化工原理绪论

*,*,化工原理 绪论,*,化 工 原 理,教 师,:,徐 光 年,电 话,: 13733014579,E-mail : xuguangnian,QQ: 273914642,Principles of Chemical Engineering,化 工 原 理,1,教学计划,课堂讲授：,围绕教学大纲进行讲授，以教材为蓝本，但对教材中的内容有所增减，,自成体系,。,实验教学：,通过验证性实验来提高学生对所学理论的理解,。实验项目：流体流型测定、流体流动阻力测定、离心泵特性曲线、传热系数测定。,作业要求：,(1),准备两个作业本，,每周五,交，抄题,2,(2),计算题求解步骤和要求（也适用于考试）：,a.,一般要画出简图；,b.,解题步骤层次清晰，,公式,要准确；,c.,已知,数据要,代入公式,；,d.,计算结果,(,要求保留,2,位或,3,位有效数字），有单位要写清楚 。,总成绩统计方法：,(1),课堂考勤,10%,（旷课一次扣,3,分，超过,3,次没有考试资格）；,(2),作业,10%,（无故不交和迟交作业一次扣,3,分，超,3,次者，没有考试资格）；,(3),期末闭卷考试，,60%,；,(4),实验,20%,（预习、实验报告各占,5%,、平时现场操作占,10%,）。,3,学时,/,学分（理论,48+,实验,16,）,/(3+1,）,0,绪论,2,1,流体流动,10,2,流体输送机械,4,3,沉降与过滤,6,4,传 热,6,5,吸 收,6,6,蒸 馏,8,7,干 燥,6,4,尿素生产装置,绪论,5,重油的催化裂化流化床反应器,6,搅拌釜式反应器,7,邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器,8,研究化工,单元操作,的基本原理、典型化工单元设备的原理、结构选型以及工艺尺寸的计算。,高等数学,物理学,物理化学,从复杂事物中排除非主要因素，抽出关键环节，以合理的简化方式建立物理和数学模型，解决工程问题。,综合运用基础知识，有目的地解决工程实际问题,目的并不只是 认识一些自然现象，而是解决真实的、复杂的生产问题。,化工原理,主要内容,理论基础,课程学习,工程学科,概 括,9,化工生产过程与单元操作,对物料进行大规模的物理或化学加工的过程称为化学工业生产过程， 简称,化工过程,。,尽管用不同原料生产不同的产品的化工过程相差很大，但它们都是由若干个简单过程（单元操作）按一定的顺序和方式组合而成的。,单元操作,：指在各种化工过程中，,遵守同一基本原理,，,所用设备相似,，,作用相同,，,仅发生,物理变化,过程的那些操作，称为单元操作。,单元操作一般占整个化工过程的,80%,左右。,本课程的研究对象就是,各种单元操作,，包括两个方面：,过程和设备,。,10,基 本 化 工 过 程,原料,预处理,反 应,后处理,产品,化学反应工程,化工原理,11,基 本 制 药 过 程,原料,预处理,反 应,后处理,原料药,有机合成,反应工程学,化工原理,(,单元操作,),产品,制 剂,药剂学,制药工程学,12,柠檬酸生产工艺流程,白薯干,粉 碎,发酵反应,过 滤,中和过滤,酸解过滤,产 品,石灰乳,CaCO,3,净 化,H,2,SO,4,废糖液,浓 缩,结 晶,离 心,干 燥,菌体、残渣,10,个主要环节中单元操作占,9,个,13,研究各种,单元操作,的基本原理，典型设备的结构和性能，工程和设备的基本计算方法，选择适当的操作条件，探索过程的强化途径和方向。,其目的是满足工艺要求。