化工原理-0緒論

1、1 化化 工工 原原 理理 （上（上 冊(cè)）冊(cè)） 馬 昌 主講 2 教 材 n柴誠(chéng)敬主編 n普通高等教育“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材 n化工原理（上冊(cè)） n北京: 高等教育出版社 n2005年6月（第一版） 3 (1) 柴誠(chéng)敬,張國(guó)亮. 化工流體流動(dòng)與傳熱. 第二版 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007 (2) 夏清，陳常貴. 化工原理，上冊(cè). 天津: 天津大 學(xué)出版社, 2005 (3) W. L. McCabe, J. C. Smith. Unit Operations of Chemical Engineering, 6th ed. New York: McGraw. Hill Inc., 200

2、1 參 考 教 材 4 通過(guò)緒論的學(xué)習(xí)，應(yīng)了解化工原理課程的主 要內(nèi)容，單元操作的分類和特點(diǎn)，工程學(xué)科的研 究方法，本課程的學(xué)習(xí)要求，掌握單位制及單位 換算方法。 學(xué)習(xí)目的 與要求 緒 論 5 0.1 化工原理課程的內(nèi)容和特點(diǎn) 緒 論 6 n化學(xué)工業(yè)是將自然界中的各種物質(zhì)資源通過(guò)物理和化學(xué)的方化學(xué)工業(yè)是將自然界中的各種物質(zhì)資源通過(guò)物理和化學(xué)的方 法加工成具有規(guī)定質(zhì)量的物質(zhì)的工業(yè)。法加工成具有規(guī)定質(zhì)量的物質(zhì)的工業(yè)。 n 化學(xué)工程是一門工程技術(shù)學(xué)科，它研究化工產(chǎn)品生產(chǎn)化學(xué)工程是一門工程技術(shù)學(xué)科，它研究化工產(chǎn)品生產(chǎn) 過(guò)程的基本規(guī)律，并運(yùn)用這些規(guī)律解決化工生產(chǎn)中的問(wèn)題。過(guò)程的基本規(guī)律，并運(yùn)用這些規(guī)律解

3、決化工生產(chǎn)中的問(wèn)題。 n化學(xué)工業(yè)是一個(gè)包含多個(gè)行業(yè)的工業(yè)部門?；瘜W(xué)工業(yè)是一個(gè)包含多個(gè)行業(yè)的工業(yè)部門。 n化學(xué)工業(yè)包括石油煉制和裂解、煤焦化及煤焦油工業(yè)、基本化學(xué)工業(yè)包括石油煉制和裂解、煤焦化及煤焦油工業(yè)、基本 有機(jī)合成工業(yè)、高分子合成、氯堿、制酸、化肥、以及精細(xì)有機(jī)合成工業(yè)、高分子合成、氯堿、制酸、化肥、以及精細(xì) 化學(xué)工業(yè)等?；瘜W(xué)工業(yè)等。 n產(chǎn)品歸納起來(lái)可分為產(chǎn)品歸納起來(lái)可分為25類類 n化工產(chǎn)品根據(jù)技術(shù)密集高低、附加值利潤(rùn)大小、品種類型、化工產(chǎn)品根據(jù)技術(shù)密集高低、附加值利潤(rùn)大小、品種類型、 產(chǎn)量多少、更新速度快慢以及應(yīng)用范圍不同又可分為兩大類。產(chǎn)量多少、更新速度快慢以及應(yīng)用范圍不同又可分為兩

