化工原理-緒論課件

化工原理PrinciplesofchemicalEngineering

化工原理PrinciplesofchemicalEng1前言一、課程安排二、學(xué)習(xí)要求三、教材四、參考資料前言一、課程安排2一、課程安排（課堂）

1課堂教學(xué)（56學(xué)時）

前言、緒論2學(xué)時

第一章流體的流動與輸送14學(xué)時

第二章傳熱10學(xué)時

第三章機(jī)械分離與固體流態(tài)化10學(xué)時第四章物料干燥10學(xué)時

第五章蒸餾6學(xué)時

習(xí)題4學(xué)時一、課程安排（課堂）

1課堂教學(xué)（56學(xué)時）

前言、緒3課程安排（實(shí)驗(yàn)）

2實(shí)驗(yàn)（16學(xué)時）實(shí)驗(yàn)一流體流動狀態(tài)觀察與測定(課堂錄像演示)實(shí)驗(yàn)二柏努利方程實(shí)驗(yàn)(課堂錄像演示)實(shí)驗(yàn)三直管阻力實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四離心泵特性曲線實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)五過濾實(shí)驗(yàn)六綜合實(shí)驗(yàn)——流態(tài)化干燥與熱風(fēng)干燥的比較課程安排（實(shí)驗(yàn)）

2實(shí)驗(yàn)（16學(xué)時）4二、學(xué)習(xí)要求

上課、實(shí)驗(yàn)前要求預(yù)習(xí)、課后要求復(fù)習(xí)、總結(jié)。作業(yè)及時完成，不懂的及時弄懂。成立學(xué)習(xí)小組(4~5人/組),按組或個人通過網(wǎng)絡(luò)交作業(yè)。

文件名：學(xué)號-姓名-單元名稱不要缺課、認(rèn)真聽講、開動腦筋、積極思考。重視實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)、提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γǚ治?、解決一般工程技術(shù)問題的能力）。二、學(xué)習(xí)要求

上課、實(shí)驗(yàn)前要求預(yù)習(xí)、課后要求復(fù)習(xí)、總結(jié)。5三、教材

《化工原理》第3版管國鋒、趙汝溥化學(xué)工業(yè)出版社，2008三、教材6四、主要參考資料

（一）書本1.《化工原理》姚玉英主編，天津科學(xué)技術(shù)出版社2.《化工原理》清華大學(xué)出版社3.《化工原理》天津大學(xué)出版社4.《化工原理》（上冊）華東化工學(xué)院出版社5.化工過程與設(shè)備，劉佩茹主編，中國輕工業(yè)出版6.化工原理，陳敏恒等，化學(xué)工業(yè)出版社7.化工原理，楊祖榮主編化學(xué)工業(yè)出版社2009第二版（普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材）8.化工基礎(chǔ)（第三版），化學(xué)工業(yè)出版社9.UnitOperationofChemicalEngineering

ForthEdition,W.LMccabeJ.CSmithP.Harriott四、主要參考資料

（一）書本7（二）相關(guān)期刊[1]農(nóng)業(yè)工程學(xué)報：中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會主辦，全國中文核心期刊。（EI收錄）

[2]農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會主辦，全國中文核心期刊。（EI收錄）[3]食品科學(xué)，北京市食品研究所主辦，中國核心期刊

[4]食品工業(yè)科技，北京市食品研究所主辦，中國中文核心期刊，輕工總會優(yōu)秀期刊。

[5]食品發(fā)酵工業(yè)，中國食品發(fā)酵工業(yè)研究所、全國食品與發(fā)酵工業(yè)信息中心主辦，全國中文核心期刊、國家優(yōu)秀技術(shù)期刊。

[6]中國糧油學(xué)報，中國糧油學(xué)會主辦，全國食品工業(yè)類中文核心期刊。

[7]華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)主辦，中文核心期刊。

[8]化學(xué)工程，全國化工化學(xué)工程設(shè)計技術(shù)中心主辦，核心期刊。

[9]糧食與飼料工業(yè)，國家糧食儲備局武漢科學(xué)研究設(shè)計院，中文核心期刊。

[10]CerealChemical[11]JournalofFoodScience

[12]JournalofFoodEngineering[13]JournalofTextStudy[14]TransactionsoftheAmericanSocietyofAgricultureengineering

（二）相關(guān)期刊[1]農(nóng)業(yè)工程學(xué)報：中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會主辦，8（三）網(wǎng)絡(luò)資料課外作業(yè)：

做一個Powerpoint課件，介紹有關(guān)化工原理和食品工程原理課程的網(wǎng)絡(luò)資料。（以學(xué)習(xí)小組為單位，第一次于下周交，第二次于課程結(jié)束前交）（三）網(wǎng)絡(luò)資料9緒論課程性質(zhì)、內(nèi)容和任務(wù)化工過程及單元操作單位制與單位換算單元操作中常用的基本概念緒論課程性質(zhì)、內(nèi)容和任務(wù)101.1課程性質(zhì)一、課程性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)化工原理是食品工程、生物化工、化學(xué)工程、農(nóng)副產(chǎn)品加工和貯藏等工科專業(yè)的學(xué)生必修的重要基礎(chǔ)技術(shù)課程。該課程涉及面廣、計算復(fù)雜。先修課：高等數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、物理化學(xué)（包括動力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)和傳質(zhì)學(xué)等）、機(jī)械制圖、英語、計算機(jī)等課程。1.2課程內(nèi)容本課程主要介紹“三傳理論”和“單元操作”。1.1課程性質(zhì)一、課程性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)化111.2課程內(nèi)容基礎(chǔ)理論部分：流體力學(xué)（重點(diǎn)）傳熱（重點(diǎn)）傳質(zhì)學(xué)（部分了解）熱力學(xué)（部分了解）特點(diǎn)：涉及理論多，是本課程較難掌握的部分基本原理部分：液液萃取過濾與沉降溶液濃縮液體蒸餾固體干燥特點(diǎn)：基本原理部分各章節(jié)內(nèi)容相對比較獨(dú)立1.2課程內(nèi)容基礎(chǔ)理論部分：基本原理部分：12