,1,、化工原理课程的任务,一、化工原理课程的任务、内容、性质、特点,14,化工常用单元操作,单元操作,目 的,物 态,原 理,传递过程,流体输送,输 送,液或气,输入机械能,动量传递,搅 拌,混合或分散,气,-,液、液,-,液、固,-,液,输入机械能,过 滤,非均相,混合物分离,气,-,固,液,-,固,尺度不同,的截留,沉 降,非均相,混合物分离,气,-,固,液,-,固,密度差引起的沉降运动,加 热,冷 却,升温、降温,改变物态,液或气,利用温度差传入或移出热量,热量传递,蒸 发,溶剂与不挥发溶质的分离,液体,供热以,汽化溶剂,具体的,单元操作,2,、化工原理课程的内容,15,化工常用单元操作,(,续,),单元操作,目 的,物 态,原 理,传递过程,气体吸收,均,相,混,合,物,分,离,气体混合物,各组分在溶剂中的溶解度不同,质量传递,液体精馏,液体混合物,各组分,挥发度不同,萃 取,液体混合物,各组分在溶剂中的溶解度不同,吸 附,液或气,各组分在溶剂中的吸附能力不同,干 燥,去湿,固体,供热汽化,热、质,同时传递,16,单元操作特点,(1),都是,物理加工,过程。,(2),都是化工生产过程中的,共有操作,。,(3),用于不同化工生产过程的同一单元操作，其原理相同，,设备通用,。,例如：,流体输送,是一种单元操作。,基本原理,是：流体力学。,所用设备,是：泵或风机、管道等。,它的作用,是：将流体从一个地方输送到另一,个地方。,17,3,、性质,技术基础课、专业基础课,工程学科,实用性,经济性,理论与经验相结合的,工程研究,方法,4,、特点,实验研究,经验方法,相似准则：利用,经验,公式和,实验,曲线进行设计和工程放大。,量纲分析：得出无因次准数方程，使实验参数最少，简化实验。,利用,实验,测取各个变量之间的关系。非常繁琐。,注：该方法着眼于过程参数的整体变化，不究其微观机理，,得到的结果带局限性 ，不可任意推广,。,18,定理,当一物理现象可由,n,个物理量的函数关系来描述，而这些物理量包括有,m,种基本因次时，则可以用因次分析的方法获得,(,n-m,),个无因次数群。而这个现象的特征可以用这,(,n-m,),个无因次数群的关系形式来表示。这即,定理，是因次分析的基本定理，它是由,Bucking-ham,于,1914,年根据物理方程式因次和谐的原理导出的。,19,数学模型法 ,半经验半理论方法,在实际过程的机理深入分析的基础上，在抓住过程本质的前提下，作出某种合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得出数学模型。通过实验确定模型参数。,20,课程研究主线,用研究工程问题的方法解决,传递过程,中的实际问题，是化工原理课程研究的主线。,不同的,单元操作,的组合,传递过程,成千上万的,具体,工艺过程,21,二、四个基本概念,1,、物料衡算,质量守恒定律,在化工过程中的应用,稳定过程中：,进入的能量,=,排出的能量,2,、热量衡算,能量守恒定律,在化工过程中的应用,稳定过程中：,进入的物料量,=,排出的物料量,3,、平衡关系,说明过程进行的,方向,和所能达到的,极限,在一定的,T,、,P,下，相平衡时两相浓度有着确定的关系,4,、过程速率,快慢程度，关系到生产过程设备的大小,22,1,、物料衡算,设计设备尺寸之前，要确定所处理的物料量,研究方法,：,（,1,）,划定衡算范围（确定研究系统）；,（,2,）定出衡算基准。,非稳态过程输入输出积累,系统,输出,输入,积累,系统,输出,输入,稳态过程积累,0,输入输出,23,考虑进出设备的物料本身的焓，与从外界加入或外界送出的热。有化学反应时则还包括反应所吸收或放出的热（反应热）。,（,1,）划定衡算范围（确定研究系统）；（,2,）定出衡算基准：物料基准、温度基准。,2,、热量衡算,研究方法：,非稳态过程输入输出积累,系统,输出,输入,积累,系统,输出,输入,稳态过程积累,0,输入输出,24,3,、物系的平衡关系,物系的平衡可以用来判断过程能否进行，以及进行的,方向,和能达到的,极限,。,当设备或系统内过程达到平衡时，过程就会停止，,平衡状态是过程进行的极限,。