廣東工業(yè)大學(xué)化工原理《化工原理》緒論課件

化工原理廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院李軍e-mail:hgxlee@163.comPrinciplesofChemicalEngineering緒論Introduction化工原理在化工領(lǐng)域中的地位一.課程的由來(lái)、內(nèi)容和性質(zhì)二.單位制及單位換算三.兩條主線(xiàn)、五個(gè)概念1.課堂講授：圍繞教學(xué)大綱進(jìn)行講授，以教材為藍(lán)本；2.習(xí)題課：講完課后安排一次習(xí)題課；3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)：通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助學(xué)生理解所學(xué)理論。4．輔導(dǎo)答疑5．作業(yè)：每章交一次，計(jì)算題求解步驟。6．考核考勤：10%（缺勤超1/3者沒(méi)有考試資格）作業(yè)：10%（缺作業(yè)超1/3者沒(méi)有考試資格）考試：80%

1.1922年美國(guó)化工學(xué)會(huì)年會(huì)里特爾(A.D.LiThle)

提出建立“單元操作”（UnitOperations）的概念“任何一個(gè)化學(xué)過(guò)程,不管它的規(guī)模如何,都可分解成為一系列互相類(lèi)同的被稱(chēng)作“單元操作(Unitoperation)”的組成部分，如粉碎、混合、加熱、焙燒、吸收、沉淀、結(jié)晶、過(guò)濾、溶解等。這些基本單元操作的數(shù)目并不多，對(duì)于一個(gè)特定的加工過(guò)程，可能只包括它們中的幾個(gè)。要使化學(xué)工程師們具備廣博地適應(yīng)職業(yè)需要的能力，只能是對(duì)實(shí)際規(guī)模上所進(jìn)行的過(guò)程作出分析并將其分成多個(gè)單元操作來(lái)獲得?！保ㄒ唬┯蓙?lái)和發(fā)展一.課程的由來(lái)發(fā)展、內(nèi)容和性質(zhì)2.1923年MIT(麻省理工學(xué)院)的著名教授W.D.Walker（沃克）、W.H.Lewis（劉易斯）和W.H.Mcadams等人根據(jù)此概念寫(xiě)成了第一部單元操作的書(shū)“PrinciplesofChemicalEngineering

（化工原理）”從以產(chǎn)品來(lái)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(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)展起了重要的推動(dòng)作用。3.此后,研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)量傳遞、熱量傳遞與質(zhì)量傳遞在許多過(guò)程中同時(shí)發(fā)生,并且三種傳遞現(xiàn)象有類(lèi)似性。這使得原來(lái)本是分立學(xué)科的“三傳”合而為一。1960年，威斯康新大學(xué)的Bird(伯德)等人把“三傳”的內(nèi)容組織在一起寫(xiě)成了《Transportphenomena》(傳遞現(xiàn)象)一書(shū)，加強(qiáng)了學(xué)生工程學(xué)科基礎(chǔ)的訓(xùn)練。與此同時(shí)，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程經(jīng)過(guò)了由“單元過(guò)程”到“化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)”的發(fā)展。至此，化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展到了“三傳一反”的較完整階段。

4.計(jì)算機(jī)應(yīng)用的快速發(fā)展，使化學(xué)工程成為更完整的體系，并推向了“過(guò)程優(yōu)化集成”、“分子模擬”的新階段。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，化學(xué)工程與相鄰學(xué)科相融合逐漸形成了若干新的分支與生長(zhǎng)點(diǎn)，諸如生物化學(xué)工程、分子化學(xué)工程、環(huán)境化學(xué)工程、能源化學(xué)工程、計(jì)算化學(xué)工程、軟化學(xué)工程、微電子化學(xué)工程等。同時(shí)，上述新興產(chǎn)業(yè)與學(xué)科的發(fā)展，也推動(dòng)了特殊領(lǐng)域化學(xué)工程的進(jìn)步。單元操作（UnitOperations）

一切化工生產(chǎn)過(guò)程不論其生產(chǎn)規(guī)模大小，除化學(xué)反應(yīng)外，其它均可分解為一系列的物理加工過(guò)程。這些物理加工過(guò)程稱(chēng)為“單元操作”。