《化工原理》是化學(xué)工程、食品工程專業(yè)學(xué)生的必修課，其主要任務(wù)是：介紹三傳理論，即流體流動、傳熱、傳質(zhì)的基本原理；掌握主要單元操作的典型設(shè)備構(gòu)造、操作原理、計算、選型及實(shí)驗(yàn)研究方法；培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論分析和解決化工單元操作中各種工程實(shí)際問題(計算、選型及實(shí)驗(yàn)研究方法)的能力。1.3課程任務(wù)《化工原理》是化學(xué)工程、食品工程專業(yè)學(xué)生的必修課，其主13

化學(xué)工業(yè)：利用物理和化學(xué)方法將自然界的各種物質(zhì)加工成生活資料的工業(yè)?；どa(chǎn)：(1)化學(xué)反應(yīng)過程：如發(fā)酵、化學(xué)合成等

(2)

物理加工過程二、化工過程及單元操作化學(xué)工業(yè)：利用物理和化學(xué)方法將自然界的各種物質(zhì)加工成生14化工過程是什么？

物理與化學(xué)方法原料有用的化學(xué)品

化工過程是指用物理和化學(xué)的方法對原料進(jìn)行大規(guī)模加工處理，從而獲得合符產(chǎn)品要求的化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程。

化工過程是什么？15

不同化工生產(chǎn)過程使用各種物理加工過程，根據(jù)他們的操作原理，可以歸結(jié)為數(shù)個應(yīng)用廣泛的基本操作過程，如流體輸送、攪拌、沉降、過濾、熱交換、制冷、蒸發(fā)、結(jié)晶、吸收、蒸餾、粉碎、乳化萃取、吸附、干燥等。這些基本的物理過程稱為單元操作。

單元操作是指化工生產(chǎn)過程中基本原理和典型設(shè)備的相同物理性操作。不同化工生產(chǎn)過程使用各種物理加工過程，根據(jù)他們的操作16

美國麻省理工大學(xué)（MIT)三位教授華克爾(Walker)、劉易斯(lewis)、麥可阿丹姆士(Mcadams)在他們1923年所著的教科書中，首先提出了“化工單元操作”的概念他們將各種各樣的化工生產(chǎn)過程當(dāng)作一系列的“單元操作”處理。如：聚乙烯、化肥、制糖、味精、酒精、石油等生產(chǎn)過程中都含有流體輸送、蒸發(fā)、結(jié)晶、離心分離、干燥、蒸餾、吸收等單元操作。在石油、食品、制藥、造紙等行業(yè)中都要進(jìn)行干燥、蒸餾等操作，盡管在不同行業(yè)中所處理的物料不同，但所用的干燥、蒸餾等操作具有相同原理。美國麻省理工大學(xué)（MIT)三位17名稱目的原理設(shè)備流體輸送輸送物料機(jī)械能轉(zhuǎn)換管道和泵傳熱加熱或冷卻利用溫差傳熱換熱器蒸發(fā)分離溶劑與溶質(zhì)加熱使溶劑汽化蒸發(fā)器蒸餾分離液相混合物各組分的揮發(fā)度不同塔器分離分離混合物

過濾機(jī)沉降器、、膜組件等等干燥固體去濕加熱使?jié)穹制稍锲鬏腿》蛛x不互溶液體溶解度不同萃取裝置

化工生產(chǎn)中常見的單元操作名稱目的原理設(shè)備流體輸送輸送物料機(jī)械能轉(zhuǎn)換管道和泵傳熱加熱或18若干個單元操作串聯(lián)起來組成一個工藝過程。均為物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或其物理性質(zhì)，不改變其化學(xué)性質(zhì)。同一化工生產(chǎn)過程中可能會包含多個相同的的單元操作。單元操作用于不同的生產(chǎn)過程其基本原理相同，進(jìn)行該操作的設(shè)備也可以通用。單元操作的特點(diǎn)若干個單元操作串聯(lián)起來組成一個工藝過程。同一化工生產(chǎn)過程19單元操作按其理論基礎(chǔ)可分為下列三類：

上述三個過程包含了三種理論，我們稱之為“三傳理論”。（1）流體流動過程（fluidflowprocess）:

包括流體輸送、攪拌、沉降、過濾等。（2）傳熱過程（heattransferprocess）:

包括熱交換、蒸發(fā)等。（3）傳質(zhì)過程（masstransferprocess）:

包括吸收、蒸餾、萃取、吸附、干燥等。

單元操作的分類單元操作按其理論基礎(chǔ)可分為下列三類：上述三個過程包含了三20動量傳遞(momentumtransfer)：流體流動時，其內(nèi)部發(fā)生動量傳遞，故流體流動過程也稱為動量傳遞過程。凡是遵循流體流動基本規(guī)律的單元操作，都可以用動量傳遞的理論去研究。熱量傳遞(heattransfer):物體被加熱或冷卻的過程也稱為物體的傳熱過程。凡是遵循傳熱基本規(guī)律的單元操作，都可以用熱量傳遞的理論去研究。質(zhì)量傳遞(masstransfer)：兩相間物質(zhì)的傳遞過程即為質(zhì)量傳遞。凡是遵循傳質(zhì)基本規(guī)律的單元操作，都可以用質(zhì)量傳遞的理論去研究。三傳理論動量傳遞(momentumtransfer)：流體流動時，21單元操作與三傳的關(guān)系

殺菌：傳熱；真空濃縮：傳熱、傳質(zhì)、流體流動；過濾：流體流動…..