,25,4,、过程速率,任何一个物系，如果不是处于平衡状态，必然存在一个趋向平衡的过程，而过程的快慢即过程的速率受多方面的影响。,过程的,推动力,依具体过程有所不同，它可以是,压差,、,温度差,或,浓度差,等。过程速率反映了过程进行的快慢程度。,26,过程速率决定设备的生产能力。,过程速率与过程推动力成正比，与过程阻,力成反比。过程的推动力是该过程距平衡,的差额，它可以是压力差，温度差或浓度,差等。如流体流动时加大压差，热交换时,提高温差，传质、反应时提高浓度差均可,增大过程推动力，从而提高过程速率。,27,提高过程速率也可以通过减少过程,阻力来实现。如流体输送时加大管,径，对流传热时附加搅拌，传质时,提高流体的湍动程度，多相传质时,降低扩散阻力，反应时用催化剂降,低反应的活化能等。,28,美国气象卫星的“失足”,计量单位的重要性,1998,年,2,月，美国宇航局,national aeronautics and space administration ),（,NASA,）发射探测火星气象的卫星失事。预定于,1999,年,9,月,23,日抵达火星，然而卫星没有进入预定的轨道。,问题出在有些资料的计量单位,没有把英制转换成公制,，错误起自承包工程的洛克希德马丁航天公司。,这个 “小错误”造成的损失,:,仅卫星的造价就高达,1.25,亿美元。,三、单位及单位换算,29,单位,制,基 本 单 位,长度,质量,时间,温度,物质的量,力,SI,m,kg,s,K,kmol,N,工程,m,s,kgf,cgs,cm,g,s,mks,m,kg,s,英制,ft,lb,s,30,物理量的换算：,物理量,=,数值,单位,压力的单位,（,最多，一定要清楚,）,1atm= 101300 N/m,2,= 101.3,kPa,= 1.033 kgf/cm,2,= 10.33 mH,2,O = 760 mmHg,1at =,1,kgf,/ cm,2,=,10 mH,2,O,= 735.6 mmHg = 0.9807 bar = 9.80710,4,Pa,常温下水的密度,:,r,= 1000 kg / m,3,=,1 g /cm,3,= 62.4 lb,/ ft,3,当物理量,A=,物理量,B,时，其换算因子：,1=,物理量,A/,物理量,B,31,华氏度,(,fahrenheit,),和摄氏度,(Centigrade),都是用来计量温,度的单位。包括,中国,在内的世界上很多国家都使用摄氏度，,美国,和其他一些英语国家使用华氏度而较少使用摄氏度。,华氏度（,F,）：,温度,的一种度量单位。,华氏度是以其发明者,德国,人,Gabriel D. Fahrenheit,（华伦海,16811736,）命名的，当,大气压,为,1.0110,5,Pa,时，水的,结,冰点,是,32F,，,沸点,为,212F,。,1714,年他发现液体,金属,水银比,酒精,更适宜制造,温度计,，以水银为测温介质，发明了,玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水的混合物的温度为温度,计的零度，人体温度为温度计的,100,度，把水银温度计从,0,度,到,100,度按水银的,体积膨胀,距离分成,100,份，每一份为,1,华氏,度，记作“,1”,。,32,“华氏温标”是经验温标之一。在美国的日常,生活中，多采用这种温标，用字母“,F”,表示,例如：水的冰点为,32,，沸点为,212,。,换算,摄氏温度（）,和,华氏温度（）,之间的换算关系为：,华氏度,()=32+,摄氏度,()1.8,，,33,四、化工原理课程的目的,(,培养四种能力）,1,、培养单元操作和设备选择的能力：根据生产工艺,要求和物系特性，合理地选择单元操作及设备。