化工原理专接本绪论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,化工原理,UnitoperationsPrinciples of Chemical Engineering,本课程的,内,内容,化工原理,(,Principles of Chemical,Engineering),单元操作,(,Unitoperations),化工过程,常常包括,原,原料预处,理,理过程、,反,反应过程,和,和反应产,物,物后处理,过,过程等。,200,C,、,150MPa,常温、常压,乙烯,压缩机,预,热,器,反,应,器,分离器,粒化器,常温、,150MPa,高压,聚乙烯成品,化工过程,与,与单元操,作,作,化工生产,过,过程的特,点,点之一是,步,步骤多。,可,可分为：,A,以化学反,应,应为主,(,在反应器,中,中进行,),。,B,单元操作,。,。,典型化工,工,工业流程,化工过程,与,与单元操,作,作,单元操作,的,的特点：,物理性操,作,作,(,状态、物,理,理性质改,变,变，化学,性,性质不变,),；化工过,程,程中共有,的,的操作,(,单元操作,数,数目、名,称,称、排列,顺,顺序各异,),；某一单,元,元操作的,基,基本原理,相,相同,(,某单元操,作,作的设备,往,往往是通,用,用的，但,有,有选型的,问,问题,),。,单元操作,的,的分类：,动量传递,：,：流体输,送,送、沉降,、,、过滤、,离,离心分离,、,、搅拌、,固,固体流态,化,化等。,热量传递,：,：加热、,冷,冷却、蒸,发,发等。,质量传递,：,：蒸馏、,吸,吸收、吸,附,附、萃取,、,、干燥、,结,结晶、膜,分,分离等。,这,这些单元,操,操作的目,的,的一般是,将,将混和物,分,分离，故,又,又称为分,离,离过程。,化学工程,学,学的任务,：,：寻找其规,律,律性的问,题,题，使开,发,发、设计,、,、操作减,少,少盲目性,，,，提高经,济,济效益,“,化工原理,”,”课程的,两,两条主线,(1),实验研究,方,方法,(2),数学模型,方,方法，即,半,半理论半,经,经验的方,法,法,研究工程,问,问题的方法论是联系各,单,单元操作,的,的另一条,主,主线。,以单元操,作,作为内容,，,，以传递,过,过程和研,究,究方法论,为主线组,成,成了,“,化工原理,”,这一门课,。,。,研究方法,的,的发展,经验放大,相似论,因次分析,数学模型,法,法,各种化学,工,工程研究,方,方法的基,础,础是实验,工,工作,实验研究,方,方法（经,验,验法）,该方法一,般,般用因次,分,分析和相,似,似论为指,导,导，依靠,实,实验来确,定,定过程变,量,量之间的,关,关系，通,过,过无因次,数,数群（或,称,称准数）,构,构成的关,系,系式来表,达,达。是一,种,种工程上,通,通用的基,本,本方法。,数学模型,法,法（半经,验,验半理论,方,方法）,该方法是,在,在对实际,过,过程的机,理,理深入分,析,析的基础,上,上，在抓,住,住过程本,质,质的前提,下,下，作出,某,某种合理,简,简化，建,立,立物理模,型,型，进行,数,数学描述,，,，得出数,学,学模型。,通,通过实验,确,确定模型,参,参数。,如果一个,物,物理过程,的,的影响因,素,素较少，,各,各参数之,间,间的关系,比,比较简单,，,，能够建,立,立数学方,程,程并能直,接,接求解，,则,则称为解析法。,研究方法,：,：实验法,数学模型,（,（半理论,半,半经验）,研究方法,总,总结,纯理论,数学分析,数学模型法,半理论半经验,因次分析法,经验方法,化工原理,课,课程所回,答,答的问题,如何根据各单元操作在技术上和经济上的特点，进行“过程和设备”的选择，以适应指定物系的特征，经济而有效地满足工艺要求。