广东工业大学化工原理《化工原理》绪论

1、化工(hugng)原理广东工业(gngy)大学轻工化工学院李军e-mail: Principles of Chemical Engineering共四十四页绪 论Introduction化工原理(yunl)在化工领域中的地位一.课程的由来、内容(nirng)和性质二.单位制及单位换算三.两条主线、五个概念共四十四页1. 课堂讲授：围绕教学大纲进行讲授，以教材为蓝本；2. 习题课：讲完课后安排一次习题课；3. 实验教学：通过验证(ynzhng)性实验来帮助学生理解所学理论。4辅导答疑 5作业：每章交一次，计算题求解(qi ji)步骤。6考核 考勤：10%（缺勤超1/3者没有考试资格） 作业：10

2、%（缺作业超1/3者没有考试资格） 考试：80% 共四十四页本课程的特点：1是划分工科和理科的标准，是化工类各专业课的基础(jch)理论课2难度较大，与物理化学相当。3. 很重要，化工类研究生升学考试科目学习要求：1认真听课2做好笔记3即时复习(fx)4独立完成作业5. 有疑问即时问老师共四十四页 1.1922年美国化工学会年会 里特尔(A.D.LiThle) 提出建立“单元操作” （Unit Operations）的概念 “任何一个化学过程,不管它的规模如何,都可分解成为一系列互相类同的被称作“单元操作(Unit operation)”的组成部分，如粉碎、混合、加热、焙烧、吸收、沉淀、结晶、

3、过滤、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。要使化学工程师们具备广博地适应职业需要(xyo)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多个单元操作来获得。”（一）由来(yuli)和发展一.课程的由来发展、内容和性质共四十四页2.1923年 MIT(麻省理工学院)的著名教授 W.D.Walker（沃克）、W.H.Lewis（刘易斯）和W.H. Mcadams 等人根据此概念写成了第一部单元操作的书 “Principles of Chemical Engineering （化工原理）” 从以产品来划分的化工生产工艺中，抽象出各种单元操作

4、，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。3.此后,研究发现动量传递、热量传递与质量传递在许多过程中同时发生,并且三种传递现象有类似性。这使得原来本是分立学科的“三传”合而为一。1960年，威斯康新大学的Bird(伯德)等人把“三传”的内容组织在一起写成了Transport phenomena(传递现象)一书，加强了学生(xu sheng)工程学科基础的训练。与此同时，化学反应过程经过了由“单元过程”到“化学反应工程学”的发展。至此，化学工程学科发展到了“三传一反”的较完整阶段。共四十四页 4.计算机应用的快速发展，使化学工程(hu xu n

5、chn)成为更完整的体系，并推向了“过程优化集成”、“分子模拟”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。共四十四页单元操作（Unit Operations） 一切化工生产过程不论其生产规模大小(dxio)，除化学反应外，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“单元操作”。共四十四页乙炔法制(fzh)聚氯乙烯乙炔 氯化氢反应热原料(yunlio)提纯单体合成单体精

6、制压缩冷凝产品脱水干燥聚合反应热共四十四页共四十四页例如：甲醇的生产： 合成气（CO，H2，CO2）输送管式反应器粗甲醇冷却(lngqu)精馏精甲醇（99.8599.95%）苯的生产： 原料油（甲苯、二甲苯）、H2输送加热反应器减压蒸馏塔精馏苯（99.99299.999%） 可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。 共四十四页 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“科学”与“技术”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、能量守衡及平衡关系等）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基本原理、

7、典型设备结构，工艺尺寸设计和设备的选型以及计算方法的一门工程学科。 本课程强调工程观点、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，它承担着工程科学与工程技术的双重(shungchng)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。（二）内容(nirng)和性质化工原理课程的特点： 共四十四页化工原理课程(kchng)的任务 通过什么样的工程方法和设备来实现其工艺(gngy)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

8、工业规模生产中获得最佳的经济效益？热力学和反应工程“化工原理”课程的内容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（副反应）速率又会是多大？转化率为多少？化学工程学科共四十四页化工(hugng)生产过程实例 湿法磷酸生产(shngchn)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 共四十四页化工生产过程(guchng)实例 柠檬酸生产(shngchn)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 H2

9、SO4 废糖液 浓缩 结晶 离心 干燥 菌体、残渣 共四十四页化工生产过程(guchng)实例 氨基比林生产(shngchn)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 硫酸安替比林离心脱水 4氨基安替比林晶体制氨基比林安替比林 NaOHH2SO4共四十四页化工生产(shngchn)过程实例 氨基比林生产(shngchn)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 氨基比林湿品共四十四页化工生产装置(zhungzh)实

