廣東工業(yè)大學化工原理《化工原理》緒論課件

化工原理廣東工業(yè)大學輕工化工學院李軍e-mail:hgxlee@163.comPrinciplesofChemicalEngineering緒論Introduction化工原理在化工領域中的地位一.課程的由來、內容和性質二.單位制及單位換算三.兩條主線、五個概念1.課堂講授：圍繞教學大綱進行講授，以教材為藍本；2.習題課：講完課后安排一次習題課；3.實驗教學：通過驗證性實驗來幫助學生理解所學理論。4．輔導答疑5．作業(yè)：每章交一次，計算題求解步驟。6．考核考勤：10%（缺勤超1/3者沒有考試資格）作業(yè)：10%（缺作業(yè)超1/3者沒有考試資格）考試：80%

1.1922年美國化工學會年會里特爾(A.D.LiThle)

提出建立“單元操作”（UnitOperations）的概念“任何一個化學過程,不管它的規(guī)模如何,都可分解成為一系列互相類同的被稱作“單元操作(Unitoperation)”的組成部分，如粉碎、混合、加熱、焙燒、吸收、沉淀、結晶、過濾、溶解等。這些基本單元操作的數(shù)目并不多，對于一個特定的加工過程，可能只包括它們中的幾個。要使化學工程師們具備廣博地適應職業(yè)需要的能力，只能是對實際規(guī)模上所進行的過程作出分析并將其分成多個單元操作來獲得?！保ㄒ唬┯蓙砗桶l(fā)展一.課程的由來發(fā)展、內容和性質2.1923年MIT(麻省理工學院)的著名教授W.D.Walker（沃克）、W.H.Lewis（劉易斯）和W.H.Mcadams等人根據(jù)此概念寫成了第一部單元操作的書“PrinciplesofChemicalEngineering

（化工原理）”從以產品來劃分的化工生產工藝中，抽象出各種單元操作，即從特殊性中總結出普遍性，是認識上的一個飛躍，對化學工程學的形成和發(fā)展起了重要的推動作用。3.此后,研究發(fā)現(xiàn)動量傳遞、熱量傳遞與質量傳遞在許多過程中同時發(fā)生,并且三種傳遞現(xiàn)象有類似性。這使得原來本是分立學科的“三傳”合而為一。1960年，威斯康新大學的Bird(伯德)等人把“三傳”的內容組織在一起寫成了《Transportphenomena》(傳遞現(xiàn)象)一書，加強了學生工程學科基礎的訓練。與此同時，化學反應過程經過了由“單元過程”到“化學反應工程學”的發(fā)展。至此，化學工程學科發(fā)展到了“三傳一反”的較完整階段。

4.計算機應用的快速發(fā)展，使化學工程成為更完整的體系，并推向了“過程優(yōu)化集成”、“分子模擬”的新階段。隨著科學技術的高速發(fā)展，化學工程與相鄰學科相融合逐漸形成了若干新的分支與生長點，諸如生物化學工程、分子化學工程、環(huán)境化學工程、能源化學工程、計算化學工程、軟化學工程、微電子化學工程等。同時，上述新興產業(yè)與學科的發(fā)展，也推動了特殊領域化學工程的進步。單元操作（UnitOperations）

一切化工生產過程不論其生產規(guī)模大小，除化學反應外，其它均可分解為一系列的物理加工過程。這些物理加工過程稱為“單元操作”。

《化工原理》是化工類及相近專業(yè)一門重要的專業(yè)技術基礎課，兼有“科學”與“技術”的特點，它是綜合運用數(shù)學、物理、化學和算法語言等基礎知識，將自然科學中的基本原理（質量守衡、能量守衡及平衡關系等）用來研究化工生產中內在的共同規(guī)律，討論化工生產中共同的基本過程的基本原理、典型設備結構，工藝尺寸設計和設備的選型以及計算方法的一門工程學科。本課程強調工程觀點、定量運算、實驗技能及設計能力的培養(yǎng)，強調理論聯(lián)系實際。在化工類專門人才培養(yǎng)中，它承擔著工程科學與工程技術的雙重教育任務，擔負著由理論到工程、由基礎到專業(yè)的橋梁作用?；ぴ硎腔ゎ惛鲗I(yè)重點課程之一，是化工類學生最實用的一門課程，是化工類學生考研課程。（二）內容和性質《化工原理》課程的特點：