,如何进行过程的计算和设备的设计。在缺乏数据的情况下，如何组织实验以取得必要的设计数据。,如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。,绪 论,内容概述,教学安排,及,及参考书,课程的内,容,容,课程的发,展,展,课程的教,学,学目的,基本概念,单,位,位,换,换,算,算,及,及,单,单,位,位,制,制,介,绍,绍,化,化,工,工,原,原,理,理,课,课,程,程,的,的,发,发,展,展,及,及,与,与,邻,邻,近,近,学,学,科,科,的,的,关,关,系,系,课,程,程,的,的,发,发,展,展,及,及,与,与,邻,邻,近,近,学,学,科,科,的,的,关,关,系,系,化,工,工,原,原,理,理,是,是,化,化,学,学,工,工,程,程,学,学,的,的,一,一,个,个,重,重,要,要,分,分,支,支,，,，,与,与,化,化,学,学,工,工,程,程,学,学,的,的,发,发,展,展,密,切,切,相,相,关,关,。,。,工,工,程,程,学,学,科,科,的,的,形,形,成,成,源,源,于,于,工,工,业,业,生,生,产,产,。,。,19,世,纪,纪,末,末,，,，,逐,逐,步,步,形,形,成,成,以,以,产,产,品,品,划,划,分,分,的,的,各,各,种,种,化,化,工,工,产,产,品,品,的,的工,艺,艺,学,学。,1915,年,，,，,化,化,学,学,工,工,程,程,的,的,先,先,驱,驱,A.D.Lihle,在,向,向,MIT,提,交,交,的,的,一,一,份,份,报,报,告,告,中,中,提,提,出,出,“,“单,元,元,操,操,作,作”,的,的,概,概,念,念,。,。,1922,年,，,，,在,在,美,美,国,国,化,化,学,学,工,工,程,程,师,师,年,年,会,会,上,上,，,，,“,“单,元,元,操,操,作,作”,的,的,概,概,念,念,被,被,法,法,定,定,认,认,可,可,。,。,1923,年,，,，,MIT,教,授,授,W.H.Walker,等,人,人,写,写,了,了,第,第,一,一,部,部,关,关,于,于单,元,元,操,操,作,作的,书,书,Principlesofchemicalengineering,。,从,从,化,化,工,工,生,生,产,产,工,工,艺,艺,中,中,抽,抽,象,象,出,出,各,各,种,种,单,单,元,元,操,操,作,作,，,，,即,即从,特,特,殊,殊,性,性,中,中,总,总,结,结,出,出,普,普,遍,遍,性,性，,是,是,认,认,识,识,上,上,的,的,一,一,个,个,飞,飞,跃,跃,。,。,对,对,化,化,学,学,工,工,程,程,学,学,的,的,形,形,成,成,和,和,发,发,展,展,起,起,了,了,重,重,要,要,推,推,动,动,作,作,用,用,，,，,并,并,促,促,进,进,了,了,化,化,学,学,工,工,业,业,的,的,发,发,展,展,。,。,课,程,程,的,的,发,发,展,展,及,及,与,与,邻,邻,近,近,学,学,科,科,的,的,关,关,系,系,1960,年,，,，,威,威,斯,斯,康,康,星,星,大,大,学,学,的,的,Bird,等,人,人,将,将动,量,量,、,、,热,热,量,量,和,和,质,质,量,量,传,传,递,递,过,过,程,程合,并,并,，,，,编,编,写,写,了,了,Transportphenomena,一,书,书,，,，,是,是,工,工,程,程,学,学,科,科,的,的,基,基,础,础,。,。,与,此,此,同,同,时,时,，,，,化,化,学,学,反,反,应,应,工,工,程,程,学,学,形,形,成,成,与,与,发,发,展,展,。,。,至,此,此,，,，,化,化,学,学,工,工,程,程,学,学,学,学,科,科,发,发,展,展,到,到,了,了,“,“三,传,传,一,一,反,反”,的,的,较,较,完,完,整,整,阶,阶,段,段,。