制藥化工原理緒論課件

化工原理(PrinciplesofChemicalEngineering)多媒體教學課件(制藥工程專業(yè)適用)UniversityofJinan濟南大學10/11/20221化工原理緒論化工原理UniversityofJinan10/10/2

化工原理

(PrinciplesofChemicalEngineering)

化工原理

該課程是從自然科學領域的基礎課向工程科學的專業(yè)課過渡的入門課程。它在基礎課（數(shù)學、物理、化學）與專業(yè)課（化工工藝學、化工工藝設計與設備設計等）之間，起著承前啟后、由理及工的重要“橋梁”作用。10/11/20222化工原理緒論化工原執(zhí)行濟南大學新制定的制藥工程專業(yè)的化工原理教學大綱?；ぴ韲壹壘氛n程及網址：

1、化工原理與實驗，天津大學：812003年度

2、化工原理，北京化工大學：

2003年度3、化工原理，華東理工大學：

2004年度4、化工原理，華南理工大學http://202.38.193..233/05course/hg2005年度

5、化工原理，南京理工大學2006年度

6、化工原理，南京工業(yè)大學2007年度化工原理主要教材：（化工原理、化工過程與設備）

天津大學：化工流體流動與傳熱，化工傳質與分離過程，21世紀教材華東理工大學：化工原理，21世紀教材

華南理工大學：化工原理，21世紀教材

北京化工大學：1楊祖榮主編版本，2王志魁主編版本。

浙江大學與西安交通大學合編版本、大連理工大學版本、清華大學版本等。化工原理課程國內概況我校的化工原理網絡課程在化學化工學院精品課程欄內。10/11/20223化工原理緒論執(zhí)行濟南大學新制定的制藥工程專業(yè)的化工原理教學大綱?；ぴ砘ぴ砭w論2學時第1章流體流動(fluidflow)10學時第2章流體輸送機械(fluidtransportationmachinery)6學時第3章沉降(particlessettling)與過濾(suspendingliquidfilter)8學時第4章傳熱(heattransfer)10學時第5章氣體吸收(gasabsorption)10學時

填料塔(packedtower)2學時第6章液體精餾(liquiddistillation)16學時

板式精餾塔(platetowerforliquiddistillation)4學時理論課學時共計68學時。(PrinciplesofChemicalEngineering)10/11/20224化工原理緒論化工原理緒論2學時第1章流體流動(flui

化工原理

(PrinciplesofChemicalEngineering)1.化學工程學科中的基本概念(了解)2.化工原理課程的性質(了解)3.化工原理硏究問題的方法(理解)4.化工原理課程應解決的問題(理解)5.單位與單位換算(掌握)6.物料衡算與能量衡算(掌握)緒論(preface)10/11/20225化工原理緒論化工原化學工業(yè)(chemicalindustry)：利用自然界中的物資資源，通過物理和化學的方法將原料加工成為產品的工業(yè)。它的范圍不但覆蓋了化學與石化工業(yè)，而且滲透到能源、環(huán)境、生物、材料、制藥、冶金、輕工、衛(wèi)生、信息等工業(yè)及技術部門。在人們的衣、食、住、行、娛樂等生活中均離不開化學產品。

原料產品1.化學工程學科中的基本概念化工（生產）過程

(chemicalsproductionprocess)：

化工產品的生產過程（化工工藝過程）。同一原料可以生產出多種產品；同一產品可以由不同的原料進行生產。10/11/20226化工原理緒論化學工業(yè)(chemicalindustry)：原C2H2提純HCl提純單體合成反應熱單體精制聚合反應反應熱干燥熱量成品例：聚氯乙烯(PVC:polyvinylchloride)塑料的生產過程。乙烯氧氯化法：乙炔加成法：C2H4提純HCl提純單體生成熱量單體精制聚合反應反應熱干燥熱量成品空氣氧氯化反應10/11/20227化工原理緒論C2H2提純HCl提純單體合成反應熱單體精制聚合反應反應熱干化學工程

