)的傳遞 100
4.3.2 雙膜理論 103
4.3.3 吸收速率方程 104
4.4 填料吸收塔的計(jì)算 109
4.4.1 吸收劑用量的計(jì)算 109
4.4.2 填料層高度的計(jì)算 113
4.4.3 吸收塔塔徑的計(jì)算 119
4.5 填料塔 120
4.5.1 填料塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 120
4.5.2 填料 120
4.5.3 填料塔內(nèi)的流體力學(xué)性能 122
4.5.4 填料塔的附件 124
4.5.5 強(qiáng)化吸收過程的措施 125
4.6 其他氣體分離技術(shù)簡(jiǎn)介 126
4.6.1 變壓吸附技術(shù) 126
4.6.2 膜分離技術(shù) 127
習(xí)題 129
第5章 蒸餾 131
5.1 概述 131
5.1.1 蒸餾過程的分類 131
5.1.2 蒸餾分離的特點(diǎn) 132
5.2 雙組分溶液的氣、液相平衡 132
5.2.1 相律 133
5.2.2 雙組分理想體系的氣、液相平衡 133
5.2.3 雙組分非理想體系的氣、液相平衡 136
5.3 簡(jiǎn)單蒸餾和平衡蒸餾 138
5.3.1 簡(jiǎn)單蒸餾 138
5.3.2 平衡蒸餾 139
5.4 精餾 139
5.4.1 精餾原理 139
5.4.2 精餾操作流程 141
5.5 雙組分連續(xù)精餾的計(jì)算 142
5.5.1 恒摩爾流假定 142
5.5.2 物料衡算與操作線方程 143
5.5.3 進(jìn)料熱狀態(tài)對(duì)精餾操作的影響 145
5.5.4 理論板層數(shù)的計(jì)算 149
5.5.5 回流比的選擇 152
5.5.6 理論板數(shù)的簡(jiǎn)捷計(jì)算法 157
5.5.7 實(shí)際塔板數(shù)和塔板效率 158
5.6 間歇精餾 159
5.6.1 回流比恒定時(shí)的間歇精餾 159
5.6.2 餾出液組成恒定時(shí)的間歇精餾 160
5.7 特殊精餾 160
5.7.1 恒沸精餾 161
5.7.2 萃取精餾 162
5.8 板式塔 163
5.8.1 塔板的類型及性能評(píng)價(jià) 163
5.8.2 板式塔的結(jié)構(gòu)與性能 165
5.8.3 板式塔工藝尺寸的計(jì)算 168
習(xí)題 168
第6章 工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 171
6.1 化學(xué)反應(yīng)和工業(yè)反應(yīng)器 171
6.1.1 化學(xué)反應(yīng)的分類 171
6.1.2 工業(yè)反應(yīng)器的基本類型 171
6.2 工業(yè)反應(yīng)器的操作方式 174
6.2.1 間歇操作 174
6.2.2 連續(xù)操作 174
6.2.3 半連續(xù)操作 175
6.3 反應(yīng)工程學(xué)基礎(chǔ)理論中的重要概念 175
6.3.1 化學(xué)熱力學(xué)的有關(guān)基本概念 175
6.3.2 化學(xué)動(dòng)力學(xué)的有關(guān)基本概念 180
6.3.3 傳遞工程學(xué)的有關(guān)基本概念 187
6.4 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的基本方程 188
習(xí)題 189
第7章 均相反應(yīng)過程與理想反應(yīng)器 191
7.1 釜式反應(yīng)器 191
7.1.1 釜式反應(yīng)器的物料衡算式 191
7.1.2 間歇攪拌釜式反應(yīng)器 191
7.1.3 理想連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器 193
7.1.4 連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器的串聯(lián) 194
7.1.5 連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性 198
7.2 活塞流管式反應(yīng)器 200
7.2.1 活塞流反應(yīng)器的理想假設(shè) 200
7.2.2 活塞流反應(yīng)器的體積計(jì)算 200
7.3 理想均相反應(yīng)器的優(yōu)化選擇 202
7.3.1 以生產(chǎn)強(qiáng)度為優(yōu)化目標(biāo)選擇反應(yīng)器 202
7.3.2 以產(chǎn)率和選擇性為優(yōu)化目標(biāo)選擇反應(yīng)器 205
習(xí)題 207
