化工原理-绪论课件

化工原理PrinciplesofchemicalEngineering

化工原理PrinciplesofchemicalEng1前言一、课程安排二、学习要求三、教材四、参考资料前言一、课程安排2一、课程安排（课堂）

1课堂教学（56学时）

前言、绪论2学时

第一章流体的流动与输送14学时

第二章传热10学时

第三章机械分离与固体流态化10学时第四章物料干燥10学时

第五章蒸馏6学时

习题4学时一、课程安排（课堂）

1课堂教学（56学时）

前言、绪3课程安排（实验）

2实验（16学时）实验一流体流动状态观察与测定(课堂录像演示)实验二柏努利方程实验(课堂录像演示)实验三直管阻力实验实验四离心泵特性曲线实验实验五过滤实验六综合实验——流态化干燥与热风干燥的比较课程安排（实验）

2实验（16学时）4二、学习要求

上课、实验前要求预习、课后要求复习、总结。作业及时完成，不懂的及时弄懂。成立学习小组(4~5人/组),按组或个人通过网络交作业。

文件名：学号-姓名-单元名称不要缺课、认真听讲、开动脑筋、积极思考。重视实验，通过实验培养、提高实验能力（分析、解决一般工程技术问题的能力）。二、学习要求

上课、实验前要求预习、课后要求复习、总结。5三、教材

《化工原理》第3版管国锋、赵汝溥化学工业出版社，2008三、教材6四、主要参考资料

（一）书本1.《化工原理》姚玉英主编，天津科学技术出版社2.《化工原理》清华大学出版社3.《化工原理》天津大学出版社4.《化工原理》（上册）华东化工学院出版社5.化工过程与设备，刘佩茹主编，中国轻工业出版6.化工原理，陈敏恒等，化学工业出版社7.化工原理，杨祖荣主编化学工业出版社2009第二版（普通高等教育“十五”国家级规划教材）8.化工基础（第三版），化学工业出版社9.UnitOperationofChemicalEngineering

ForthEdition,W.LMccabeJ.CSmithP.Harriott四、主要参考资料

（一）书本7（二）相关期刊[1]农业工程学报：中国农业工程学会主办，全国中文核心期刊。（EI收录）

[2]农业机械学报，中国农业机械学会主办，全国中文核心期刊。（EI收录）[3]食品科学，北京市食品研究所主办，中国核心期刊

[4]食品工业科技，北京市食品研究所主办，中国中文核心期刊，轻工总会优秀期刊。

[5]食品发酵工业，中国食品发酵工业研究所、全国食品与发酵工业信息中心主办，全国中文核心期刊、国家优秀技术期刊。

[6]中国粮油学报，中国粮油学会主办，全国食品工业类中文核心期刊。

[7]华中农业大学学报，华中农业大学主办，中文核心期刊。

[8]化学工程，全国化工化学工程设计技术中心主办，核心期刊。

[9]粮食与饲料工业，国家粮食储备局武汉科学研究设计院，中文核心期刊。

[10]CerealChemical[11]JournalofFoodScience

[12]JournalofFoodEngineering[13]JournalofTextStudy[14]TransactionsoftheAmericanSocietyofAgricultureengineering

（二）相关期刊[1]农业工程学报：中国农业工程学会主办，8（三）网络资料课外作业：

做一个Powerpoint课件，介绍有关化工原理和食品工程原理课程的网络资料。（以学习小组为单位，第一次于下周交，第二次于课程结束前交）（三）网络资料9绪论课程性质、内容和任务化工过程及单元操作单位制与单位换算单元操作中常用的基本概念绪论课程性质、内容和任务101.1课程性质一、课程性质、内容及任务化工原理是食品工程、生物化工、化学工程、农副产品加工和贮藏等工科专业的学生必修的重要基础技术课程。该课程涉及面广、计算复杂。先修课：高等数学、物理、化学、物理化学（包括动力学、热力学、传热学和传质学等）、机械制图、英语、计算机等课程。1.2课程内容本课程主要介绍“三传理论”和“单元操作”。1.1课程性质一、课程性质、内容及任务化111.2课程内容基础理论部分：流体力学（重点）传热（重点）传质学（部分了解）热力学（部分了解）特点：涉及理论多，是本课程较难掌握的部分基本原理部分：液液萃取过滤与沉降溶液浓缩液体蒸馏固体干燥特点：基本原理部分各章节内容相对比较独立1.2课程内容基础理论部分：基本原理部分：12

