化工原理__绪论

1、 化化 工工 原原 理理 Principles of Chemical Engineering化学工业与化学工程化学工业与化学工程 化工原理在化工领域中的地位化工原理在化工领域中的地位 一一.课程的由来、内容和性质课程的由来、内容和性质一一. .课程的由来发展、内容和性质课程的由来发展、内容和性质（一）由来和发展（一）由来和发展 萌牙时期萌牙时期:现代化工生产始于现代化工生产始于18世纪的法国世纪的法国,特点：以特点：以研究某一产品的生产技术为研究某一产品的生产技术为 对象，形成了各种工艺对象，形成了各种工艺学。例如：纯碱工艺学、硫酸工艺学等学。例如：纯碱工艺学、硫酸工艺学等 。 1922年美

2、国化工学会年会年美国化工学会年会 里特尔里特尔(A.D.LiThle) 提出建提出建立立“” （）的概念的概念 : “任何一个化学过程任何一个化学过程,不管它的规模如何不管它的规模如何,都可分解成为都可分解成为一系列互相类同的被称作一系列互相类同的被称作“单元操作单元操作”的组成部分，的组成部分，如粉碎、混合、加热、焙烧、吸收、沉淀、结晶、过如粉碎、混合、加热、焙烧、吸收、沉淀、结晶、过滤、溶解等。这些基本单元操作的数目并不多，对于滤、溶解等。这些基本单元操作的数目并不多，对于一个特定的加工过程，可能只包括它们中的几个。要一个特定的加工过程，可能只包括它们中的几个。要使化学工程师们具备广博地适

3、应职业需要的能力，只使化学工程师们具备广博地适应职业需要的能力，只能是对实际规模上所进行的过程作出分析并将其分成能是对实际规模上所进行的过程作出分析并将其分成多个单元操作来获得多个单元操作来获得”。 1923年年 MIT的著名教授的著名教授 W.D.Walker、W.H.Lewis和和W.H.Mcadams等人写成了第一部单元操作的书等人写成了第一部单元操作的书 “Principles of Chemical Engineering” 研究发现研究发现动量传递动量传递(momentum transfer process ,又称流又称流体流动过程体流动过程fluid flow process)

4、、热量传递、热量传递（或称传热（或称传热过程，过程，heat transfer process）与质量传递与质量传递（或称传质（或称传质过程，过程，mass transfer process）在许多过程中同时发生在许多过程中同时发生,并并且三种传递现象有类似性。这使得原来本是分立学科且三种传递现象有类似性。这使得原来本是分立学科的的“三传三传”合而为一。合而为一。1960年，美国威斯康新大学的年，美国威斯康新大学的Bird等人把等人把“三传三传”的内容组织在一起写成的内容组织在一起写成Transport phenomena 一书，加强了学生工程学一书，加强了学生工程学科基础的训练。科基础的训练

5、。与此同时，化学反应过程经过了由与此同时，化学反应过程经过了由“单元过程单元过程”到到“化学反应工程学化学反应工程学”的发展。至此，化学工程学科发的发展。至此，化学工程学科发展到了展到了“”的较完整阶段。（化学工程学时的较完整阶段。（化学工程学时期）期）、单元操作单元操作（Unit OperationsUnit Operations） 一切化工生产过程不论其生产规模大小，除化学一切化工生产过程不论其生产规模大小，除化学反应外，其它均可分解为一系列的物理加工过程。这反应外，其它均可分解为一系列的物理加工过程。这些物理加工过程称为些物理加工过程称为“单元操作单元操作”。 nClHCClHCHClH

6、C323222聚合合成原料提纯原料提纯单体合成单体合成单体精制单体精制压缩冷凝压缩冷凝聚合聚合脱水干燥脱水干燥产品产品反应热反应热反应热反应热乙炔乙炔 氯化氢氯化氢乙炔法制聚氯乙烯乙炔法制聚氯乙烯（二）内容和性质（二）内容和性质本课程特点：本课程特点： 化工原理化工原理是专业技术基础课，兼有是专业技术基础课，兼有“科学科学”与与“技技术术”的特点，它是综合运用数学、物理、化学和算法语言等的特点，它是综合运用数学、物理、化学和算法语言等基础知识，将自然科学中的基本原理（质量守衡、能量守衡基础知识，将自然科学中的基本原理（质量守衡、能量守衡及平衡关系等）用来研究及平衡关系等）用来研究化工生产中内在