《化工原理》是化工類(lèi)及相近專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，兼有“科學(xué)”與“技術(shù)”的特點(diǎn)，它是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和算法語(yǔ)言等基礎(chǔ)知識(shí)，將自然科學(xué)中的基本原理（質(zhì)量守衡、能量守衡及平衡關(guān)系等）用來(lái)研究化工生產(chǎn)中內(nèi)在的共同規(guī)律，討論化工生產(chǎn)中共同的基本過(guò)程的基本原理、典型設(shè)備結(jié)構(gòu)，工藝尺寸設(shè)計(jì)和設(shè)備的選型以及計(jì)算方法的一門(mén)工程學(xué)科。本課程強(qiáng)調(diào)工程觀點(diǎn)、定量運(yùn)算、實(shí)驗(yàn)技能及設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際。在化工類(lèi)專(zhuān)門(mén)人才培養(yǎng)中，它承擔(dān)著工程科學(xué)與工程技術(shù)的雙重教育任務(wù)，擔(dān)負(fù)著由理論到工程、由基礎(chǔ)到專(zhuān)業(yè)的橋梁作用?；ぴ硎腔ゎ?lèi)各專(zhuān)業(yè)重點(diǎn)課程之一，是化工類(lèi)學(xué)生最實(shí)用的一門(mén)課程，是化工類(lèi)學(xué)生考研課程。（二）內(nèi)容和性質(zhì)《化工原理》課程的特點(diǎn)：

化工生產(chǎn)過(guò)程實(shí)例

濕法磷酸生產(chǎn)工藝流程

磷礦石破碎球磨酸解反應(yīng)過(guò)濾濃縮精制磷酸（化肥、飼料用）磷酸（醫(yī)藥、食品用）硫酸HF氣體（回收）過(guò)濾水濾渣石膏洗液加工成鹽化工生產(chǎn)過(guò)程實(shí)例

檸檬酸生產(chǎn)工藝流程

白薯干粉碎發(fā)酵反應(yīng)過(guò)濾中和過(guò)濾酸解過(guò)濾產(chǎn)品石灰乳CaCO3

粗鹽液

凈化H2SO4

廢糖液濃縮結(jié)晶離心干燥菌體、殘?jiān)どa(chǎn)過(guò)程實(shí)例

氨基比林生產(chǎn)工藝流程

吡唑酮硫酸二甲酯水甲基化堿處理配料亞硝化還原4－氨基安替比林母液制安乃近亞硝酸鈉結(jié)晶

還原劑液氨硫酸硫酸安替比林離心脫水

4－氨基安替比林晶體制氨基比林安替比林NaOHH2SO4化工生產(chǎn)過(guò)程實(shí)例

氨基比林生產(chǎn)工藝流程

4－氨基安替比林晶體水溶解氫化脫色壓濾母液濃縮回收吸附后的活性炭成品結(jié)晶

蒸餾水洗滌脫水

氨基比林成品氫氣甲醛觸媒活性炭氣流干燥

氨基比林濕品化工生產(chǎn)裝置實(shí)例

大芳烴裝置化工生產(chǎn)裝置實(shí)例

合成氨裝置化工生產(chǎn)裝置實(shí)例

天然氣凈化化工生產(chǎn)裝置實(shí)例

單元操作目的物態(tài)原理傳遞流體輸送輸送l、g輸入機(jī)械能動(dòng)量傳遞攪拌混合、分散g、l、s~l輸入機(jī)械能沉降非均相混合物分離g、l～sΔρ引起沉降過(guò)濾同上g、l～s尺度不同的截留換熱升、降T，or改變相態(tài)g、l利用ΔT傳入、移出熱量熱量傳遞蒸發(fā)溶劑與不揮發(fā)性溶質(zhì)分離

l供熱汽化溶劑氣體吸收均相混合物分離g溶解度不同質(zhì)量傳遞液體精餾均相混合物分離l揮發(fā)度不同萃取均相混合物分離l溶解度不同干燥去濕s供熱汽化吸附均相混合物分離g、l吸附能力不同表：常見(jiàn)單元操作