“三傳理論”是單元操作的理論基礎(chǔ)，單元操作是“三傳理論”的具體應(yīng)用。同時，“三傳理論”和單元操作也是化工工程技術(shù)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。單元操作與三傳的關(guān)系

殺菌：傳熱；22奶粉生產(chǎn)工藝流程原料乳驗(yàn)收預(yù)處理預(yù)熱殺菌真空濃縮過濾加糖噴霧干燥出粉冷卻與過篩包裝、檢驗(yàn)成品單元操作與加工過程工藝流程圖乳品加工現(xiàn)場奶粉生產(chǎn)工藝流程原料乳驗(yàn)收預(yù)處理預(yù)熱殺菌真空濃縮過濾加糖噴霧23乳品工程原理解析乳品工程原理解析24三、單位制與單位換算3.1單位及單位制幾種不同單位制

名稱

符號

SI

CGS

MKS

FPS

工程單位制

力

F

-----

-----

-----

-----

kgf

質(zhì)量

M

kg

g

kg

lb

-----

長度

L

m

cm

m

ft

m

時間

s

s

s

s

s

溫度

θ

K

℃，K

℃，K

F，R

℃，K

基

本

物

理

量

熱量

Q

J，kJ

J

J，kJ

Btu

cal，cal

物理單位制英制三、單位制與單位換算3.1單位及單位制幾種不同單位制名稱25SI制（StandardInternationalUnit):20世紀(jì)60年代初國際度量衡會議提出,有7個基本量和基本單位，即：

其他量稱為導(dǎo)出量，其單位可由基本單位推導(dǎo)而出，稱為導(dǎo)出單位SI制（StandardInternationalUni26——通用性：所有學(xué)科、部門均可采用，并且容易比較；——一貫性：任何一個SI導(dǎo)出單位均有七個基本單位導(dǎo)出，不需要引入比例常數(shù)我國規(guī)定1991年1月起，除個別領(lǐng)域外，不允許再使用非法定單位（國務(wù)院1977年確定逐步采用SI，1984年發(fā)布命令：法定計量單位，1990年底完成過渡，1991年1月起實(shí)施。國際單位制（SI）國際單位制（SI）273.2單位換算

同一物理量若用不同單位度量時，其數(shù)值需相應(yīng)地改變。這種換算稱為單位換算。

注意事項：（1）物理方程必須使用同一單位制的單位，若不同，必須經(jīng)過換算后再進(jìn)行計算。但經(jīng)驗(yàn)公式必須按指定的單位運(yùn)算。（2）SI制以質(zhì)量為基本單位，而工程單位制則以重力為基本單位，二者可由F＝ma表示其之間的關(guān)系。（3）計算結(jié)果正確與否，可以通過單位換算，就可查出。3.2單位換算同一物理量若用不同單位度量時，其數(shù)值28通用氣體常數(shù)R＝0.08206L·atm/（mol·K）＝8.313J/（mol·K）

單位換算的基本規(guī)律：

F=ma

１Kgf=1kg×9.81m/s2=9.81kg·m/s2=9.81N

=1000g×981cm/s2=981000g·cm/s2

=981000dyn通用氣體常數(shù)單位換算的基本規(guī)律：F=ma29Example1atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）＝1.033kgf/cm2,將其換算成SI單位解：氣體壓力的SI單位：Pa（N/m2），工程單位：kgf/cm2，所以，只要將kgf、cm分別換算成N、m即可。因?yàn)?kgf＝9.81N，1cm＝0.01m所以：Example303.3因次（量綱）（1）因次或量綱(dimension)每個物理量都可通過幾個彼此獨(dú)立的基本量來表示其性質(zhì)和特征，這些基本量的符號即為因次或量綱。（2）常用的因次：長度[L]、質(zhì)量[M]或力[F]、時間[T]、溫度[θ]（3）因次式或量綱式任何導(dǎo)出量都可以按如下形式表示：

此式即物理量Q的因次式或量綱式，而α、β、γ等指數(shù)可為任意的有理數(shù)。（4）因次式的作用：是因次分析的依據(jù)。3.3因次（量綱）（1）因次或量綱(dimension)31因次分析是整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，即物理方程因次一致原則，即物理方程等號兩邊各項對應(yīng)因次的指數(shù)相等?！顲GS:(因次)★SI:(因次)★工程單位:(因次)★FPS:(因次)

注意：單位不同但因次可相同。

因次分析是整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，即物理方程因次一致原則，即物理32因次表示該物理量的單位與基本量的單位之間的關(guān)系。例：速度——［LT－1］加速度——［LT－2］力——［MLT－2］當(dāng)α＝β＝γ＝0時，［M0L0T0］＝［1］，稱為無因次（dimensionless）因次表示該物理量的單位與基本量的單位之間的關(guān)系。例：速度——33物料衡算；能量衡算；物系的平衡關(guān)系；傳遞速率；經(jīng)濟(jì)核算。

