化工原理緒論

化工原理IPrincipleofChemicalEngineering

主講教師：賴慶柯

2005年8月

1化工原理教學(xué)組織及要求祝同學(xué)們學(xué)習(xí)愉快!1．本學(xué)期化工原理講課學(xué)時(shí)安排《化工原理》I，教學(xué)大綱共計(jì)50學(xué)時(shí)。緒論4學(xué)時(shí)第一章流體流動(dòng)16學(xué)時(shí)第二章流體輸送機(jī)械8學(xué)時(shí)第三章機(jī)械分離8學(xué)時(shí)第四章

傳熱14學(xué)時(shí)2．教學(xué)環(huán)節(jié)與要求課堂教學(xué)（思路和概念為主）：認(rèn)真聽講、記筆記，不遲到、早退，保證出勤率預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、練習(xí)作業(yè)：嚴(yán)謹(jǐn)，獨(dú)立完成，及時(shí)答疑，平時(shí)成績10%。期中測試(閉卷)期末考試(閉卷)我的聯(lián)系方式Tel:58161297；E-mail:lai_qk@163.com2教材：《化工原理》（上、下），譚天恩等，化學(xué)工業(yè)出版社 參考教材：1.《化工原理》（上、下），姚玉英等，天津大學(xué)出版社2.《化工原理》（上、下），陳敏恒等，化學(xué)工業(yè)出版社3.《化工原理》（上、下），蔣維鈞等，清華大學(xué)出版4.《化工原理》，何潮洪，科學(xué)出版社 輔助教學(xué)資料：1.《化工原理學(xué)習(xí)指南——問題與習(xí)題解析》，姚玉英等，天津大學(xué)出版社2.《化工原理教與學(xué)》，陳敏恒等，化學(xué)工業(yè)出版社3.《化工原理例題詳解》，陳敏恒等，化學(xué)工業(yè)出版社4.《化工原理習(xí)題精解》（上、下），何潮洪等，科學(xué)出版社TG024214-432、復(fù)雜性：難學(xué)。是在高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)及物理化學(xué)等課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的較綜合的課程。方法與前不同，公式多，知識(shí)比較零散。強(qiáng)調(diào)三點(diǎn)：1、重要性：化學(xué)工程技術(shù)人員必修之課，重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，應(yīng)用性課程；理論與工程實(shí)際相聯(lián)系的橋梁。3、嚴(yán)謹(jǐn)性：要求樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。4目的和要求：（1）以工程技術(shù)觀點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來分析和處理實(shí)際問題的能力；通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)樹立起工程觀點(diǎn)（安全適用、經(jīng)濟(jì)合理），掌握解決工程實(shí)際的方法，培養(yǎng)下列兩種基本能力：（2）熟練的進(jìn)行化工基本運(yùn)算。以便在化工生產(chǎn)、科研和設(shè)計(jì)工作中達(dá)到強(qiáng)化生產(chǎn)過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高設(shè)備能力及效率，降低設(shè)備投資及產(chǎn)品成本，節(jié)約能耗，防止污染以及加速新技術(shù)開發(fā)等方面的目的。5化學(xué)工程研究的是：如何把化學(xué)家們的小試研究成果開發(fā)放大為中試，再開發(fā)為生產(chǎn)規(guī)模。是在科學(xué)實(shí)驗(yàn)與化工之間架橋的工作，是直接為人類服務(wù)的創(chuàng)造價(jià)值的勞動(dòng)。本課程，不是教大家如何合成得到新物質(zhì)？如何提取新物質(zhì)？如何表征新物質(zhì)？這是化學(xué)家的事。6：是研究大規(guī)模地改變物料的化學(xué)組成和物理性質(zhì)而得到合乎要求的產(chǎn)品的工程技術(shù)學(xué)科。緒論

一、“化工原理”課程的任務(wù)1、化學(xué)工程和單元操作化學(xué)工程一個(gè)化工產(chǎn)品生產(chǎn)要經(jīng)過很多步驟7原料提純單體合成單體精制壓縮冷凝聚合脫水干燥產(chǎn)品反應(yīng)熱反應(yīng)熱乙炔氯化氫乙炔法制聚氯乙烯8高壓聚乙烯生產(chǎn)過程示意圖9