(ChemicalEngineering)：

研究化工生產過程中的基本規(guī)律，并應用這些規(guī)律解決生產過程與設備計算的工程技術學科?；卧僮鳎?unitoperationof

ChemicalEngineering)：

一物理性的化工基本操作過程。

任何一種化工過程(chemicalsproductionprocess)均是由若干化工單元操作及化學反應過程有機組合而成。1.化學工程學科中的基本概念

化學工程：研究以化學工業(yè)為代表的過程工業(yè)中有關化學過程和物理過程的一般原理和共性規(guī)律，解決過程和裝置的開發(fā)、設計、操作及優(yōu)化的理論和方法問題。10/11/20228化工原理緒論化學工程(ChemicalEngineering)：化學工程的產生與發(fā)展隨著對化學品需求的增長，引起了從手工業(yè)向大工業(yè)的過渡。化學家分為純化學家和工業(yè)化學家（或稱應用化學家）。純化學家主要對合成新物質，發(fā)現(xiàn)新的化學反應，測定物質的化學結構和性質，以及新的機理、規(guī)律、理論感興趣。工業(yè)化學家則著眼于將該化學物質或化學反應在工業(yè)上的運用和實現(xiàn)。要求工業(yè)化學家具備較多的物理和機械知識。英國工程師G.E.戴維斯(GeorgeEdwardsDavis,1850-1907年)最早提出“化學工程”這一概念。1915年麻省理工學院A.D.Little首次提出“化工單元操作”的概念。1923年美國麻省理工學院的著名教授W.H.華克爾等人編寫出版的第一部關于單元操作的著作――化工原理（PrinciplesofChemicalEngineering），從而奠定了化學工程作為一門獨立工程學科的基礎，完成了從化工生產工藝到單元操作的發(fā)展，推進認識上的一個飛躍。對于化學工程學科的形成和發(fā)展起到了推動作用。我國于20世紀20年代創(chuàng)辦了化學工程系，開設了化工原理課程。解放之后，我國先后出版了以單元操作為主線的《化工原理》、《化工過程及設備》、《化工操作原理及設備》等教科書。

10/11/20229化工原理緒論化學工程的產生與發(fā)展隨著對化學品需求的增長，化工學科體系的形成化工教育是從化學教育中分離出來的。1885年，英國倫敦帝國學院最早創(chuàng)辦了化工系，當時的課程是化學與機械工程的混合。不久停辦。1888年，美國麻省理工學院首先在化學系科內設置化學工程課，后來才開始設置化學工程系。其他國家隨后也逐步建立了化學工程系。在美國著名化學家A.D.Little首次提出“化工單元操作”的概念之后，W.H.Walker(W.H.華克爾等),W.K.Lewis和W.H.McAdams三人合著的《化工原理》初版在1923年問世?；W科已由一種工藝單元發(fā)展為現(xiàn)代化的工程科學。10/11/202210化工原理緒論化工學科體系的形成化工教育是從化學教育中分離出中國的化工高等教育1927年4月，李壽恒在浙江大學建立了化工系。李壽恒先生于1925年在美國伊利諾伊大學獲化學工程博士學位后回國教授應用化學。不久后，南京的中央大學和天津的南開大學也設立了化工系。到1949年，全國約有30個化工系。新中國成立后，進行大規(guī)模的院系調整，第一批合并組成了天津大學化工系、大連工學院化工系、成都工學院化工系、華南工學院化工系、華東化工學院、北京石油學院等。1958年，北京化工學院創(chuàng)建。目前，全國有上百個化工學院或化工系。10/11/202211化工原理緒論中國的化工高等教育1927年4月，李壽恒在浙江更為廣義地說，化學工程是研究化學工業(yè)和相關過程工業(yè)（Processindustry）生產過程中所進行的化學反應過程及物理過程普遍規(guī)律的一門工程學科。它的范圍不但覆蓋了化學與石化工業(yè)，而且滲透到能源、環(huán)境、生物、材料、制藥、冶金、輕工、衛(wèi)生、信息等工業(yè)及技術部門。

20世紀60年代“三傳一反”（動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞、化學反應工程）概念的提出，開辟了化學工程發(fā)展過程的第二個歷程。計算機應用的快速發(fā)展，使化學工程成為更完整的體系，并推向了“過程優(yōu)化集成”、“分子模擬”的新階段。隨著科學技術的高速發(fā)展，化學工程與相鄰學科相融合逐漸形成了若干新的分支與生長點，諸如：生物化學工程、分子化學工程、環(huán)境化學工程、能源化學工程、計算化學工程、軟化學工程、微電子化學工程等。同時，上述新興產業(yè)與學科的發(fā)展，也推動了特殊領域化學工程的進步。

