广东工业大学化工原理《化工原理》绪论

1、化工原理化工原理广东工业大学轻工化工学院广东工业大学轻工化工学院李军李军e-mail: Principles of Chemical Engineering绪绪 论论Introduction1. 1. 课堂讲授：围绕教学大纲进行讲授，以教材为蓝本；课堂讲授：围绕教学大纲进行讲授，以教材为蓝本；2. 2. 习题课：讲完课后安排一次习题课；习题课：讲完课后安排一次习题课；3. 3. 实验教学：实验教学：通过验证性实验来帮助学生理解所学理论通过验证性实验来帮助学生理解所学理论。4 4辅导答疑辅导答疑 5 5作业：每章交一次，计算题求解步骤。作业：每章交一次，计算题求解步骤。6 6考核考核 考勤：考勤

2、：10%10%（缺勤超（缺勤超1/31/3者没有考试资格）者没有考试资格） 作业：作业：10%10%（缺作业超（缺作业超1/31/3者没有考试资格）者没有考试资格） 考试：考试：80% 80% 本课程的特点：本课程的特点：1 1是划分工科和理科的标准，是化工类各专业课的基础理论课是划分工科和理科的标准，是化工类各专业课的基础理论课2 2难度较大，与物理化学相当。难度较大，与物理化学相当。3. 3. 很重要，化工类研究生升学考试科目很重要，化工类研究生升学考试科目学习要求：学习要求：1 1认真听课认真听课2 2做好笔记做好笔记3 3即时复习即时复习4 4独立完成作业独立完成作业5. 5. 有疑问

3、即时问老师有疑问即时问老师 1.1922年美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) 提出提出建立建立“” （ U n i t O p e r a t i o n s ）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,都可分解成都可分解成为一系列互相类同的被称作为一系列互相类同的被称作“(Unit operation)”的组成部分，如的组成部分，如粉碎粉碎、混合混合、加热加热、焙烧焙烧、吸收吸收、沉沉淀淀、结晶结晶、过滤过滤、溶解溶解等。这些基本单元操作的数目等。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

4、们并不多，对于一个特定的加工过程，可能只包括它们中的几个。要使化学工程师们具备广博地适应职业需中的几个。要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要的能力，只能是对实际规模上所进行的过程所进行的过程作出分作出分析 并 将 其析 并 将 其 分 成分 成 多 个 单 元 操 作多 个 单 元 操 作 来来 获 得获 得 。 ”（一）由来和发展（一）由来和发展2.1923年年 MIT(麻省理工学院)的著名教授的著名教授 W.D.Walker（沃克）、W.H.Lewis（刘易斯）和和W.H. Mcadams 等人根据此概念写等人根据此概念写成了第一部单元操作的书成了第一部单元操

5、作的书 “Principles of Chemical Engineering ” 从以产品来划分的化工生产工艺中，抽象出各种单元操作，从以产品来划分的化工生产工艺中，抽象出各种单元操作，即从特殊性中总结出普遍性，是认识上的一个飞跃，对化即从特殊性中总结出普遍性，是认识上的一个飞跃，对化学工程学的形成和发展起了重要的推动作用。学工程学的形成和发展起了重要的推动作用。3.此后此后,研究发现研究发现动量传递动量传递、热量传递热量传递与与质量传递质量传递在许多过程在许多过程中同时发生中同时发生,并且并且三种传递现象三种传递现象有类似性。这使得原来本是有类似性。这使得原来本是分立学科的分立学科的“三传

6、三传”合而为一。合而为一。1960年，年，威斯康新大学的的Bird(伯德)等人把等人把“三传三传”的内容组织在一起写成了的内容组织在一起写成了Transport phenomena(传递现象传递现象)一书，加强了学生工程一书，加强了学生工程学科基础的训练。与此同时，化学反应过程经过了由学科基础的训练。与此同时，化学反应过程经过了由“单单元过程元过程”到到“化学反应工程学化学反应工程学”的发展。至此，化学工程的发展。至此，化学工程学科发展到了学科发展到了“三传一反三传一反”的较完整阶段。的较完整阶段。 4.4.计算机应用的快速发展，使化学工程成为更完整的体计算机应用的快速发展，使化学工程成为更完

