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化工基礎 版權信息
- ISBN：9787030318077
- 條形碼：9787030318077 ; 978-7-03-031807-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
化工基礎 內容簡介
本書根據高等院校“化學工程基礎”課程教學要求編寫。全書共分十二章，以化工過程開發方法為引導，系統地介紹化學了工程中典型單元操作與反應器基本原理，主要包括流體流動過程、傳熱過程、傳質分離過程的基本原理、反應工程基本原理、合成氨及硫酸工藝，涉及化工單元操作、工業化學反應過程、工藝過程優化、技術經濟分析、環境保護與三廢處理及化工過程開發等內容。本書重視化學工程學基本知識、基礎理論的闡述，注重工程觀點和方法的傳授，并適當介紹化學工業和化學工程的新進展，力求由淺入深、重點突出、主次分明、系統連貫。每章均有小結,并配有復習題和習題。
化工基礎 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 化學工程學的形成與發展 1
1.2 化學工程學的性質、任務、內容和研究方法 2
1.2.1 化學工程學的性質和任務 2
1.2.2 化學工程學的內容 2
1.2.3 化學工程學的研究方法 3
1.2.4 本課程的學習目的 3
1.3 化學工程學的基本規律 4
1.3.1 物料衡算 4
1.3.2 能量衡算 5
1.3.3 平衡關系 6
1.3.4 過程速率 6
1.4 化學與化工生產 6
1.4.1 從實驗室研究到工業化生產 6
1.4.2 化工開發過程及步驟 7
1.5 化學工程學的發展趨勢 8
1.5.1 化工過程與系統工程結合 8
1.5.2 化學工程與材料科學結合 9
1.5.3 化學工程與信息工程結合 9
1.5.4 化工過程的綠色化 9
第2章 流體的流動過程與輸送機械 10
2.1 流體靜力學基本方程式 10
2.1.1 密度和比容 10
2.1.2 壓強 11
2.1.3 流體靜力學基本方程式及應用 12
2.2 流體流動基本規律 15
2.2.1 流量與流速 16
2.2.2 定態流動與非定態流動 17
2.2.3 理想流體與實際流體 17
2.2.4 連續性方程 18
2.2.5 伯努利方程 18
2.2.6 伯努利方程的應用 21
2.3 流體流動阻力 24
2.3.1 牛頓黏性定律與流體的黏度 24
2.3.2 流體的流動現象 26
2.3.3 流體管內流動阻力的計算 29
2.4 管路計算 37
2.4.1 管路計算的類型和基本方法 37
2.4.2 簡單管路 38
2.4.3 復雜管路 38
2.5 流速和流量的測量 39
2.5.1 測速管 39
2.5.2 孔板流量計 41
2.5.3 文丘里流量計 42
2.5.4 轉子流量計 43
2.6 流體輸送機械 44
2.6.1 離心泵 45
2.6.2 往復壓縮機 51
習題 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中的應用 58
3.1.2 傳熱的基本方式 58
3.1.3 定態傳熱與非定態傳熱 60
3.1.4 載熱體及其選擇 60
3.1.5 工業中的換熱方式 61
3.1.6 傳熱速率與熱通量 62
3.2 熱傳導 63
3.2.1 傅里葉定律 63
3.2.2 導熱系數 63
3.2.3 平壁熱傳導 64
3.2.4 圓筒壁的定態熱傳導 67
3.3 對流傳熱 69
3.3.1 對流傳熱機理 69
3.3.2 對流傳熱基本方程 70
3.3.3 對流傳熱分系數 70
3.3.4 對流傳熱分系數準數關聯式 72
3.4 傳熱計算 75
3.4.1 熱量衡算式及熱負荷的計算 75
3.4.2 總傳熱速率方程 76
3.4.3 總傳熱系數的計算 77
3.4.4 傳熱平均溫度差的計算 80
3.5 傳熱設備——換熱器 85
3.5.1 間壁式換熱器 85
3.5.2 強化傳熱的途徑 87
習題 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 相平衡關系與吸收過程中的關系 98
4.3 吸收速率方程 99
4.3.1 單一相內物質的傳遞 100