化工生產過程實例

濕法磷酸生產工藝流程

磷礦石破碎球磨酸解反應過濾濃縮精制磷酸（化肥、飼料用）磷酸（醫(yī)藥、食品用）硫酸HF氣體（回收）過濾水濾渣石膏洗液加工成鹽化工生產過程實例

檸檬酸生產工藝流程

白薯干粉碎發(fā)酵反應過濾中和過濾酸解過濾產品石灰乳CaCO3

粗鹽液

凈化H2SO4

廢糖液濃縮結晶離心干燥菌體、殘渣化工生產過程實例

氨基比林生產工藝流程

吡唑酮硫酸二甲酯水甲基化堿處理配料亞硝化還原4－氨基安替比林母液制安乃近亞硝酸鈉結晶

還原劑液氨硫酸硫酸安替比林離心脫水

4－氨基安替比林晶體制氨基比林安替比林NaOHH2SO4化工生產過程實例

氨基比林生產工藝流程

4－氨基安替比林晶體水溶解氫化脫色壓濾母液濃縮回收吸附后的活性炭成品結晶

蒸餾水洗滌脫水

氨基比林成品氫氣甲醛觸媒活性炭氣流干燥

氨基比林濕品化工生產裝置實例

大芳烴裝置化工生產裝置實例

合成氨裝置化工生產裝置實例

天然氣凈化化工生產裝置實例

單元操作目的物態(tài)原理傳遞流體輸送輸送l、g輸入機械能動量傳遞攪拌混合、分散g、l、s~l輸入機械能沉降非均相混合物分離g、l～sΔρ引起沉降過濾同上g、l～s尺度不同的截留換熱升、降T，or改變相態(tài)g、l利用ΔT傳入、移出熱量熱量傳遞蒸發(fā)溶劑與不揮發(fā)性溶質分離

l供熱汽化溶劑氣體吸收均相混合物分離g溶解度不同質量傳遞液體精餾均相混合物分離l揮發(fā)度不同萃取均相混合物分離l溶解度不同干燥去濕s供熱汽化吸附均相混合物分離g、l吸附能力不同表：常見單元操作

三傳:《化工原理》的共同規(guī)律和聯(lián)系

動量傳遞流體內部由于動量、密度的空間分布不均而引起動量在時空中的傳遞過程。

熱量傳遞內能在時空中的傳遞過程，是由溫度在空間的非均勻分布造成。

質量傳遞濃度在時空中分布的不均勻性。共同的研究對象—傳遞過程

1.物理性操作即只改變物料的狀態(tài)或物性，并不改變化學性質；

2.它們都是化工生產過程中共有的操作，但不同的化工過程中所包含的單元操作數(shù)目、名稱與排列順序各異；

3.對同樣的工程目的，可采用不同的單元操作來實現(xiàn)。

4.某單元操作用于不同的化工過程，其基本原理并無不同，進行該操作的設備也往往是通用的。具體應用時也要結合各化工過程的特點來考慮，如原材料與產品的理化性質，生產規(guī)模等。實際問題的復雜性—過程、體系、設備、工程性強、計算量大單元操作的特點（Unitoperations）

各種單元操作根據(jù)不同的物理化學原理，采用相應的設備，達到各自的工藝目的。對于單元操作，可從不同角度加以分類。根據(jù)各單元操作所遵循的規(guī)律，將其劃分為如下類型，即：（1）遵循流體動力學基本規(guī)律的單元操作，包括流體輸送、沉降、過濾、物料混合（攪拌）。（2）遵循熱量傳遞基本規(guī)律的單元操作，包括加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)等。（3）遵循質量傳遞基本規(guī)律的單元操作，包括蒸餾、吸收、萃取、吸附、膜分離等。從工程目的來看，這些操作都可將混合物進行分離，故又稱之為分離操作。（4）同時遵循熱質傳遞規(guī)律的單元操作，包括氣體的增濕與減濕、結晶、干燥等。另外，還有熱力過程（制冷）、粉體工程（粉碎、顆粒分級、流態(tài)化）等單元操作。單元操作的分類

隨著新產品、新工藝的開發(fā)或為實現(xiàn)綠色化工生產，對物理過程提出了一些特殊要求，又不斷地發(fā)展出新的單元操作或化工技術，如膜分離、參數(shù)泵分離、電磁分離、超臨界技術等。同時，以節(jié)約能耗，提高效率或潔凈無污染生產的集成化工藝（如反應精餾、反應膜分離、萃取精餾、多塔精餾系統(tǒng)的優(yōu)化熱集成等）將是未來的發(fā)展趨勢。單元操作的研究包括“過程”和“設備”兩個方面的內容，故單元操作又稱為化工過程和設備。化工原理是研究諸單元操作共性的課程。開發(fā)新的化工單元操作