四、單元操作中常用的基本概念

物料衡算；四、單元操作中常用的基本概念

34

依據(jù)質(zhì)量守恒定律，進(jìn)入與離開某一化工過程的物料質(zhì)量之差，等于該過程中累積的物料質(zhì)量，即

對于連續(xù)操作的過程，若各物理量不隨時間改變，即處于穩(wěn)定操作狀態(tài)時，過程中不應(yīng)有物料的積累，則物料衡算關(guān)系為

輸入量－輸出量＝累積量輸入量＝輸出量用物料衡算式可由過程的已知量求出未知量。4.1物料衡算（materialbalance）依據(jù)質(zhì)量守恒定律，進(jìn)入與離開某一化工過程的物料質(zhì)量35物料衡算的步驟：（1）根據(jù)題意畫出各物流的流程示意圖，物料的流向用箭頭表示，并標(biāo)上已知數(shù)據(jù)與待求量。（2）規(guī)定衡算基準(zhǔn)，一般選用單位進(jìn)料量或排料量、時間及設(shè)備的單位體積等作為計算的基準(zhǔn)。在較復(fù)雜的流程示意圖上應(yīng)圈出衡算的范圍，列出衡算式，求解未知量。物料衡算的步驟：（1）根據(jù)題意畫出各物流的流程示意圖，物料的36物料衡算例題第二蒸發(fā)器第一蒸發(fā)器W1W2F0F1F2例：如本題例圖所示，在兩個蒸發(fā)器中，每小時將5000kg的無機(jī)鹽水溶液從12%（質(zhì)量，下同）濃縮到30%，第二蒸發(fā)器比第一蒸發(fā)器多蒸出5%的水分，試求（1）各蒸發(fā)器每小時蒸出水分的量；（2）第一蒸發(fā)器送出的溶液濃度。F–溶液的質(zhì)量流量Kg/hW–蒸出水量Kg/hX–溶液中鹽的質(zhì)量分率物料衡算例題第二蒸發(fā)器第一蒸發(fā)器W1W2F0F1F2例：如本37解：基準(zhǔn)：1h(1)鹽：5000×0.12=0.3F2,F2=2000kg/h總：5000=W1+W2+F2,W2=W1（1＋5％）W=W1+W2=3000Kg/hW1=1463.4Kg/h,W2=1536.6Kg/h(2)鹽：5000×0.12=F1x1

總：5000=1463.4+F1解得：F1=3536.6Kg/h;x1=16.97%

已知：F0=5000Kg/h,x0=0.12,x2=0.3,w2=1.05w1;.求：(1)w1,w2=?(2)x1=?解：基準(zhǔn)：1h已知：F0=5000Kg/h,x0=0.12,38能量衡算的依據(jù)是能量守恒定律。本課程所用到的能量主要有機(jī)械能和熱能。熱量衡算的步驟與物料衡算的基本相同。4.2能量衡算（energybalance）能量衡算的依據(jù)是能量守恒定律。4.2能量衡算（energy39熱量衡算的基本方法

此外還須注意：（1）進(jìn)、出系統(tǒng)的各股物料所攜帶的熱量，包括物料的顯熱與潛熱兩部分稱為物料的焓。物料的焓值與其狀態(tài)有關(guān)，而且是相對值。確定物料的焓值，須先規(guī)定基準(zhǔn)溫度；當(dāng)有相變化發(fā)生時，還須規(guī)定基準(zhǔn)狀態(tài)。通常以273K、液態(tài)為基準(zhǔn)，即此時液態(tài)的焓為零。（2）熱量不僅可以隨同物料進(jìn)、出系統(tǒng)，而且可以透過設(shè)備、管道的壁面而由外界傳入系統(tǒng)，或由系統(tǒng)逸散到環(huán)境里。熱量衡算的基本方法此外還須注意：40連續(xù)穩(wěn)定過程熱量衡算的基本關(guān)系式

因此，只要系統(tǒng)溫度與環(huán)境溫度有差別，就會有這種熱量的輸入或散失，應(yīng)將之列入衡算式中。故可寫出連續(xù)穩(wěn)定過程熱量衡算的基本關(guān)系式，即：

式中：∑Qi為進(jìn)入系統(tǒng)的各股物料的總熱量，kJ或kW；

∑Q0為離開系統(tǒng)的各股物料的總熱量，kJ或kW；QL為系統(tǒng)與環(huán)境交換的總熱量，kJ或kW。當(dāng)系統(tǒng)向環(huán)境散熱時，此值為負(fù)，并稱之為熱損失。連續(xù)穩(wěn)定過程熱量衡算的基本關(guān)系式因此，只要系統(tǒng)溫度與41在換熱器里每小時將1000kg平均比熱容為3.56kJ/(kg.K)的某種溶液自298K加熱到353K。加熱介質(zhì)為393K的飽和水蒸氣，每小時消耗量為95kg。蒸汽冷凝成同溫度的飽和水后排出。試計算此換熱器的熱損失占水蒸氣所提供熱量的百分?jǐn)?shù)。解：首先根據(jù)題意畫出過程示意圖，如下圖。

在換熱器里每小時將1000kg平均比熱容為3.542在圖中虛線方框所示范圍內(nèi)作熱量衡算。以1h為基準(zhǔn)，則進(jìn)、出系統(tǒng)的各項熱量分別為：輸入系統(tǒng)的溶液的熱量=1000×3.56（298-273）=89000kJ/h系統(tǒng)輸出的溶液的熱量=1000×3.56（353-273）=284800kJ/h又從飽和水蒸氣表（以溫度為準(zhǔn)）查出393K飽和水蒸氣的焓值為2708.9kJ/kg、393K飽和水的焓值為503.67kJ/kg。則：輸入系統(tǒng)的飽和水蒸氣的焓=95×2709=257400kJ/h系統(tǒng)輸出的飽和水的焓=95×503.7=47900kJ/h依上式列出熱量衡算式，即：89000+257400=284800+479000+QL解得：QL=-13700kJ/h熱損失速率=-QL=13700kJ/h熱損失百分?jǐn)?shù)=13700/(257400-47900)×100%=6.5%在圖中虛線方框所示范圍內(nèi)作熱量衡算。以1h為基準(zhǔn)，則進(jìn)、出系43平衡狀態(tài)是自然界中廣泛存在的現(xiàn)象。

平衡關(guān)系可用來判斷過程能否進(jìn)行，以及進(jìn)行的方向和能達(dá)到的限度。以食鹽的溶解和結(jié)晶為例：食鹽濃度>飽和濃度：結(jié)晶食鹽濃度<飽和濃度：溶解該溫度下的飽和濃度為該物系的平衡濃度。

4.3物系的平衡關(guān)系(relationshipofsystembalance)平衡狀態(tài)是自然界中廣泛存在的現(xiàn)象。平衡關(guān)系可用來判斷過44不飽和食鹽溶液：食鹽濃度低時，溶解速率（單位時間內(nèi)溶解的食鹽質(zhì)量）大；食鹽濃度高時，溶解速率小。飽和食鹽溶液（即平衡狀態(tài)）：溶解速率等于結(jié)晶速率，宏觀上無變化。