,2,、工程设计能力：学习进行工艺过程计算和设备设计,3,、操作和调节生产过程的能力,4,、过程开发或科学研究能力,掌握规律 诊断过程 开发工艺 强化操作 创新设计,34,五、主要参考书籍,1,、柴诚敬、夏清主编，,化工原理学习指南,高等教育出版社，,2007,，第,1,版,2,、,姚玉英等,编,，,化工原理学习指南,-,问题与习题解析,天津大学出版社，,2003,，第,1,版,3,、,蒋维钧,等,编,.,化工原理,.,清华大学出版社，,2003,35,六、化工原理学习应,注意,2,、,重视,例题,，掌握基本解题思路和计算方法，计算要准确。,3,、注意本课程的性质、特点，计算结果除了准确，还要从工程,的角度考虑其结果的合理性与经济性。,5,、重视附录及教材中图、表、经验数据的使用，已知数据要扩展,6,、与计算机学习结合，有些习题可编程解决或直接利用,EXCEL,计算、做图,。,4,、重视实验，注意观察管路、设备的结构，增加感性认识。,1,、课时少，内容多，加之以多媒体教学，每节课信息量大，,且第一次接触工程内容，学习有一定难度，所以最好要有,预习,，必须,复习,。,36,重力沉降,含尘气体,净化气体,颗粒,降尘室操作示意图,37,离心沉降,38,另外，还有热力过程（制冷）、粉体工程（粉碎、颗粒分级、流态化）等单元操作。,单元操作分类 ：,（,1,）,遵循流体动力学基本规律的单元操作,，包括流体输送、沉降、过滤、物料混合（搅拌）。,（,2,）,遵循热量传递基本规律的单元操作,，包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。,（,3,）,遵循质量传递基本规律的单元操作,，包括蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。从工程目的来看，这些操作都可将混合物进行分离，故又称之为分离操作。,（,4,）,同时遵循热质传递规律的单元操作,，包括气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。,小结,39,单元操作之特点,1,、,物理性操作,，即只改变物料的状态或物性，并不改变化学性质；,共同的研究对象,传递过程,2,、它们都是化工生产过程中,共有的操作，,但不同的化工过程中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异；,3,、对同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实现 ；,4,、某单元操作用于不同的化工过程，其基本原理并无不同，进行该操作的设备也往往是通用的。具体应用时也要结合各化工过程的特点来考虑，如原材料与产品的理化性质，生产规模等。,小结,40,无机化学,分析化学,有机化学,物理化学,应用化学,高分子化学,化学教育,科,学,实,验,化,学,家,化,工,生,产,化工原理,传递过程,反应工程,（还有：分离工程、化工热力学、系统工程）,化,工,专,家,合成氨,硫酸制造,氯碱工业,石油化工,精细化工,制药业,制糖业,水泥、玻璃制造业,小结,化工原理在社会生产中的作用,41,化工生产过程的,单元操作种类大约有十来种，按照各单元操作遵循的基本原理，主要有下面三类：,1,、动量传递：以流体力学为基础的单元操作，包括,流体输送,、,沉降,、,过滤,、,离心分离,、,搅拌,及,气力输送,等；,2,、热量传递：以热量传递理论为基础的单元操作，包括,传热,、,蒸发,、,结晶,等；,3,、质量传递：以质量传递理论为基础的单元操作，包括,蒸馏,、吸收、吸附、萃取、,干澡,等,。,常用单元操作,42,这三类单元操作人们常称为三传（动量传递、热量传递、质量传递,),。,三种传递过程既有联系又有区别。,化工原理课程的内容，就是讨论这三种传递过程的基本规律及受其支配的单元操作过程及其设备。,本课程根据教学大纲的要求，主要研究常用的单元操作：流体输送、沉降、过滤、传热、蒸馏、干燥等。,43,