7、整的体系，并推向了系，并推向了“过程优化集成过程优化集成”、“分子模拟分子模拟”的新阶段。的新阶段。随着科学技术的高速发展，化学工程与相邻学科相融合逐渐随着科学技术的高速发展，化学工程与相邻学科相融合逐渐形成了若干新的分支与生长点，诸如生物化学工程、分子化形成了若干新的分支与生长点，诸如生物化学工程、分子化学工程、环境化学工程、能源化学工程、计算化学工程、软学工程、环境化学工程、能源化学工程、计算化学工程、软化学工程、微电子化学工程等。同时，上述新兴产业与学科化学工程、微电子化学工程等。同时，上述新兴产业与学科的发展，也推动了特殊领域化学工程的进步。的发展，也推动了特殊领域化学工程的进步。单元

8、操作单元操作（Unit Operations） 一切化工生产过程不论其生产规模大小，除化学反应一切化工生产过程不论其生产规模大小，除化学反应外，其它均可外，其它均可分解分解为一系列的为一系列的物理加工过程物理加工过程。这些。这些物理加物理加工过程称为工过程称为“单元操作单元操作”。乙炔法制聚氯乙烯乙炔法制聚氯乙烯nClHCClHCHClHC323222聚合合成乙炔乙炔 氯化氢氯化氢反应热反应热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产品产品脱水干燥脱水干燥聚合聚合反应热反应热例如：例如：甲醇的生产：甲醇的生产： 合成气（合成气（CO，H2，CO2）输送输送管式反应器管式

9、反应器粗甲醇粗甲醇冷却冷却精馏精馏精甲醇（精甲醇（99.8599.95%）苯的生产：苯的生产： 原料油（甲苯、二甲苯）、原料油（甲苯、二甲苯）、H2输送输送加热加热反应器反应器减减压蒸馏塔压蒸馏塔精馏精馏苯（苯（99.99299.999%） 可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。程。 化工原理是化工类及相近专业一门重要的专业技术基化工原理是化工类及相近专业一门重要的专业技术基础课，兼有础课，兼有“科学科学”与与“技术技术”的特点，它是综合运用的特点，它是综合运用数学数学、物理物理、化学化学和和算法语言算法语言等基础知识，将自然科学中的基本原

10、理等基础知识，将自然科学中的基本原理（质量守衡质量守衡、能量守衡能量守衡及及平衡关系平衡关系等）用来研究化工生产中内等）用来研究化工生产中内在的共同规律，讨论化工生产中共同的基本过程的在的共同规律，讨论化工生产中共同的基本过程的基本原理基本原理、典型设备结构典型设备结构，工艺尺寸设计工艺尺寸设计和和设备的选型设备的选型以及以及计算方法计算方法的一的一门工程学科。门工程学科。 本课程强调本课程强调工程观点工程观点、定量运算定量运算、实验技能实验技能及及设计能力设计能力的的培养培养，强调，强调理论联系实际理论联系实际。在化工类专门人才培养中，它承担。在化工类专门人才培养中，它承担着着工程科学工程科

11、学与与工程技术工程技术的双重教育任务，担负着由理论到工程、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。化工原理是化工类各专业重点课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，是化工类学生考研课之一，是化工类学生最实用的一门课程，是化工类学生考研课程。程。（二）内容和性质（二）内容和性质 通过什么样的工程方法和设备来实现其工艺过程？ 反应物如何供给、产物又如何分离？ 如何提供反应所需的热量及使用反应放出的热量？ 怎样才能从工业规模生产中获得最佳的经济效益？ 在什么条件下所期望的化学反应才能发生？ 反应的速率将会是多大？ 不期望的反应

12、（副反应）速率又会是多大？ 转化率为多少？化学工程学科化学工程学科湿法磷酸生产工艺流程湿法磷酸生产工艺流程 磷矿石 破碎 球磨 酸解反应 过滤 浓缩 精制 磷酸（化肥、饲料用） 磷酸（医药、食品用） 硫酸HF气体（回收） 过滤 水 滤渣石膏 洗液 加工成盐 柠檬酸生产工艺流程柠檬酸生产工艺流程 白薯干 粉碎 发酵反应 过滤 中和过滤 酸解过滤产品 石灰乳CaCO3 粗盐液 净化 H2SO4 废糖液 浓缩 结晶 离心 干燥 菌体、残渣 氨基比林生产工艺流程氨基比林生产工艺流程 吡唑酮硫酸二甲酯水甲基化 碱处理 配料 亚硝化 还原4氨基安替比林母液制安乃近亚硝酸钠结晶 还原剂液氨硫酸 硫酸安替比林