《化工原理》是化学工程、食品工程专业学生的必修课，其主要任务是：介绍三传理论，即流体流动、传热、传质的基本原理；掌握主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型及实验研究方法；培养学生运用基础理论分析和解决化工单元操作中各种工程实际问题(计算、选型及实验研究方法)的能力。1.3课程任务《化工原理》是化学工程、食品工程专业学生的必修课，其主13

化学工业：利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成生活资料的工业。化工生产：(1)化学反应过程：如发酵、化学合成等

(2)

物理加工过程二、化工过程及单元操作化学工业：利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成生14化工过程是什么？

物理与化学方法原料有用的化学品

化工过程是指用物理和化学的方法对原料进行大规模加工处理，从而获得合符产品要求的化学工业生产过程。

化工过程是什么？15

不同化工生产过程使用各种物理加工过程，根据他们的操作原理，可以归结为数个应用广泛的基本操作过程，如流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、制冷、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、粉碎、乳化萃取、吸附、干燥等。这些基本的物理过程称为单元操作。

单元操作是指化工生产过程中基本原理和典型设备的相同物理性操作。不同化工生产过程使用各种物理加工过程，根据他们的操作16

美国麻省理工大学（MIT)三位教授华克尔(Walker)、刘易斯(lewis)、麦可阿丹姆士(Mcadams)在他们1923年所著的教科书中，首先提出了“化工单元操作”的概念他们将各种各样的化工生产过程当作一系列的“单元操作”处理。如：聚乙烯、化肥、制糖、味精、酒精、石油等生产过程中都含有流体输送、蒸发、结晶、离心分离、干燥、蒸馏、吸收等单元操作。在石油、食品、制药、造纸等行业中都要进行干燥、蒸馏等操作，尽管在不同行业中所处理的物料不同，但所用的干燥、蒸馏等操作具有相同原理。美国麻省理工大学（MIT)三位17名称目的原理设备流体输送输送物料机械能转换管道和泵传热加热或冷却利用温差传热换热器蒸发分离溶剂与溶质加热使溶剂汽化蒸发器蒸馏分离液相混合物各组分的挥发度不同塔器分离分离混合物

过滤机沉降器、、膜组件等等干燥固体去湿加热使湿分汽化干燥器萃取分离不互溶液体溶解度不同萃取装置

化工生产中常见的单元操作名称目的原理设备流体输送输送物料机械能转换管道和泵传热加热或18若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。均为物理性操作，只改变物料的状态或其物理性质，不改变其化学性质。同一化工生产过程中可能会包含多个相同的的单元操作。单元操作用于不同的生产过程其基本原理相同，进行该操作的设备也可以通用。单元操作的特点若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。同一化工生产过程19单元操作按其理论基础可分为下列三类：

上述三个过程包含了三种理论，我们称之为“三传理论”。（1）流体流动过程（fluidflowprocess）:

包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。（2）传热过程（heattransferprocess）:

包括热交换、蒸发等。（3）传质过程（masstransferprocess）:

包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。

单元操作的分类单元操作按其理论基础可分为下列三类：上述三个过程包含了三20动量传递(momentumtransfer)：流体流动时，其内部发生动量传递，故流体流动过程也称为动量传递过程。凡是遵循流体流动基本规律的单元操作，都可以用动量传递的理论去研究。热量传递(heattransfer):物体被加热或冷却的过程也称为物体的传热过程。凡是遵循传热基本规律的单元操作，都可以用热量传递的理论去研究。质量传递(masstransfer)：两相间物质的传递过程即为质量传递。凡是遵循传质基本规律的单元操作，都可以用质量传递的理论去研究。三传理论动量传递(momentumtransfer)：流体流动时，21单元操作与三传的关系

杀菌：传热；真空浓缩：传热、传质、流体流动；过滤：流体流动…..