10、例 共四十四页甲醇(ji chn)回收装置化工生产装置(zhungzh)实例 共四十四页大芳烃装置(zhungzh)化工生产装置(zhungzh)实例 共四十四页合成氨装置(zhungzh)化工(hugng)生产装置实例 共四十四页尿素(nio s)装置化工生产(shngchn)装置实例 共四十四页天然气净化(jnghu)化工(hugng)生产装置实例 共四十四页单元(dnyun)操作（Unit operations） 流体输送：流体通过管道的阻力损失，输送设备过滤：液固混合物的分离沉降：液固或气固混合物的分离（重力、离心）搅拌(jiobn)：液液或液固体系的混合颗粒流态化：强化气（液）固两相

11、间的接触气力输送：固体微粒的管道输送加热冷却：增加或降低特定物质的温度蒸发：对含有固体溶质的溶液进行浓缩制取固体产品蒸馏：液体混合物的分离（组分挥发度的差异）吸收：气体混合物的分离（组分在吸收液中的溶解度）吸附：气体混合物的分离（组分在固体表面的吸附能力）萃取：从液体混合物中分离有用组分（湿法冶金）干燥：从固体产品中去除湿分结晶：从液体混合物中得到纯的固体产品共四十四页单元操作目的物态原理传递流体输送 输送l 、g 输入机械能 动量传递搅拌 混合、分散 g、l、sl 输入机械能沉降 非均相混合物分离 g、ls 引起沉降 过滤 同上 g、ls 尺度不同的截留 换热 升、降T，or改变相态 g、l

12、 利用T传入、移出热量 热量传递蒸发 溶剂与不挥发性溶质分离 l 供热汽化溶剂 气体吸收均相混合物分离 g 溶解度不同 质量 传递液体精馏均相混合物分离l挥发度不同 萃取 均相混合物分离l溶解度不同 干燥 去湿 s供热汽化 吸附均相混合物分离g、l 吸附能力不同表：常见单元(dnyun)操作 共四十四页三 传:化工(hugng)原理的共同规律和联系 动量传递流体内部由于动量、密度的空间分布不均而引起动量在时空中的传递过程。 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。 质量传递浓度在时空中分布的不均匀性。共同的研究对象传递过程 1.物理性操作 即只改变物料的状态或物性，并不

13、改变化学性质； 2.它们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(mngchng)与排列顺序各异； 3.对同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实现。 4.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，生产规模等。实际问题的复杂性过程、体系、设备、工程性强、计算量大单元操作的特点（Unit operations） 共四十四页 各种单元操作根据不同的物理化学原理，采用相应的设备，达到(d do)各自的工艺目的。对于单元操作，可从不同角度加以分类。根据各单元操作

14、所遵循的规律，将其划分为如下类型，即：（1）遵循流体动力学基本规律的单元操作，包括流体输送、沉降、过滤、物料混合（搅拌）。（2）遵循热量传递基本规律的单元操作，包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。（3）遵循质量传递基本规律的单元操作，包括蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。从工程目的来看，这些操作都可将混合物进行分离，故又称之为分离操作。（4）同时遵循热质传递规律的单元操作，包括气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。 另外，还有热力过程（制冷）、粉体工程（粉碎、颗粒分级、流态化）等单元操作。单元操作(cozu)的分类 共四十四页 随着新产品、新工艺的开发或为实现绿色化工生产，对物理过程提出(t ch)了一些

15、特殊要求，又不断地发展出新的单元操作或化工技术，如膜分离、参数泵分离、电磁分离、超临界技术等。同时，以节约能耗，提高效率或洁净无污染生产的集成化工艺（如反应精馏、反应膜分离、萃取精馏、多塔精馏系统的优化热集成等）将是未来的发展趋势。 单元操作的研究包括“过程”和“设备”两个方面的内容，故单元操作又称为化工过程和设备。化工原理是研究诸单元操作共性的课程。开发新的化工单元(dnyun)操作 共四十四页共四十四页课程(kchng)特点理论与经验相结合的工程研究方法 经验(jngyn)方法理论方法相似准则：利用经验公式和实验曲线进行设计和工程放大因次分析：得出无因次准数方程，利用实验数据确定参数动量守