13、离心脱水 4氨基安替比林晶体制氨基比林安替比林 NaOHH2SO4氨基比林生产工艺流程氨基比林生产工艺流程 4氨基安替比林晶体水溶解 氢化 脱色 压滤 母液浓缩回收吸附后的活性炭成品结晶 蒸馏水 洗涤脱水 氨基比林成品氢气甲醛触媒活性炭气流干燥 氨基比林湿品甲醇回收装置甲醇回收装置大芳烃装置大芳烃装置合成氨装置合成氨装置尿素装置尿素装置天然气净化天然气净化 流体输送：流体输送：流体通过管道的阻力损失，输送设备流体通过管道的阻力损失，输送设备 过滤：过滤：液固混合物的分离液固混合物的分离 沉降：沉降：液固或气固混合物的分离（重力、离心）液固或气固混合物的分离（重力、离心） 搅拌：搅拌：液液或液固

14、体系的混合液液或液固体系的混合 颗粒流态化：颗粒流态化：强化气（液）固两相间的接触强化气（液）固两相间的接触 气力输送：气力输送：固体微粒的管道输送固体微粒的管道输送 加热冷却：加热冷却：增加或降低特定物质的温度增加或降低特定物质的温度 蒸发：蒸发：对含有固体溶质的溶液进行浓缩制取固体产品对含有固体溶质的溶液进行浓缩制取固体产品 蒸馏：蒸馏：液体混合物的分离（组分挥发度的差异）液体混合物的分离（组分挥发度的差异） 吸收：吸收：气体混合物的分离（组分在吸收液中的溶解度）气体混合物的分离（组分在吸收液中的溶解度） 吸附：吸附：气体混合物的分离（组分在固体表面的吸附能力）气体混合物的分离（组分在固体

15、表面的吸附能力） 萃取：萃取：从液体混合物中分离有用组分（湿法冶金）从液体混合物中分离有用组分（湿法冶金） 干燥：干燥：从固体产品中去除湿分从固体产品中去除湿分 结晶：结晶：从液体混合物中得到纯的固体产品从液体混合物中得到纯的固体产品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 换热换热 升、降升、降T，or改变改变相态相态

16、 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三三 传传: :化工原理的共同规律和联系化工原理的共同规律和联系 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

17、引起动量在时空中的流体内部由于动量、密度的空间分布不均而引起动量在时空中的传递过程。传递过程。 热量传递热量传递内能在时空中的传递过程，是由温度在空间的非均匀分布造成。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。 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。共同的研究对象共同的研究对象传递过程传递过程 1.1.物理性操作物理性操作 即只改变物料的状态或物性，并不改变化学即只改变物料的状态或物性，并不改变化学性质；性质； 2.2.它们都是化工生产过程中共有的操作它们都是化工生产过程中共有的操作，但不同的化工过程，但不同的化工过程中所包含的单元操作数目、名称

18、与排列顺序各异；中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异； 3.3.对同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实现。对同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实现。 4.4.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。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具体应用时也要结合各化工过程的特点来考虑，如原材料与产品的理化性质，生产规模工过程的特点来考虑，如原材料与产品的理化性质，生产规模等。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

19、 。经验方法经验方法阻力传输过程的推动力物理量的传输速率理论方法理论方法相似准则：相似准则：利用经验公式和实验曲线进行设计和工程放大利用经验公式和实验曲线进行设计和工程放大因次分析：因次分析：得出无因次准数方程，利用实验数据确定参数得出无因次准数方程，利用实验数据确定参数动量守恒：动量守恒：动量传递动量传递质量守恒：质量守恒：质量传递质量传递热量守恒：热量守恒：热量传递热量传递 利用基本定律对过程的微观机理进行相应的数学描述利用基本定律对过程的微观机理进行相应的数学描述（数学模型）（数学模型）“三传一反三传一反”中的中的“三三传传”现象方程现象方程注：注：该方法着眼于过程参数的整体变化，不究其