以食鹽的溶解為例：

4.4傳遞速率（rateoftransferprocess）不飽和食鹽溶液：食鹽濃度低時，溶解速率（單位時間內(nèi)溶解的食鹽45

溶液濃度越是遠(yuǎn)離平衡濃度，其溶解速率就越大；溶液濃度越是接近平衡濃度，其溶解速率就越小。溶液濃度與平衡濃度之差值，可以看作是溶解過程的推動力（drivingforce）。顆粒大小和攪拌對溶解速率有影響。原因：由大塊改為許多小快，能使固體食鹽與溶液的接觸面積增大；由不攪拌改為攪拌，能使溶液質(zhì)點(diǎn)對流。其結(jié)果能減小溶解過程的阻力（resistance）。溶液濃度越是遠(yuǎn)離平衡濃度，其溶解速率就越大；溶液濃46此關(guān)系類似于電學(xué)中歐姆定律。

過程的傳遞速率與推動力成正比，與阻力成反比，即

過程的傳遞速率是決定化工設(shè)備的重要因素，傳遞速率增大時，設(shè)備尺寸可以變小。此關(guān)系類似于電學(xué)中歐姆定律。過程的傳遞速率與推動力成正比47

本課程中，各單元操作的計算、設(shè)備的選型等工作都將圍繞上述五個方面進(jìn)行，并以最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益作為最終的設(shè)計方案。

效益是企業(yè)的命脈，經(jīng)濟(jì)核算是企業(yè)的核心工作。為生產(chǎn)定量的某種產(chǎn)品所需要的設(shè)備，根據(jù)設(shè)備的型式和材料的不同，可以有若干設(shè)計方案。對同一臺設(shè)備，所選用的操作參數(shù)不同，會影響到設(shè)備費(fèi)與操作費(fèi)。因此，要用經(jīng)濟(jì)核算確定最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計方案。4.5經(jīng)濟(jì)核算(economicevaluations)本課程中，各單元操作的計算、設(shè)備的選48

任何一個科研成果都要通過工程技術(shù)才能得以大規(guī)模生產(chǎn)，才能實(shí)現(xiàn)它的社會價值，造福于廣大的人民群眾?！痘ぴ怼肥菍?shí)驗(yàn)室科研成果轉(zhuǎn)入工業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)理論課程。任何一個科研成果都要通過工程技術(shù)才49小結(jié)1.明確化工原理課程的任務(wù)，建立工程與單元操作的概念；2.掌握化工過程中的質(zhì)量衡算和能量衡算；3.掌握單位換算，明確因次分析。

小結(jié)50乳粉廠工藝流程圖

冷凍鹽水自來水飽和蒸汽返回乳粉廠工藝流程圖冷凍鹽水返回51乳品加工現(xiàn)場返回乳品加工現(xiàn)場乳品加工現(xiàn)場返回乳品加工現(xiàn)場52化工原理PrinciplesofchemicalEngineering

化工原理PrinciplesofchemicalEng53前言一、課程安排二、學(xué)習(xí)要求三、教材四、參考資料前言一、課程安排54一、課程安排（課堂）

1課堂教學(xué)（56學(xué)時）

前言、緒論2學(xué)時

第一章流體的流動與輸送14學(xué)時

第二章傳熱10學(xué)時

第三章機(jī)械分離與固體流態(tài)化10學(xué)時第四章物料干燥10學(xué)時

第五章蒸餾6學(xué)時

習(xí)題4學(xué)時一、課程安排（課堂）

1課堂教學(xué)（56學(xué)時）

前言、緒55課程安排（實(shí)驗(yàn)）

2實(shí)驗(yàn)（16學(xué)時）實(shí)驗(yàn)一流體流動狀態(tài)觀察與測定(課堂錄像演示)實(shí)驗(yàn)二柏努利方程實(shí)驗(yàn)(課堂錄像演示)實(shí)驗(yàn)三直管阻力實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四離心泵特性曲線實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)五過濾實(shí)驗(yàn)六綜合實(shí)驗(yàn)——流態(tài)化干燥與熱風(fēng)干燥的比較課程安排（實(shí)驗(yàn)）

2實(shí)驗(yàn)（16學(xué)時）56二、學(xué)習(xí)要求

上課、實(shí)驗(yàn)前要求預(yù)習(xí)、課后要求復(fù)習(xí)、總結(jié)。作業(yè)及時完成，不懂的及時弄懂。成立學(xué)習(xí)小組(4~5人/組),按組或個人通過網(wǎng)絡(luò)交作業(yè)。

文件名：學(xué)號-姓名-單元名稱不要缺課、認(rèn)真聽講、開動腦筋、積極思考。重視實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)、提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γǚ治?、解決一般工程技術(shù)問題的能力）。二、學(xué)習(xí)要求

上課、實(shí)驗(yàn)前要求預(yù)習(xí)、課后要求復(fù)習(xí)、總結(jié)。57三、教材

《化工原理》第3版管國鋒、趙汝溥化學(xué)工業(yè)出版社，2008三、教材58四、主要參考資料

（一）書本1.《化工原理》姚玉英主編，天津科學(xué)技術(shù)出版社2.《化工原理》清華大學(xué)出版社3.《化工原理》天津大學(xué)出版社4.《化工原理》（上冊）華東化工學(xué)院出版社5.化工過程與設(shè)備，劉佩茹主編，中國輕工業(yè)出版6.化工原理，陳敏恒等，化學(xué)工業(yè)出版社7.化工原理，楊祖榮主編化學(xué)工業(yè)出版社2009第二版（普通高等教育“十五”國家級規(guī)劃教材）8.化工基礎(chǔ)（第三版），化學(xué)工業(yè)出版社9.UnitOperationofChemicalEngineering

ForthEdition,W.LMccabeJ.CSmithP.Harriott四、主要參考資料

（一）書本59（二）相關(guān)期刊[1]農(nóng)業(yè)工程學(xué)報：中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會主辦，全國中文核心期刊。（EI收錄）