16、恒：动量传递质量守恒：质量传递热量守恒：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（数学模型）“三传一反”中的“三传”现象方程注：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 ，不可任意推而广之。共四十四页以“三传”为物理内核(ni h)的单元操作共四十四页工程问题的复杂性与“化工原理(yunl)”半理论、半经验的方法特点实际工程(gngchng)复杂问题理论与经验是化工工程技术人员迈向成功的两条腿分析并抓住描述过程物理本质的基本规律实验数据回归确定待定模型参数对次要因素作出合理假设（简化）建立数学模型通过实验或工程实践检验模型的可靠性 “传递过程”理论能

17、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机模拟并且确定推广应用和放大设计的规则。 共四十四页学习化工原理(yunl)的目的和要求 掌握规律 诊断(zhndun)过程 开发工艺 强化操作 创新设计 课程: 干粮 猎枪学习本课程中，应注意以下几个方面能力的培养：（1）单元操作和设备选择的能力（2）工程设计能力（3）操作和调节生产过程的能力（4）过程开发或科学研究能力将可能变现实，实现工程目的，这是综合创造能力的体现。化工原理教学逻辑：掌握基本原理 突出过程强化 激发交叉兴趣 增强创新能力共四十四页二.单位(dnwi)制及单位(dnwi)换算（一）单位制

18、： 国际上趋向于采用国际单位制（SI制）。SI制基本单位7个： 长度 L ：米（ m ） 质量M：千克（kg） 时间T：秒（s） 热力学温度：开尔文（k） 物质的量：摩尔（mol） 电流 I ：安培（A） 发光强度：烛光（cd）SI制主要优点：通用性：是一套完整的单位制，适合于各个领域；一贯性：每种物理量只有一个单位，如热功都用J（焦耳）表示(biosh) 化工生产中，还使用一些非SI单位，如：温度有，时间 min、hr、d、Yr，压强单位除了Pa外，有atm、mmHg、m水柱、bar、ata等。 共四十四页 基本物理量单位制长度（L)时间（T)质量（M）重力（F)绝对单位制Cgs制cmsgk

19、gms制mskg英制ftslb工程单位制米制mskgf英制ftslbf（二）单位(dnwi)换算共四十四页 物理量数字单位 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）中各符号只代表物理量的数字部分，而它们的单位必须(bx)采用指定的单位。 例0-1：通用气体常数R0.08206 atm.Lmol.K，试用国际单位Jmol.K表示。 解：R0.08206atm.Lmol.K 0.08206atm.Lmol.K1m31000L101325Paatm 8.314 Pa.m3 mol.K 8.3

20、14 Jmol.K共四十四页（一）化工(hugng)原理课程的两条主线1.动量传递、传热和传质皆属于传递过程，是本门课程统一的研究对象，是联系各单元操作的一条主线。2.研究工程问题的方法论是联系各单元操作的另一条主线。 各单元操作有共同(gngtng)的研究方法。a.实验研究方法（经验的方法） 一般用因次分析和相似论为指导，依靠实验来确定过程变量之间的关系，通过无因次数群（或称准数）构成的关系式来表达。是一种工程上通用的基本方法。 b.数学模型法（半经验半理论的方法） 在对实际过程的机理深入分析的基础上，在抓住过程本质的前提下，作出某种合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得出数学模型。通过实

21、验确定模型参数。 如一个物理过程的影响因素较少，各参数之间的关系比较简单，能建立数学方程并能直接求解，则称为解析法。三.两条主线、五个基本概念共四十四页数学模型法（半经验(jngyn)半理论）因次论指导(zhdo)下的实验研究法实验：寻找函数形式，决定参数共四十四页课程的展开(zhn ki)方式过程分析 - 过程数学描述 - 实例分析 定性 - 定量 - 应用目的 原理 设计、操作(cozu)实施方法 - 工程问题的 - 提炼工经济分析 各种处理方法 程观点（二）五个基本概念 物料衡算、能量衡算、物料的平衡关系、过程速率和经济核算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设计型

22、计算和操作型计算两类，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。共四十四页稳定过程和不稳定过程稳定过程:某一固定位置上物料组成、 温度、 压强、流速等参数不随时间变化。不稳定过程：间歇操作、连续操作中的开车、波动及故障等。平衡关系：(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，其过程进行的推动力为零，此时净的传递速率为零，即称为“平衡”。 流体流动P 热量(rling)传递T 传质过程C 过程速率：单位时间内所传递的能量（动量，热量）或物质量,是决定化工设备的重要因素。