化工原理__緒論

1、 化化 工工 原原 理理 Principles of Chemical Engineering化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程化學(xué)工業(yè)與化學(xué)工程 化工原理在化工領(lǐng)域中的地位化工原理在化工領(lǐng)域中的地位 一一.課程的由來、內(nèi)容和性質(zhì)課程的由來、內(nèi)容和性質(zhì)一一. .課程的由來發(fā)展、內(nèi)容和性質(zhì)課程的由來發(fā)展、內(nèi)容和性質(zhì)（一）由來和發(fā)展（一）由來和發(fā)展萌牙時期萌牙時期:現(xiàn)代化工生產(chǎn)始于現(xiàn)代化工生產(chǎn)始于18世紀(jì)的法國世紀(jì)的法國,特點：以特點：以研究某一產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)為研究某一產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)為 對象，形成了各種工藝對象，形成了各種工藝學(xué)。例如：純堿工藝學(xué)、硫酸工藝學(xué)等學(xué)。例如：純堿工藝學(xué)、硫酸工藝學(xué)等 。1922年美國化

2、工學(xué)會年會年美國化工學(xué)會年會 里特爾里特爾(A.D.LiThle) 提出建提出建立立“” （）的概念的概念 :“任何一個化學(xué)過程任何一個化學(xué)過程,不管它的規(guī)模如何不管它的規(guī)模如何,都可分解成為都可分解成為一系列互相類同的被稱作一系列互相類同的被稱作“單元操作單元操作”的組成部分，的組成部分，如粉碎、混合、加熱、焙燒、吸收、沉淀、結(jié)晶、過如粉碎、混合、加熱、焙燒、吸收、沉淀、結(jié)晶、過濾、溶解等。這些基本單元操作的數(shù)目并不多，對于濾、溶解等。這些基本單元操作的數(shù)目并不多，對于一個特定的加工過程，可能只包括它們中的幾個。要一個特定的加工過程，可能只包括它們中的幾個。要使化學(xué)工程師們具備廣博地適應(yīng)職業(yè)

3、需要的能力，只使化學(xué)工程師們具備廣博地適應(yīng)職業(yè)需要的能力，只能是對實際規(guī)模上所進行的過程作出分析并將其分成能是對實際規(guī)模上所進行的過程作出分析并將其分成多個單元操作來獲得多個單元操作來獲得”。 1923年年 MIT的著名教授的著名教授 W.D.Walker、W.H.Lewis和和W.H.Mcadams等人寫成了第一部單元操作的書等人寫成了第一部單元操作的書 “Principles of Chemical Engineering” 研究發(fā)現(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)動量傳遞動量傳遞(momentum transfer process ,又稱流又稱流體流動過程體流動過程fluid flow process) 、熱量

4、傳遞、熱量傳遞（或稱傳熱（或稱傳熱過程，過程，heat transfer process）與質(zhì)量傳遞與質(zhì)量傳遞（或稱傳質(zhì)（或稱傳質(zhì)過程，過程，mass transfer process）在許多過程中同時發(fā)生在許多過程中同時發(fā)生,并并且三種傳遞現(xiàn)象有類似性。這使得原來本是分立學(xué)科且三種傳遞現(xiàn)象有類似性。這使得原來本是分立學(xué)科的的“三傳三傳”合而為一。合而為一。1960年，美國威斯康新大學(xué)的年，美國威斯康新大學(xué)的Bird等人把等人把“三傳三傳”的內(nèi)容組織在一起寫成的內(nèi)容組織在一起寫成Transport phenomena 一書，加強了學(xué)生工程學(xué)一書，加強了學(xué)生工程學(xué)科基礎(chǔ)的訓(xùn)練。科基礎(chǔ)的訓(xùn)練。與此

5、同時，化學(xué)反應(yīng)過程經(jīng)過了由與此同時，化學(xué)反應(yīng)過程經(jīng)過了由“單元過程單元過程”到到“化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)”的發(fā)展。至此，化學(xué)工程學(xué)科發(fā)的發(fā)展。至此，化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展到了展到了“”的較完整階段。（化學(xué)工程學(xué)時的較完整階段。（化學(xué)工程學(xué)時期）期）、單元操作單元操作（Unit OperationsUnit Operations） 一切化工生產(chǎn)過程不論其生產(chǎn)規(guī)模大小，除化學(xué)一切化工生產(chǎn)過程不論其生產(chǎn)規(guī)模大小，除化學(xué)反應(yīng)外，其它均可分解為一系列的物理加工過程。這反應(yīng)外，其它均可分解為一系列的物理加工過程。這些物理加工過程稱為些物理加工過程稱為“單元操作單元操作”。 nClHCClHCHClHC32