4.3.2 雙膜理論 103
4.3.3 吸收速率方程 104
4.4 填料吸收塔的計算 109
4.4.1 吸收劑用量的計算 109
4.4.2 填料層高度的計算 113
4.4.3 吸收塔塔徑的計算 119
4.5 填料塔 120
4.5.1 填料塔結構簡介 120
4.5.2 填料 120
4.5.3 填料塔內的流體力學性能 122
4.5.4 填料塔的附件 124
4.5.5 強化吸收過程的措施 125
4.6 其他氣體分離技術簡介 126
4.6.1 變壓吸附技術 126
4.6.2 膜分離技術 127
習題 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 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 簡單蒸餾和平衡蒸餾 138
5.3.1 簡單蒸餾 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 雙組分連續精餾的計算 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 進料熱狀態對精餾操作的影響 145
5.5.4 理論板層數的計算 149
5.5.5 回流比的選擇 152
5.5.6 理論板數的簡捷計算法 157
5.5.7 實際塔板數和塔板效率 158
5.6 間歇精餾 159
5.6.1 回流比恒定時的間歇精餾 159
5.6.2 餾出液組成恒定時的間歇精餾 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價 163
5.8.2 板式塔的結構與性能 165
5.8.3 板式塔工藝尺寸的計算 168
習題 168
第6章 工業反應器設計基礎 171
6.1 化學反應和工業反應器 171
6.1.1 化學反應的分類 171
6.1.2 工業反應器的基本類型 171
6.2 工業反應器的操作方式 174
6.2.1 間歇操作 174
6.2.2 連續操作 174
6.2.3 半連續操作 175
6.3 反應工程學基礎理論中的重要概念 175
6.3.1 化學熱力學的有關基本概念 175
6.3.2 化學動力學的有關基本概念 180
6.3.3 傳遞工程學的有關基本概念 187
6.4 反應器設計的基本方程 188
習題 189
第7章 均相反應過程與理想反應器 191
7.1 釜式反應器 191
7.1.1 釜式反應器的物料衡算式 191
7.1.2 間歇攪拌釜式反應器 191
7.1.3 理想連續攪拌釜式反應器 193
7.1.4 連續攪拌釜式反應器的串聯 194
7.1.5 連續攪拌釜式反應器的熱穩定性 198
7.2 活塞流管式反應器 200
7.2.1 活塞流反應器的理想假設 200
7.2.2 活塞流反應器的體積計算 200
7.3 理想均相反應器的優化選擇 202
7.3.1 以生產強度為優化目標選擇反應器 202
7.3.2 以產率和選擇性為優化目標選擇反應器 205
習題 207
第8章 停留時間分布與非理想反應器的計算 209
8.1 停留時間分布函數 209
8.1.1 停留時間分布函數的定義 209
8.1.2 停留時間分布的實驗測定 212
8.1.3 停留時間分布的數學特征 215
8.1.4 理想反應器的停留時間分布 217
8.2 非理想流動模型及實際反應器的計算 220
8.2.1 離析流模型 221
8.2.2 多釜串聯模型 221
8.2.3 軸向擴散模型 224
8.2.4 非理想反應器的計算 225
習題 227
第9章 多相催化反應 229
9.1 工業催化簡介 229
9.1.1 固體催化劑 229
9.1.2 工業催化劑的要求和特點 229
9.2 氣、固相催化反應動力學 230
9.2.1 氣、固相催化反應的歷程 230
9.2.2 表面動力學控制 231
9.2.3 外擴散過程 234
9.2.4 內擴散過程 236
9.2.5 反應過程的控制階段 240
9.3 非等溫過程 241
9.3.1 操作溫度的*優化 241
9.3.2 熱量衡算與絕熱反應器 243
9.3.3 絕熱反應器的容積計算 245
9.4 氣、固相催化反應器 246
9.4.1 固定床反應器 246