第8章 停留時(shí)間分布與非理想反應(yīng)器的計(jì)算 209
8.1 停留時(shí)間分布函數(shù) 209
8.1.1 停留時(shí)間分布函數(shù)的定義 209
8.1.2 停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)定 212
8.1.3 停留時(shí)間分布的數(shù)學(xué)特征 215
8.1.4 理想反應(yīng)器的停留時(shí)間分布 217
8.2 非理想流動(dòng)模型及實(shí)際反應(yīng)器的計(jì)算 220
8.2.1 離析流模型 221
8.2.2 多釜串聯(lián)模型 221
8.2.3 軸向擴(kuò)散模型 224
8.2.4 非理想反應(yīng)器的計(jì)算 225
習(xí)題 227
第9章 多相催化反應(yīng) 229
9.1 工業(yè)催化簡(jiǎn)介 229
9.1.1 固體催化劑 229
9.1.2 工業(yè)催化劑的要求和特點(diǎn) 229
9.2 氣、固相催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 230
9.2.1 氣、固相催化反應(yīng)的歷程 230
9.2.2 表面動(dòng)力學(xué)控制 231
9.2.3 外擴(kuò)散過程 234
9.2.4 內(nèi)擴(kuò)散過程 236
9.2.5 反應(yīng)過程的控制階段 240
9.3 非等溫過程 241
9.3.1 操作溫度的*優(yōu)化 241
9.3.2 熱量衡算與絕熱反應(yīng)器 243
9.3.3 絕熱反應(yīng)器的容積計(jì)算 245
9.4 氣、固相催化反應(yīng)器 246
9.4.1 固定床反應(yīng)器 246
9.4.2 流化床反應(yīng)器 248
習(xí)題 249
第10章 合成氨工藝 251
10.1 概述 251
10.1.1 合成氨工業(yè)的重要性及發(fā)展概況 251
10.1.2 合成氨主要原料及原則流程 252
10.2 原料氣的生產(chǎn) 253
10.2.1 固體燃料氣化法 254
10.2.2 其他造氣方法簡(jiǎn)介 256
10.3 原料氣的凈化 258
10.3.1 原料氣的脫硫 258
10.3.2 一氧化碳的變換 259
10.3.3 二氧化碳的脫除 262
10.3.4 原料氣的精制 264
10.4 氨的合成 265
10.4.1 氨合成的熱力學(xué) 265
10.4.2 氨合成的動(dòng)力學(xué) 267
10.4.3 氨合成*佳工藝條件的確定 269
10.4.4 氨合成流程 272
10.4.5 氨合成的主要設(shè)備——合成塔 273
10.5 氨的加工 275
10.5.1 尿素概述 275
10.5.2 合成原理和工藝條件 275
習(xí)題 278
第11章 硫酸生產(chǎn)工藝 279
11.1 硫酸概述 279
11.1.1 硫酸的性質(zhì) 279
11.1.2 硫酸的用途和產(chǎn)品規(guī)格 279
11.1.3 硫酸工業(yè)發(fā)展概況 280
11.2 生產(chǎn)硫酸的原料和生產(chǎn)原則流程 281
11.2.1 生產(chǎn)硫酸的原料 281
11.2.2 以硫鐵礦為原料的接觸法生產(chǎn)硫酸的原則流程 283
11.3 二氧化硫爐氣的生產(chǎn) 283
11.3.1 硫鐵礦焙燒原理 283
11.3.2 焙燒工藝條件的確定 285
11.3.3 固體流態(tài)化和沸騰焙燒爐 286
11.4 二氧化硫爐氣的凈化與干燥 288
11.4.1 凈化的目的 288
11.4.2 凈化方法 289
11.4.3 二氧化硫爐氣的干燥 290
11.5 二氧化硫的催化氧化 291
11.5.1 SO2催化氧化的基本原理 291
11.5.2 平衡常數(shù)與平衡轉(zhuǎn)化率 291
11.5.3 催化劑與反應(yīng)速率 293
11.5.4 適宜工藝條件的確定 293
11.5.5 二氧化硫轉(zhuǎn)化流程 296
11.6 三氧化硫的吸收成酸 298
11.6.1 吸收成酸的原理及影響因
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化工基礎(chǔ) 節(jié)選