6、3222聚合合成原料提純原料提純單體合成單體合成單體精制單體精制壓縮冷凝壓縮冷凝聚合聚合脫水干燥脫水干燥產(chǎn)品產(chǎn)品反應(yīng)熱反應(yīng)熱反應(yīng)熱反應(yīng)熱乙炔乙炔 氯化氫氯化氫乙炔法制聚氯乙烯乙炔法制聚氯乙烯（二）內(nèi)容和性質(zhì)（二）內(nèi)容和性質(zhì)本課程特點：本課程特點： 化工原理化工原理是專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，兼有是專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，兼有“科學(xué)科學(xué)”與與“技技術(shù)術(shù)”的特點，它是綜合運用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和算法語言等的特點，它是綜合運用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和算法語言等基礎(chǔ)知識，將自然科學(xué)中的基本原理（質(zhì)量守衡、能量守衡基礎(chǔ)知識，將自然科學(xué)中的基本原理（質(zhì)量守衡、能量守衡及平衡關(guān)系等）用來研究及平衡關(guān)系等）用來研究化工生產(chǎn)中內(nèi)在的共同

7、規(guī)律化工生產(chǎn)中內(nèi)在的共同規(guī)律，討論，討論化工生產(chǎn)中共同的基本過程的基本原理、典型設(shè)備結(jié)構(gòu)，工化工生產(chǎn)中共同的基本過程的基本原理、典型設(shè)備結(jié)構(gòu)，工藝尺寸設(shè)計和設(shè)備的選型以及計算方法藝尺寸設(shè)計和設(shè)備的選型以及計算方法的一門工程學(xué)科。的一門工程學(xué)科。 本課程強調(diào)本課程強調(diào)工程觀點、定量運算、實驗技能及設(shè)計能力工程觀點、定量運算、實驗技能及設(shè)計能力的培養(yǎng)，強調(diào)理論聯(lián)系實際。在化工類專門人才培養(yǎng)中，它的培養(yǎng)，強調(diào)理論聯(lián)系實際。在化工類專門人才培養(yǎng)中，它承擔(dān)著工程科學(xué)與工程技術(shù)的雙重教育任務(wù)，擔(dān)負(fù)著由理論承擔(dān)著工程科學(xué)與工程技術(shù)的雙重教育任務(wù)，擔(dān)負(fù)著由理論到工程、由基礎(chǔ)到專業(yè)的橋梁作用?；ぴ硎腔ゎ惛?/p>

8、專到工程、由基礎(chǔ)到專業(yè)的橋梁作用?；ぴ硎腔ゎ惛鲗I(yè)重點課程之一，是化工類學(xué)生最實用的一門課程，是化工業(yè)重點課程之一，是化工類學(xué)生最實用的一門課程，是化工類學(xué)生類學(xué)生考研課程考研課程。單元操作的特點單元操作的特點共同的研究對象共同的研究對象傳遞過程傳遞過程 物理性操作，即只改變物料狀態(tài)或物性，不改變化學(xué)性質(zhì)物理性操作，即只改變物料狀態(tài)或物性，不改變化學(xué)性質(zhì); ;都是化工生產(chǎn)過程中共有的操作，但不同的化工過程中所都是化工生產(chǎn)過程中共有的操作，但不同的化工過程中所包含的單元操作數(shù)目、名稱與排列順序各異；包含的單元操作數(shù)目、名稱與排列順序各異；對同樣的工程目的，可采用不同的單元操作來實現(xiàn)對同樣的

9、工程目的，可采用不同的單元操作來實現(xiàn) ；某單元操作用于不同的化工過程，其基本原理并無不同，某單元操作用于不同的化工過程，其基本原理并無不同，進行該操作的設(shè)備也往往是通用的。具體應(yīng)用時也要結(jié)合進行該操作的設(shè)備也往往是通用的。具體應(yīng)用時也要結(jié)合各化工過程的特點來考慮，如理化性質(zhì)，生產(chǎn)規(guī)模等。各化工過程的特點來考慮，如理化性質(zhì)，生產(chǎn)規(guī)模等。實際問題的復(fù)雜性實際問題的復(fù)雜性過程、體系、設(shè)備、工程性強、計算量大過程、體系、設(shè)備、工程性強、計算量大三三 傳傳: :化工原理化工原理的共同規(guī)律和聯(lián)系的共同規(guī)律和聯(lián)系 動量傳遞動量傳遞: :流體內(nèi)部由于動量、密度的空間分布不均而引流體內(nèi)部由于動量、密度的空間分布