,。,20,世,纪,纪,60,年,代,代,末,末,，,，,形,形,成,成,了,了化,工,工,系,系,统,统,工,工,程,程,学,学，,同,同,时,时,发,发,展,展,了,了过,程,程,动,动,态,态,学,学,与,与,控,控,制,制,论,论。,丰,丰,富,富,与,与,发,发,展,展,了,了,化,化,学,学,工,工,程,程,学,学,的,的,内,内,容,容,。,。,化,学,学,工,工,程,程,学,学,的,的,发,发,展,展,绪,论,论,内,容,容,概,概,述,述,教,学,学,安,安,排,排,及,及,参,参,考,考,书,书,课,程,程,的,的,内,内,容,容,课,程,程,的,的,发,发,展,展,课,程,程,的,的,教,教,学,学,目,目,的,的,基,本,本,概,概,念,念,单,位,位,换,换,算,算,及,及,单,单,位,位,制,制,介,绍,绍,化,化,工,工,原,原,理,理,课,课,程,程,的,的,性,性,质,质,及,及,教,教,学,学,目,目,的,的,课,程,程,的,的,性,性,质,质,和,和,目,目,的,的,化,工,工,原,原,理,理,课,课,程,程,是,是,化,化,学,学,工,工,程,程,、,、,化,化,工,工,工,工,艺,艺,类,类,及,及,相,相,近,近,专,专,业,业,必,必,修,修,的,的,主,主,干,干,技,技,术,术,基,基,础,础,课,课,。,。,本,本,课,课,程,程,以,以传递过程理,论,论为基础，以,化,化工生产中,的,的物理加工过,程,程为背景，按,其,其操作原理,的,的共性归纳,成,成的若干“单元操作”为对象，,研,研究和考察,化,化工生产过,程,程中被处理,物,物料的质量、动量,和,和能量传递,的,的基本规律，考察、解,释,释和处理工,程,程实际问题,，,，通过理论,解,解析和在理,论,论指导下的,实,实验研究方,法,法，培养学,生,生运用化学,工,工程的基本,原,原理去分析,和,和解决化工,生,生产过程中,出,出现的各种,实,实际问题的,能,能力、动手,操,操作能力与,工,工程观念。,本课程强调创新意识与,创,创新能力的培养，强,调,调定量计算和工程设计能,力,力的训练，强,调,调理论和实,际,际相结合与,实,实事求是的,工,工作作风。,通,通过本课程,学,学习，促使,学,学生达到能,独,独立运用本,课,课程所学知,识,识分析和解,决,决化工生产,过,过程中出现,的,的各种工程,实,实际问题，,能,能独立完成,化,化工单元操,作,作与设备的,工,工艺计算、,设,设计与选型,工,工作，能独,立,立完成化工,单,单元过程的,实,实验操作与,实,实验设计，,并,并为后续专,业,业课程的学,习,习打下良好,的,的基础。,选,算,过程与设备的选择,过程的计算和设备的设计,用,如何操作和调节以适应生产的要求,化工原理课,的,的教学目的,你们是德、,智,智、体全面,发,发展，据有,良,良好的学科,素,素养，掌握,了,了化学基本,理,理论、基本,知,知识和基本,技,技能，并受,到,到基础研究,和,和应用研究,初,初步训练的化学专门人,才,才。,你们将从事,的,的工作：科研部门、,高,高校、厂矿,企,企业、事业,单,单位、行政,部,部门等。由此可,知,知不论你们,从,从事基础研,究,究还是应用,研,研究或开发,性,性工作，都,需,需要具备化,学,学工程的基,本,本知识和概,念,念。,学习该课程,的,的目的是使,你,你们获得一,定,定的化学工程概,念,念、知识和,方,方法，了解化学工业的,实,实践与发展等慨况，提,高,高工程技术方,面,面的素养，开拓你们,以,以后自身工,作,作领域的思,路,路，并使你,们,们具有更强,的,的适宜能力和,工,工作能力。