第1章 緒論 化學(xué)工程學(xué)是研究化學(xué)工業(yè)和其他過程工業(yè)生產(chǎn)中所進(jìn)行的化學(xué)過程和物理過程的共同規(guī)律的一門工程學(xué)科，它以化學(xué)、物理和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，化學(xué)反應(yīng)為核心，同時(shí)還需要機(jī)械、電氣、儀表、控制等工程學(xué)科的理論支持和技術(shù)上的應(yīng)用。因此，化學(xué)工程學(xué)是源自化學(xué)同時(shí)融合了諸多工程技術(shù)學(xué)科的綜合學(xué)科。 化學(xué)工程學(xué)與化學(xué)和化學(xué)工業(yè)有著密切的聯(lián)系。化學(xué)工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中重要的一個(gè)組成部分，它既為農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)、重工業(yè)和國(guó)防工業(yè)提供生產(chǎn)資料，也為人類衣、食、住、行等各方面提供必不可少的化工產(chǎn)品。 化學(xué)工程學(xué)的任務(wù)是研究化工生產(chǎn)過程的基本規(guī)律和工程技術(shù)，從理論上闡明化工生產(chǎn)的各個(gè)過程，找到其中具有規(guī)律性的問題，為有效地實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)提供可靠的基礎(chǔ)理論和技術(shù)。這些基礎(chǔ)理論和技術(shù)也是實(shí)施各種化工類型工業(yè)生產(chǎn)和工程（如冶金、醫(yī)藥、核能和環(huán)境工程等）的基本依據(jù)。 1.1 化學(xué)工程學(xué)的形成與發(fā)展 化學(xué)工程學(xué)始于19世紀(jì)末，經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：20世紀(jì)40年代之前的“單元操作”階段；20世紀(jì)60年代的“三傳一反”階段；1996年以來提出的“多尺度、多目標(biāo)”的研究階段。它是隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展而逐漸形成和發(fā)展的。 1791年呂布蘭（LeBlanc）發(fā)明的呂布蘭法制堿工業(yè)化標(biāo)志著化學(xué)工業(yè)的誕生。19世紀(jì)70年代，制堿、制酸、化肥、煤化工等都已有了相當(dāng)規(guī)模，許多新發(fā)明、新技術(shù)應(yīng)用到化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中。1888年美國(guó)的麻省理工學(xué)院開設(shè)了世界上**個(gè)“化學(xué)工程”的四年制學(xué)士學(xué)位課程，并于1920年成立了化學(xué)工程系。從此，化學(xué)工程這一名詞獲得應(yīng)用。1901年戴維斯（Davis）出版了《化學(xué)工程手冊(cè)》，這是世界上**部闡述各種化工生產(chǎn)過程共性規(guī)律的著作。戴維斯首次將化工生產(chǎn)過程的各個(gè)步驟加以分類，系統(tǒng)闡述了化工基本操作過程，如蒸餾、干燥、過濾、吸收和萃取等，從化工產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝中歸納出共同規(guī)律；瘜W(xué)工程學(xué)成為繼冶金、機(jī)械、土建和電氣工程學(xué)科之后誕生的第五個(gè)學(xué)科。這一時(shí)期化學(xué)工業(yè)正在興起，主要研究對(duì)象是化學(xué)加工技術(shù)、涉及各種行業(yè)的化工生產(chǎn)工藝；研究?jī)?nèi)容涉及原料特點(diǎn)、生產(chǎn)原理、工藝流程、*適宜操作條件以及所用機(jī)械設(shè)備的構(gòu)造和使用，開設(shè)的課程稱為化學(xué)工藝學(xué)。 1915年利特爾（Little）提出“單元操作”的概念，他明確提出任何化工生產(chǎn)過程，無論其規(guī)模大小都可以用一系列稱為單元操作的技術(shù)來解決，只有將紛雜眾多的化工生產(chǎn)過程分解為構(gòu)成它們的單元操作來進(jìn)行研究，才能使化學(xué)工程專業(yè)具有廣泛的適應(yīng)能力。之后沃克（Walker）、劉易斯（Lewis）和麥克亞當(dāng)斯（McAdams）完成了《化工原理》一書的初稿并于1923年正式出版。該書闡述了各種單元操作的物理、化學(xué)原理，提出了定量計(jì)算方法，并從物理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科中吸取了對(duì)化學(xué)工程有用的研究成果和研究方法，奠定了化學(xué)工程成為一門獨(dú)立學(xué)科的基礎(chǔ)。