“三传理论”是单元操作的理论基础，单元操作是“三传理论”的具体应用。同时，“三传理论”和单元操作也是化工工程技术的理论和实践基础。单元操作与三传的关系

杀菌：传热；22奶粉生产工艺流程原料乳验收预处理预热杀菌真空浓缩过滤加糖喷雾干燥出粉冷却与过筛包装、检验成品单元操作与加工过程工艺流程图乳品加工现场奶粉生产工艺流程原料乳验收预处理预热杀菌真空浓缩过滤加糖喷雾23乳品工程原理解析乳品工程原理解析24三、单位制与单位换算3.1单位及单位制几种不同单位制

名称

符号

SI

CGS

MKS

FPS

工程单位制

力

F

-----

-----

-----

-----

kgf

质量

M

kg

g

kg

lb

-----

长度

L

m

cm

m

ft

m

时间

s

s

s

s

s

温度

θ

K

℃，K

℃，K

F，R

℃，K

基

本

物

理

量

热量

Q

J，kJ

J

J，kJ

Btu

cal，cal

物理单位制英制三、单位制与单位换算3.1单位及单位制几种不同单位制名称25SI制（StandardInternationalUnit):20世纪60年代初国际度量衡会议提出,有7个基本量和基本单位，即：

其他量称为导出量，其单位可由基本单位推导而出，称为导出单位SI制（StandardInternationalUni26——通用性：所有学科、部门均可采用，并且容易比较；——一贯性：任何一个SI导出单位均有七个基本单位导出，不需要引入比例常数我国规定1991年1月起，除个别领域外，不允许再使用非法定单位（国务院1977年确定逐步采用SI，1984年发布命令：法定计量单位，1990年底完成过渡，1991年1月起实施。国际单位制（SI）国际单位制（SI）273.2单位换算

同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地改变。这种换算称为单位换算。

注意事项：（1）物理方程必须使用同一单位制的单位，若不同，必须经过换算后再进行计算。但经验公式必须按指定的单位运算。（2）SI制以质量为基本单位，而工程单位制则以重力为基本单位，二者可由F＝ma表示其之间的关系。（3）计算结果正确与否，可以通过单位换算，就可查出。3.2单位换算同一物理量若用不同单位度量时，其数值28通用气体常数R＝0.08206L·atm/（mol·K）＝8.313J/（mol·K）

单位换算的基本规律：

F=ma

１Kgf=1kg×9.81m/s2=9.81kg·m/s2=9.81N

=1000g×981cm/s2=981000g·cm/s2

=981000dyn通用气体常数单位换算的基本规律：F=ma29Example1atm（标准大气压）＝1.033kgf/cm2,将其换算成SI单位解：气体压力的SI单位：Pa（N/m2），工程单位：kgf/cm2，所以，只要将kgf、cm分别换算成N、m即可。因为1kgf＝9.81N，1cm＝0.01m所以：Example303.3因次（量纲）（1）因次或量纲(dimension)每个物理量都可通过几个彼此独立的基本量来表示其性质和特征，这些基本量的符号即为因次或量纲。（2）常用的因次：长度[L]、质量[M]或力[F]、时间[T]、温度[θ]（3）因次式或量纲式任何导出量都可以按如下形式表示：

此式即物理量Q的因次式或量纲式，而α、β、γ等指数可为任意的有理数。（4）因次式的作用：是因次分析的依据。3.3因次（量纲）（1）因次或量纲(dimension)31因次分析是整理实验数据的方法，即物理方程因次一致原则，即物理方程等号两边各项对应因次的指数相等。★CGS:(因次)★SI:(因次)★工程单位:(因次)★FPS:(因次)

注意：单位不同但因次可相同。

因次分析是整理实验数据的方法，即物理方程因次一致原则，即物理32因次表示该物理量的单位与基本量的单位之间的关系。例：速度——［LT－1］加速度——［LT－2］力——［MLT－2］当α＝β＝γ＝0时，［M0L0T0］＝［1］，称为无因次（dimensionless）因次表示该物理量的单位与基本量的单位之间的关系。例：速度——33物料衡算；能量衡算；物系的平衡关系；传递速率；经济核算。

四、单元操作中常用的基本概念

物料衡算；四、单元操作中常用的基本概念

34

依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即

对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即处于稳定操作状态时，过程中不应有物料的积累，则物料衡算关系为