1.化學工程學科中的基本概念10/11/202212化工原理緒論更為廣義地說，化學工程是研究化學工業(yè)和相關過程工業(yè)（P化工單元操作的分類

根據(jù)單元操作的理論基礎進行的分類1）以動量傳遞(momentumtransfer)理論為基礎：流體流動、流體輸送機械、沉降、過濾、液體攪拌、固體流態(tài)化等2）以熱量傳遞(heattransfer)理論為基礎：加熱、冷卻、蒸發(fā)等3）以質量傳遞(masstransfer)理論為基礎：吸收、精餾、萃取、干燥等

流體中發(fā)生的這三種傳遞現(xiàn)象(transportphenomena)都是由于流體質點的運動和分子擴散運動所產生的結果。1.化學工程學科中的基本概念流體流動：研究流體流動的規(guī)律，完成流體輸送的任務。

流體輸送機械：研究流體輸送機械的性能特點，進行正確的選用及安裝。

沉降：利用密度差，從氣體或液體中分離懸浮的固體顆粒、液滴或氣泡。

過濾：根據(jù)尺寸不同的截留，從氣體或液體中分離懸浮的固體顆粒。

攪拌：輸入機械能使流體間或與其他物質均勻混合。

固體流態(tài)化：輸入機械能使固體顆粒懸浮于流體中，具有流體狀態(tài)的性質。

換熱（傳熱）：利用溫度差，對于物質輸入熱量或移出熱量，使物質升溫、降溫或者改變相態(tài)。

蒸發(fā)：對于溶液輸入熱量使溶劑汽化，使溶液濃縮。10/11/202213化工原理緒論化工單元操作的分類根據(jù)單元操作的理論基礎進行的分類氣體吸收：利用各組分在溶劑中溶解度的差異，分離氣體混合物。

液體精餾：利用各組分在同樣條件下?lián)]發(fā)度的的差異，分離液體混合物。

液液萃取：利用各組分在萃取劑中溶解度的差異，分離液體混合物。

固體干燥：對于濕固體物料輸入熱量，使?jié)穹制构腆w物料得以干燥。氣液傳質設備：實現(xiàn)氣體吸收、液體精餾所需要的塔設備。1.化學工程學科中的基本概念

隨著新產品、新工藝的開發(fā)或為實現(xiàn)綠色化工生產，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，如膜分離、參數(shù)泵分離、電磁分離、超臨界技術等。同時，以節(jié)約能耗，提高效率或潔凈無污染生產的集成化工藝（如反應精餾、反應膜分離、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“設備”兩個方面的內容，故單元操作又稱為化工過程和設備。化工原理是研究諸單元操作共性的課程。“三傳理論的建立”是單元操作在理論上的進一步發(fā)展和深化。傳遞過程是聯(lián)系各單元操作的一條主線。10/11/202214化工原理緒論氣體吸收：利用各組分在溶劑中溶解度的差異，分離氣體混合物。

單元操作目的物態(tài)原理傳遞過程流體輸送輸送液、氣輸入機械能動量傳遞過濾非均相物系的分離氣-固液-固尺寸不同的截留動量傳遞沉降非均相物系的分離氣-固液-固密度差引起的相對運動動量傳遞傳熱加熱、冷卻、相變氣、液、固利用溫度差傳入或移出熱量熱量傳遞吸收對混合氣體的分離氣利用溶解度的差異分離物質傳遞蒸發(fā)溶劑與不揮發(fā)性溶質的分離液使溶劑汽化熱量傳遞精餾液體均相混合物分離液各組分揮發(fā)度的不同物質傳遞萃取均相混合物的分離液各組分在溶劑中溶解度的不同物質傳遞干燥去濕固體供熱汽化熱質同時傳遞化工生產過程中常見的單元操作10/11/202215化工原理緒論單元操作目的物態(tài)原理傳遞過程流體輸送輸送液、氣輸入機械能動量2.化工原理課程的性質與任務化工原理

(principlesofChemicalEngineering)：

是化學工程(chemicalengineering)學科的基礎部分；是化工工藝(chemicaltechnology)學的理論基礎。

化工原理

研究的對象是實際工程問題。其講述各種化工單元操作的基本原理，典型化工設備的結構原理、操作性能，工藝過程設計和設備設計的計算方法?；ぴ碚n程具有顯著的工程性它要解決的問題是多因素、多變量的綜合性的工業(yè)實際問題，因此，分析和處理問題的方法也就與理科課程有較大的不同。該課程所研究的內容來自化工生產實踐，又面向化工生產實踐，是化工技術工作者的基本的重要的本領所在。該課程的研究內容就是生產實際問題，故理論密切聯(lián)系實際，通過學習培養(yǎng)學生應用基礎理論,分析得到工程理論，解決工程實際問題的能力。10/11/202216化工原理緒論2.化工原理課程的性質與任務化工原理(principl化工過程開發(fā)：以已經研究出的從原料到產品的化工過程所包括的基本單元操作步驟為基礎，從技術和經濟上來考慮，探索出最佳的工藝流程及設備，確定出最佳的操作條件。