[2]農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會主辦，全國中文核心期刊。（EI收錄）[3]食品科學(xué)，北京市食品研究所主辦，中國核心期刊

[4]食品工業(yè)科技，北京市食品研究所主辦，中國中文核心期刊，輕工總會優(yōu)秀期刊。

[5]食品發(fā)酵工業(yè)，中國食品發(fā)酵工業(yè)研究所、全國食品與發(fā)酵工業(yè)信息中心主辦，全國中文核心期刊、國家優(yōu)秀技術(shù)期刊。

[6]中國糧油學(xué)報，中國糧油學(xué)會主辦，全國食品工業(yè)類中文核心期刊。

[7]華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)主辦，中文核心期刊。

[8]化學(xué)工程，全國化工化學(xué)工程設(shè)計技術(shù)中心主辦，核心期刊。

[9]糧食與飼料工業(yè)，國家糧食儲備局武漢科學(xué)研究設(shè)計院，中文核心期刊。

[10]CerealChemical[11]JournalofFoodScience

[12]JournalofFoodEngineering[13]JournalofTextStudy[14]TransactionsoftheAmericanSocietyofAgricultureengineering

（二）相關(guān)期刊[1]農(nóng)業(yè)工程學(xué)報：中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會主辦，60（三）網(wǎng)絡(luò)資料課外作業(yè)：

做一個Powerpoint課件，介紹有關(guān)化工原理和食品工程原理課程的網(wǎng)絡(luò)資料。（以學(xué)習(xí)小組為單位，第一次于下周交，第二次于課程結(jié)束前交）（三）網(wǎng)絡(luò)資料61緒論課程性質(zhì)、內(nèi)容和任務(wù)化工過程及單元操作單位制與單位換算單元操作中常用的基本概念緒論課程性質(zhì)、內(nèi)容和任務(wù)621.1課程性質(zhì)一、課程性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)化工原理是食品工程、生物化工、化學(xué)工程、農(nóng)副產(chǎn)品加工和貯藏等工科專業(yè)的學(xué)生必修的重要基礎(chǔ)技術(shù)課程。該課程涉及面廣、計算復(fù)雜。先修課：高等數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、物理化學(xué)（包括動力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)和傳質(zhì)學(xué)等）、機(jī)械制圖、英語、計算機(jī)等課程。1.2課程內(nèi)容本課程主要介紹“三傳理論”和“單元操作”。1.1課程性質(zhì)一、課程性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)化631.2課程內(nèi)容基礎(chǔ)理論部分：流體力學(xué)（重點(diǎn)）傳熱（重點(diǎn)）傳質(zhì)學(xué)（部分了解）熱力學(xué)（部分了解）特點(diǎn)：涉及理論多，是本課程較難掌握的部分基本原理部分：液液萃取過濾與沉降溶液濃縮液體蒸餾固體干燥特點(diǎn)：基本原理部分各章節(jié)內(nèi)容相對比較獨(dú)立1.2課程內(nèi)容基礎(chǔ)理論部分：基本原理部分：64

《化工原理》是化學(xué)工程、食品工程專業(yè)學(xué)生的必修課，其主要任務(wù)是：介紹三傳理論，即流體流動、傳熱、傳質(zhì)的基本原理；掌握主要單元操作的典型設(shè)備構(gòu)造、操作原理、計算、選型及實(shí)驗(yàn)研究方法；培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論分析和解決化工單元操作中各種工程實(shí)際問題(計算、選型及實(shí)驗(yàn)研究方法)的能力。1.3課程任務(wù)《化工原理》是化學(xué)工程、食品工程專業(yè)學(xué)生的必修課，其主65

化學(xué)工業(yè)：利用物理和化學(xué)方法將自然界的各種物質(zhì)加工成生活資料的工業(yè)。化工生產(chǎn)：(1)化學(xué)反應(yīng)過程：如發(fā)酵、化學(xué)合成等

(2)

物理加工過程二、化工過程及單元操作化學(xué)工業(yè)：利用物理和化學(xué)方法將自然界的各種物質(zhì)加工成生66化工過程是什么？

物理與化學(xué)方法原料有用的化學(xué)品

化工過程是指用物理和化學(xué)的方法對原料進(jìn)行大規(guī)模加工處理，從而獲得合符產(chǎn)品要求的化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程。

化工過程是什么？67

不同化工生產(chǎn)過程使用各種物理加工過程，根據(jù)他們的操作原理，可以歸結(jié)為數(shù)個應(yīng)用廣泛的基本操作過程，如流體輸送、攪拌、沉降、過濾、熱交換、制冷、蒸發(fā)、結(jié)晶、吸收、蒸餾、粉碎、乳化萃取、吸附、干燥等。這些基本的物理過程稱為單元操作。

單元操作是指化工生產(chǎn)過程中基本原理和典型設(shè)備的相同物理性操作。不同化工生產(chǎn)過程使用各種物理加工過程，根據(jù)他們的操作68

美國麻省理工大學(xué)（MIT)三位教授華克爾(Walker)、劉易斯(lewis)、麥可阿丹姆士(Mcadams)在他們1923年所著的教科書中，首先提出了“化工單元操作”的概念他們將各種各樣的化工生產(chǎn)過程當(dāng)作一系列的“單元操作”處理。如：聚乙烯、化肥、制糖、味精、酒精、石油等生產(chǎn)過程中都含有流體輸送、蒸發(fā)、結(jié)晶、離心分離、干燥、蒸餾、吸收等單元操作。在石油、食品、制藥、造紙等行業(yè)中都要進(jìn)行干燥、蒸餾等操作，盡管在不同行業(yè)中所處理的物料不同，但所用的干燥、蒸餾等操作具有相同原理。美國麻省理工大學(xué)（MIT)三位69名稱目的原理設(shè)備流體輸送輸送物料機(jī)械能轉(zhuǎn)換管道和泵傳熱加熱或冷卻利用溫差傳熱換熱器蒸發(fā)分離溶劑與溶質(zhì)加熱使溶劑汽化蒸發(fā)器蒸餾分離液相混合物各組分的揮發(fā)度不同塔器分離分離混合物