9.4.2 流化床反應器 248
習題 249
第10章 合成氨工藝 251
10.1 概述 251
10.1.1 合成氨工業的重要性及發展概況 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 253
10.2.1 固體燃料氣化法 254
10.2.2 其他造氣方法簡介 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 265
10.4.2 氨合成的動力學 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
習題 278
第11章 硫酸生產工藝 279
11.1 硫酸概述 279
11.1.1 硫酸的性質 279
11.1.2 硫酸的用途和產品規格 279
11.1.3 硫酸工業發展概況 280
11.2 生產硫酸的原料和生產原則流程 281
11.2.1 生產硫酸的原料 281
11.2.2 以硫鐵礦為原料的接觸法生產硫酸的原則流程 283
11.3 二氧化硫爐氣的生產 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 平衡常數與平衡轉化率 291
11.5.3 催化劑與反應速率 293
11.5.4 適宜工藝條件的確定 293
11.5.5 二氧化硫轉化流程 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
前言
第1章 緒論 1
1.1 化學工程學的形成與發展 1
1.2 化學工程學的性質、任務、內容和研究方法 2
1.2.1 化學工程學的性質和任務 2
1.2.2 化學工程學的內容 2
1.2.3 化學工程學的研究方法 3
1.2.4 本課程的學習目的 3
1.3 化學工程學的基本規律 4
1.3.1 物料衡算 4
1.3.2 能量衡算 5
1.3.3 平衡關系 6
1.3.4 過程速率 6
1.4 化學與化工生產 6
1.4.1 從實驗室研究到工業化生產 6
1.4.2 化工開發過程及步驟 7
1.5 化學工程學的發展趨勢 8
1.5.1 化工過程與系統工程結合 8
1.5.2 化學工程與材料科學結合 9
1.5.3 化學工程與信息工程結合 9
1.5.4 化工過程的綠色化 9
第2章 流體的流動過程與輸送機械 10
2.1 流體靜力學基本方程式 10
2.1.1 密度和比容 10
2.1.2 壓強 11
2.1.3 流體靜力學基本方程式及應用 12
2.2 流體流動基本規律 15
2.2.1 流量與流速 16
2.2.2 定態流動與非定態流動 17
2.2.3 理想流體與實際流體 17
2.2.4 連續性方程 18
2.2.5 伯努利方程 18
2.2.6 伯努利方程的應用 21
2.3 流體流動阻力 24
2.3.1 牛頓黏性定律與流體的黏度 24
2.3.2 流體的流動現象 26
2.3.3 流體管內流動阻力的計算 29
2.4 管路計算 37
2.4.1 管路計算的類型和基本方法 37
2.4.2 簡單管路 38
2.4.3 復雜管路 38
2.5 流速和流量的測量 39
2.5.1 測速管 39
2.5.2 孔板流量計 41
2.5.3 文丘里流量計 42
2.5.4 轉子流量計 43
2.6 流體輸送機械 44
2.6.1 離心泵 45
2.6.2 往復壓縮機 51
習題 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中的應用 58
3.1.2 傳熱的基本方式 58
3.1.3 定態傳熱與非定態傳熱 60
3.1.4 載熱體及其選擇 60
3.1.5 工業中的換熱方式 61
3.1.6 傳熱速率與熱通量 62
3.2 熱傳導 63
3.2.1 傅里葉定律 63
3.2.2 導熱系數 63
3.2.3 平壁熱傳導 64
3.2.4 圓筒壁的定態熱傳導 67
3.3 對流傳熱 69
3.3.1 對流傳熱機理 69
3.3.2 對流傳熱基本方程 70
3.3.3 對流傳熱分系數 70
3.3.4 對流傳熱分系數準數關聯式 72
3.4 傳熱計算 75
3.4.1 熱量衡算式及熱負荷的計算 75
3.4.2 總傳熱速率方程 76
3.4.3 總傳熱系數的計算 77
3.4.4 傳熱平均溫度差的計算 80