输入量－输出量＝累积量输入量＝输出量用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。4.1物料衡算（materialbalance）依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量35物料衡算的步骤：（1）根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。（2）规定衡算基准，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。物料衡算的步骤：（1）根据题意画出各物流的流程示意图，物料的36物料衡算例题第二蒸发器第一蒸发器W1W2F0F1F2例：如本题例图所示，在两个蒸发器中，每小时将5000kg的无机盐水溶液从12%（质量，下同）浓缩到30%，第二蒸发器比第一蒸发器多蒸出5%的水分，试求（1）各蒸发器每小时蒸出水分的量；（2）第一蒸发器送出的溶液浓度。F–溶液的质量流量Kg/hW–蒸出水量Kg/hX–溶液中盐的质量分率物料衡算例题第二蒸发器第一蒸发器W1W2F0F1F2例：如本37解：基准：1h(1)盐：5000×0.12=0.3F2,F2=2000kg/h总：5000=W1+W2+F2,W2=W1（1＋5％）W=W1+W2=3000Kg/hW1=1463.4Kg/h,W2=1536.6Kg/h(2)盐：5000×0.12=F1x1

总：5000=1463.4+F1解得：F1=3536.6Kg/h;x1=16.97%

已知：F0=5000Kg/h,x0=0.12,x2=0.3,w2=1.05w1;.求：(1)w1,w2=?(2)x1=?解：基准：1h已知：F0=5000Kg/h,x0=0.12,38能量衡算的依据是能量守恒定律。本课程所用到的能量主要有机械能和热能。热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。4.2能量衡算（energybalance）能量衡算的依据是能量守恒定律。4.2能量衡算（energy39热量衡算的基本方法

此外还须注意：（1）进、出系统的各股物料所携带的热量，包括物料的显热与潜热两部分称为物料的焓。物料的焓值与其状态有关，而且是相对值。确定物料的焓值，须先规定基准温度；当有相变化发生时，还须规定基准状态。通常以273K、液态为基准，即此时液态的焓为零。（2）热量不仅可以随同物料进、出系统，而且可以透过设备、管道的壁面而由外界传入系统，或由系统逸散到环境里。热量衡算的基本方法此外还须注意：40连续稳定过程热量衡算的基本关系式

因此，只要系统温度与环境温度有差别，就会有这种热量的输入或散失，应将之列入衡算式中。故可写出连续稳定过程热量衡算的基本关系式，即：

式中：∑Qi为进入系统的各股物料的总热量，kJ或kW；

∑Q0为离开系统的各股物料的总热量，kJ或kW；QL为系统与环境交换的总热量，kJ或kW。当系统向环境散热时，此值为负，并称之为热损失。连续稳定过程热量衡算的基本关系式因此，只要系统温度与41在换热器里每小时将1000kg平均比热容为3.56kJ/(kg.K)的某种溶液自298K加热到353K。加热介质为393K的饱和水蒸气，每小时消耗量为95kg。蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。试计算此换热器的热损失占水蒸气所提供热量的百分数。解：首先根据题意画出过程示意图，如下图。

在换热器里每小时将1000kg平均比热容为3.542在图中虚线方框所示范围内作热量衡算。以1h为基准，则进、出系统的各项热量分别为：输入系统的溶液的热量=1000×3.56（298-273）=89000kJ/h系统输出的溶液的热量=1000×3.56（353-273）=284800kJ/h又从饱和水蒸气表（以温度为准）查出393K饱和水蒸气的焓值为2708.9kJ/kg、393K饱和水的焓值为503.67kJ/kg。则：输入系统的饱和水蒸气的焓=95×2709=257400kJ/h系统输出的饱和水的焓=95×503.7=47900kJ/h依上式列出热量衡算式，即：89000+257400=284800+479000+QL解得：QL=-13700kJ/h热损失速率=-QL=13700kJ/h热损失百分数=13700/(257400-47900)×100%=6.5%在图中虚线方框所示范围内作热量衡算。以1h为基准，则进、出系43平衡状态是自然界中广泛存在的现象。

平衡关系可用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能达到的限度。以食盐的溶解和结晶为例：食盐浓度>饱和浓度：结晶食盐浓度<饱和浓度：溶解该温度下的饱和浓度为该物系的平衡浓度。

4.3物系的平衡关系(relationshipofsystembalance)平衡状态是自然界中广泛存在的现象。平衡关系可用来判断过44不饱和食盐溶液：食盐浓度低时，溶解速率（单位时间内溶解的食盐质量）大；食盐浓度高时，溶解速率小。饱和食盐溶液（即平衡状态）：溶解速率等于结晶速率，宏观上无变化。