4、大類。 n一類是通用化學(xué)品，另一類是精細(xì)化學(xué)品一類是通用化學(xué)品，另一類是精細(xì)化學(xué)品 7 n化工產(chǎn)品種類繁多，制取的化工原料卻有限。化工產(chǎn)品種類繁多，制取的化工原料卻有限。 n可分為無(wú)機(jī)和有機(jī)原料兩大類?？煞譃闊o(wú)機(jī)和有機(jī)原料兩大類。 n無(wú)機(jī)原料主要有空氣水和化學(xué)礦物；有機(jī)主要是煤、石油、無(wú)機(jī)原料主要有空氣水和化學(xué)礦物；有機(jī)主要是煤、石油、 天然氣和生物質(zhì)等。天然氣和生物質(zhì)等。 n原料選擇原則原料選擇原則 n1、考慮原料品位能否滿足生產(chǎn)要求，來(lái)源是否充足穩(wěn)定可、考慮原料品位能否滿足生產(chǎn)要求，來(lái)源是否充足穩(wěn)定可 靠?？?。 n2、分析原料的經(jīng)濟(jì)性。要對(duì)原料路線和工藝路線的技術(shù)經(jīng)、分析原料的經(jīng)濟(jì)性。要對(duì)

5、原料路線和工藝路線的技術(shù)經(jīng) 濟(jì)指標(biāo)權(quán)衡。濟(jì)指標(biāo)權(quán)衡。 n3、從綜合利用原料資源考察原料使用合理性。、從綜合利用原料資源考察原料使用合理性。 n在遵守國(guó)家有關(guān)資源保護(hù)的法令和條例，兼顧聯(lián)合審查、發(fā)在遵守國(guó)家有關(guān)資源保護(hù)的法令和條例，兼顧聯(lián)合審查、發(fā) 產(chǎn)品回收及三廢處理等方面盡可能提高原料利用率發(fā)揮原料產(chǎn)品回收及三廢處理等方面盡可能提高原料利用率發(fā)揮原料 單位相互力所能創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益。單位相互力所能創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益。 8 化學(xué)工業(yè)特點(diǎn)化學(xué)工業(yè)特點(diǎn) n(1)化學(xué)工業(yè)是獨(dú)特、不可取代的工業(yè)部門。化學(xué)工業(yè)是獨(dú)特、不可取代的工業(yè)部門。 n(2)化工產(chǎn)品品種繁多，工藝復(fù)雜化工產(chǎn)品品種繁多，工藝復(fù)雜 n(3)是

6、裝置型工業(yè)，具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)性是裝置型工業(yè)，具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)性 n(4)是資金密集，技術(shù)密集的工業(yè)部門是資金密集，技術(shù)密集的工業(yè)部門 n(5)是能耗大戶是能耗大戶 n(6)易污染、重污染的工業(yè)部門易污染、重污染的工業(yè)部門 9 化化學(xué)學(xué)工工藝藝學(xué)學(xué) 階階段段 化化工工單單元元 操操作作階階段段 傳傳遞遞過(guò)過(guò)程程 階階段段 “三三傳傳一一反反” 階階段段 10 n化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域的地位化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域的地位 物物理理化化學(xué)學(xué) 高高分分子子 科科 學(xué)學(xué) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 分分析析化化學(xué)學(xué) 應(yīng)應(yīng)用用化化學(xué)學(xué) 有有機(jī)機(jī)化化學(xué)學(xué) 無(wú)無(wú)機(jī)機(jī)化化學(xué)學(xué) 化化學(xué)學(xué)教教育育 化化 學(xué)學(xué) 家家 制制藥藥工工業(yè)業(yè) 環(huán)環(huán)境境工工程程 化化 工

7、工 生生 產(chǎn)產(chǎn) 復(fù)復(fù)合合材材料料 能能源源工工程程 石石油油化化工工 氯氯堿堿工工業(yè)業(yè) 硫硫酸酸制制造造 合合成成氨氨 化 工 專 家 化工原理 傳遞過(guò)程 反應(yīng)工程 分離工程 化工熱力學(xué) 系統(tǒng)工程等 11 化工原理課程內(nèi)容化工原理課程內(nèi)容 化工生產(chǎn)過(guò)程 化學(xué)反應(yīng) 單元操作 反應(yīng)工程 化工原理 三 傳 一 反 12 13 二、單元操作的分類和特點(diǎn) 1、流體動(dòng)力過(guò)程：流體輸送、沉降、過(guò)濾、攪拌 2、傳熱過(guò)程： 換熱、蒸發(fā) 3、傳質(zhì)過(guò)程：蒸餾、吸收、萃取、吸附、浸取、 吸附、離子交換、膜分離 4、熱質(zhì)同時(shí)傳遞過(guò)程：增減濕、結(jié)晶、干燥 分類 14 化工原理是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程學(xué)科。單 元操作的研究?jī)?nèi)

