化工原理緒論課件

1、化工原理 IPrinciple of Chemical Engineering 主講教師：賴慶柯 2 0 0 5 年8月 1化工原理教學組織及要求祝同學們學習愉快!1本學期化工原理講課學時安排 化工原理I，教學大綱共計50學時。緒論 4學時第一章 流體流動 16學時第二章 流體輸送機械 8學時第三章 機械分離 8學時第四章 傳熱 14學時2教學環(huán)節(jié)與要求課堂教學（思路和概念為主）：認真聽講、記筆記，不遲到、早退，保證出勤率預習、復習、練習作業(yè) ：嚴謹，獨立完成，及時答疑， 平時成績10%。 期中測試 (閉卷) 期末考試(閉卷)我的聯(lián)系方式 Tel: 58161297；E-mail: lai_2

2、教材：化工原理（上、下），譚天恩等，化學工業(yè)出版社參考教材：1.化工原理（上、下），姚玉英等，天津大學出版社2.化工原理（上、下），陳敏恒等，化學工業(yè)出版社3.化工原理（上、下），蔣維鈞等，清華大學出版4.化工原理，何潮洪，科學出版社輔助教學資料：1.化工原理學習指南問題與習題解析， 姚玉英等 ，天津大學出版社2.化工原理教與學，陳敏恒等，化學工業(yè)出版社3.化工原理例題詳解，陳敏恒等，化學工業(yè)出版社4.化工原理習題精解（上、下），何潮洪等，科學出版社TG02 4214-43目的和要求： （1）以工程技術觀點和經(jīng)濟觀點來分析和處理實際問題的能力； 通過本課程的學習，應樹立起工程觀點（安全適用、經(jīng)

3、濟合理），掌握解決工程實際的方法，培養(yǎng)下列兩種基本能力： （2）熟練的進行化工基本運算。以便在化工生產(chǎn)、科研和設計工作中達到強化生產(chǎn)過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高設備能力及效率，降低設備投資及產(chǎn)品成本，節(jié)約能耗，防止污染以及加速新技術開發(fā)等方面的目的。5 化學工程研究的是：如何把化學家們的小試研究成果開發(fā)放大為中試，再開發(fā)為生產(chǎn)規(guī)模。是在科學實驗與化工之間架橋的工作，是直接為人類服務的創(chuàng)造價值的勞動。 本課程，不是教大家如何合成得到新物質(zhì)？如何提取新物質(zhì)？如何表征新物質(zhì)？這是化學家的事。6 ：是研究大規(guī)模地改變物料的化學組成和物理性質(zhì)而得到合乎要求的產(chǎn)品的工程技術學科。 緒 論 一、“化工原理”課程

4、的任務1、化學工程和單元操作 化學工程 一個化工產(chǎn)品生產(chǎn)要經(jīng)過很多步驟 7原料提純單體合成單體精制壓縮冷凝聚合脫水干燥產(chǎn)品反應熱反應熱乙炔 氯化氫乙炔法制聚氯乙烯8 一切化工生產(chǎn)過程不論其生產(chǎn)規(guī)模大小，除化學反應外，其它均可分解為一系列的物理加工過程。這些物理加工過程稱為“單元操作”。蒸發(fā)：制糖工業(yè)糖水的濃縮； 制堿工業(yè)苛性鈉溶液的濃縮； 甘油和生物膠水溶液的濃縮； 牛奶和橘汁的濃縮。精餾：釀酒，石油精制。 膜分離：海水淡化，血液透析，食鹽電解，水的凈化。單元操作（Unit Operations）化工生產(chǎn)的兩大部分 核心部分輔助部分 化學反應過程 前、后處理過程 化工生產(chǎn)所不可缺少 10另外，