7、的共同规律化工生产中内在的共同规律，讨论，讨论化工生产中共同的基本过程的基本原理、典型设备结构，工化工生产中共同的基本过程的基本原理、典型设备结构，工艺尺寸设计和设备的选型以及计算方法艺尺寸设计和设备的选型以及计算方法的一门工程学科。的一门工程学科。 本课程强调本课程强调工程观点、定量运算、实验技能及设计能力工程观点、定量运算、实验技能及设计能力的培养，强调理论联系实际。在化工类专门人才培养中，它的培养，强调理论联系实际。在化工类专门人才培养中，它承担着工程科学与工程技术的双重教育任务，担负着由理论承担着工程科学与工程技术的双重教育任务，担负着由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用。化工原理是化

8、工类各专到工程、由基础到专业的桥梁作用。化工原理是化工类各专业重点课程之一，是化工类学生最实用的一门课程，是化工业重点课程之一，是化工类学生最实用的一门课程，是化工类学生类学生考研课程考研课程。单元操作的特点单元操作的特点共同的研究对象共同的研究对象传递过程传递过程 物理性操作，即只改变物料状态或物性，不改变化学性质物理性操作，即只改变物料状态或物性，不改变化学性质; ;都是化工生产过程中共有的操作，但不同的化工过程中所都是化工生产过程中共有的操作，但不同的化工过程中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异；包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异；对同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实现对

9、同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实现 ；某单元操作用于不同的化工过程，其基本原理并无不同，某单元操作用于不同的化工过程，其基本原理并无不同，进行该操作的设备也往往是通用的。具体应用时也要结合进行该操作的设备也往往是通用的。具体应用时也要结合各化工过程的特点来考虑，如理化性质，生产规模等。各化工过程的特点来考虑，如理化性质，生产规模等。实际问题的复杂性实际问题的复杂性过程、体系、设备、工程性强、计算量大过程、体系、设备、工程性强、计算量大三三 传传: :化工原理化工原理的共同规律和联系的共同规律和联系 动量传递动量传递: :流体内部由于动量、密度的空间分布不均而引流体内部由于动量、密度的空

10、间分布不均而引起动量在时空中的传递过程。起动量在时空中的传递过程。热量传递热量传递：内能在时空中的传递过程，是由温度在空间的：内能在时空中的传递过程，是由温度在空间的非均匀分布造成。非均匀分布造成。质量传递质量传递：浓度在时空中分布的不均匀性。：浓度在时空中分布的不均匀性。单元操作单元操作目的目的物态物态原理原理传递传递流体输送流体输送 输送输送l 、g 输入机械能输入机械能 动量动量传递传递搅拌搅拌 混合、分散混合、分散 g、l、sl 输入机械能输入机械能沉降沉降 非均相混合物分离非均相混合物分离 g、ls 引起沉降引起沉降 过滤过滤 同上同上 g、ls 尺度不同的截留尺度不同的截留 换热换

11、热 升、降升、降T，or改变改变相态相态 g、l 利用利用T传入、移传入、移出热量出热量 热量热量传递传递蒸发蒸发 溶剂与不挥发性溶溶剂与不挥发性溶质分离质分离 l 供热汽化溶剂供热汽化溶剂 气体吸收气体吸收均相混合物分离均相混合物分离 g 溶解度不同溶解度不同 质量质量 传递传递液体精馏液体精馏均相混合物分离均相混合物分离l挥发度不同挥发度不同 萃取萃取 均相混合物分离均相混合物分离l溶解度不同溶解度不同 干燥干燥 去湿去湿 s供热汽化供热汽化 吸附吸附均相混合物分离均相混合物分离g、l 吸附能力不同吸附能力不同化工常见单元操作见下表所示：化工常见单元操作见下表所示：学习学习化工原理化工原理

12、的目的和要求的目的和要求 课程课程:干粮干粮 猎枪猎枪二二.单位制及单位换算单位制及单位换算（一）单位制（一）单位制： 是由一定数量的基本单位和导出单位组成的是由一定数量的基本单位和导出单位组成的 国际上趋向于采用国际单位制（国际上趋向于采用国际单位制（SI制）制）,SI制基本单位制基本单位7个：个： 长度长度 L ： 米米 ( m ) 质量质量 M ：千克（公斤）：千克（公斤） (kg) 时间时间 T ：秒：秒 ( s ) 热力学温度热力学温度： 开开尔文尔文 ( k ) 物质的量物质的量N : 摩摩尔尔 (mol) 电流电流 I ： 安培安培 ( A ) 发光强度发光强度J : 坎坎德拉德