化工過程設計：通過計算確定設備的合適型式和主要尺寸，并且確定工藝流程中的控制點。

化工過程操作：除了進行生產過程技術管理保障正常運行以外，更重要的是對于現(xiàn)有的工藝流程及設備作出改進以提高其效率。在化工過程開發(fā)、化工過程設計、化工過程操作中都存在著明顯的工程性：（1）影響化工過程的因素多，（2）制約化工過程的條件多，（3）在化工過程計算中，涉及到的物性數(shù)據(jù)、工程條件數(shù)據(jù)多，相關的經驗數(shù)據(jù)和經驗公式多，（4）效益是評價工程優(yōu)劣的最終判據(jù)。社會效益、經濟效益、環(huán)境效益。本課程強調工程觀點10/11/202217化工原理緒論化工過程開發(fā)：以已經研究出的從原料到產品的化工過程所包括的基化工原理課程是化工類及相近專業(yè)的一門重要的技術基礎課，其兼有“科學”與“技術”的特點，它是綜合運用自然科學的基礎知識，分析和解決化工類型生產中各種物理過程的工程學科。該課程的主要內容是利用數(shù)學、物理和化學等自然科學的原理，研究實際化工物理過程中的客觀規(guī)律，并利用這些規(guī)律進行化工過程設計、工藝計算、設備構造設計等。從理論知識體系來看，先行的數(shù)學、物理和化學等課程主要是揭示自然界中的普遍規(guī)律，屬于自然科學的范疇。而化工原理課程所研究的內容則屬于工程技術科學的范疇。在化工類專業(yè)人才培養(yǎng)中，它起著由理及工的“橋梁”作用，它承擔著工程科學與工程技術的雙重教育任務。本課程強調工程觀點、工程問題處理方法、定量運算、實驗技能及設計能力的培養(yǎng)，強調理論聯(lián)系實際。2.化工原理課程的性質與任務10/11/202218化工原理緒論化工原理課程是化工類及相近專業(yè)的一門重要的技術基課程教學的主導思想：

以化學工程學科的發(fā)展和現(xiàn)代教育思想為依據(jù)，與社會發(fā)展需求相適應，提出本課程的科學體系和課程框架。以化工過程的共性為主線，將化工單元操作的內容及基礎按過程共性分塊，闡明共同的原理和科學基礎，培養(yǎng)學生的應用科學理論的意識和獲取知識的能力。體現(xiàn)課程內容的工程特色，突出工程問題的處理方法，強調對于學生工程觀點、工程方法、工程能力及工程素質的培養(yǎng)教育。以教學內容為載體，使學生掌握化工常用的科學研究方法，如：數(shù)學模型法、實驗研究法、過程分解法、參數(shù)歸并法及數(shù)學解析法等。在基本原理的應用中，從設計型問題和操作型問題兩方面加強理論聯(lián)系實際的示范。以此培養(yǎng)學生從實際工作出發(fā)，思考和解決問題的能力。

2.化工原理課程的性質與任務課程教學的方法：多采用啟發(fā)式、分析式、研究式。仍然使用基本描述（敘述）。避免填鴨式。引導科學思維，培養(yǎng)分析及解決工程問題的能力，培養(yǎng)進行工程技術研究的基本素質。10/11/202219化工原理緒論課程教學的主導思想：

以化學工程學科的發(fā)展和現(xiàn)代教育1）數(shù)學描述（解析）方法：常用的物理原理：物料衡算、能量衡算、熱量衡算、動量守恒原理、牛頓第二定律、牛頓第三定律常用的化學原理：相平衡關系常用的數(shù)學手段：數(shù)學微積分原理3.