3.5 傳熱設備——換熱器 85
3.5.1 間壁式換熱器 85
3.5.2 強化傳熱的途徑 87
習題 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 相平衡關系與吸收過程中的關系 98
4.3 吸收速率方程 99
4.3.1 單一相內物質的傳遞 100
4.3.2 雙膜理論 103
4.3.3 吸收速率方程 104
4.4 填料吸收塔的計算 109
4.4.1 吸收劑用量的計算 109
4.4.2 填料層高度的計算 113
4.4.3 吸收塔塔徑的計算 119
4.5 填料塔 120
4.5.1 填料塔結構簡介 120
4.5.2 填料 120
4.5.3 填料塔內的流體力學性能 122
4.5.4 填料塔的附件 124
4.5.5 強化吸收過程的措施 125
4.6 其他氣體分離技術簡介 126
4.6.1 變壓吸附技術 126
4.6.2 膜分離技術 127
習題 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 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 簡單蒸餾和平衡蒸餾 138
5.3.1 簡單蒸餾 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 雙組分連續精餾的計算 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 進料熱狀態對精餾操作的影響 145
5.5.4 理論板層數的計算 149
5.5.5 回流比的選擇 152
5.5.6 理論板數的簡捷計算法 157
5.5.7 實際塔板數和塔板效率 158
5.6 間歇精餾 159
5.6.1 回流比恒定時的間歇精餾 159
5.6.2 餾出液組成恒定時的間歇精餾 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價 163
5.8.2 板式塔的結構與性能 165
5.8.3 板式塔工藝尺寸的計算 168
習題 168
第6章 工業反應器設計基礎 171
6.1 化學反應和工業反應器 171
6.1.1 化學反應的分類 171
6.1.2 工業反應器的基本類型 171
6.2 工業反應器的操作方式 174
6.2.1 間歇操作 174
6.2.2 連續操作 174
6.2.3 半連續操作 175
6.3 反應工程學基礎理論中的重要概念 175
6.3.1 化學熱力學的有關基本概念 175
6.3.2 化學動力學的有關基本概念 180
6.3.3 傳遞工程學的有關基本概念 187
6.4 反應器設計的基本方程 188
習題 189
第7章 均相反應過程與理想反應器 191
7.1 釜式反應器 191
7.1.1 釜式反應器的物料衡算式 191
7.1.2 間歇攪拌釜式反應器 191
7.1.3 理想連續攪拌釜式反應器 193
7.1.4 連續攪拌釜式反應器的串聯 194
7.1.5 連續攪拌釜式反應器的熱穩定性 198
7.2 活塞流管式反應器 200
7.2.1 活塞流反應器的理想假設 200
7.2.2 活塞流反應器的體積計算 200
7.3 理想均相反應器的優化選擇 202
7.3.1 以生產強度為優化目標選擇反應器 202
7.3.2 以產率和選擇性為優化目標選擇反應器 205
習題 207
第8章 停留時間分布與非理想反應器的計算 209
8.1 停留時間分布函數 209
8.1.1 停留時間分布函數的定義 209
8.1.2 停留時間分布的實驗測定 212
8.1.3 停留時間分布的數學特征 215
8.1.4 理想反應器的停留時間分布 217
8.2 非理想流動模型及實際反應器的計算 220
8.2.1 離析流模型 221
8.2.2 多釜串聯模型 221
8.2.3 軸向擴散模型 224
8.2.4 非理想反應器的計算 225
習題 227
第9章 多相催化反應 229
9.1 工業催化簡介 229
9.1.1 固體催化劑 229
9.1.2 工業催化劑的要求和特點 229
9.2 氣、固相催化反應動力學 230
9.2.1 氣、固相催化反應的歷程 230
9.2.2 表面動力學控制 231