,绪 论,内容概述,教学安排及,参,参考书,课程的内容,课程的发展,课程的教学,目,目的,基本概念,单位换算及,单,单位制,三种衡算,平衡关系,过程速率,三种衡算,动量衡算牛顿第二定律,热量衡算能量守恒(焦耳,Joule),质量衡算物质不灭(拉瓦锡,Lavoisier),1,、物料衡算,根据质量守恒定,律,律，任何一个,化,化工生产过,程,程,F =,d +A,F,输入物料质,量,量的总和，,kg,d ,输出物料质,量,量的总和，,kg,A,积累在过程,中,中的物料质,量,量，,kg,此式是物料,衡,衡算的通式,，,，可对总物,料,料或其中某,一,一组成列出,物,物料衡算式,，,，进行求解,。,。,基本概念,例,1,解：各股物,系,系的流程图,如,如附图所示,，,，计算基准,取,取,1,，由于是连,续,续稳定操作,，,，总物料衡,算,算式为,F,V,W,溶质衡算式,为,为,Fx,F,=Wx,w,由此两式解,得,得,W=,（,x,F,/x,w,）,F,，,V=,（,1-x,F,/x,w,）,F,例,1,附图,用连续操作,的,的蒸发器把,含,含盐浓度为,（,（质量分率,）,）的衡盐水,溶,溶液蒸发到,浓,浓度为（质,量,量分率）的,浓,浓盐水溶液,，,，每小时衡,盐,盐水溶液的,进,进料量为,Fkg,。试求每小,时,时所得浓盐,水,水溶液量,W,及水分蒸发,量,量,V,各为多少。,2,、能量衡算,根据能量守恒定,律,律，在任何一,个,个化工生产,过,过程中，凡,向,向该过程输,入,入的能量必,等,等于该过程,输,输出的能量,。,。在许多化,工,工生产中所,涉,涉及的能量,仅,仅为热能，,所,所以本课程,中,中能量衡算,简,简化为热量,衡,衡算：,Q,F,=,Q,D,+ q,Q,F,输入该过程,的,的各物料带,入,入的总热量,J,Q,D,输出该过程,的,的各物料带,出,出的总热量,J,q,该过程与环,境,境交换的总,热,热量，当系,统,统向环境散,热,热时为正，,称,称为热损,J,通过热量衡,算,算，可以了,解,解在生产操,作,作中热量的,利,利用和损失,情,情况，而在,生,生产过程与,设,设备设计时,，,，利用热量,衡,衡算可以确,定,定是需要从,外,外界引入热,量,量或向外界,输,输出热量的,问,问题。,基本概念,物料衡算计,算,算步骤及要,点,点：,1,、物流图,2,、确定衡算,体,体系（某设,备,备、车间、,整,整个工厂）,3,、确定衡算,基,基准；,4,、确定着眼,物,物料；,5,、列衡算方,程,程,能量守衡,关键：,1,、物流图,2,、划定系统,3,、确定衡算,基,基准,4,、确定着眼,物,物料,5,、选定基准,温,温度：,0,基准温度（,焓,焓值是相对,值,值）,6,、列衡算方,程,程,7,、有反应发,生,生的要考虑,反,反应热。,例一、每小,时,时将,1000kg,含,20,（质量分,数,数，下同）,某,某种盐水溶,液,液送至蒸发,器,器内，用水,蒸,蒸气加热使,之,之气化，蒸,出,出一部分水,汽,汽，由蒸发,器,器顶部排出,。,。溶液被浓,缩,缩到,50,后，由结,晶,晶器底部取,出,出产品,P,，结晶器内,含,含无机盐,37.5,的母液,R,送回蒸发器,与,与原料液合,并,并进入蒸发,器,器再蒸发，,试,试求：,1,、每小时由,蒸,蒸发器蒸出,的,的水气量,W,及由结晶器,排,排出的产品,P,。可以不考,虑,虑结晶产品,表,表面附着的,母,母液：,2,、每小时由,结,结晶器排出,的,的母液量,R,由蒸发器排,出,出的浓溶液,量,量,B,；,3,、进入蒸发,器,器的混合液,（,（原料液与,母,母液）中的,浓,浓度。