單元操作概念提出后，在處理只含有物理變化的化工操作時(shí)獲得了巨大成功，但在處理含有化學(xué)變化的化工操作時(shí)卻很不成功。對(duì)氣、固相催化反應(yīng)的研究使化學(xué)工程師認(rèn)識(shí)到，在工業(yè)反應(yīng)過程中，質(zhì)量傳遞和熱量傳遞對(duì)反應(yīng)結(jié)果都有影響。20世紀(jì)40年代，化工技術(shù)的突破發(fā)展促進(jìn)了工程上對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的研究，在50年代形成了化學(xué)反應(yīng)工程分支；瘜W(xué)反應(yīng)工程研究反應(yīng)器內(nèi)傳遞過程和化學(xué)反應(yīng)的相互關(guān)系和影響，闡明工業(yè)反應(yīng)過程的實(shí)質(zhì)，目的在于控制生產(chǎn)規(guī)模下的化學(xué)反應(yīng)過程，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的*佳設(shè)計(jì)。在對(duì)連續(xù)過程的研究中，提出了返混、停留時(shí)間、微觀混合、反應(yīng)器參數(shù)敏感性和反應(yīng)器穩(wěn)定性等一系列概念，同時(shí)化學(xué)工程師認(rèn)識(shí)到，從本質(zhì)上看所有單元操作都可以分解為動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞三種過程。在工業(yè)反應(yīng)器的研究中應(yīng)注重傳遞過程規(guī)律的探索。 化學(xué)反應(yīng)工程涉及化工生產(chǎn)過程的核心問題，自創(chuàng)立以后，至今方興未艾，與早先發(fā)展起來的傳遞過程共同形成化學(xué)工程學(xué)兩大支柱，有力地解釋和解決了化學(xué)過程中的理論問題。1957年的**屆歐洲化學(xué)反應(yīng)工程討論會(huì)宣布化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的誕生。而1960年伯德（Bird）、斯圖爾特（Stewart）、萊特富特（Lightfoot）合著的《傳遞現(xiàn)象》出版，標(biāo)志著化學(xué)工程進(jìn)入了“三傳一反”的時(shí)代。20世紀(jì)70年代以后，化工生產(chǎn)日趨大型化、連續(xù)化以及隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，化學(xué)工程學(xué)的研究已不再限于單個(gè)單元操作或化學(xué)反應(yīng)過程，而是深入整個(gè)工廠，甚至是整個(gè)行業(yè)的大系統(tǒng)研究，從而形成了化學(xué)系統(tǒng)工程，其主要任務(wù)是研究系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、控制和管理，并用數(shù)學(xué)模擬方法尋求*有效的化工系統(tǒng)。這種從實(shí)際到理論、分解到綜合的研究過程是人們認(rèn)識(shí)化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際、解決工程實(shí)際問題的過程。這就是*新發(fā)展起來的化工系統(tǒng)工程學(xué)。 1.2 化學(xué)工程學(xué)的性質(zhì)、任務(wù)、內(nèi)容和研究方法 1.2.1 化學(xué)工程學(xué)的性質(zhì)和任務(wù) 化學(xué)工業(yè)是將自然界的物質(zhì)經(jīng)過化學(xué)和物理方法的處理，制造成生產(chǎn)資料和生活資料的工業(yè)；ぎa(chǎn)品生產(chǎn)過程中，從原料到成品，往往需要幾個(gè)或幾十個(gè)加工過程。其中除了化學(xué)反應(yīng)過程外，還有大量的物理加工過程；瘜W(xué)工程學(xué)是研究大規(guī)模地改變物料的化學(xué)組成和物理性質(zhì)的工程技術(shù)學(xué)科。化學(xué)工程學(xué)研究的對(duì)象包括化工生產(chǎn)裝置中進(jìn)行的化學(xué)變化過程，也包括混合物的分離凈化過程，以及改變物料物理狀態(tài)和性質(zhì)的過程。其任務(wù)是從理論上闡明化工生產(chǎn)的各個(gè)過程，找出其中具有規(guī)律性的問題，減少在化工開發(fā)中的盲目性。 1.2.2 化學(xué)工程學(xué)的內(nèi)容 化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品種類繁多，各生產(chǎn)過程差異很大，每一種化工過程包含著許多操作工序。