9.2.3 外擴散過程 234
9.2.4 內擴散過程 236
9.2.5 反應過程的控制階段 240
9.3 非等溫過程 241
9.3.1 操作溫度的*優化 241
9.3.2 熱量衡算與絕熱反應器 243
9.3.3 絕熱反應器的容積計算 245
9.4 氣、固相催化反應器 246
9.4.1 固定床反應器 246
9.4.2 流化床反應器 248
習題 249
第10章 合成氨工藝 251
10.1 概述 251
10.1.1 合成氨工業的重要性及發展概況 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 253
10.2.1 固體燃料氣化法 254
10.2.2 其他造氣方法簡介 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 265
10.4.2 氨合成的動力學 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
習題 278
第11章 硫酸生產工藝 279
11.1 硫酸概述 279
11.1.1 硫酸的性質 279
11.1.2 硫酸的用途和產品規格 279
11.1.3 硫酸工業發展概況 280
11.2 生產硫酸的原料和生產原則流程 281
11.2.1 生產硫酸的原料 281
11.2.2 以硫鐵礦為原料的接觸法生產硫酸的原則流程 283
11.3 二氧化硫爐氣的生產 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 平衡常數與平衡轉化率 291
11.5.3 催化劑與反應速率 293
11.5.4 適宜工藝條件的確定 293
11.5.5 二氧化硫轉化流程 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 節選
第1章 緒論 化學工程學是研究化學工業和其他過程工業生產中所進行的化學過程和物理過程的共同規律的一門工程學科，它以化學、物理和數學為基礎，化學反應為核心，同時還需要機械、電氣、儀表、控制等工程學科的理論支持和技術上的應用。因此，化學工程學是源自化學同時融合了諸多工程技術學科的綜合學科。 化學工程學與化學和化學工業有著密切的聯系。化學工業是國民經濟中重要的一個組成部分，它既為農業、輕工業、重工業和國防工業提供生產資料，也為人類衣、食、住、行等各方面提供必不可少的化工產品。 化學工程學的任務是研究化工生產過程的基本規律和工程技術，從理論上闡明化工生產的各個過程，找到其中具有規律性的問題，為有效地實現工業生產提供可靠的基礎理論和技術。這些基礎理論和技術也是實施各種化工類型工業生產和工程（如冶金、醫藥、核能和環境工程等）的基本依據。 1.1 化學工程學的形成與發展 化學工程學始于19世紀末，經歷了三個發展階段：20世紀40年代之前的“單元操作”階段；20世紀60年代的“三傳一反”階段；1996年以來提出的“多尺度、多目標”的研究階段。它是隨著化學工業的發展而逐漸形成和發展的。 1791年呂布蘭（LeBlanc）發明的呂布蘭法制堿工業化標志著化學工業的誕生。19世紀70年代，制堿、制酸、化肥、煤化工等都已有了相當規模，許多新發明、新技術應用到化學工業生產中。1888年美國的麻省理工學院開設了世界上**個“化學工程”的四年制學士學位課程，并于1920年成立了化學工程系。從此，化學工程這一名詞獲得應用。1901年戴維斯（Davis）出版了《化學工程手冊》，這是世界上**部闡述各種化工生產過程共性規律的著作。戴維斯首次將化工生產過程的各個步驟加以分類，系統闡述了化工基本操作過程，如蒸餾、干燥、過濾、吸收和萃取等，從化工產品的生產工藝中歸納出共同規律。化學工程學成為繼冶金、機械、土建和電氣工程學科之后誕生的第五個學科。這一時期化學工業正在興起，主要研究對象是化學加工技術、涉及各種行業的化工生產工藝；研究內容涉及原料特點、生產原理、工藝流程、*適宜操作條件以及所用機械設備的構造和使用，開設的課程稱為化學工藝學。 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過程，無論其規模大小都可以用一系列稱為單元操作的技術來解決，只有將紛雜眾多的化工生產過程分解為構成它們的單元操作來進行研究，才能使化學工程專業具有廣泛的適應能力。