,例题解答：,一、解：,F=1000kg/hr, a=20, 求：,(1) w, P (2)R,B (3) M,(1),、求,W,、,P,大体系物料,衡,衡算：,P=208.3kg/h,w=791.7kg/h,(2),以局部为着,眼,眼点，划定,衡,衡算范围：,以右为基准,：,：,R,766.5kg/h,B=766.5+208.3=974.8kg/h,或以左部分,为,为衡算范围,：,：,（,3,）以局部点,为,为衡算范围,：,：,1000,R,M,1000,766.5=1766.5,100020%+766.53,7.5%=Mx%,x%=200+287.4/1766.5=27.6%,例二,、,、系,统,统能,量,量衡,算,算：,采,采用,本,本题,附,附图,所,所示,的,的蒸,发,发器,，,，每,小,小时,将,将,2000kg,水溶,液,液，,从,从含,固,固体,5,（,质,质量,分,分数,，,，下,同,同）,浓,浓缩,至,至,30,。,已,已知,在,在操,作,作条,件,件下,溶,溶液,在,在蒸,发,发器,内,内的,沸,沸点,为,为,78,，水,的,的汽,化,化热,为,为,2319.5KJ/kg.,原料,液,液温,度,度为,20,，比,热,热容,为,为,4KJ/(kg,),。加,热,热蒸,汽,汽压,强,强为,200kPa,冷凝,水,水于,热,热蒸,汽,汽的,饱,饱和,，,，温,度,度下,排,排除,，,，热,损,损失,为,为,1000W,，忽,略,略溶,液,液的,稀,稀释,热,热，,浓,浓溶,液,液在,蒸,蒸发,器,器操,作,作沸,点,点下,排,排出,，,，水,蒸,蒸气,于,于,75,时离,开,开蒸,发,发器,，,，试,求,求每,小,小时,加,加热,蒸,蒸汽,消,消耗,量,量。,例,2,、热,量,量衡,算,算：,已,已知,溶,溶液,沸,沸点,：,：,78,2319.5kg/kgH=2633.5kg/kg,进料,：,：,T,0,20%C,P0,4kJ/kg,浓缩,液,液：,C,P1,4.19kJ/kg,加热,蒸,蒸汽,：,：,P,200Pa,冷凝,水,水：,饱,饱和,温,温度,Q,损,10000W,。,(1),先求,物,物流,量,量：,（,（流,量,量，,1hr,）,2000=w+R,，,2000,5%=w,0+30%,R,则,w=1666.7kg/h,，,R=333.3kg/h,(2),热量,衡,衡算,：,：,Q,F,Q,D,Q,w,+Q,R,+Q,P,+Q,损,以,0,为基,态,态，,求,求焓,值,值：,Q,F,FC,P,T,2000,4,（,20,0,）,1.610,5,kJ/h,Q,D,：,200kPa,查表,，,，,T,120.2h=2709.2kJ/kg,Q,D,=2709.2DkJ/h,Q,w,：查,75,蒸汽,，,，焓,值,值,H=2633.5kJ/kg,Q,w,=1666.72633.5=43.89105,Q,R,：,RC,P,T,333.34.19,（,78,0,）,1.09,10,5,kJ/h,Q,P,：冷,凝,凝水,：,：,120,排放,，,，水,焓,焓：,493.71kJ/kg,Q,P,=493.71D,Q,损,：,(10000w/1000)3600=0.3610,5,kJ/h,衡算,：,：,1.610,5,2709.2,D,493.71,1.09,10,5,43.8910,5,0.36,10,5,D,1794.3kg/h,过程,的,的平,衡,衡与,速,速率,过程,的,的平,衡,衡问,题,题,过程,进,进行,的,的方,向,向和,所,所能,达,达到,的,的极,限,限,化工,热,热力,学,学研,究,究的,领,领域,过程,的,的速,率,率,过程,进,进行,的,的快,慢,慢,3,、平衡,关,关系,物系,在,在自,然,然界,发,发生,变,变化,时,时，,其,其变,化,化必,趋,趋于,一,一定,方,方向,，,，如,果,果任,其,其发,展,展，,结,结果,必,必达,到,到平,衡,衡关,系,系为,止,止。