過濾機(jī)沉降器、、膜組件等等干燥固體去濕加熱使?jié)穹制稍锲鬏腿》蛛x不互溶液體溶解度不同萃取裝置

化工生產(chǎn)中常見的單元操作名稱目的原理設(shè)備流體輸送輸送物料機(jī)械能轉(zhuǎn)換管道和泵傳熱加熱或70若干個單元操作串聯(lián)起來組成一個工藝過程。均為物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或其物理性質(zhì)，不改變其化學(xué)性質(zhì)。同一化工生產(chǎn)過程中可能會包含多個相同的的單元操作。單元操作用于不同的生產(chǎn)過程其基本原理相同，進(jìn)行該操作的設(shè)備也可以通用。單元操作的特點(diǎn)若干個單元操作串聯(lián)起來組成一個工藝過程。同一化工生產(chǎn)過程71單元操作按其理論基礎(chǔ)可分為下列三類：

上述三個過程包含了三種理論，我們稱之為“三傳理論”。（1）流體流動過程（fluidflowprocess）:

包括流體輸送、攪拌、沉降、過濾等。（2）傳熱過程（heattransferprocess）:

包括熱交換、蒸發(fā)等。（3）傳質(zhì)過程（masstransferprocess）:

包括吸收、蒸餾、萃取、吸附、干燥等。

單元操作的分類單元操作按其理論基礎(chǔ)可分為下列三類：上述三個過程包含了三72動量傳遞(momentumtransfer)：流體流動時，其內(nèi)部發(fā)生動量傳遞，故流體流動過程也稱為動量傳遞過程。凡是遵循流體流動基本規(guī)律的單元操作，都可以用動量傳遞的理論去研究。熱量傳遞(heattransfer):物體被加熱或冷卻的過程也稱為物體的傳熱過程。凡是遵循傳熱基本規(guī)律的單元操作，都可以用熱量傳遞的理論去研究。質(zhì)量傳遞(masstransfer)：兩相間物質(zhì)的傳遞過程即為質(zhì)量傳遞。凡是遵循傳質(zhì)基本規(guī)律的單元操作，都可以用質(zhì)量傳遞的理論去研究。三傳理論動量傳遞(momentumtransfer)：流體流動時，73單元操作與三傳的關(guān)系

殺菌：傳熱；真空濃縮：傳熱、傳質(zhì)、流體流動；過濾：流體流動…..

“三傳理論”是單元操作的理論基礎(chǔ)，單元操作是“三傳理論”的具體應(yīng)用。同時，“三傳理論”和單元操作也是化工工程技術(shù)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。單元操作與三傳的關(guān)系

殺菌：傳熱；74奶粉生產(chǎn)工藝流程原料乳驗(yàn)收預(yù)處理預(yù)熱殺菌真空濃縮過濾加糖噴霧干燥出粉冷卻與過篩包裝、檢驗(yàn)成品單元操作與加工過程工藝流程圖乳品加工現(xiàn)場奶粉生產(chǎn)工藝流程原料乳驗(yàn)收預(yù)處理預(yù)熱殺菌真空濃縮過濾加糖噴霧75乳品工程原理解析乳品工程原理解析76三、單位制與單位換算3.1單位及單位制幾種不同單位制

名稱

符號

SI

CGS

MKS

FPS

工程單位制

力

F

-----

-----

-----

-----

kgf

質(zhì)量

M

kg

g

kg

lb

-----

長度

L

m

cm

m

ft

m

時間

s

s

s

s

s

溫度

θ

K

℃，K

℃，K

F，R

℃，K

基

本

物

理

量

熱量

Q

J，kJ

J

J，kJ

Btu

cal，cal

物理單位制英制三、單位制與單位換算3.1單位及單位制幾種不同單位制名稱77SI制（StandardInternationalUnit):20世紀(jì)60年代初國際度量衡會議提出,有7個基本量和基本單位，即：

其他量稱為導(dǎo)出量，其單位可由基本單位推導(dǎo)而出，稱為導(dǎo)出單位SI制（StandardInternationalUni78——通用性：所有學(xué)科、部門均可采用，并且容易比較；——一貫性：任何一個SI導(dǎo)出單位均有七個基本單位導(dǎo)出，不需要引入比例常數(shù)我國規(guī)定1991年1月起，除個別領(lǐng)域外，不允許再使用非法定單位（國務(wù)院1977年確定逐步采用SI，1984年發(fā)布命令：法定計量單位，1990年底完成過渡，1991年1月起實(shí)施。國際單位制（SI）國際單位制（SI）793.2單位換算

同一物理量若用不同單位度量時，其數(shù)值需相應(yīng)地改變。這種換算稱為單位換算。

注意事項：（1）物理方程必須使用同一單位制的單位，若不同，必須經(jīng)過換算后再進(jìn)行計算。但經(jīng)驗(yàn)公式必須按指定的單位運(yùn)算。（2）SI制以質(zhì)量為基本單位，而工程單位制則以重力為基本單位，二者可由F＝ma表示其之間的關(guān)系。（3）計算結(jié)果正確與否，可以通過單位換算，就可查出。3.2單位換算同一物理量若用不同單位度量時，其數(shù)值80通用氣體常數(shù)R＝0.08206L·atm/（mol·K）＝8.313J/（mol·K）