以食盐的溶解为例：

4.4传递速率（rateoftransferprocess）不饱和食盐溶液：食盐浓度低时，溶解速率（单位时间内溶解的食盐45

溶液浓度越是远离平衡浓度，其溶解速率就越大；溶液浓度越是接近平衡浓度，其溶解速率就越小。溶液浓度与平衡浓度之差值，可以看作是溶解过程的推动力（drivingforce）。颗粒大小和搅拌对溶解速率有影响。原因：由大块改为许多小快，能使固体食盐与溶液的接触面积增大；由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对流。其结果能减小溶解过程的阻力（resistance）。溶液浓度越是远离平衡浓度，其溶解速率就越大；溶液浓46此关系类似于电学中欧姆定律。

过程的传递速率与推动力成正比，与阻力成反比，即

过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递速率增大时，设备尺寸可以变小。此关系类似于电学中欧姆定律。过程的传递速率与推动力成正比47

本课程中，各单元操作的计算、设备的选型等工作都将围绕上述五个方面进行，并以最优经济效益作为最终的设计方案。

效益是企业的命脉，经济核算是企业的核心工作。为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核算确定最经济的设计方案。4.5经济核算(economicevaluations)本课程中，各单元操作的计算、设备的选48

任何一个科研成果都要通过工程技术才能得以大规模生产，才能实现它的社会价值，造福于广大的人民群众。《化工原理》是将实验室科研成果转入工业化生产的基础理论课程。任何一个科研成果都要通过工程技术才49小结1.明确化工原理课程的任务，建立工程与单元操作的概念；2.掌握化工过程中的质量衡算和能量衡算；3.掌握单位换算，明确因次分析。

小结50乳粉厂工艺流程图

冷冻盐水自来水饱和蒸汽返回乳粉厂工艺流程图冷冻盐水返回51乳品加工现场返回乳品加工现场乳品加工现场返回乳品加工现场52化工原理PrinciplesofchemicalEngineering

化工原理PrinciplesofchemicalEng53前言一、课程安排二、学习要求三、教材四、参考资料前言一、课程安排54一、课程安排（课堂）

1课堂教学（56学时）

前言、绪论2学时

第一章流体的流动与输送14学时

第二章传热10学时

第三章机械分离与固体流态化10学时第四章物料干燥10学时

第五章蒸馏6学时

习题4学时一、课程安排（课堂）

1课堂教学（56学时）

前言、绪55课程安排（实验）

2实验（16学时）实验一流体流动状态观察与测定(课堂录像演示)实验二柏努利方程实验(课堂录像演示)实验三直管阻力实验实验四离心泵特性曲线实验实验五过滤实验六综合实验——流态化干燥与热风干燥的比较课程安排（实验）

2实验（16学时）56二、学习要求

上课、实验前要求预习、课后要求复习、总结。作业及时完成，不懂的及时弄懂。成立学习小组(4~5人/组),按组或个人通过网络交作业。

文件名：学号-姓名-单元名称不要缺课、认真听讲、开动脑筋、积极思考。重视实验，通过实验培养、提高实验能力（分析、解决一般工程技术问题的能力）。二、学习要求

上课、实验前要求预习、课后要求复习、总结。57三、教材

《化工原理》第3版管国锋、赵汝溥化学工业出版社，2008三、教材58四、主要参考资料

（一）书本1.《化工原理》姚玉英主编，天津科学技术出版社2.《化工原理》清华大学出版社3.《化工原理》天津大学出版社4.《化工原理》（上册）华东化工学院出版社5.化工过程与设备，刘佩茹主编，中国轻工业出版6.化工原理，陈敏恒等，化学工业出版社7.化工原理，杨祖荣主编化学工业出版社2009第二版（普通高等教育“十五”国家级规划教材）8.化工基础（第三版），化学工业出版社9.UnitOperationofChemicalEngineering