20、微观机理，该方法着眼于过程参数的整体变化，不究其微观机理，得到的结果带有局限性得到的结果带有局限性 ，不可任意推而广之。，不可任意推而广之。流体输送搅拌过滤与沉降流态化气体液化液体汽化蒸发浓缩加热冷却结晶精馏气固吸附液液萃取气液吸收喷雾干燥动量传递质量传递热量传递实际工程复杂问题实际工程复杂问题理论理论与与经验经验是化工工程技术人员迈向成功的两条腿是化工工程技术人员迈向成功的两条腿分析并抓住描述分析并抓住描述过程物理本质的过程物理本质的基本规律基本规律实验数据回归确实验数据回归确定待定模型参数定待定模型参数对次要因素作出合对次要因素作出合理假设（简化）理假设（简化）建立数学模型建立数学模型通过

21、实验或工通过实验或工程实践检验模程实践检验模型的可靠性型的可靠性 “ “传递过程传递过程”理论能够通过数学物理方程和动力学相似准理论能够通过数学物理方程和动力学相似准则指明化工过程实验规划的策略、预测过程的结果或进行计算则指明化工过程实验规划的策略、预测过程的结果或进行计算机模拟并且确定推广应用和放大设计的规则。机模拟并且确定推广应用和放大设计的规则。 掌握规律掌握规律 诊断过程诊断过程 开发工艺开发工艺 强化操作强化操作 创新设计创新设计 课程课程: : 干粮干粮 猎枪猎枪学习本课程中，应注意以下几个方面学习本课程中，应注意以下几个方面能力的培养能力的培养：（1 1）单元操作和设备选择的能力

22、单元操作和设备选择的能力（2 2）工程设计能力工程设计能力（3 3）操作和调节生产过程的能力操作和调节生产过程的能力（4 4）过程开发或科学研究能力过程开发或科学研究能力将可能变现实，实现工程目的，这是将可能变现实，实现工程目的，这是综合创造能力综合创造能力的体现。的体现。掌握基本原理掌握基本原理 突出过程强化突出过程强化 激发交叉兴趣激发交叉兴趣 增强创新能力增强创新能力（一）单位制：（一）单位制： 国际上趋向于采用国际上趋向于采用国际单位制国际单位制（SI制）。制）。SI制基本单位制基本单位7 7个个： 长度长度 L ：米米（ m ） 质量质量M：千克（千克（kg） 时间时间T：秒秒（s）

23、 热力学温度热力学温度：开尔文开尔文（k） 物质的量：摩尔（物质的量：摩尔（mol） 电流电流 I I ：安培（安培（A） 发光强度：烛光（发光强度：烛光（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 J（焦耳）焦耳）表示表示 化工生产中，还使用一些化工生产中，还使用一些非非SI单位单位，如：温度有，如：温度有，时，时间间 minmin、hrhr、d d、YrYr，压强单位除了压强单位除了PaPa外，有外，有atmatm、mmHgm

24、mHg、m m水柱、水柱、barbar、ataata等。等。 基本物理量基本物理量单位制单位制长度长度（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 物理量数字单位物理量数字单位 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，换算时只需乘以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。两相关物理单位之间的换算系数。*经验公式（又称数字公式，根据实验结果整理而得）中各符

25、号只经验公式（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用指定的单位。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。 例例0-1：通用气体常数通用气体常数R0.08206 atm.Lmol.K，试用国际单位试用国际单位Jmol.K表示。表示。 解：解：R0.08206atm.Lmol.K 0.08206atm.Lmol.K1m31000L101325Paatm 8.314 Pa.m3 mol.K 8.314 Jmol.Ka.a.实验研究方法（经验的方法）实验研究方法（经验的方法） b.b.数学模型法（半经验半理论的方法）数学模型法（半经验半理

26、论的方法） 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次论指导下的实验研究法实验：实验：寻找函数形式，决定参数寻找函数形式，决定参数课程的展开方式课程的展开方式过程分析过程分析 - 过程数学描述过程数学描述 - 实例分析实例分析 定性定性 - 定量定量 - 应用应用目的目的 原理原理 设计、操作设计、操作实施方法实施方法 - 工程问题的工程问题的 - 提炼工提炼工经济分析经济分析 各种处理方法各种处理方法 程观点程观点（二）五个基本概念（二）五个基本概念五个基本概念五个基本概念贯穿于各个单元操作的始终。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计算设计型计算和和操作型计算操作型计算两类，其两类，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的。上述五质量守恒、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。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、流速等压强、