13、拉 ( cd )SI制主要优点：制主要优点：通用性通用性：是一套完整的单位制，适合于各个领域；：是一套完整的单位制，适合于各个领域；一贯性一贯性：每种物理量只有一个单位，如热功都用：每种物理量只有一个单位，如热功都用J（焦耳）表示（焦耳）表示 化工生产中，还使用一些非化工生产中，还使用一些非SI单位，如：温度有单位，如：温度有，时间，时间 min、hr、d、Yr，压强单位除了，压强单位除了Pa外，有外，有atm、mmHg、m水柱、水柱、bar、ata等。等。 成语成语“半斤八两半斤八两” 基本物理量基本物理量 长度长度（L)时间时间（T)质量质量（M）重力重力（F)绝对绝对单位制单位制Cgs制

14、制cmsgkgms制制mskg英制英制ftslb工程工程单位制单位制米制米制mskgf英制英制ftslbf（二）单位换算（二）单位换算物理量数字物理量数字单位单位 单位物理量数字单位物理量数字 将物理量单位由一种制度换算成另一种制度时，将物理量单位由一种制度换算成另一种制度时，换算时只需乘以两相关物理单位之间的换算系数换算时只需乘以两相关物理单位之间的换算系数。*经验公式经验公式（又称数字公式，根据实验结果整理而得）中（又称数字公式，根据实验结果整理而得）中各符号只代表物理量的数字部分，而它们的单位必须采各符号只代表物理量的数字部分，而它们的单位必须采用指定的单位用指定的单位。 例例0-1.0

15、-1.通用气体常数通用气体常数R R0.08206 atm.L0.08206 atm.Lmol.Kmol.K，试用国，试用国际单位际单位J Jmol.Kmol.K表示。表示。解：解：R R0.08206atm.L0.08206atm.Lmol.Kmol.K 0.08206atm.L0.08206atm.Lmol.Kmol.K1m1m3 31000L L101325Pa101325Paatmatm 8.314 Pa.m8.314 Pa.m3 3 mol.K mol.K 8.314 J8.314 Jmol.Kmol.K 数学模型法（半经验半理论）数学模型法（半经验半理论）因次论指导下的实验研究法因

16、次论指导下的实验研究法实验：寻找函数形式，决定参数实验：寻找函数形式，决定参数实验：检验模型，确定参数实验：检验模型，确定参数K（二）五个基本概念（二）五个基本概念 针对相同设备所选用的不同操作参数，引起过针对相同设备所选用的不同操作参数，引起过程设备费用与材料费用的相应变化，因而应进行经济核算程设备费用与材料费用的相应变化，因而应进行经济核算以确定最经济的优化设计方案。以确定最经济的优化设计方案。 五个基本概念贯穿于各个单元操作的始终五个基本概念贯穿于各个单元操作的始终。 化工过程计算可分为化工过程计算可分为设计型设计型计算和计算和操作型操作型计算两类，计算两类，其在不同计算中的处理方法各有

17、特点，但是不管何种计算其在不同计算中的处理方法各有特点，但是不管何种计算都是以质量守恒、能量守恒、平衡关系和速率关系为基础都是以质量守恒、能量守恒、平衡关系和速率关系为基础的。上述五种基本关系将在有关章节陆续介绍。的。上述五种基本关系将在有关章节陆续介绍。 稳定过程和不稳定过程稳定过程和不稳定过程 稳定过程稳定过程: :某一固定位置上物料组成、某一固定位置上物料组成、 温度、温度、 压强、压强、流速等参数不随时间变化。流速等参数不随时间变化。 不稳定过程不稳定过程: : 间歇操作、连续操作中的开车、波动间歇操作、连续操作中的开车、波动及故障等及故障等。：(L-L G-L V-L G-S L-S

18、)(L-L G-L V-L G-S L-S) 平衡关系可判断过程能否进行，及进行的方向和平衡关系可判断过程能否进行，及进行的方向和限度。任何传递过程都有一个极限，当传递过程达到限度。任何传递过程都有一个极限，当传递过程达到极限时，其过程进行的极限时，其过程进行的推动力推动力为零，此时净的传递速为零，此时净的传递速率为零，即称为率为零，即称为“平衡平衡”。 推动力推动力: : ：单位时间内所传递的能量（动量，热量）：单位时间内所传递的能量（动量，热量）或物质量或物质量, ,是决定化工设备的重要因素。过程速率的是决定化工设备的重要因素。过程速率的增大可节约时间，提高设备的生产能力。增大可节约时间，提高设备的生产能力。 传递速率传递速率=推动力推动力/阻力阻力本讲要点本讲要点 化工原理教学组织及要求化工原理教学组织及要求教与学的相互配合教与学的相互配合教师之职责教师之职责l筛选筛选, , 引导