ForthEdition,W.LMccabeJ.CSmithP.Harriott四、主要参考资料

（一）书本59（二）相关期刊[1]农业工程学报：中国农业工程学会主办，全国中文核心期刊。（EI收录）

[2]农业机械学报，中国农业机械学会主办，全国中文核心期刊。（EI收录）[3]食品科学，北京市食品研究所主办，中国核心期刊

[4]食品工业科技，北京市食品研究所主办，中国中文核心期刊，轻工总会优秀期刊。

[5]食品发酵工业，中国食品发酵工业研究所、全国食品与发酵工业信息中心主办，全国中文核心期刊、国家优秀技术期刊。

[6]中国粮油学报，中国粮油学会主办，全国食品工业类中文核心期刊。

[7]华中农业大学学报，华中农业大学主办，中文核心期刊。

[8]化学工程，全国化工化学工程设计技术中心主办，核心期刊。

[9]粮食与饲料工业，国家粮食储备局武汉科学研究设计院，中文核心期刊。

[10]CerealChemical[11]JournalofFoodScience

[12]JournalofFoodEngineering[13]JournalofTextStudy[14]TransactionsoftheAmericanSocietyofAgricultureengineering

（二）相关期刊[1]农业工程学报：中国农业工程学会主办，60（三）网络资料课外作业：

做一个Powerpoint课件，介绍有关化工原理和食品工程原理课程的网络资料。（以学习小组为单位，第一次于下周交，第二次于课程结束前交）（三）网络资料61绪论课程性质、内容和任务化工过程及单元操作单位制与单位换算单元操作中常用的基本概念绪论课程性质、内容和任务621.1课程性质一、课程性质、内容及任务化工原理是食品工程、生物化工、化学工程、农副产品加工和贮藏等工科专业的学生必修的重要基础技术课程。该课程涉及面广、计算复杂。先修课：高等数学、物理、化学、物理化学（包括动力学、热力学、传热学和传质学等）、机械制图、英语、计算机等课程。1.2课程内容本课程主要介绍“三传理论”和“单元操作”。1.1课程性质一、课程性质、内容及任务化631.2课程内容基础理论部分：流体力学（重点）传热（重点）传质学（部分了解）热力学（部分了解）特点：涉及理论多，是本课程较难掌握的部分基本原理部分：液液萃取过滤与沉降溶液浓缩液体蒸馏固体干燥特点：基本原理部分各章节内容相对比较独立1.2课程内容基础理论部分：基本原理部分：64

《化工原理》是化学工程、食品工程专业学生的必修课，其主要任务是：介绍三传理论，即流体流动、传热、传质的基本原理；掌握主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型及实验研究方法；培养学生运用基础理论分析和解决化工单元操作中各种工程实际问题(计算、选型及实验研究方法)的能力。1.3课程任务《化工原理》是化学工程、食品工程专业学生的必修课，其主65

化学工业：利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成生活资料的工业。化工生产：(1)化学反应过程：如发酵、化学合成等

(2)

物理加工过程二、化工过程及单元操作化学工业：利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成生66化工过程是什么？

物理与化学方法原料有用的化学品

化工过程是指用物理和化学的方法对原料进行大规模加工处理，从而获得合符产品要求的化学工业生产过程。

化工过程是什么？67

不同化工生产过程使用各种物理加工过程，根据他们的操作原理，可以归结为数个应用广泛的基本操作过程，如流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、制冷、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、粉碎、乳化萃取、吸附、干燥等。这些基本的物理过程称为单元操作。

单元操作是指化工生产过程中基本原理和典型设备的相同物理性操作。不同化工生产过程使用各种物理加工过程，根据他们的操作68

美国麻省理工大学（MIT)三位教授华克尔(Walker)、刘易斯(lewis)、麦可阿丹姆士(Mcadams)在他们1923年所著的教科书中，首先提出了“化工单元操作”的概念他们将各种各样的化工生产过程当作一系列的“单元操作”处理。如：聚乙烯、化肥、制糖、味精、酒精、石油等生产过程中都含有流体输送、蒸发、结晶、离心分离、干燥、蒸馏、吸收等单元操作。在石油、食品、制药、造纸等行业中都要进行干燥、蒸馏等操作，尽管在不同行业中所处理的物料不同，但所用的干燥、蒸馏等操作具有相同原理。美国麻省理工大学（MIT)三位69名称目的原理设备流体输送输送物料机械能转换管道和泵传热加热或冷却利用温差传热换热器蒸发分离溶剂与溶质加热使溶剂汽化蒸发器蒸馏分离液相混合物各组分的挥发度不同塔器分离分离混合物