化工原理研究問題時的方法2）復雜問題的兩種思維方式:（1）實驗研究方法；（2）數(shù)學模型方法。10/11/202220化工原理緒論1）數(shù)學描述（解析）方法：3.化工原理研究問題時的方法2）聯(lián)系“化工原理”課程內容的兩條主線1）傳遞過程是統(tǒng)一的研究對象動量傳遞、熱量傳遞、質量傳遞2）各單元操作有著共同（或相似）的研究方法動量傳遞的單元操作：力平衡、動量守恒、機械能守恒。經濟分析。熱量傳遞的單元操作：熱量平衡、傳熱速率。經濟分析。質量傳遞的單元操作：傳質速率、相平衡關系、質量平衡、熱量平衡、經濟分析。3.

化工原理研究問題時的方法總之，對于各單元操作，均以質量守恒、能量守恒、平衡關系和速率關系這4種基本關系為基礎，進行數(shù)學描述。10/11/202221化工原理緒論聯(lián)系“化工原理”課程內容的兩條主線1）傳遞過程是統(tǒng)一的研究對4.學習化工原理課程之后能夠解決的問題1）如何根據(jù)各單元操作在技術上和經濟上的特點,進行“過程設計和設備類型選擇”,以經濟而有效地完成工藝設計，滿足工藝的要求。2）如何進行“過程(process)”的計算和“設備(appatatus)”的設計。3）如何根據(jù)生產的不同要求,進行生產參數(shù)或指標的調節(jié)。4）當生產狀況不正常時，如何尋找根源。10/11/202222化工原理緒論4.學習化工原理課程之后能夠解決的問題1）如何根據(jù)各單元操5.物理量的單位與量綱（因次）1）單位制國際單位制[SI]

(SystemInternationald’Unites)

基本單位:質量.kg長度.m時間.s具有專門名稱的導出單位:力.N能量.功.J功率.W物理單位制[cgs]:基本單位:質量.g長度.cm時間.s工程單位制:基本單位:力.Kgf長度.m時間.s

需要由工程單位制或物理單位制換算到國際單位制。中華人民共和國法定計量單位（簡稱法定單位制）在我國的法定計量單位中，除了SI制中的基本單位導出單位外，又規(guī)定了一些我國選定的非國際單位制單位。例如，時間用s（秒）、min（分鐘）、h（小時）、d（日）。質量可以用kg（公斤）、t（噸）。溫度可以用K（開爾文）、oC（攝式度）。物質的量mol（摩爾）、kmol（千摩爾）。長度可以用m（米）、km（千米）、mm（毫米）、cm（厘米）。10/11/202223化工原理緒論5.物理量的單位與量綱（因次）1）單位制國際單位制[S2）量綱（因次）物理量的基本量的量綱為其本身。SI制中的基本量:質量M、長度L、時間T、熱力學溫度Θ、物質的量N、電流I、發(fā)光強度J導出量的量綱:例如：速度LT-1加速度LT-2力MLT-25.物理量的單位與量綱（因次）3）量綱一致性方程(dimensionallyhomogeneousequation)物理量方程是與某一客觀現(xiàn)象有關的各物理量之間關系的表達式。任何一個物理量方程，只要理論上合理，該方程等號兩邊各項的量綱必定相等。10/11/202224化工原理緒論2）量綱（因次）5.物理量的單位與量綱（因次）3）量綱一致5.物理量的單位與量綱（因次）3）量綱一致性方程(dimensionallyhomogeneousequation)物理量方程是與某一客觀現(xiàn)象有關的各物理量之間關系的表達式。任何一個物理量方程，只要理論上合理，該方程等號兩邊各項的量綱必定相等。10/11/202225化工原理緒論5.物理量的單位與量綱（因次）3）量綱一致性方程(dim例:工程單位制中的力與國際單位制中的力之關系。以質量為1kg的物質在重力場中所受的力為分析對象。在工程單位制中，受力為1kgforce.在國際單位制中，根據(jù)牛頓第二定律F=ma受力為F=1×9.81=9.81[kg.m/s2]=9.81[N]所以1kgf=9.81N這是一個非常重要的關系式。4）單位換算5.物理量的單位與量綱（因次）10/11/202226化工原理緒論例:工程單位制中的力與國際單位制中的力

例1：1atm=1.033kgf/cm2,將其換算成SI制的單位。1kgf=9.81N1cm=10-2m例2：

通用氣體常數(shù)R=82.06atm?cm3/(mol?K),將其換算成SI制。10/11/202227化工原理緒論例1：1atm=1.033kgf/cm2,將其換算成例3：30℃

水的粘

度μ=0.008g/(cm.s)（泊）,將此cgs制單位換算成SI制。解:例4: