化工原理專接本緒論

1、化工原理(Principles of Chemical Engineering)單元操作(Unit operations)常常包括原料預(yù)處理過(guò)程、反應(yīng)過(guò)程和反應(yīng)產(chǎn)物后處理過(guò)程等。200C、150MPa常溫、常壓乙烯壓縮機(jī)預(yù)熱器反應(yīng)器分離器粒化器常溫、150MPa 高壓聚乙烯成品化工過(guò)程與單元操作化工生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)之一是步驟多?？煞譃椋篈 以化學(xué)反應(yīng)為主以化學(xué)反應(yīng)為主(在反應(yīng)器中進(jìn)行在反應(yīng)器中進(jìn)行)。B 單元操作。單元操作。典型化工工業(yè)流程化工過(guò)程與單元操作單元操作的特點(diǎn)：物理性操作(狀態(tài)、物理性質(zhì)改變，化學(xué)性質(zhì)不變)；化工過(guò)程中共有的操作(單元操作數(shù)目、名稱、排列順序各異)；某一單元操作的基本

2、原理相同(某單元操作的設(shè)備往往是通用的，但有選型的問題)。 單元操作的分類：動(dòng)量傳遞：流體輸送、沉降、過(guò)濾、離心分離、攪拌、固體流態(tài)化等。熱量傳遞：加熱、冷卻、蒸發(fā)等。質(zhì)量傳遞：蒸餾、吸收、吸附、萃取、干燥、結(jié)晶、膜分離等。這些單元操作的目的一般是將混和物分離，故又稱為分離過(guò)程?；瘜W(xué)工程學(xué)的任務(wù)：尋找其規(guī)律性的問題，使開發(fā)、設(shè)計(jì)、操作減少盲目性，提高經(jīng)濟(jì)效益 “化工原理”課程的兩條主線(1) 實(shí)驗(yàn)研究方法(2) 數(shù)學(xué)模型方法，即半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法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。以單元操作為內(nèi)容，以傳遞過(guò)程和研究方法論以單元操作為內(nèi)容，以傳遞過(guò)程和研究方法論為主線組成了為主線組

3、成了“化工原理化工原理”這一門課。這一門課。經(jīng)驗(yàn)放大相似論因次分析數(shù)學(xué)模型法各種化學(xué)工程研究方法的基礎(chǔ)是實(shí)驗(yàn)工作n實(shí)驗(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)法）n該方法一般用因次分析和相似論為指導(dǎo)，依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)確定過(guò)程變量之間的關(guān)系，通過(guò)無(wú)因次數(shù)群（或稱準(zhǔn)數(shù)）構(gòu)成的關(guān)系式來(lái)表達(dá)。是一種工程上通用的基本方法。n數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論方法）n該方法是在對(duì)實(shí)際過(guò)程的機(jī)理深入分析的基礎(chǔ)上，在抓住過(guò)程本質(zhì)的前提下，作出某種合理簡(jiǎn)化，建立物理模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，得出數(shù)學(xué)模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)。n如果一個(gè)物理過(guò)程的影響因素較少，各參數(shù)之間的關(guān)系比較簡(jiǎn)單，能夠建立數(shù)學(xué)方程并能直接求解，則稱為解析法。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析與處理過(guò)程