之后沃克（Walker）、劉易斯（Lewis）和麥克亞當斯（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、化學原理，提出了定量計算方法，并從物理學等基礎學科中吸取了對化學工程有用的研究成果和研究方法，奠定了化學工程成為一門獨立學科的基礎。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獲得了巨大成功，但在處理含有化學變化的化工操作時卻很不成功。對氣、固相催化反應的研究使化學工程師認識到，在工業反應過程中，質量傳遞和熱量傳遞對反應結果都有影響。20世紀40年代，化工技術的突破發展促進了工程上對化學反應過程的研究，在50年代形成了化學反應工程分支。化學反應工程研究反應器內傳遞過程和化學反應的相互關系和影響，闡明工業反應過程的實質，目的在于控制生產規模下的化學反應過程，實現反應器的*佳設計。在對連續過程的研究中，提出了返混、停留時間、微觀混合、反應器參數敏感性和反應器穩定性等一系列概念，同時化學工程師認識到，從本質上看所有單元操作都可以分解為動量傳遞、熱量傳遞和質量傳遞三種過程。在工業反應器的研究中應注重傳遞過程規律的探索。 化學反應工程涉及化工生產過程的核心問題，自創立以后，至今方興未艾，與早先發展起來的傳遞過程共同形成化學工程學兩大支柱，有力地解釋和解決了化學過程中的理論問題。1957年的**屆歐洲化學反應工程討論會宣布化學反應工程學科的誕生。而1960年伯德（Bird）、斯圖爾特（Stewart）、萊特富特（Lightfoot）合著的《傳遞現象》出版，標志著化學工程進入了“三傳一反”的時代。20世紀70年代以后，化工生產日趨大型化、連續化以及隨著計算機技術的迅速發展，化學工程學的研究已不再限于單個單元操作或化學反應過程，而是深入整個工廠，甚至是整個行業的大系統研究，從而形成了化學系統工程，其主要任務是研究系統的設計、控制和管理，并用數學模擬方法尋求*有效的化工系統。這種從實際到理論、分解到綜合的研究過程是人們認識化學工業生產實際、解決工程實際問題的過程。這就是*新發展起來的化工系統工程學。 1.2 化學工程學的性質、任務、內容和研究方法 1.2.1 化學工程學的性質和任務 化學工業是將自然界的物質經過化學和物理方法的處理，制造成生產資料和生活資料的工業。化工產品生產過程中，從原料到成品，往往需要幾個或幾十個加工過程。其中除了化學反應過程外，還有大量的物理加工過程。化學工程學是研究大規模地改變物料的化學組成和物理性質的工程技術學科。化學工程學研究的對象包括化工生產裝置中進行的化學變化過程，也包括混合物的分離凈化過程，以及改變物料物理狀態和性質的過程。其任務是從理論上闡明化工生產的各個過程，找出其中具有規律性的問題，減少在化工開發中的盲目性。 1.2.2 化學工程學的內容 化學工業產品種類繁多，各生產過程差異很大，每一種化工過程包含著許多操作工序。但是分析發現，任何化工生產過程都包括工程和工藝兩個基本內容。因此，相應的課程內容就包括化學工程和化學工藝兩個方面。 化學工程學研究化工生產過程中共同性操作規律及其工程性質的問題。眾多的化工過程可以歸納為動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞和化學反應工程，即“三傳一反”。研究以“三傳一反”為中心的化學工程，可以解決生產中出現的下列問題： （1）設計或改進生產設備和裝置，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）指導實驗室或中試研究工作，獲得能應用于工業生產的實驗數據。 1.2.3 化學工程學的研究方法 化學工程學之所以成為一門學科，除了有具體的研究對象外，還有統一的研究方法。化學工程學作為一門工程技術學科，面臨著真實的、復雜的化工生產過程，其復雜性不完全在于過程本身，而首先在于化工設備復雜的幾何形狀和所處理的物料千變萬化的物性。例如，過濾中發生的過程是流體的流動，本身并不復雜，但濾餅提供的則是形狀不規則的網狀通道，并且過濾物各式各樣，使過濾這一過程復雜化。要對其流動過程做出如實的、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，對實際的化工生產過程，探求合理的研究方法是化學工程學科的重要方面。 