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。這些物理加工過程稱為“單元操作”。蒸發(fā)：制糖工業(yè)——糖水的濃縮；制堿工業(yè)——苛性鈉溶液的濃縮；甘油和生物膠水溶液的濃縮；牛奶和橘汁的濃縮。精餾：釀酒，石油精制。膜分離：海水淡化，血液透析，食鹽電解，水的凈化。單元操作（UnitOperations）化工生產(chǎn)的兩大部分核心部分輔助部分化學(xué)反應(yīng)過程前、后處理過程化工生產(chǎn)所不可缺少10單元操作目的物態(tài)原理傳遞流體輸送輸送l、g輸入機(jī)械能動(dòng)量傳遞攪拌混合、分散g、l、s~l輸入機(jī)械能沉降非均相混合物分離g、l～sΔρ引起沉降過濾同上g、l～s尺度不同的截留換熱升、降T，or改變相態(tài)g、l利用ΔT傳入、移出熱量熱量傳遞蒸發(fā)溶劑與不揮發(fā)性溶質(zhì)分離l供熱汽化溶劑氣體吸收均相混合物分離g溶解度不同質(zhì)量傳遞液體精餾均相混合物分離l揮發(fā)度不同萃取均相混合物分離l溶解度不同干燥去濕s供熱汽化吸附均相混合物分離g、l吸附能力不同化工常見單元操作見下表：11另外，還有熱力過程（制冷）、粉體工程（粉碎、顆粒分級、流態(tài)化）等單元操作。單元操作分類：（1）遵循流體動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律的單元操作，包括流體輸送、沉降、過濾、物料混合（攪拌）。（2）遵循熱量傳遞基本規(guī)律的單元操作，包括加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)等。（3）遵循質(zhì)量傳遞基本規(guī)律的單元操作，包括蒸餾、吸收、萃取、吸附、膜分離等。從工程目的來看，這些操作都可將混合物進(jìn)行分離，故又稱之為分離操作。（4）同時(shí)遵循熱質(zhì)傳遞規(guī)律的單元操作，包括氣體的增濕與減濕、結(jié)晶、干燥等。12單元操作之特點(diǎn)1、物理性操作，即只改變物料的狀態(tài)或物性，并不改變化學(xué)性質(zhì)；共同的研究對象——傳遞過程2、它們都是化工生產(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；3、對同樣的工程目的，可采用不同的單元操作來實(shí)現(xiàn)；4、某單元操作用于不同的化工過程，其基本原理并無不同，進(jìn)行該操作的設(shè)備也往往是通用的。具體應(yīng)用時(shí)也要結(jié)合各化工過程的特點(diǎn)來考慮，如原材料與產(chǎn)品的理化性質(zhì)，生產(chǎn)規(guī)模等。13單元操作過程進(jìn)行的方式連續(xù)操作特點(diǎn)：物料的組成、溫度、壓強(qiáng)等參數(shù)僅隨位置的不同而不同，不隨時(shí)間的變化而變化U=U(x,y,z)化工生產(chǎn)過程多數(shù)為連續(xù)穩(wěn)定過程間歇操作特點(diǎn)：不穩(wěn)定操作U=U(x,y,z,θ)14質(zhì)量傳遞：濃度在時(shí)空中分布的不均勻性。2、三傳:《化工原理》的共同規(guī)律和聯(lián)系