三傳:《化工原理》的共同規(guī)律和聯(lián)系

動(dòng)量傳遞流體內(nèi)部由于動(dòng)量、密度的空間分布不均而引起動(dòng)量在時(shí)空中的傳遞過(guò)程。

熱量傳遞內(nèi)能在時(shí)空中的傳遞過(guò)程，是由溫度在空間的非均勻分布造成。

質(zhì)量傳遞濃度在時(shí)空中分布的不均勻性。共同的研究對(duì)象—傳遞過(guò)程

1.物理性操作即只改變物料的狀態(tài)或物性，并不改變化學(xué)性質(zhì)；

2.它們都是化工生產(chǎn)過(guò)程中共有的操作，但不同的化工過(guò)程中所包含的單元操作數(shù)目、名稱(chēng)與排列順序各異；

3.對(duì)同樣的工程目的，可采用不同的單元操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.某單元操作用于不同的化工過(guò)程，其基本原理并無(wú)不同，進(jìn)行該操作的設(shè)備也往往是通用的。具體應(yīng)用時(shí)也要結(jié)合各化工過(guò)程的特點(diǎn)來(lái)考慮，如原材料與產(chǎn)品的理化性質(zhì)，生產(chǎn)規(guī)模等。實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性—過(guò)程、體系、設(shè)備、工程性強(qiáng)、計(jì)算量大單元操作的特點(diǎn)（Unitoperations）

各種單元操作根據(jù)不同的物理化學(xué)原理，采用相應(yīng)的設(shè)備，達(dá)到各自的工藝目的。對(duì)于單元操作，可從不同角度加以分類(lèi)。根據(jù)各單元操作所遵循的規(guī)律，將其劃分為如下類(lèi)型，即：（1）遵循流體動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律的單元操作，包括流體輸送、沉降、過(guò)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(lái)看，這些操作都可將混合物進(jìn)行分離，故又稱(chēng)之為分離操作。（4）同時(shí)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。另外，還有熱力過(guò)程（制冷）、粉體工程（粉碎、顆粒分級(jí)、流態(tài)化）等單元操作。單元操作的分類(lèi)

隨著新產(chǎn)品、新工藝的開(kāi)發(fā)或?yàn)閷?shí)現(xiàn)綠色化工生產(chǎn)，對(duì)物理過(guò)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(shù)，如膜分離、參數(shù)泵分離、電磁分離、超臨界技術(shù)等。同時(shí)，以節(jié)約能耗，提高效率或潔凈無(wú)污染生產(chǎn)的集成化工藝（如反應(yīng)精餾、反應(yīng)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(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。單元操作的研究包括“過(guò)程”和“設(shè)備”兩個(gè)方面的內(nèi)容，故單元操作又稱(chēng)為化工過(guò)程和設(shè)備?；ぴ硎茄芯恐T單元操作共性的課程。開(kāi)發(fā)新的化工單元操作

課程特點(diǎn)——理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的工程研究方法

經(jīng)驗(yàn)方法理論方法相似準(zhǔn)則：利用經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和工程放大因次分析：得出無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)方程，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定參數(shù)動(dòng)量守恒：動(dòng)量傳遞質(zhì)量守恒：質(zhì)量傳遞熱量守恒：熱量傳遞利用基本定律對(duì)過(guò)程的微觀機(jī)理進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述（數(shù)學(xué)模型）“三傳一反”中的“三傳”——現(xiàn)象方程注：該方法著眼于過(guò)程參數(shù)的整體變化，不究其微觀機(jī)理，得到的結(jié)果帶有局限性，不可任意推而廣之。以“三傳”為物理內(nèi)核的單元操作工程問(wèn)題的復(fù)雜性與“化工原理”半理論、

半經(jīng)驗(yàn)的方法特點(diǎn)實(shí)際工程復(fù)雜問(wèn)題理論與經(jīng)驗(yàn)是化工工程技術(shù)人員邁向成功的兩條腿分析并抓住描述過(guò)程物理本質(zhì)的基本規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸確定待定模型參數(shù)對(duì)次要因素作出合理假設(shè)（簡(jiǎn)化）建立數(shù)學(xué)模型通過(guò)實(shí)驗(yàn)或工程實(shí)踐檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃浴皞鬟f過(guò)程”理論能夠通過(guò)數(shù)學(xué)物理方程和動(dòng)力學(xué)相似準(zhǔn)則指明化工過(guò)程實(shí)驗(yàn)規(guī)劃的策略、預(yù)測(cè)過(guò)程的結(jié)果或進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬并且確定推廣應(yīng)用和放大設(shè)計(jì)的規(guī)則。學(xué)習(xí)《化工原理》的目的和要求

掌握規(guī)律診斷過(guò)程開(kāi)發(fā)工藝強(qiáng)化操作創(chuàng)新設(shè)計(jì)