10、不均而引起動量在時空中的傳遞過程。起動量在時空中的傳遞過程。熱量傳遞熱量傳遞：內(nèi)能在時空中的傳遞過程，是由溫度在空間的：內(nèi)能在時空中的傳遞過程，是由溫度在空間的非均勻分布造成。非均勻分布造成。質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞：濃度在時空中分布的不均勻性。：濃度在時空中分布的不均勻性。單元操作單元操作目的目的物態(tài)物態(tài)原理原理傳遞傳遞流體輸送流體輸送 輸送輸送l 、g 輸入機械能輸入機械能 動量動量傳遞傳遞攪拌攪拌 混合、分散混合、分散 g、l、sl 輸入機械能輸入機械能沉降沉降 非均相混合物分離非均相混合物分離 g、ls 引起沉降引起沉降 過濾過濾 同上同上 g、ls 尺度不同的截留尺度不同的截留 換熱換熱 升

11、、降升、降T，or改變改變相態(tài)相態(tài) g、l 利用利用T傳入、移傳入、移出熱量出熱量 熱量熱量傳遞傳遞蒸發(fā)蒸發(fā) 溶劑與不揮發(fā)性溶溶劑與不揮發(fā)性溶質(zhì)分離質(zhì)分離 l 供熱汽化溶劑供熱汽化溶劑 氣體吸收氣體吸收均相混合物分離均相混合物分離 g 溶解度不同溶解度不同 質(zhì)量質(zhì)量 傳遞傳遞液體精餾液體精餾均相混合物分離均相混合物分離l揮發(fā)度不同揮發(fā)度不同 萃取萃取 均相混合物分離均相混合物分離l溶解度不同溶解度不同 干燥干燥 去濕去濕 s供熱汽化供熱汽化 吸附吸附均相混合物分離均相混合物分離g、l 吸附能力不同吸附能力不同化工常見單元操作見下表所示：化工常見單元操作見下表所示：學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)化工原理化工原理的目的

12、和要求的目的和要求 課程課程:干糧干糧 獵槍獵槍二二.單位制及單位換算單位制及單位換算（一）單位制（一）單位制： 是由一定數(shù)量的基本單位和導(dǎo)出單位組成的是由一定數(shù)量的基本單位和導(dǎo)出單位組成的 國際上趨向于采用國際單位制（國際上趨向于采用國際單位制（SI制）制）,SI制基本單位制基本單位7個：個： 長度長度 L ： 米米 ( m ) 質(zhì)量質(zhì)量 M ：千克（公斤）：千克（公斤） (kg) 時間時間 T ：秒：秒 ( s ) 熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度： 開開爾文爾文 ( k ) 物質(zhì)的量物質(zhì)的量N : 摩摩爾爾 (mol) 電流電流 I ： 安培安培 ( A ) 發(fā)光強度發(fā)光強度J : 坎坎德拉德拉 (

13、 cd )SI制主要優(yōu)點：制主要優(yōu)點：通用性通用性：是一套完整的單位制，適合于各個領(lǐng)域；：是一套完整的單位制，適合于各個領(lǐng)域；一貫性一貫性：每種物理量只有一個單位，如熱功都用：每種物理量只有一個單位，如熱功都用J（焦耳）表示（焦耳）表示 化工生產(chǎn)中，還使用一些非化工生產(chǎn)中，還使用一些非SI單位，如：溫度有單位，如：溫度有，時間，時間 min、hr、d、Yr，壓強單位除了，壓強單位除了Pa外，有外，有atm、mmHg、m水柱、水柱、bar、ata等。等。 成語成語“半斤八兩半斤八兩” 基本物理量基本物理量 長度長度（L)時間時間（T)質(zhì)量質(zhì)量（M）重力重力（F)絕對絕對單位制單位制Cgs制制cm

14、sgkgms制制mskg英制英制ftslb工程工程單位制單位制米制米制mskgf英制英制ftslbf（二）單位換算（二）單位換算物理量數(shù)字物理量數(shù)字單位單位 單位物理量數(shù)字單位物理量數(shù)字 將物理量單位由一種制度換算成另一種制度時，將物理量單位由一種制度換算成另一種制度時，換算時只需乘以兩相關(guān)物理單位之間的換算系數(shù)換算時只需乘以兩相關(guān)物理單位之間的換算系數(shù)。*經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式（又稱數(shù)字公式，根據(jù)實驗結(jié)果整理而得）中（又稱數(shù)字公式，根據(jù)實驗結(jié)果整理而得）中各符號只代表物理量的數(shù)字部分，而它們的單位必須采各符號只代表物理量的數(shù)字部分，而它們的單位必須采用指定的單位用指定的單位。 例例0-1.0-1.