8、容包括“過(guò)程”和“設(shè)備”兩個(gè) 方面。 所有的單元操作都可分解為動(dòng)量傳遞、熱量 傳遞、質(zhì)量傳遞這三種傳遞過(guò)程和它們的結(jié)合。 三種傳遞過(guò)程現(xiàn)象中存在著類似的規(guī)律和內(nèi)在的 聯(lián)系。傳遞過(guò)程是聯(lián)系各單元操作的一條主線。 二、單元操作的分類和特點(diǎn) 特點(diǎn) 15 包括流體輸送、沉降、包括流體輸送、沉降、 過(guò)濾、過(guò)濾、 離心分離、攪拌、固體流態(tài)化離心分離、攪拌、固體流態(tài)化 等等 以流體力學(xué)為基礎(chǔ)以流體力學(xué)為基礎(chǔ) 以熱量傳遞理論為基礎(chǔ)以熱量傳遞理論為基礎(chǔ)包括加熱、冷卻、包括加熱、冷卻、 蒸發(fā)等蒸發(fā)等 以質(zhì)量傳遞理論為基礎(chǔ)以質(zhì)量傳遞理論為基礎(chǔ) 包括蒸餾、吸收、吸附、萃取、包括蒸餾、吸收、吸附、萃取、 干燥、結(jié)晶、膜

9、分離等干燥、結(jié)晶、膜分離等 16 三、化工原理課程的研究方法 1、實(shí)驗(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)法）: 用量綱分析和相似論為指導(dǎo)，依靠試驗(yàn)來(lái)確 定過(guò)程變量之間的關(guān)系，通過(guò)量綱為一數(shù)群（或 稱準(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。 17 2、數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論方法） 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)。 研究工程問(wèn)題的方法是聯(lián)系各單元操作的 另一條主線。 三、化工原理課程的研究方法 18 四化工過(guò)程計(jì)算的理論基礎(chǔ) 設(shè)計(jì)型計(jì)算 操作型計(jì)算 質(zhì)量守恒 能量守恒 平衡關(guān)系 速率關(guān)

10、系 所用基本關(guān)系： 化工計(jì)算分為 19 五本課程的學(xué)習(xí)要求 學(xué)習(xí)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 工程設(shè)計(jì)能力 操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過(guò)程的能力 過(guò)程開(kāi)發(fā)或科學(xué)研究能力 (2)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?20 緒 論 0.2 單位制度及單位換算 21 一 單位和單位制度 1、基本單位和導(dǎo)出單位 基本單位 導(dǎo)出單位 質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間和溫度 速度、密度、加速度 2、絕對(duì)單位制和重力單位制 絕對(duì)單位制 重力單位制 長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間 長(zhǎng)度、時(shí)間和力 22 3、國(guó)際單位制（SI制） 根據(jù)1960年10月國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)的一種單位制。 4、中華人民共和國(guó)法定計(jì)量單位 在SI制基礎(chǔ)上制定的。 一 單

11、位和單位制度 23 國(guó)際單位制國(guó)際單位制 24 25 3.5 米制米制 厘米克秒（厘米克秒（CGS）制：物理制）制：物理制 長(zhǎng)度長(zhǎng)度(cm), 質(zhì)量質(zhì)量(g), 時(shí)間時(shí)間(s), 溫度溫度(), 絕對(duì)溫標(biāo)絕對(duì)溫標(biāo)(K) 絕對(duì)單位制絕對(duì)單位制(absolute system of units)：以長(zhǎng)度、：以長(zhǎng)度、 質(zhì)量質(zhì)量及時(shí)間為基本單位。及時(shí)間為基本單位。 工程單位制工程單位制(engineering system of units)：以長(zhǎng)度、：以長(zhǎng)度、 力力及時(shí)間為基本單位及時(shí)間為基本單位 米千克秒（米千克秒（MKS）制）制: SI 長(zhǎng)度長(zhǎng)度(m), 質(zhì)量質(zhì)量(kg), 時(shí)間時(shí)間(s) 絕對(duì)