化學工程學的發展過程中形成了兩種基本的研究方法。一種是經驗歸納法，即對一些化工過程，通過大量實驗歸納影響過程的變量之間的關系，常采用物理學的相似論和因次分析法等。例如，熱交換過程中的傳熱系數是通過實驗測定將其歸納成量綱為一的相似特征數的關系式予以確定的。另一種是數學模型法。化工生產過程中的問題并不是用經驗歸納法都能解決，化學反應工程的復雜性用物理學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學模型法。數學模型法的實質是使復雜的工程問題簡化或分解為一個或若干個單純的問題。例如，將工業化學反應器中傳遞過程和反應過程的相互關聯、互相制約的復雜問題分解成化學方面、傳遞過程方面和兩者的結合方面的問題。化學方面的問題歸納為研究反應對象，提出反應動力學模型；傳遞方面的問題歸納為研究不同類型反應器，提出反應器的傳遞模型；而兩者結合的問題則是將各種反應模型和各種傳遞模型相結合的問題。 數學模型法應用于解決化工生產過程的實際問題，推動了化學反應工程的迅速發展，使化學工程學擺脫了單純從實驗數據歸納過程規律的傳統做法。例如，前面涉及的單元操作過濾也可使用數學模型法，將濾餅中的不規則網狀通道簡化成若干個平行的圓形細管，由此引入的一些修正系數則由實驗測定，從而建立起過濾過程的數學模型。 1.2.4 本課程的學習目的 根據化學和化學師范專業的培養目標，學習“化學工程基礎”課程的目的如下： （1）加深對基本理論的理解。熟悉化工生產中涉及的基本原理和典型設備，了解它們在化工生產中的應用，理解物理化學原理和化學工程基礎中的規律在化工生產中的應用，以及這些規律在設備的選擇、工藝流程的確定、操作條件的優化等方面所起的作用，加強理論與實際的聯系，從而加深對物理和化學原理的理解。 （2）提高分析問題和解決問題的能力。認識在化工生產中分析問題、解決問題的方法和途徑。實際生產過程中存在諸多影響因素，需根據生產特點，抓住主要因素，確定生產流程和設備。 （3）指導化學科研工作。科研實驗的結果能否應用于生產中是檢驗其能否成為科研成果的標志。在實驗室的研究過程中，不僅要探索反應的*適宜條件，而且要考慮工程因素和實際生產條件的各種限制因素。在確定原料路線時既要考慮技術經濟的原則，在工藝中又要考慮能量和原料的綜合利用，同時還要考慮環保的要求和可持續發展的要求。 1.3 化學工程學的基本規律 在化學工程研究、化工過程開發及設備的設計、操作時，經常要用到的是物料衡算、能量衡算、平衡關系和過程速率等基本規律。 1.3.1 物料衡算 物料衡算遵循質量守恒定律。對任意化工生產過程的進入物料量、排出物料量和積累物料量進行衡算，其衡算式為 Σmi=Σmo+A （1-1） 式中，Σmi為輸入系統物料量的總和；Σmo為輸出系統物料量的總和；A為系統內積累的物料量。 無化學變化時，混合物中的任一組分都符合此通式，當有化學變化時，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衡算目的而定，可以是一個單一設備或其中一部分，也可以是一組設備，還可以是一個生產過程的全流程。進行衡算的物料可以是總物料，也可以是其中某一組分。 物料衡算是化工計算中*基本、*重要的計算，也是其他化工計算的基礎。物料衡算概念雖然簡單，但它在化工生產過程中起著重要作用： （1）根據處理的物料量，確定設備的某些主要尺寸或規模。 （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，為進一步改進提供依據。 【例1-1】 KNO3溶液濃度為20%，以1000kg/h的速率加入蒸發器中，KNO3溶液濃度達到50%，溫度為422K，冷卻結晶，結晶溫度為311K，KNO3晶體含水4%，母液中KNO3 濃度為37.5%，送回蒸餾器濃縮，計算KNO3晶體的產量P、蒸發的水分量W 、循環的母液量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 能量衡算依據能量守恒定律。根據能量守恒定律，對于連續、穩定的操作過程，輸入系統的能量等于輸出系統的能量，即 ΣE輸入=ΣE輸出（1-2） 有化學反應參加的過程，式（1-2）變為
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