5、還有熱力過程（制冷）、粉體工程（粉碎、顆粒分級、流態(tài)化）等單元操作。單元操作分類 ：（1）遵循流體動力學基本規(guī)律的單元操作，包括流體輸送、沉降、過濾、物料混合（攪拌）。（2）遵循熱量傳遞基本規(guī)律的單元操作，包括加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)等。（3）遵循質(zhì)量傳遞基本規(guī)律的單元操作，包括蒸餾、吸收、萃取、吸附、膜分離等。從工程目的來看，這些操作都可將混合物進行分離，故又稱之為分離操作。（4）同時遵循熱質(zhì)傳遞規(guī)律的單元操作，包括氣體的增濕與減濕、結(jié)晶、干燥等。12單元操作過程進行的方式 連續(xù)操作 特點：物料的組成、溫度、壓強等參數(shù)僅隨位置的不同而不同，不隨時間的變化而變化 U=U(x,y,z)化工生產(chǎn)過程

6、多數(shù)為連續(xù)穩(wěn)定過程 間歇操作 特點：不穩(wěn)定操作 U=U(x,y,z,)14質(zhì)量傳遞：濃度在時空中分布的不均勻性。2、三傳:化工原理的共同規(guī)律和聯(lián)系 動量傳遞：流體內(nèi)部由于動量、密度的空間分布不均而引起動量在時空中的傳遞過程。 熱量傳遞：內(nèi)能在時空中的傳遞過程，是由溫度在空間的非均勻分布造成。15化工生產(chǎn) = 單元操作 + 化學反應（單元過程）三傳 = 動量傳遞 + 熱量傳遞 + 質(zhì)量傳遞化學工程 = 化工原理 + 反應工程 = 三傳 + 一反16以“三傳”為物理內(nèi)核的單元操作17無機化學分析化學有機化學物理化學應用化學高分子化學化學教育科學實驗化學家化工生產(chǎn)化工原理傳遞過程反應工程（還有：分離

7、工程、化工熱力學、系統(tǒng)工程）化工專家合成氨硫酸制造氯堿工業(yè)石油化工制糖業(yè)制漆業(yè)電鍍業(yè)水泥、玻璃制造業(yè)18 3、飛躍時期 “三傳”理論的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展。1960年，美國威斯康新大學的Bird等人把“三傳”的內(nèi)容組織在一起寫成了Transport phenomena 一書。 從以產(chǎn)品來劃分的化工生產(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，是認識上的一個飛躍，對化學工程學的形成和發(fā)展起了重要的推動作用。 并得出 “三傳”遵循的“唯象方程”又一塊里程碑。 與此同時，化學反應過程經(jīng)過了由“單元過程”到“化學反應工程學”的發(fā)展。至此，化學工程學科發(fā)展到了“三傳一反”的較完整階段。20 4）、現(xiàn)代

8、時期：70年代以后。 能源有效利用問題、操作優(yōu)化問題逐漸突現(xiàn)起來 系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合和系統(tǒng)優(yōu)化 最優(yōu)設計、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理 計算機應用的快速發(fā)展，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(chǎn)業(yè)與學科的發(fā)展，也推動了特殊領域化學工程的進步。21 隨著新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)或為實現(xiàn)綠色化工生產(chǎn)，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

9、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(chǎn)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(nèi)容，故單元操作又稱為化工過程和設備?；ぴ硎茄芯恐T單元操作共性的課程。開發(fā)新的單元操作23三、化工原理的兩條主線、五個基本概念（一）化工原理課程的兩條主線 1、動量傳遞、傳熱和傳質(zhì)皆屬于傳遞過程，是本門課程統(tǒng)一的研究對象，是聯(lián)系各單元操作的一條主線。a.實驗研究方法（經(jīng)驗的方法） b.數(shù)學模型法（半經(jīng)驗半理論的方法） 2、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。 各單元操作有共同的研究

10、方法。24課程的展開方式（二）五個基本概念 化工過程計算可分為設計型計算和操作型計算兩類，其在不同計算中的處理方法各有特點，但是不管何種計算都是以質(zhì)量守恒、能量守恒、平衡關系和速率關系為基礎的。上述五種基本關系將在有關章節(jié)陸續(xù)介紹。過程分析過程數(shù)學描述實例分析定性定量 應用物料衡算、能量衡算、物料的平衡關系、過程速率和經(jīng)濟核算五個基本概念貫穿于各個單元操作的始終。26過程速率：單位時間內(nèi)所傳遞的能量（動量，熱量）或物質(zhì)量,是決定化工設備的重要因素。過程速率的增大可節(jié)約時間，提高設備的生產(chǎn)能力。 穩(wěn)定過程：連續(xù)操作:某一固定位置上物料組成、 溫度、 壓強、流速等參數(shù)不隨時間變化。穩(wěn)定過程和不穩(wěn)定

