化工原理绪论课件

课程名称：化工原理（单元操作）,主讲人,:,陆 杰,周,1,3,之,1,2,节,周,1,-,12 /2C 302,教室,0.0,绪论,一、,课程性质和基本内容,二、单元操作,的应用及特点,三、单元操作的分类,四、单元操作与三传的关系,五、单位与单位换算,六、单元操作中常用的基本概念,“,化工原理及实验,”,是化学化工类专业的主干课程之一，属于化学化工类本科生必修的,专业基础课,，是本科生由基础课学习转向专业课学习的过渡,性质,的课程。,先修课：,高等数学、物理、物理化学、机械制图等。,一、课程性质和基本内容,课程性质,化工生产,是以,化学变化或化学处理为主要特征,的工业生产过程，在各种加工过程中，,除化学反应外，其余步骤皆可归纳为若干种基本的物理过程,，这些基本的物理过程称为,单元操作,。,1915,年，,U,nit Operations,的名词由麻省理工学院化工系主任,A.D Little,首次提出。,化工原料 生产资料或生活资料,-,单元操作,约有几十种,课程内容,化工原理,：,“三传”理论及单元操作的基本原理,单元操作的工艺计算,典型设备的构造、设计或选型,（,1,）掌握,三传理论,，即流体流动、传热、传质的基本原理；,课程任务,（,2,）掌握,主要单元操作,的典型设备构造、操作原理、计算、,选型及实验研究方法；,（,3,）培养学生,运用基础理论分析和解决化工单元操作中,各,种,工程实际问题,(,计算、选型及实验研究方法,),的能力。,课前预习、认真听课、课后复习；,教材和辅导资料多看，并做到融会贯通；,按时完成作业、多做题目多练习；,多讨论，灵活掌握学习和应用方法。,要求：,课程特点,理论性强；,工程性强；,内容多。,既有众多的严格的理论推证，又有许多对复杂对象的工程简化处理。,作 业：课堂布置,参 考 书：浙江大学、华东理工大学等院校的教材及习题集，,自由选择。,考核方式：平时作业成绩,+,期中成绩,+,期末成绩,作业与考试,例 如：,甲醇的生产：,合成气（,CO,，,H,2,，,CO,2,）,输送,管式反应器,粗甲醇,冷却,精馏,精甲醇（,99.5,）,苯的生产：,原料油（甲苯、二甲苯）、,H,2,输送,加热,反应器,减压蒸馏,精馏,苯（,99.99,%,）,若干单元操作与化学反应的组合可构成一个工艺制造过程。,二、单元操作的应用及特点,根据他们的操作原理，可以归结为数个应用广泛的,基本操作过程,，如流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、制冷、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、粉碎、乳化萃取、吸附、干燥等。,这些基本的物理过程称为,单元操作,。,若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。,均为,物理性操作,，只改变物料的状态或其物理性质，不改变其化学性质。,同一生产过程中可能会包含多个相同的单元操作。,单元操作用于不同的生产过程时其基本原理相同，进行该操作的设备也可以通用。,应用及特点,单元操作按其理论基础可分为下列三类：,上述三个过程包含了三种理论，我们称之为,“三传理论”,。,1,流体流动过程,2,传热过程,3,传质过程,三、单元操作的分类,包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。,包括热交换、蒸发等。,包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。,动量传递：,流体流动时，其内部发生动量传递,，,故流体流动过程也称为动量传递过程。凡是遵循流体流动基本规律的单元操作，到可以用动量传递的理论去研究。,热量传递：,物体被加热或冷却的过程也称为物体的传热过程。凡是遵循传热基本规律的单元操作，到可以用热量传递的理论去研究。,三传理论,质量传递：,两相间物质的传递过程即为质量传递。凡是遵循传质基本规律的单元操作，到可以用质量传递的理论去研究。,原料乳验收,预处理,预热杀菌,真空浓缩,过滤,加糖,喷雾干燥,出粉,冷却与过筛,包装、检验,成品,奶粉生产工艺流程,例：,单元操作与食品加工,四、单元操作与三传的关系,杀 菌：传热；,真空浓缩：传热、传质、流体流动；,过 滤：流体流动,.,“三传理论”是单元操作的理论基础，单元操作是“三传理论”的具体应用。同时，“三传理论”和单元操作也是化学工程技术的理论和实践基础。,流体力学、传热及传质的基本原理,是各单元操作的理论基础。许多单元操作都会包含两种以上的传递现象，如干燥、精馏等,。,单元操作与三传,单位制,国际单位制中的单位是由基本单位和具有专门名称的导出单位构成的。,五、单位与单位换算,基本量：,任意选定的几个独立的物理量,(,如长度,时间等,),。,基本单位：,根据使用方便的原则制定的基本量的,单位,。,导出量：,根据物理量与基本量之间的关系来确定的量。,导出单位：,导出量的单位称为导出单位，均由基本单位相 乘、除而构成的。,物理单位制：,基本单位：,长度,cm,质量,g,时间,s,工程单位制：,基本单位：,长度,cm,力,kgf,时间,s,SI,单位制：,基本单位有,7,个，化工中常用的有,5,个：,长度,m,、质量,kg,、时间,s,、温度,K,、物质量,mol,单位制：,基本单位与导出单位的总和。,因次,基本量的长度、质量、时间、温度可分别用符号,L,、,M,、,T,、,表示，则导出量可由这些基本量的符号组合而成。,例：,速 度,LT,1,加速度,LT,2,力,MLT,2,若某物理量以,M,a,L,b,T,c,表示，则称它为该,物理量的因次或量纲,（严格地说，指数,a,、,b,、,c,称为因次，,M,a,L,b,T,c,称为该物理量的因次式或量纲式）。它表示该物理量的单位与基本量的单位之间的关系。当,a,b,c,0,时，时,M,0,L,0,T,0,1,，,称为,无因次,。,单位换算,同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地改变。这种换算称为单位换算。,通用气体常数,R,0.08206Latm/molK,8.313J/molK,已知,1,atm,=1.033kgf/cm,2,将其换算成,N/m,2,。,按题意需将,kgf/cm,2,中的单位换算成,N,，,cm,2,换算成,m,2,查附录,1,：换算关系为：,1kgf=9.81N,，,1cm=0.01m,上述关系代入，得：,物料衡算,能量衡算,物系的平衡关系,传递速率,经济核算,六、单元操作中常用的基本概念,物料衡算的通式,G,I,输入物料的总和,G,O,输出物料的总和,G,A,积累的物料量,依据,质量守恒定律：,输入系统的物料质量等于从系统输出的物料质量和系统中积累的物料质量之和。,物料衡算,稳态过程（连续操作过程），积累为零，即,G,A,=0,。则：,注意：,（,1,）衡算系统即可是整个生产过程也可是某一设备，甚至设备某一局部。,（,2,）衡算的对象：,a),无化学反应时，总物料衡算或物料中任一组分衡算。,b),有,化学反应,时，只能用于任一元素的衡算。,（,3,）可用质量或物质的量衡算，对于液体或处于恒,T,、恒,P,下的理想气体可用于体积衡算。,例,：,在两个蒸发器中，每小时将,5000kg,的无机盐水溶液从,12,（质量）浓缩到,30%,。第二蒸发器比第一蒸发器多蒸出,5%,的水分。试求：,（,1,）各蒸发器每小时蒸出水分的量；,（,2,）第一蒸发器送出的溶液浓度。,分析：,（,1,）首先画一个流程图表示进行的过程：,用方框表示设备，输入输出设备的物流方向用箭头表示。,蒸发器,1,蒸发器,2,x,1,W,1,W,2,=1.05,W,1,F,0,=,5000kg/h,x,0,=,0.12,F,1,F,2,x,2,=,0.3,（,3,）划定衡算的范围,衡算范围可以是一个生产过程或一个设备，甚至设备某一局部。,（,2,）,选择衡算基准（连续操作以单位时间为基准，间歇操作以一批操作为基准）,由于连续操作，以,1,小时为基准。,对盐作物料衡算：,解：,（,1,）对总物料作衡算：,代入已知数据，得：,由题意知,蒸发器,1,蒸发器,2,x,1,W,1,W,2,=1.05,W,1,F,0,=,5000kg/h,x,0,=,0.12,F,1,F,2,x,2,=,0.3,（,2,）求第一个蒸发器送出的溶液浓度，选择第一个蒸发器为衡算范围。,对盐作物料衡算：,对总物料作衡算：,代入已知数据，得：,解得：,蒸发器,1,蒸发器,2,x,1,W,1,W,2,=1.05,W,1,F,0,=,5000kg/h,x,0,=,0.12,F,1,F,2,x,2,=,0.3,能量衡算,依据：,能量守恒定律,即任何时间内输入系统的总热量等于系统输出的总热量与损失的热量之和。,热量衡算通式,或写成,物料的质量，,kg,或,kg/s,H,物料的焓，,kJ/kg,热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，也必须首先划定衡算范围及衡算基准。,此外应注意焓是相对值，因此必须指明,基准温度,，习惯上选,0,为基准温度,，,并规定,0,时液态的焓值为零,。,平衡状态是自然界中广泛存在的现象。,平衡关系,可用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能达到的限度。,以食盐的溶解和结晶为例：,食盐浓度,饱和浓度：结晶,食盐浓度,饱和浓度：溶解,该温度下的饱和浓度为该物系的平衡浓度。,物系的平衡关系,不饱和食盐溶液,：溶解速率（单位时间内溶解的食盐质量）大；食盐浓度高时，溶解速率小。,饱和食盐溶液,（,即平衡状态）：溶解速率为零,以食盐的溶解为例：,溶液浓度越是远离平衡浓度，其溶解速率就越大；溶液浓度越是接近平衡浓度，其溶解速率就越小。溶液浓度与平衡浓度之差值，可以看作是溶解过程的,推动力,。,传递速率,颗粒大小和搅拌对溶解速率有影响。,原因：,由大块改为许多小快，能使固体食盐与溶液的接触面积增大；由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对流。其结果能减小溶解过程的,阻力,。,此关系类似于电学中欧姆定律,。,过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递速率增大时，设备尺寸可以变小,。,化工原理课程的两条主线：,（,1,）动量传递、传热和传质皆属于传递过程，是本门课程统一的研究对象，是联系各单元操作的一条主线。,（,2,）研究工程问题的方法论是联系各单元操作的另一条主线。各单元操作有共同的研究方法。,a),实验研究方法（经验的方法）,一般用因次分析和相似论为指导，依靠实验来确定过,变量之间的关系，通过无因次数群（或称准数）构成的关系式来表达。是一种工程上通用的基本方法。,研究方法,b),数学模型法（半经验半理论的方法）,在对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。,如一个物理过程的影响因素较少，各参数之间的关系比较简单，能建立数学方程并能直接求解，则称为解析法。,数学模型法（半经验半理论）,因次论指导下的实验研究法,实验：寻找函数形式，决定参数,效益是企业的命脉，经济核算是企业的核心工作。为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，,要用经济核算确定最经济的设计方案,。,经济核算,任何一个科研成果都要通过工程技术才能得以大规模生产，才能实现它的社会价值，造福于广大的人民群众,。,化工原理,是将实验室科研成果转入工业化生产的基础理论课程。,本课程中，各单元操作的计算、设备的选型等工作都将围绕上述五个方面进行，并以最优经济效益作为最终的设计方案。,物料衡算,能量衡算,物系的平衡关系,传递速率,经济核算,