,平衡,状,状态,表示,的,的就,是,是各,种,种自,然,然发,生,生的,过,过程,可,可能,达,达到,的,的极,限,限程,度,度，,除,除非,影,影响,物,物系,的,的情,况,况有,变,变化,，,，否,则,则其,变,变化,的,的极,限,限是,不,不会,改,改变,的,的。,一,一般,平,平衡,关,关系,则,则为,各,各种,定,定律,所,所表,明,明，,如,如热力,学,学第,二,二定,律,律，拉乌,尔,尔定,律,律等。,在化,工,工生,产,产过,程,程中,，,，可,以,以从,物,物系,平,平衡,关,关系,来,来推,知,知其,能,能否,进,进行,以,以及,进,进行,到,到何,种,种程,度,度。,平,平衡,关,关系,也,也为,设,设备,尺,尺寸,的,的设,计,计提,供,供了,理,理论,依,依据,。,。,基本,概,概念,4,、过,程,程速,率,率：,何一,个,个不,处,处于,平,平衡,状,状态,的,的物,系,系，,必,必然,发,发生,使,使物,系,系趋,向,向平,衡,衡的,过,过程,，,，但,过,过程,以,以什,么,么速,率,率趋,向,向平,衡,衡，,这,这不,决,决定,于,于平,衡,衡关,系,系，,而,而是,由,由多,方,方面,的,的因,素,素影,响,响的,，,，由,于,于对,这,这些,因,因素,有,有些,还,还不,清,清楚,，,，目,前,前过,程,程速,率,率是,近,近似,的,的采,用,用除,以,以阻,力,力表,示,示。,这里,的,的过,程,程推,动,动力,，,，可,依,依据,具,具体,过,过程,而,而有,不,不同,的,的理,解,解，,但,但必,要,要的,条,条件,是,是物,系,系在,平,平衡,状,状态,时,时推,动,动力,必,必须,等,等于,零,零。,至于,过,过程,的,的阻,力,力则,较,较为,复,复杂,，,，要,具,具体,情,情况,具,具体,分,分析,。,。,基本,概,概念,绪,论,论,内容,概,概述,教学,安,安排,及,及参,考,考书,课程,的,的内,容,容,课程,的,的发,展,展,课程,的,的教,学,学目,的,的,基本,概,概念,单位,换,换算,及,及单,位,位制,单位,制,制：,SI,制，,物,物理,制,制，,工,工程,制,制,单位,换,换算,1,、单,位,位制,度,度,任何,物,物理,量,量都,是,是用,数,数字,和,和单,位,位联,合,合表,达,达的,。,。,基本单位,：一般先,选,选几个独,立,立的物理,量,量，以使,用,用方便为,原,原则规定,出,出它们的,单,单位。,导出单位,：根据物,理,理本身的,物,物理意义,，,，由有关,基,基本单位,组,组合构成,的,的,基本单位,和,和导出单,位,位构成一,个,个完整的,体,体系，称,为,为单位制。,单位制和,单,单位换算,2,、单位换,算,算：,物理量的,单,单位换算,密度单位,：,：,g/cm,3,=10,-3,kg/10,-6,m,3,=10,3,kg/m,3,流量单位,：,：,150L/min=150,10,-3,m,3,/60s=0.0025m,3,/s,压强单位,：,：,1atm=1.033kgf/cm,2,=1.033/10,-4,m,=1.01310,5,N/m,2,经验公式,的,的换算：,理论公式,将,将任一单,位,位制的数,据,据代入这,一,一类公式,中,中，解出,的,的结果总,是,是属于同,一,一单位制,。,。,经验公式,必,必须按公,式,式要求换,成,成适当单,位,位。,单位制和,单,单位换算,单位制和,单,单位换算,应用这些,基,基本量以,表,表示物理,量,量特性的,式,式子称为,因次（或,量,量纲）式,。因次式,中,中各物理,量,量的指数,称,称为它的,因,因次或量,纲,纲（有时,也,也把物理,量,量的量纲,式,式简称为,物,物理量的,量,量纲）。,因,因次可正,、,、可负、,整,整数、分,数,数等任意,有,有理数。,