課程:干糧獵槍學(xué)習(xí)本課程中，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面能力的培養(yǎng)：（1）單元操作和設(shè)備選擇的能力（2）工程設(shè)計(jì)能力（3）操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過(guò)程的能力（4）過(guò)程開(kāi)發(fā)或科學(xué)研究能力將可能變現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)工程目的，這是綜合創(chuàng)造能力的體現(xiàn)?！痘ぴ怼方虒W(xué)邏輯：掌握基本原理

突出過(guò)程強(qiáng)化

激發(fā)交叉興趣

增強(qiáng)創(chuàng)新能力二.單位制及單位換算（一）單位制：

國(guó)際上趨向于采用國(guó)際單位制（SI制）。SI制基本單位7個(gè)：長(zhǎng)度L：米（m）

質(zhì)量M：千克（kg）時(shí)間T：秒（s）

熱力學(xué)溫度θ：開(kāi)爾文（k）物質(zhì)的量：摩爾（mol）電流I：安培（A）發(fā)光強(qiáng)度：燭光（cd）SI制主要優(yōu)點(diǎn)：①通用性：是一套完整的單位制，適合于各個(gè)領(lǐng)域；②一貫性：每種物理量只有一個(gè)單位，如熱功都用J（焦耳）表示

化工生產(chǎn)中，還使用一些非SI單位，如：溫度有℃，時(shí)間min、hr、d、Yr，壓強(qiáng)單位除了Pa外，有atm、mmHg、m水柱、bar、ata等?；疚锢砹繂挝恢崎L(zhǎng)度（L)時(shí)間（T)質(zhì)量（M）重力（F)絕對(duì)單位制Cgs制cmsgkgms制mskg英制ftslb工程單位制米制mskgf英制ftslbf（二）單位換算

物理量＝數(shù)字×單位單位＝物理量／數(shù)字*將物理量單位由一種制度換算成另一種制度時(shí)，換算時(shí)只需乘以?xún)上嚓P(guān)物理單位之間的換算系數(shù)。*經(jīng)驗(yàn)公式（又稱(chēng)數(shù)字公式，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理而得）中各符號(hào)只代表物理量的數(shù)字部分，而它們的單位必須采用指定的單位。例0-1：通用氣體常數(shù)R＝0.08206atm.L／mol.K，試用國(guó)際單位J／mol.K表示。解：R＝0.08206atm.L／mol.K＝0.08206atm.L／mol.K×1m^3／1000L×101325Pa／atm＝8.314Pa.m^3／mol.K＝8.314J／mol.K（一）化工原理課程的兩條主線(xiàn)1.動(dòng)量傳遞、傳熱和傳質(zhì)皆屬于傳遞過(guò)程，是本門(mén)課程統(tǒng)一的研究對(duì)象，是聯(lián)系各單元操作的一條主線(xiàn)。2.研究工程問(wèn)題的方法論是聯(lián)系各單元操作的另一條主線(xiàn)。各單元操作有共同的研究方法。a.實(shí)驗(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)的方法）

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(chēng)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。

b.數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法）

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)。如一個(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，能建立數(shù)學(xué)方程并能直接求解，則稱(chēng)為解析法。三.兩條主線(xiàn)、五個(gè)基本概念數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論）因次論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究法實(shí)驗(yàn)：尋找函數(shù)形式，決定參數(shù)課程的展開(kāi)方式過(guò)程分析--過(guò)程數(shù)學(xué)描述--實(shí)例分析定性--定量--應(yīng)用目的原理設(shè)計(jì)、操作實(shí)施方法--工程問(wèn)題的--提煉工經(jīng)濟(jì)分析各種處理方法程觀點(diǎn)（二）五個(gè)基本概念

物料衡算、能量衡算、物料的平衡關(guān)系、過(guò)程速率和經(jīng)濟(jì)核算五個(gè)基本概念貫穿于各個(gè)單元操作的始終?；み^(guò)程計(jì)算可分為設(shè)計(jì)型計(jì)算和操作型計(jì)算兩類(lèi)，其在不同計(jì)算中的處理方法各有特點(diǎn)，但是不管何種計(jì)算都是以質(zhì)量守恒、能量守恒、平衡關(guān)系和速率關(guān)系為基礎(chǔ)的。上述五種基本關(guān)系將在有關(guān)章節(jié)陸續(xù)介紹。穩(wěn)定過(guò)程和不穩(wěn)定過(guò)程穩(wěn)定過(guò)程:某一固定位置上物料組成、溫度、壓強(qiáng)、流速