过滤机沉降器、、膜组件等等干燥固体去湿加热使湿分汽化干燥器萃取分离不互溶液体溶解度不同萃取装置

化工生产中常见的单元操作名称目的原理设备流体输送输送物料机械能转换管道和泵传热加热或70若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。均为物理性操作，只改变物料的状态或其物理性质，不改变其化学性质。同一化工生产过程中可能会包含多个相同的的单元操作。单元操作用于不同的生产过程其基本原理相同，进行该操作的设备也可以通用。单元操作的特点若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。同一化工生产过程71单元操作按其理论基础可分为下列三类：

上述三个过程包含了三种理论，我们称之为“三传理论”。（1）流体流动过程（fluidflowprocess）:

包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。（2）传热过程（heattransferprocess）:

包括热交换、蒸发等。（3）传质过程（masstransferprocess）:

包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。

单元操作的分类单元操作按其理论基础可分为下列三类：上述三个过程包含了三72动量传递(momentumtransfer)：流体流动时，其内部发生动量传递，故流体流动过程也称为动量传递过程。凡是遵循流体流动基本规律的单元操作，都可以用动量传递的理论去研究。热量传递(heattransfer):物体被加热或冷却的过程也称为物体的传热过程。凡是遵循传热基本规律的单元操作，都可以用热量传递的理论去研究。质量传递(masstransfer)：两相间物质的传递过程即为质量传递。凡是遵循传质基本规律的单元操作，都可以用质量传递的理论去研究。三传理论动量传递(momentumtransfer)：流体流动时，73单元操作与三传的关系

杀菌：传热；真空浓缩：传热、传质、流体流动；过滤：流体流动…..

“三传理论”是单元操作的理论基础，单元操作是“三传理论”的具体应用。同时，“三传理论”和单元操作也是化工工程技术的理论和实践基础。单元操作与三传的关系

杀菌：传热；74奶粉生产工艺流程原料乳验收预处理预热杀菌真空浓缩过滤加糖喷雾干燥出粉冷却与过筛包装、检验成品单元操作与加工过程工艺流程图乳品加工现场奶粉生产工艺流程原料乳验收预处理预热杀菌真空浓缩过滤加糖喷雾75乳品工程原理解析乳品工程原理解析76三、单位制与单位换算3.1单位及单位制几种不同单位制

名称

符号

SI

CGS

MKS

FPS

工程单位制

力

F

-----

-----

-----

-----

kgf

质量

M

kg

g

kg

lb

-----

长度

L

m

cm

m

ft

m

时间

s

s

s

s

s

温度

θ

K

℃，K

℃，K

F，R

℃，K

基

本

物

理

量

热量

Q

J，kJ

J

J，kJ

Btu

cal，cal

物理单位制英制三、单位制与单位换算3.1单位及单位制几种不同单位制名称77SI制（StandardInternationalUnit):20世纪60年代初国际度量衡会议提出,有7个基本量和基本单位，即：

其他量称为导出量，其单位可由基本单位推导而出，称为导出单位SI制（StandardInternationalUni78——通用性：所有学科、部门均可采用，并且容易比较；——一贯性：任何一个SI导出单位均有七个基本单位导出，不需要引入比例常数我国规定1991年1月起，除个别领域外，不允许再使用非法定单位（国务院1977年确定逐步采用SI，1984年发布命令：法定计量单位，1990年底完成过渡，1991年1月起实施。国际单位制（SI）国际单位制（SI）793.2单位换算

同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地改变。这种换算称为单位换算。

注意事项：（1）物理方程必须使用同一单位制的单位，若不同，必须经过换算后再进行计算。但经验公式必须按指定的单位运算。（2）SI制以质量为基本单位，而工程单位制则以重力为基本单位，二者可由F＝ma表示其之间的关系。（3）计算结果正确与否，可以通过单位换算，就可查出。3.2单位换算同一物理量若用不同单位度量时，其数值80通用气体常数R＝0.08206L·atm/（mol·K）＝8.313J/（mol·K）