12、單位制絕對(duì)單位制 26 米制工程制米制工程制: 長(zhǎng)度長(zhǎng)度(m), 力力(kgf), 時(shí)間時(shí)間(s)為基本單位，質(zhì)量成為導(dǎo)出單位。為基本單位，質(zhì)量成為導(dǎo)出單位。 千克力：千克力：1千克質(zhì)量的物體于真空中所受的重力。千克質(zhì)量的物體于真空中所受的重力。 （g=9.81m/s2） 1kgf=1kg9.81m/s2 =9.81kg.m/s2 =9.81N 質(zhì)量工程單位：質(zhì)量工程單位： 一物體在一物體在1kgf的作用下，得到的作用下，得到1m/s2的加速度，該物體的的加速度，該物體的 質(zhì)量為質(zhì)量為1質(zhì)量工程單位（質(zhì)量工程單位（kgf.s2/m） kg sm smkg sm kgf 81. 9 /1 /.8

13、1. 9 /1 1 2 2 2 1質(zhì)量工程單位質(zhì)量工程單位= 1質(zhì)量工程單位的數(shù)值相當(dāng)于質(zhì)量工程單位的數(shù)值相當(dāng)于SI質(zhì)量的質(zhì)量的9.81倍倍 27 3.6 英制英制 英尺磅秒（英尺磅秒（FPS）制）制 長(zhǎng)度長(zhǎng)度(ft), 質(zhì)量質(zhì)量(lb),時(shí)間時(shí)間(s)為基本單位，力為為基本單位，力為 導(dǎo)出單位（磅達(dá)，磅導(dǎo)出單位（磅達(dá)，磅. 英尺英尺/秒秒2）。溫度）。溫度(華氏度華氏度,F), 絕對(duì)溫標(biāo)（絕對(duì)溫標(biāo)（Rankine，R） 1Pdl=1 lbft/s2=1 lb.ft/s2 (Poundle, 磅達(dá)磅達(dá)) 1 Pdl=0.1383N=0.1383105dyne 英國(guó)工程制英國(guó)工程制 長(zhǎng)度長(zhǎng)度(f

14、t), 力（力（lbf), 時(shí)間時(shí)間(s). 斯勒斯勒(Slg)：質(zhì)量工程單位，磅力：質(zhì)量工程單位，磅力. 秒秒2/英尺英尺 lb sft sftlb sft lbf 17.32 /1 /.17.32 /1 1 2 2 2 1 Slg= 1 lbf=32.17 Pdl=32.17 lb.ft/s2 28 美國(guó)工程制美國(guó)工程制: 長(zhǎng)度長(zhǎng)度(ft),時(shí)間時(shí)間(s),力力(lbf),質(zhì)量質(zhì)量(lbm)為基本單位。為基本單位。 1lbf為為1lbm物體在地面所受的重力，重力加速度物體在地面所受的重力，重力加速度 為為32.17ft/s2. 牛頓公式：牛頓公式：F=ma/ge (ge為力與質(zhì)量間的比例常

15、數(shù)為力與質(zhì)量間的比例常數(shù)) lbfs lbmft g g sftlbm lbf e e . . 17.32 /17.321 1 2 2 29 二、單位換算 n單位換算的原則：?jiǎn)挝粨Q算的原則： 屬于不同因次的單位，不能進(jìn)行加減乘除等數(shù)學(xué)屬于不同因次的單位，不能進(jìn)行加減乘除等數(shù)學(xué) 運(yùn)算，相同因次而不同單位要運(yùn)算時(shí)，須先將其轉(zhuǎn)換運(yùn)算，相同因次而不同單位要運(yùn)算時(shí)，須先將其轉(zhuǎn)換 成相同的單位，才能進(jìn)行加加減乘除等數(shù)學(xué)運(yùn)算。成相同的單位，才能進(jìn)行加加減乘除等數(shù)學(xué)運(yùn)算。 n單位換算的方法（連接單位法）單位換算的方法（連接單位法） 1.先查出同一因次不同單位制的換算系數(shù)，寫(xiě)成先查出同一因次不同單位制的換算系數(shù)