15、通用氣體常數(shù)通用氣體常數(shù)R R0.08206 0.08206 atm.Latm.Lmol.Kmol.K，試用國，試用國際單位際單位J Jmol.Kmol.K表示。表示。解：解：R R0.08206atm.L0.08206atm.Lmol.Kmol.K 0.08206atm.L0.08206atm.Lmol.Kmol.K1m1m3 31000L L101325Pa101325Paatmatm 8.314 Pa.m8.314 Pa.m3 3 mol.Kmol.K 8.314 J8.314 Jmol.Kmol.K 數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗半理論）數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗半理論）因次論指導(dǎo)下的實驗研究法因次論指導(dǎo)

16、下的實驗研究法實驗：尋找函數(shù)形式，決定參數(shù)實驗：尋找函數(shù)形式，決定參數(shù)實驗：檢驗?zāi)Ｐ?，確定參數(shù)實驗：檢驗?zāi)Ｐ?，確定參數(shù)K（二）五個基本概念（二）五個基本概念 針對相同設(shè)備所選用的不同操作參數(shù)，引起針對相同設(shè)備所選用的不同操作參數(shù)，引起過程設(shè)備費用與材料費用的相應(yīng)變化，因而應(yīng)進行經(jīng)濟核過程設(shè)備費用與材料費用的相應(yīng)變化，因而應(yīng)進行經(jīng)濟核算以確定最經(jīng)濟的優(yōu)化設(shè)計方案。算以確定最經(jīng)濟的優(yōu)化設(shè)計方案。 五個基本概念貫穿于各個單元操作的始終五個基本概念貫穿于各個單元操作的始終。 化工過程計算可分為化工過程計算可分為設(shè)計型設(shè)計型計算和計算和操作型操作型計算兩類，計算兩類，其在不同計算中的處理方法各有特點，但

17、是不管何種計算其在不同計算中的處理方法各有特點，但是不管何種計算都是以質(zhì)量守恒、能量守恒、平衡關(guān)系和速率關(guān)系為基礎(chǔ)都是以質(zhì)量守恒、能量守恒、平衡關(guān)系和速率關(guān)系為基礎(chǔ)的。上述五種基本關(guān)系將在有關(guān)章節(jié)陸續(xù)介紹。的。上述五種基本關(guān)系將在有關(guān)章節(jié)陸續(xù)介紹。穩(wěn)定過程和不穩(wěn)定過程穩(wěn)定過程和不穩(wěn)定過程 穩(wěn)定過程穩(wěn)定過程: :某一固定位置上物料組成、某一固定位置上物料組成、 溫度、溫度、 壓強、壓強、流速等參數(shù)不隨時間變化。流速等參數(shù)不隨時間變化。 不穩(wěn)定過程不穩(wěn)定過程: : 間歇操作、連續(xù)操作中的開車、波動間歇操作、連續(xù)操作中的開車、波動及故障等及故障等。：(L-L G-L V-L G-S L-S)(L-L

18、 G-L V-L G-S L-S) 平衡關(guān)系可判斷過程能否進行，及進行的方向和平衡關(guān)系可判斷過程能否進行，及進行的方向和限度。任何傳遞過程都有一個極限，當(dāng)傳遞過程達(dá)到限度。任何傳遞過程都有一個極限，當(dāng)傳遞過程達(dá)到極限時，其過程進行的極限時，其過程進行的推動力推動力為零，此時凈的傳遞速為零，此時凈的傳遞速率為零，即稱為率為零，即稱為“平衡平衡”。 推動力推動力: : ：單位時間內(nèi)所傳遞的能量（動量，熱量）：單位時間內(nèi)所傳遞的能量（動量，熱量）或物質(zhì)量或物質(zhì)量, ,是決定化工設(shè)備的重要因素。過程速率的是決定化工設(shè)備的重要因素。過程速率的增大可節(jié)約時間，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。增大可節(jié)約時間，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。 傳遞速率傳遞速率=推動力推動力/阻力阻力本講要點本講要點 化工原理教學(xué)組織及要求化工原理教學(xué)組織及要求教與學(xué)的相互配合教與學(xué)的相互配合教師之職責(zé)教師之職責(zé)l篩選篩選, , 引導(dǎo)