動(dòng)量傳遞：流體內(nèi)部由于動(dòng)量、密度的空間分布不均而引起動(dòng)量在時(shí)空中的傳遞過程。

熱量傳遞：內(nèi)能在時(shí)空中的傳遞過程，是由溫度在空間的非均勻分布造成。15化工生產(chǎn)=單元操作+化學(xué)反應(yīng)（單元過程）三傳=動(dòng)量傳遞+熱量傳遞+質(zhì)量傳遞化學(xué)工程=化工原理+反應(yīng)工程=三傳+一反16以“三傳”為物理內(nèi)核的單元操作17無機(jī)化學(xué)分析化學(xué)有機(jī)化學(xué)物理化學(xué)應(yīng)用化學(xué)高分子化學(xué)化學(xué)教育科學(xué)實(shí)驗(yàn)化學(xué)家化工生產(chǎn)化工原理傳遞過程反應(yīng)工程（還有：分離工程、化工熱力學(xué)、系統(tǒng)工程）化工專家合成氨硫酸制造氯堿工業(yè)石油化工制糖業(yè)制漆業(yè)電鍍業(yè)水泥、玻璃制造業(yè)181）、孕育時(shí)期1915年里特爾(A.D.Little)提出建立“單元操作”（UnitOperations）的概念化學(xué)工程史上的第一塊里程碑3、化學(xué)工程的發(fā)展史近幾百年，化學(xué)工程經(jīng)歷了孕育時(shí)期、奠基時(shí)期、飛躍時(shí)期和現(xiàn)代時(shí)期等四個(gè)發(fā)展階段2）、奠基時(shí)期第一本系統(tǒng)闡述單元操作原理和計(jì)算方法的著作：“PrinciplesofChemicalEngineering”于1923由MIT的著名教授W.D.Walker、W.H.Lewis和W.H.Mcadams等人完成。193、飛躍時(shí)期“三傳”理論的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展。1960年，美國威斯康新大學(xué)的Bird等人把“三傳”的內(nèi)容組織在一起寫成了《Transportphenomena》一書。從以產(chǎn)品來劃分的化工生產(chǎn)工藝中，抽象出各種單元操作，即從特殊性中總結(jié)出普遍性，是認(rèn)識(shí)上的一個(gè)飛躍，對化學(xué)工程學(xué)的形成和發(fā)展起了重要的推動(dòng)作用。并得出“三傳”遵循的“唯象方程”——又一塊里程碑。與此同時(shí)，化學(xué)反應(yīng)過程經(jīng)過了由“單元過程”到“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)展到了“三傳一反”的較完整階段。204）、現(xiàn)代時(shí)期：70年代以后。能源有效利用問題、操作優(yōu)化問題逐漸突現(xiàn)起來系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合和系統(tǒng)優(yōu)化最優(yōu)設(shè)計(jì)、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理計(jì)算機(jī)應(yīng)用的快速發(fā)展，并推向了“過程優(yōu)化集成”、“分子模擬”的新階段隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，化學(xué)工程與相鄰學(xué)科相融合逐漸形成了若干新的分支與生長點(diǎn)，諸如：生物化學(xué)工程、分子化學(xué)工程、環(huán)境化學(xué)工程、能源化學(xué)工程、計(jì)算化學(xué)工程、軟化學(xué)工程、微電子化學(xué)工程等。同時(shí)，上述新興產(chǎn)業(yè)與學(xué)科的發(fā)展，也推動(dòng)了特殊領(lǐng)域化學(xué)工程的進(jìn)步。21二、化工原理課程的特點(diǎn)本課程強(qiáng)調(diào)工程觀點(diǎn)、定量運(yùn)算、實(shí)驗(yàn)技能及設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)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)著由理論到工程、由基礎(chǔ)到專業(yè)的橋梁作用。化工原理是化工類各專業(yè)重點(diǎn)課程之一，是化工類學(xué)生最實(shí)用的一門課程，是化工類學(xué)生考研課程理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的工程研究方法半經(jīng)驗(yàn)半理論方法重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，兼有“科學(xué)”與“技術(shù)”的特點(diǎn)綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和算法語言等基礎(chǔ)知識(shí)，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）用來研究化工生產(chǎn)中內(nèi)在的共同規(guī)律，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)，工藝尺寸設(shè)計(jì)和設(shè)備的選型以及計(jì)算方法的一門工程學(xué)科22隨著新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)或?yàn)閷?shí)現(xiàn)綠色化工生產(chǎn)，對物理過程提出了一些特殊要求，又不斷地發(fā)展出新的單元操作或化工技術(shù)，如膜分離、參數(shù)泵分離、電磁分離、超臨界技術(shù)等。同時(shí)，以節(jié)約能耗，提高效率或潔凈無污染生產(chǎn)的集成化工藝（如反應(yīng)精餾、反應(yīng)膜分離、萃取精餾、多塔精餾系統(tǒng)的優(yōu)化熱集成等）將是未來的發(fā)展趨勢。單元操作的研究包括“過程”和“設(shè)備”兩個(gè)方面的內(nèi)容，故單元操作又稱為化工過程和設(shè)備?；ぴ硎茄芯恐T單元操作共性的課程。開發(fā)新的單元操作23三、化工原理的兩條主線、五個(gè)基本概念（一）化工原理課程的兩條主線1、動(dòng)量傳遞、傳熱和傳質(zhì)皆屬于傳遞過程，是本門課程統(tǒng)一的研究對象，是聯(lián)系各單元操作的一條主線。a.實(shí)驗(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)的方法）