16、，寫(xiě)成 比例形式。比例形式。 2. 將需要換算的量和單位根據(jù)其間的關(guān)系寫(xiě)成數(shù)將需要換算的量和單位根據(jù)其間的關(guān)系寫(xiě)成數(shù) 字附帶單位連乘、連除的式子，再進(jìn)行運(yùn)算字附帶單位連乘、連除的式子，再進(jìn)行運(yùn)算 30 二、單位換算 1、物理量的換算 基本物理量中為1m物理單位制中100cm 英制3.2808ft 2、經(jīng)驗(yàn)公式（或數(shù)字公式）的單位換算 （a）物理方程 （b）經(jīng)驗(yàn)方程換算方法見(jiàn)例02。 31 32 1、畫(huà)出流程示意圖，標(biāo)出、畫(huà)出流程示意圖，標(biāo)出 物料流向與流量、組成等；物料流向與流量、組成等； 2、用虛線劃出衡算范圍；、用虛線劃出衡算范圍； 3、定出衡算基準(zhǔn)；、定出衡算基準(zhǔn)； 4、列出衡算式并求解

17、。、列出衡算式并求解。 VDF VxDxFx VDF 33 在化工生產(chǎn)中，能量的消耗是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)在化工生產(chǎn)中，能量的消耗是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì) 指標(biāo)，它是衡量工藝過(guò)程、設(shè)備設(shè)計(jì)、操作制度是指標(biāo)，它是衡量工藝過(guò)程、設(shè)備設(shè)計(jì)、操作制度是 否否先進(jìn)先進(jìn)合理的主要指標(biāo)之一。合理的主要指標(biāo)之一。 能量衡算的基礎(chǔ)是物料衡算，只有在進(jìn)行完備的物能量衡算的基礎(chǔ)是物料衡算，只有在進(jìn)行完備的物 料衡算后才能作出能量衡算。料衡算后才能作出能量衡算。 能量衡算依據(jù)于能量守恒定律：能量衡算依據(jù)于能量守恒定律： 輸入的能量輸入的能量=輸出的能量輸出的能量+積累的能量積累的能量 34 35 3 平衡關(guān)系平衡關(guān)系 n平

18、衡是在一定條件下物系變化可能達(dá)到的極限。平衡是在一定條件下物系變化可能達(dá)到的極限。 n通過(guò)平衡關(guān)系可以判斷過(guò)程能否進(jìn)行，及進(jìn)行的通過(guò)平衡關(guān)系可以判斷過(guò)程能否進(jìn)行，及進(jìn)行的 方向和能達(dá)到的程度。方向和能達(dá)到的程度。 n平衡關(guān)系對(duì)于分析化工生產(chǎn)過(guò)程具有重要的意義。平衡關(guān)系對(duì)于分析化工生產(chǎn)過(guò)程具有重要的意義。 36 n化工原理中涉及傳熱速率和傳質(zhì)速率，稱為過(guò)程速率。化工原理中涉及傳熱速率和傳質(zhì)速率，稱為過(guò)程速率。 n過(guò)程速率的大小，直接影響設(shè)備的尺寸大小，生產(chǎn)能過(guò)程速率的大小，直接影響設(shè)備的尺寸大小，生產(chǎn)能 力及經(jīng)濟(jì)效益等。過(guò)程速率是過(guò)程推動(dòng)力和過(guò)程阻力力及經(jīng)濟(jì)效益等。過(guò)程速率是過(guò)程推動(dòng)力和過(guò)程阻力 的比值的比值 阻力 推動(dòng)力 速率 37 5. 經(jīng)濟(jì)核算經(jīng)濟(jì)核算 (Economical accounti