單位換算的基本規(guī)律：

F=ma

１Kgf=1kg×9.81m/s2=9.81kg·m/s2=9.81N

=1000g×981cm/s2=981000g·cm/s2

=981000dyn通用氣體常數(shù)單位換算的基本規(guī)律：F=ma81Example1atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）＝1.033kgf/cm2,將其換算成SI單位解：氣體壓力的SI單位：Pa（N/m2），工程單位：kgf/cm2，所以，只要將kgf、cm分別換算成N、m即可。因?yàn)?kgf＝9.81N，1cm＝0.01m所以：Example823.3因次（量綱）（1）因次或量綱(dimension)每個物理量都可通過幾個彼此獨(dú)立的基本量來表示其性質(zhì)和特征，這些基本量的符號即為因次或量綱。（2）常用的因次：長度[L]、質(zhì)量[M]或力[F]、時間[T]、溫度[θ]（3）因次式或量綱式任何導(dǎo)出量都可以按如下形式表示：

此式即物理量Q的因次式或量綱式，而α、β、γ等指數(shù)可為任意的有理數(shù)。（4）因次式的作用：是因次分析的依據(jù)。3.3因次（量綱）（1）因次或量綱(dimension)83因次分析是整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，即物理方程因次一致原則，即物理方程等號兩邊各項對應(yīng)因次的指數(shù)相等?！顲GS:(因次)★SI:(因次)★工程單位:(因次)★FPS:(因次)

注意：單位不同但因次可相同。

因次分析是整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，即物理方程因次一致原則，即物理84因次表示該物理量的單位與基本量的單位之間的關(guān)系。例：速度——［LT－1］加速度——［LT－2］力——［MLT－2］當(dāng)α＝β＝γ＝0時，［M0L0T0］＝［1］，稱為無因次（dimensionless）因次表示該物理量的單位與基本量的單位之間的關(guān)系。例：速度——85物料衡算；能量衡算；物系的平衡關(guān)系；傳遞速率；經(jīng)濟(jì)核算。

四、單元操作中常用的基本概念

物料衡算；四、單元操作中常用的基本概念

86

依據(jù)質(zhì)量守恒定律，進(jìn)入與離開某一化工過程的物料質(zhì)量之差，等于該過程中累積的物料質(zhì)量，即

對于連續(xù)操作的過程，若各物理量不隨時間改變，即處于穩(wěn)定操作狀態(tài)時，過程中不應(yīng)有物料的積累，則物料衡算關(guān)系為

輸入量－輸出量＝累積量輸入量＝輸出量用物料衡算式可由過程的已知量求出未知量。4.1物料衡算（materialbalance）依據(jù)質(zhì)量守恒定律，進(jìn)入與離開某一化工過程的物料質(zhì)量87物料衡算的步驟：（1）根據(jù)題意畫出各物流的流程示意圖，物料的流向用箭頭表示，并標(biāo)上已知數(shù)據(jù)與待求量。（2）規(guī)定衡算基準(zhǔn)，一般選用單位進(jìn)料量或排料量、時間及設(shè)備的單位體積等作為計算的基準(zhǔn)。在較復(fù)雜的流程示意圖上應(yīng)圈出衡算的范圍，列出衡算式，求解未知量。物料衡算的步驟：（1）根據(jù)題意畫出各物流的流程示意圖，物料的88物料衡算例題第二蒸發(fā)器第一蒸發(fā)器W1W2F0F1F2例：如本題例圖所示，在兩個蒸發(fā)器中，每小時將5000kg的無機(jī)鹽水溶液從12%（質(zhì)量，下同）濃縮到30%，第二蒸發(fā)器比第一蒸發(fā)器多蒸出5%的水分，試求（1）各蒸發(fā)器每小時蒸出水分的量；（2）第一蒸發(fā)器送出的溶液濃度。F–溶液的質(zhì)量流量Kg/hW–蒸出水量Kg/hX–溶液中鹽的質(zhì)量分率物料衡算例題第二蒸發(fā)器第一蒸發(fā)器W1W2F0F1F2例：如本89解：基準(zhǔn)：1h(1)鹽：5000×0.12=0.3F2,F2=2000kg/h總：5000=W1+W2+F2,W2=W1（1＋5％）W=W1+W2=3000Kg/hW1=1463.4Kg/h,W2=1536.6Kg/h(2)鹽：5000×0.12=F1x1

總：5000=1463.4+F1解得：F1=3536.6Kg/h;x1=16.97%

已知：F0=5000Kg/h,x0=0.12,x2=0.3,w2=1.05w1;.求：(1)w1,w2=?(2)x1=?解：基準(zhǔn)：1h已知：F0=5000Kg/h,x0=0.12,90能量衡算的依據(jù)是能量守恒定律。本課程所用到的能量主要有機(jī)械能和熱能。熱量衡算的步驟與物料衡算的基本相同。4.2能量衡算（energybalance）能量衡算的依據(jù)是能量守恒定律。4.2能量衡算（energy91熱量衡算的基本方法

此外還須注意：（1）進(jìn)、出系統(tǒng)的各股物料所攜帶的熱量，包括物料的顯熱與潛熱兩部分稱為物料的焓。物料的焓值與其狀態(tài)有關(guān)，而且是相對值。確定物料的焓值，須先規(guī)定基準(zhǔn)溫度；當(dāng)有相變化發(fā)生時，還須規(guī)定基準(zhǔn)狀態(tài)。通常以273K、液態(tài)為基準(zhǔn)，即此時液態(tài)的焓為零。（2）熱量不僅可以隨同物料進(jìn)、出系統(tǒng)，而且可以透過設(shè)備、管道的壁面而由外界傳入系統(tǒng)，或由系統(tǒng)逸散到環(huán)境里。熱量衡算的基本方法此外還須注意：92連續(xù)穩(wěn)定過程熱量衡算的基本關(guān)系式

因此，只要系統(tǒng)溫度與環(huán)境溫度有差別，就會有這種熱量的輸入或散失，應(yīng)將之列入衡算式中。故可寫出連續(xù)穩(wěn)定過程熱量衡算的基本關(guān)系式，即：

式中：∑Qi為進(jìn)入系統(tǒng)的各股物料的總熱量，kJ或kW；