4、分析簡(jiǎn)化過(guò)程數(shù)學(xué)描述參數(shù)測(cè)定及實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證研究方法：實(shí)驗(yàn)法數(shù)學(xué)模型（半理論半經(jīng)驗(yàn)）純理論數(shù)學(xué)分析數(shù)學(xué)模型法半理論半經(jīng)驗(yàn)因次分析法經(jīng)驗(yàn)方法如何根據(jù)各單元操作在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的特點(diǎn)，進(jìn)行“過(guò)程和設(shè)備”的選擇，以適應(yīng)指定物系的特征，經(jīng)濟(jì)而有效地滿足工藝要求。如何進(jìn)行過(guò)程的計(jì)算和設(shè)備的設(shè)計(jì)。在缺乏數(shù)據(jù)的情況下，如何組織實(shí)驗(yàn)以取得必要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。如何進(jìn)行操作和調(diào)節(jié)以適應(yīng)生產(chǎn)的不同要求。在操作發(fā)生故障時(shí)如何尋找故障的緣由。 緒緒 論論 內(nèi)容概述教學(xué)安排及參考書 課程的內(nèi)容 課程的發(fā)展 課程的教學(xué)目的 基本概念 單位換算及單位制 介紹化工原理課介紹化工原理課程的發(fā)展及與鄰近程的發(fā)展及與鄰近學(xué)科的關(guān)系學(xué)科的關(guān)系

5、n化工原理是化學(xué)工程學(xué)的一個(gè)重要分支，與化學(xué)工程學(xué)的發(fā)展n密切相關(guān)。工程學(xué)科的形成源于工業(yè)生產(chǎn)。n19世紀(jì)末，逐步形成以產(chǎn)品劃分的各種化工產(chǎn)品的工藝學(xué)。n1915年，化學(xué)工程的先驅(qū)在向MIT提交的一份報(bào)告中提出“單元操作”的概念。n1922年，在美國(guó)化學(xué)工程師年會(huì)上， “單元操作”的概念被法定認(rèn)可。n1923年， MIT教授等人寫了第一部關(guān)于單元操作的書Principles of chemical engineering。從化工生產(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(duì)化學(xué)工程學(xué)的形成和發(fā)展起了重要推動(dòng)作用，并促進(jìn)了化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。n1960年，威斯康星大學(xué)

6、的Bird等人將動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞過(guò)程合并，編寫了Transport phenomena一書，是工程學(xué)科的基礎(chǔ)。n與此同時(shí)，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)形成與發(fā)展。n至此，化學(xué)工程學(xué)學(xué)科發(fā)展到了“三傳一反”的較完整階段。n20世紀(jì)60年代末，形成了化工系統(tǒng)工程學(xué)，同時(shí)發(fā)展了過(guò)程動(dòng)態(tài)學(xué)與控制論。豐富與發(fā)展了化學(xué)工程學(xué)的內(nèi)容。 化學(xué)工程學(xué)的發(fā)展 自19世紀(jì)下半葉至本世紀(jì)初G.E.Davis和W.H.Walker等人奠定化學(xué)工程學(xué)科的百年來(lái)?；瘜W(xué)工程學(xué)：?jiǎn)卧僮鞯奶岢觥叭齻?、一反”的產(chǎn)生化工熱力學(xué)、傳遞工程、反應(yīng)工程、化工系統(tǒng)工程高分子化工、 生物化工、 材料化工、 能源化工、 環(huán)境化工、 精細(xì)化工等。 緒緒

7、論論 內(nèi)容概述教學(xué)安排及參考書 課程的內(nèi)容 課程的發(fā)展 課程的教學(xué)目的 基本概念 單位換算及單位制 介紹化工原理課介紹化工原理課程的性質(zhì)及教學(xué)目程的性質(zhì)及教學(xué)目的的 課程的性質(zhì)和目的 p化工原理課程是化學(xué)工程、化工工藝類及相近專業(yè)必修的主干技術(shù)基礎(chǔ)課。本課程以傳遞過(guò)程理論為基礎(chǔ)，以化工生產(chǎn)中的物理加工過(guò)程為背景，按其操作原理的共性歸納成的若干“單元操作”為對(duì)象，研究和考察化工生產(chǎn)過(guò)程中被處理物料的質(zhì)量、動(dòng)量和能量傳遞的基本規(guī)律，考察、解釋和處理工程實(shí)際問題，通過(guò)理論解析和在理論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)工程的基本原理去分析和解決化工生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種實(shí)際問題的能力、動(dòng)手操作能力與

8、工程觀念。p本課程強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)定量計(jì)算和工程設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練，強(qiáng)調(diào)理論和實(shí)際相結(jié)合與實(shí)事求是的工作作風(fēng)。通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，促使學(xué)生達(dá)到能獨(dú)立運(yùn)用本課程所學(xué)知識(shí)分析和解決化工生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種工程實(shí)際問題，能獨(dú)立完成化工單元操作與設(shè)備的工藝計(jì)算、設(shè)計(jì)與選型工作，能獨(dú)立完成化工單元過(guò)程的實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。 n 過(guò)程與設(shè)備過(guò)程與設(shè)備的選擇的選擇n 過(guò)程的計(jì)算過(guò)程的計(jì)算和設(shè)備的設(shè)計(jì)和設(shè)備的設(shè)計(jì)n如何操作和如何操作和調(diào)節(jié)以適應(yīng)生調(diào)節(jié)以適應(yīng)生產(chǎn)的要求產(chǎn)的要求n你們是德、智、體全面發(fā)展，據(jù)有良好的學(xué)科素養(yǎng)，掌握了化學(xué)基本理論、基本知識(shí)和基本技能，并

9、受到基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究初步訓(xùn)練的化學(xué)專門人才。n你們將從事的工作：科研部門、高校、廠礦企業(yè)、事業(yè)單位、行政部門等。由此可知不論你們從事基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用研究或開發(fā)性工作，都需要具備化學(xué)工程的基本知識(shí)和概念。n學(xué)習(xí)該課程的目的是使你們獲得一定的化學(xué)工程概念、知識(shí)和方法，了解化學(xué)工業(yè)的實(shí)踐與發(fā)展等慨況，提高工程技術(shù)方面的素養(yǎng)，開拓你們以后自身工作領(lǐng)域的思路，并使你們具有更強(qiáng)的適宜能力和工作能力。 緒緒 論論 內(nèi)容概述教學(xué)安排及參考書 課程的內(nèi)容 課程的發(fā)展 課程的教學(xué)目的 基本概念 單位換算及單位制 三種衡算三種衡算 平衡關(guān)系平衡關(guān)系 過(guò)程速率過(guò)程速率動(dòng)量衡算牛頓第二定律熱量衡算能量守恒(焦耳Jou

10、le)質(zhì)量衡算物質(zhì)不滅(拉瓦錫Lavoisier)1、 物料衡算根據(jù)質(zhì)量守恒定律，任何一個(gè)化工生產(chǎn)過(guò)程F = d +AF輸入物料質(zhì)量的總和，kgd 輸出物料質(zhì)量的總和，kgA積累在過(guò)程中的物料質(zhì)量，kg此式是物料衡算的通式，可對(duì)總物料或其中某一組成列出物料衡算式，進(jìn)行求解。 基本概念 解：各股物系的流程圖如附圖所示，計(jì)算基準(zhǔn)取1，由于是連續(xù)穩(wěn)定操作，總物料衡算式為 FVW 溶質(zhì)衡算式為 FxF=Wxw由此兩式解得 W=（xF/xw）F，V=（1-xF/xw）F 例 1 附圖用連續(xù)操作的蒸發(fā)器把含鹽濃度為（質(zhì)量分率）的衡鹽水溶液蒸發(fā)到濃度為（質(zhì)量分率）的濃鹽水溶液，每小時(shí)衡鹽水溶液的進(jìn)料量為Fk

11、g。試求每小時(shí)所得濃鹽水溶液量W及水分蒸發(fā)量V各為多少。2、 能量衡算根據(jù)能量守恒定律，在任何一個(gè)化工生產(chǎn)過(guò)程中，凡向該過(guò)程輸入的能量必等于該過(guò)程輸出的能量。在許多化工生產(chǎn)中所涉及的能量?jī)H為熱能，所以本課程中能量衡算簡(jiǎn)化為熱量衡算：QF = QD + qQF輸入該過(guò)程的各物料帶入的總熱量,JQD輸出該過(guò)程的各物料帶出的總熱量,Jq該過(guò)程與環(huán)境交換的總熱量，當(dāng)系統(tǒng)向環(huán)境散熱時(shí)為正，稱為熱損,J通過(guò)熱量衡算，可以了解在生產(chǎn)操作中熱量的利用和損失情況，而在生產(chǎn)過(guò)程與設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，利用熱量衡算可以確定是需要從外界引入熱量或向外界輸出熱量的問題。 基本概念物料衡算計(jì)算步驟及要點(diǎn)：1、物流圖2、確定衡算體系

12、（某設(shè)備、車間、整個(gè)工廠）3、確定衡算基準(zhǔn)；4、確定著眼物料；5、列衡算方程能量守衡關(guān)鍵：1、物流圖2、劃定系統(tǒng)3、確定衡算基準(zhǔn)4、確定著眼物料5、選定基準(zhǔn)溫度：0基準(zhǔn)溫度（焓值是相對(duì)值）6、列衡算方程7、有反應(yīng)發(fā)生的要考慮反應(yīng)熱。例一、每小時(shí)將1000kg含20（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）某種鹽水溶液送至蒸發(fā)器內(nèi)，用水蒸氣加熱使之氣化，蒸出一部分水汽，由蒸發(fā)器頂部排出。溶液被濃縮到50后，由結(jié)晶器底部取出產(chǎn)品P，結(jié)晶器內(nèi)含無(wú)機(jī)鹽37.5的母液R送回蒸發(fā)器與原料液合并進(jìn)入蒸發(fā)器再蒸發(fā)，試求：1、每小時(shí)由蒸發(fā)器蒸出的水氣量W及由結(jié)晶器排出的產(chǎn)品P。可以不考慮結(jié)晶產(chǎn)品表面附著的母液： 2、每小時(shí)由結(jié)晶器排出

13、的母液量R由蒸發(fā)器排出的濃溶液量B；3、進(jìn)入蒸發(fā)器的混合液（原料液與母液）中的濃度。蒸發(fā)器結(jié)晶器原料液濃溶液B結(jié)晶產(chǎn)品P冷水循環(huán)液水氣W加熱蒸氣例題解答：一、解：F=1000kg/hr, a=20 求：(1) w, P (2)R, B (3) M (1)、求W、P大體系物料衡算：P=208.3kg/h w=791.7kg/h(2) 以局部為著眼點(diǎn)，劃定衡算范圍：以右為基準(zhǔn)： R766.5kg/h B=766.5+208.3=974.8kg/h 或以左部分為衡算范圍：（3）以局部點(diǎn)為衡算范圍：1000RM1000766.5=1766.5 100020%+766.537.5%=Mx% x%=200

14、+287.4/1766.5=27.6%1000=W+P 1000 20%=W0+P 96% 總物料鹽份物料水，WB，50%1000kg/h96%37.5%,R例二、系統(tǒng)能量衡算：采用本題附圖所示的蒸發(fā)器，每小時(shí)將2000kg水溶液，從含固體5（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）濃縮至30。已知在操作條件下溶液在蒸發(fā)器內(nèi)的沸點(diǎn)為78，水的汽化熱為2319.5KJ/kg.原料液溫度為20，比熱容為4KJ/(kg)。加熱蒸汽壓強(qiáng)為200kPa,冷凝水于熱蒸汽的飽和，溫度下排除，熱損失為1000W，忽略溶液的稀釋熱，濃溶液在蒸發(fā)器操作沸點(diǎn)下排出，水蒸氣于75時(shí)離開蒸發(fā)器，試求每小時(shí)加熱蒸汽消耗量。加熱蒸汽水蒸汽原料液2

15、000kg/h冷凝水30溶液例2、熱量衡算：已知溶液沸點(diǎn)：782319.5kg/kg H=2633.5kg/kg 進(jìn)料：T020%CP04kJ/kg濃縮液：CP14.19kJ/ kg 加熱蒸汽：P200Pa, 冷凝水：飽和溫度Q損10000W。(1)先求物流量：（流量，1hr） 2000=w+R， 2000 5%=w 0+30%R 則 w=1666.7kg/h，R=333.3kg/h(2)熱量衡算：QFQDQw+QR+QP+ Q損 以0為基態(tài)，求焓值：QFFCPT20004（200）1.6105kJ/hQD：200kPa查表，T 120.2h=2709.2kJ/kg QD=2709.2DkJ/

16、hQw：查75蒸汽，焓值H=2633.5kJ/kg Qw=1666.72633.5=43.89105QR：RCPT333.34.19（780）1.09105kJ/hQP：冷凝水：120排放，水焓：493.71kJ/kg QP=493.71DQ損：(10000w/1000) 3600=0.36105kJ/h 衡算：1.61052709.2D493.711.0910543.891050.36105D1794.3kg/h過(guò)程的平衡問題過(guò)程的平衡問題過(guò)程進(jìn)行的方向和所能達(dá)到的極限化工熱力學(xué)研究的領(lǐng)域過(guò)程的速率過(guò)程的速率過(guò)程進(jìn)行的快慢阻力推動(dòng)力過(guò)程的速率 流動(dòng)阻力壓差流動(dòng)速率 傳熱阻力溫度傳熱速率傳質(zhì)阻

17、力濃度差吸收速率 3、 平衡關(guān)系物系在自然界發(fā)生變化時(shí)，其變化必趨于一定方向，如果任其發(fā)展，結(jié)果必達(dá)到平衡關(guān)系為止。平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)表示的就是各種自然發(fā)生的過(guò)程可能達(dá)到的極限程度，除非影響物系的情況有變化，否則其變化的極限是不會(huì)改變的。一般平衡關(guān)系則為各種定律所表明，如熱力學(xué)第二定律，拉烏爾定律等。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，可以從物系平衡關(guān)系來(lái)推知其能否進(jìn)行以及進(jìn)行到何種程度。平衡關(guān)系也為設(shè)備尺寸的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 基本概念4、過(guò)程速率：何一個(gè)不處于平衡狀態(tài)的物系，必然發(fā)生使物系趨向平衡的過(guò)程，但過(guò)程以什么速率趨向平衡，這不決定于平衡關(guān)系，而是由多方面的因素影響的，由于對(duì)這些因素有些還不清楚，目前

18、過(guò)程速率是近似的采用除以阻力表示。這里的過(guò)程推動(dòng)力，可依據(jù)具體過(guò)程而有不同的理解，但必要的條件是物系在平衡狀態(tài)時(shí)推動(dòng)力必須等于零。至于過(guò)程的阻力則較為復(fù)雜，要具體情況具體分析。過(guò)程阻力過(guò)程推動(dòng)力過(guò)程速率 基本概念 緒緒 論論 內(nèi)容概述教學(xué)安排及參考書 課程的內(nèi)容 課程的發(fā)展 課程的教學(xué)目的 基本概念 單位換算及單位制 單位制：?jiǎn)挝恢疲篠ISI制，制，物理制，工程制物理制，工程制 單位換算單位換算1、單位制度任何物理量都是用數(shù)字和單位聯(lián)合表達(dá)的?；締挝唬阂话阆冗x幾個(gè)獨(dú)立的物理量，以使用方便為原則規(guī)定出它們的單位。導(dǎo)出單位：根據(jù)物理本身的物理意義，由有關(guān)基本單位組合構(gòu)成的基本單位和導(dǎo)出單位構(gòu)成一個(gè)完整的體系，稱為單位制。 單位制和單位換算2、單位換算： 物理量的單位換算密度單位：g/cm3=10-3