但是分析發(fā)現(xiàn)，任何化工生產(chǎn)過程都包括工程和工藝兩個(gè)基本內(nèi)容。因此，相應(yīng)的課程內(nèi)容就包括化學(xué)工程和化學(xué)工藝兩個(gè)方面。 化學(xué)工程學(xué)研究化工生產(chǎn)過程中共同性操作規(guī)律及其工程性質(zhì)的問題。眾多的化工過程可以歸納為動(dòng)量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)工程，即“三傳一反”。研究以“三傳一反”為中心的化學(xué)工程，可以解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的下列問題： （1）設(shè)計(jì)或改進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備和裝置，使其效率和性能更佳。 （2）確定適宜的操作條件。 （3）提高物料利用率以及物料和能量的綜合利用。 （4）指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室或中試研究工作，獲得能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 1.2.3 化學(xué)工程學(xué)的研究方法 化學(xué)工程學(xué)之所以成為一門學(xué)科，除了有具體的研究對(duì)象外，還有統(tǒng)一的研究方法；瘜W(xué)工程學(xué)作為一門工程技術(shù)學(xué)科，面臨著真實(shí)的、復(fù)雜的化工生產(chǎn)過程，其復(fù)雜性不完全在于過程本身，而首先在于化工設(shè)備復(fù)雜的幾何形狀和所處理的物料千變?nèi)f化的物性。例如，過濾中發(fā)生的過程是流體的流動(dòng)，本身并不復(fù)雜，但濾餅提供的則是形狀不規(guī)則的網(wǎng)狀通道，并且過濾物各式各樣，使過濾這一過程復(fù)雜化。要對(duì)其流動(dòng)過程做出如實(shí)的、逼真的描述幾乎不可能，采用理論的研究方法困難重重。因此，對(duì)實(shí)際的化工生產(chǎn)過程，探求合理的研究方法是化學(xué)工程學(xué)科的重要方面。 化學(xué)工程學(xué)的發(fā)展過程中形成了兩種基本的研究方法。一種是經(jīng)驗(yàn)歸納法，即對(duì)一些化工過程，通過大量實(shí)驗(yàn)歸納影響過程的變量之間的關(guān)系，常采用物理學(xué)的相似論和因次分析法等。例如，熱交換過程中的傳熱系數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定將其歸納成量綱為一的相似特征數(shù)的關(guān)系式予以確定的。另一種是數(shù)學(xué)模型法；どa(chǎn)過程中的問題并不是用經(jīng)驗(yàn)歸納法都能解決，化學(xué)反應(yīng)工程的復(fù)雜性用物理學(xué)的相似方法和因次分析的方法不能完全解決，它的研究主要借助于數(shù)學(xué)模型法。數(shù)學(xué)模型法的實(shí)質(zhì)是使復(fù)雜的工程問題簡(jiǎn)化或分解為一個(gè)或若干個(gè)單純的問題。例如，將工業(yè)化學(xué)反應(yīng)器中傳遞過程和反應(yīng)過程的相互關(guān)聯(lián)、互相制約的復(fù)雜問題分解成化學(xué)方面、傳遞過程方面和兩者的結(jié)合方面的問題；瘜W(xué)方面的問題歸納為研究反應(yīng)對(duì)象，提出反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型；傳遞方面的問題歸納為研究不同類型反應(yīng)器，提出反應(yīng)器的傳遞模型；而兩者結(jié)合的問題則是將各種反應(yīng)模型和各種傳遞模型相結(jié)合的問題。 數(shù)學(xué)模型法應(yīng)用于解決化工生產(chǎn)過程的實(shí)際問題，推動(dòng)了化學(xué)反應(yīng)工程的迅速發(fā)展，使化學(xué)工程學(xué)擺脫了單純從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納過程規(guī)律的傳統(tǒng)做法。例如，前面涉及的單元操作過濾也可使用數(shù)學(xué)模型法，將濾餅中的不規(guī)則網(wǎng)狀通道簡(jiǎn)化成若干個(gè)平行的圓形細(xì)管，由此引入的一些修正系數(shù)則由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，從而建立起過濾過程的數(shù)學(xué)模型。 