b.數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法）

2、研究工程問題的方法論是聯(lián)系各單元操作的另一條主線。各單元操作有共同的研究方法。24數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論）因次論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究法實(shí)驗(yàn)：尋找函數(shù)形式，決定參數(shù)25課程的展開方式（二）五個(gè)基本概念化工過程計(jì)算可分為設(shè)計(jì)型計(jì)算和操作型計(jì)算兩類，其在不同計(jì)算中的處理方法各有特點(diǎn)，但是不管何種計(jì)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)的。上述五種基本關(guān)系將在有關(guān)章節(jié)陸續(xù)介紹。過程分析過程數(shù)學(xué)描述實(shí)例分析定性定量應(yīng)用物料衡算、能量衡算、物料的平衡關(guān)系、過程速率和經(jīng)濟(jì)核算五個(gè)基本概念貫穿于各個(gè)單元操作的始終。26過程速率：單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的能量（動(dòng)量，熱量）或物質(zhì)量,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(shí)間，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。穩(wěn)定過程：連續(xù)操作:某一固定位置上物料組成、溫度、壓強(qiáng)、流速等參數(shù)不隨時(shí)間變化。穩(wěn)定過程和不穩(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(dòng)及故障等。平衡關(guān)系：(L-LG-LV-LG-SL-S)平衡關(guān)系可判斷過程能否進(jìn)行，及進(jìn)行的方向和限度。任何傳遞過程都有一個(gè)極限，當(dāng)傳遞過程達(dá)到極限時(shí)，其過程進(jìn)行的推動(dòng)力為零，此時(shí)凈的傳遞速率為零，即稱為“平衡”。流體流動(dòng)→ΔP熱量傳遞→ΔT傳質(zhì)過程→ΔC27學(xué)習(xí)《化工原理》的目的和要求

掌握規(guī)律診斷過程開發(fā)工藝強(qiáng)化操作創(chuàng)新設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)本課程中，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面能力的培養(yǎng)：（1）單元操作和設(shè)備選擇的能力（2）工程設(shè)計(jì)能力（3）操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的能力（4）過程開發(fā)或科學(xué)研究能力將可能變現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)工程目的，這是綜合創(chuàng)造能力的體現(xiàn)。28五、單位制及單位換算SI制主要優(yōu)點(diǎn)：①通用性：是一套完整的單位制，適合于各個(gè)領(lǐng)域；②一貫性：每種物理量只有一個(gè)單位，如熱功都用J（焦耳）表示。國際單位制（SI制）SI制基本單位7個(gè)：長度L：米（m)質(zhì)量M：千克（kg）時(shí)間T：秒（s）熱力學(xué)溫度θ：開爾文（k）物質(zhì)的量：摩爾（mol）電流I：安培（A）發(fā)光強(qiáng)度：燭光（cd）（一）單位制：29

基本物理量單位制長度（L）時(shí)間（T）質(zhì)量（M）重力（F）絕對單位制Cgs制cmsgkgms制mskg英制ftslb工程單位制米制mskgf英制ftslbf不同單位制的不同基本量導(dǎo)出量力――N；壓強(qiáng)――Pa（N/m2）；功，能，熱―J；功率―W30（三）單位換算（二）、單位的正確運(yùn)用理論公式：用同一單位，中途不能更改（SI）經(jīng)驗(yàn)公式：按指定單位1kg(f)=9.8Np322附錄1單位換算表如1atm＝1.01325×105Pa壓強(qiáng)：atm，mmHg，mmH2O31例0-1、通用氣體常數(shù)R＝0.08206atm·L／mol·K，試用國際單位J／mol·K表示。解：R＝0.08206atm·L／mol·K＝0.08206atm·L／mol·K×1m3／1000L×101325Pa／atm＝8.314Pa·m3／mol·K＝8.314J／mol·K32六、物料衡算質(zhì)量守恒定律輸入控制體的量+控制體內(nèi)生成的量=輸出控制體的量+控制體內(nèi)量的積累穩(wěn)定過程：輸入控制體的量=輸出控制體的量衡算目的：決定要處理的量或任何一個(gè)物理量；設(shè)備尺寸大小衡算基準(zhǔn)：單位時(shí)間33例0-2濃度為20%（質(zhì)量百分比）的KNO3水溶液以1000kg/h的流量送入蒸發(fā)器。在149℃溫度下蒸出一部分水得到濃度為50%的水溶液，再送入結(jié)晶器，冷卻至38℃后，析出含有4%結(jié)晶水的KNO3晶體并不斷取走，濃度為37.5%的KNO3飽和母液則返回蒸發(fā)器循環(huán)處理。試求結(jié)晶產(chǎn)品量P、水分蒸發(fā)量W、循環(huán)母液量R及濃縮溶液量S。料液1000kg/h20%KNO3Rkg/h37.5%KNO3Skg/h50%KNO3結(jié)晶產(chǎn)品Pkg/h4%水水，Wkg/h解：（1）結(jié)晶產(chǎn)