11、過程不穩(wěn)定過程：間歇操作、連續(xù)操作中的開車、波動及故障等。平衡關系：(L-L G-L V-L G-S L-S) 平衡關系可判斷過程能否進行，及進行的方向和限度。任何傳遞過程都有一個極限，當傳遞過程達到極限時，其過程進行的推動力為零，此時凈的傳遞速率為零，即稱為“平衡”。流體流動P 熱量傳遞T 傳質(zhì)過程C 27學習化工原理的目的和要求 掌握規(guī)律 診斷過程 開發(fā)工藝 強化操作 創(chuàng)新設計學習本課程中，應注意以下幾個方面能力的培養(yǎng)：（1）單元操作和設備選擇的能力（2）工程設計能力（3）操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的能力（4）過程開發(fā)或科學研究能力將可能變現(xiàn)實，實現(xiàn)工程目的，這是綜合創(chuàng)造能力的體現(xiàn)。28 基本物理

12、量單位制長度 （ L ）時間（T）質(zhì)量（M）重力（F）絕對單位制Cgs制cmsgkgms制mskg英制ftslb工程單位制米制mskgf英制ftslbf不同單位制的不同基本量導出量力N；壓強Pa（N/m2）；功，能，熱J；功率W 30（三）單位換算（二）、單位的正確運用理論公式：用同一單位，中途不能更改（SI） 經(jīng)驗公式：按指定單位 1kg(f)=9.8N p322附錄1單位換算表如 1atm1.01325105 Pa 壓強：atm，mmHg，mmH2O 31例0-1、通用氣體常數(shù)R0.08206 atmLmolK，試用國際單位JmolK表示。解：R0.08206atmLmolK 0.0820

13、6atmLmolK1m31000L101325Paatm 8.314 Pam3 molK 8.314 JmolK32六、物料衡算質(zhì)量守恒定律輸入控制體的量+控制體內(nèi)生成的量 =輸出控制體的量+控制體內(nèi)量的積累 穩(wěn)定過程： 輸入控制體的量 = 輸出控制體的量衡算目的：決定要處理的量或任何一個物理量；設備尺寸大小 衡算基準：單位時間 33例0-2 濃度為20%（質(zhì)量百分比）的KNO3水溶液以1000kg/h的流量送入蒸發(fā)器。在149溫度下蒸出一部分水得到濃度為50%的水溶液，再送入結(jié)晶器，冷卻至38后，析出含有4%結(jié)晶水的KNO3晶體并不斷取走，濃度為37.5%的KNO3飽和母液則返回蒸發(fā)器循環(huán)處

14、理。試求結(jié)晶產(chǎn)品量P、水分蒸發(fā)量W、循環(huán)母液量R及濃縮溶液量S。料液1000kg/h20%KNO3R kg/h37.5%KNO3S kg/h50%KNO3結(jié)晶產(chǎn)品P kg/h4% 水水，W kg/h解：（1）結(jié)晶產(chǎn)品量P及水分蒸發(fā)量W首先根據(jù)題意畫出過程示意圖。34料液1000kg/h20%KNO3R kg/h37.5%KNO3S kg/h50%KNO3結(jié)晶產(chǎn)品P kg/h4% 水水，W kg/h在圖中虛線方框I所示的范圍內(nèi)作物料衡算。I 因過程中無化學反應，且為連續(xù)穩(wěn)定過程，故可寫出總物料衡算式及KNO3的衡算式，即： 1000=W+P 1000（0.20）=W（0）+P（1-0.04） 及 解得P=208.3 kg/hW=791.7 kg/h35（2）循環(huán)母液量R及濃縮溶液量S料液1000kg/h20%KNO3R kg/h37.5%KNO3S kg/h50%KNO3結(jié)晶產(chǎn)品P kg/h4% 水水，W kg/hI I I 在圖中虛線方框II 所示的范圍內(nèi)作總物料衡算及KNO3衡算 S=R+208.3 S（0.50）= R（0.375