单位换算的基本规律：

F=ma

１Kgf=1kg×9.81m/s2=9.81kg·m/s2=9.81N

=1000g×981cm/s2=981000g·cm/s2

=981000dyn通用气体常数单位换算的基本规律：F=ma81Example1atm（标准大气压）＝1.033kgf/cm2,将其换算成SI单位解：气体压力的SI单位：Pa（N/m2），工程单位：kgf/cm2，所以，只要将kgf、cm分别换算成N、m即可。因为1kgf＝9.81N，1cm＝0.01m所以：Example823.3因次（量纲）（1）因次或量纲(dimension)每个物理量都可通过几个彼此独立的基本量来表示其性质和特征，这些基本量的符号即为因次或量纲。（2）常用的因次：长度[L]、质量[M]或力[F]、时间[T]、温度[θ]（3）因次式或量纲式任何导出量都可以按如下形式表示：

此式即物理量Q的因次式或量纲式，而α、β、γ等指数可为任意的有理数。（4）因次式的作用：是因次分析的依据。3.3因次（量纲）（1）因次或量纲(dimension)83因次分析是整理实验数据的方法，即物理方程因次一致原则，即物理方程等号两边各项对应因次的指数相等。★CGS:(因次)★SI:(因次)★工程单位:(因次)★FPS:(因次)

注意：单位不同但因次可相同。

因次分析是整理实验数据的方法，即物理方程因次一致原则，即物理84因次表示该物理量的单位与基本量的单位之间的关系。例：速度——［LT－1］加速度——［LT－2］力——［MLT－2］当α＝β＝γ＝0时，［M0L0T0］＝［1］，称为无因次（dimensionless）因次表示该物理量的单位与基本量的单位之间的关系。例：速度——85物料衡算；能量衡算；物系的平衡关系；传递速率；经济核算。

四、单元操作中常用的基本概念

物料衡算；四、单元操作中常用的基本概念

86

依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即

对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即处于稳定操作状态时，过程中不应有物料的积累，则物料衡算关系为

输入量－输出量＝累积量输入量＝输出量用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。4.1物料衡算（materialbalance）依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量87物料衡算的步骤：（1）根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。（2）规定衡算基准，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。物料衡算的步骤：（1）根据题意画出各物流的流程示意图，物料的88物料衡算例题第二蒸发器第一蒸发器W1W2F0F1F2例：如本题例图所示，在两个蒸发器中，每小时将5000kg的无机盐水溶液从12%（质量，下同）浓缩到30%，第二蒸发器比第一蒸发器多蒸出5%的水分，试求（1）各蒸发器每小时蒸出水分的量；（2）第一蒸发器送出的溶液浓度。F–溶液的质量流量Kg/hW–蒸出水量Kg/hX–溶液中盐的质量分率物料衡算例题第二蒸发器第一蒸发器W1W2F0F1F2例：如本89解：基准：1h(1)盐：5000×0.12=0.3F2,F2=2000kg/h总：5000=W1+W2+F2,W2=W1（1＋5％）W=W1+W2=3000Kg/hW1=1463.4Kg/h,W2=1536.6Kg/h(2)盐：5000×0.12=F1x1

总：5000=1463.4+F1解得：F1=3536.6Kg/h;x1=16.97%

已知：F0=5000Kg/h,x0=0.12,x2=0.3,w2=1.05w1;.求：(1)w1,w2=?(2)x1=?解：基准：1h已知：F0=5000Kg/h,x0=0.12,90能量衡算的依据是能量守恒定律。本课程所用到的能量主要有机械能和热能。热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。4.2能量衡算（energybalance）能量衡算的依据是能量守恒定律。4.2能量衡算（energy91热量衡算的基本方法

此外还须注意：（1）进、出系统的各股物料所携带的热量，包括物料的显热与潜热两部分称为物料的焓。物料的焓值与其状态有关，而且是相对值。确定物料的焓值，须先规定基准温度；当有相变化发生时，还须规定基准状态。通常以273K、液态为基准，即此时液态的焓为零。（2）热量不仅可以随同物料进、出系统，而且可以透过设备、管道的壁面而由外界传入系统，或由系统逸散到环境里。热量衡算的基本方法此外还须注意：92连续稳定过程热量衡算的基本关系式

因此，只要系统温度与环境温度有差别，就会有这种热量的输入或散失，应将之列入衡算式中。故可写出连续稳定过程热量衡算的基本关系式，即：

式中：∑Qi为进入系统的各股物料的总热量，kJ或kW；