1.2.4 本課程的學(xué)習(xí)目的 根據(jù)化學(xué)和化學(xué)師范專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)習(xí)“化學(xué)工程基礎(chǔ)”課程的目的如下： （1）加深對(duì)基本理論的理解。熟悉化工生產(chǎn)中涉及的基本原理和典型設(shè)備，了解它們?cè)诨どa(chǎn)中的應(yīng)用，理解物理化學(xué)原理和化學(xué)工程基礎(chǔ)中的規(guī)律在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用，以及這些規(guī)律在設(shè)備的選擇、工藝流程的確定、操作條件的優(yōu)化等方面所起的作用，加強(qiáng)理論與實(shí)際的聯(lián)系，從而加深對(duì)物理和化學(xué)原理的理解。 （2）提高分析問題和解決問題的能力。認(rèn)識(shí)在化工生產(chǎn)中分析問題、解決問題的方法和途徑。實(shí)際生產(chǎn)過程中存在諸多影響因素，需根據(jù)生產(chǎn)特點(diǎn)，抓住主要因素，確定生產(chǎn)流程和設(shè)備。 （3）指導(dǎo)化學(xué)科研工作？蒲袑(shí)驗(yàn)的結(jié)果能否應(yīng)用于生產(chǎn)中是檢驗(yàn)其能否成為科研成果的標(biāo)志。在實(shí)驗(yàn)室的研究過程中，不僅要探索反應(yīng)的*適宜條件，而且要考慮工程因素和實(shí)際生產(chǎn)條件的各種限制因素。在確定原料路線時(shí)既要考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)的原則，在工藝中又要考慮能量和原料的綜合利用，同時(shí)還要考慮環(huán)保的要求和可持續(xù)發(fā)展的要求。 1.3 化學(xué)工程學(xué)的基本規(guī)律 在化學(xué)工程研究、化工過程開發(fā)及設(shè)備的設(shè)計(jì)、操作時(shí)，經(jīng)常要用到的是物料衡算、能量衡算、平衡關(guān)系和過程速率等基本規(guī)律。 1.3.1 物料衡算 物料衡算遵循質(zhì)量守恒定律。對(duì)任意化工生產(chǎn)過程的進(jìn)入物料量、排出物料量和積累物料量進(jìn)行衡算，其衡算式為 Σmi=Σmo+A （1-1） 式中，Σmi為輸入系統(tǒng)物料量的總和；Σmo為輸出系統(tǒng)物料量的總和；A為系統(tǒng)內(nèi)積累的物料量。 無化學(xué)變化時(shí)，混合物中的任一組分都符合此通式，當(dāng)有化學(xué)變化時(shí)，物料中所具有的各種元素仍然符合此通式。 物料衡算的范圍根據(jù)衡算目的而定，可以是一個(gè)單一設(shè)備或其中一部分，也可以是一組設(shè)備，還可以是一個(gè)生產(chǎn)過程的全流程。進(jìn)行衡算的物料可以是總物料，也可以是其中某一組分。 物料衡算是化工計(jì)算中*基本、*重要的計(jì)算，也是其他化工計(jì)算的基礎(chǔ)。物料衡算概念雖然簡(jiǎn)單，但它在化工生產(chǎn)過程中起著重要作用： （1）根據(jù)處理的物料量，確定設(shè)備的某些主要尺寸或規(guī)模。 （2）擬訂加工方案，選擇工藝流程。 （3）了解操作偏離正常情況的程度，為進(jìn)一步改進(jìn)提供依據(jù)。 【例1-1】 KNO3溶液濃度為20%，以1000kg/h的速率加入蒸發(fā)器中，KNO3溶液濃度達(dá)到50%，溫度為422K，冷卻結(jié)晶，結(jié)晶溫度為311K，KNO3晶體含水4%，母液中KNO3 濃度為37.5%，送回蒸餾器濃縮，計(jì)算KNO3晶體的產(chǎn)量P、蒸發(fā)的水分量W 、循環(huán)的母液量R及被濃縮KNO3（50%）的速度S。 解 （1）總的物料衡算。 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）結(jié)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 能量衡算依據(jù)能量守恒定律。根據(jù)能量守恒定律，對(duì)于連續(xù)、穩(wěn)定的操作過程，輸入系統(tǒng)的能量等于輸出系統(tǒng)的能量，即 ΣE輸入=ΣE輸出（1-2） 有化學(xué)反應(yīng)參加的過程，式（1-2）變?yōu)?

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