課程特點——理論與經驗相結合的工程研究方法

經驗方法理論方法相似準則：利用經驗公式和實驗曲線進行設計和工程放大因次分析：得出無因次準數(shù)方程，利用實驗數(shù)據(jù)確定參數(shù)動量守恒：動量傳遞質量守恒：質量傳遞熱量守恒：熱量傳遞利用基本定律對過程的微觀機理進行相應的數(shù)學描述（數(shù)學模型）“三傳一反”中的“三傳”——現(xiàn)象方程注：該方法著眼于過程參數(shù)的整體變化，不究其微觀機理，得到的結果帶有局限性，不可任意推而廣之。以“三傳”為物理內核的單元操作工程問題的復雜性與“化工原理”半理論、

半經驗的方法特點實際工程復雜問題理論與經驗是化工工程技術人員邁向成功的兩條腿分析并抓住描述過程物理本質的基本規(guī)律實驗數(shù)據(jù)回歸確定待定模型參數(shù)對次要因素作出合理假設（簡化）建立數(shù)學模型通過實驗或工程實踐檢驗模型的可靠性“傳遞過程”理論能夠通過數(shù)學物理方程和動力學相似準則指明化工過程實驗規(guī)劃的策略、預測過程的結果或進行計算機模擬并且確定推廣應用和放大設計的規(guī)則。學習《化工原理》的目的和要求

掌握規(guī)律診斷過程開發(fā)工藝強化操作創(chuàng)新設計

課程:干糧獵槍學習本課程中，應注意以下幾個方面能力的培養(yǎng)：（1）單元操作和設備選擇的能力（2）工程設計能力（3）操作和調節(jié)生產過程的能力（4）過程開發(fā)或科學研究能力將可能變現(xiàn)實，實現(xiàn)工程目的，這是綜合創(chuàng)造能力的體現(xiàn)?！痘ぴ怼方虒W邏輯：掌握基本原理

突出過程強化

激發(fā)交叉興趣

增強創(chuàng)新能力二.單位制及單位換算（一）單位制：

國際上趨向于采用國際單位制（SI制）。SI制基本單位7個：長度L：米（m）

質量M：千克（kg）時間T：秒（s）

熱力學溫度θ：開爾文（k）物質的量：摩爾（mol）電流I：安培（A）發(fā)光強度：燭光（cd）SI制主要優(yōu)點：①通用性：是一套完整的單位制，適合于各個領域；②一貫性：每種物理量只有一個單位，如熱功都用J（焦耳）表示

化工生產中，還使用一些非SI單位，如：溫度有℃，時間min、hr、d、Yr，壓強單位除了Pa外，有atm、mmHg、m水柱、bar、ata等?；疚锢砹繂挝恢崎L度（L)時間（T)質量（M）重力（F)絕對單位制Cgs制cmsgkgms制mskg英制ftslb工程單位制米制mskgf英制ftslbf（二）單位換算

物理量＝數(shù)字×單位單位＝物理量／數(shù)字*將物理量單位由一種制度換算成另一種制度時，換算時只需乘以兩相關物理單位之間的換算系數(shù)。*經驗公式（又稱數(shù)字公式，根據(jù)實驗結果整理而得）中各符號只代表物理量的數(shù)字部分，而它們的單位必須采用指定的單位。例0-1：通用氣體常數(shù)R＝0.08206atm.L／mol.K，試用國際單位J／mol.K表示。解：R＝0.08206atm.L／mol.K＝0.08206atm.L／mol.K×1m^3／1000L×101325Pa／atm＝8.314Pa.m^3／mol.K＝8.314J／mol.K（一）化工原理課程的兩條主線1.動量傳遞、傳熱和傳質皆屬于傳遞過程，是本門課程統(tǒng)一的研究對象，是聯(lián)系各單元操作的一條主線。2.研究工程問題的方法論是聯(lián)系各單元操作的另一條主線。各單元操作有共同的研究方法。a.實驗研究方法（經驗的方法）

一般用因次分析和相似論為指導，依靠實驗來確定過程變量之間的關系，通過無因次數(shù)群（或稱準數(shù)）構成的關系式來表達。是一種工程上通用的基本方法。

b.數(shù)學模型法（半經驗半理論的方法）

在對實際過程的機理深入分析的基礎上，在抓住過程本質的前提下，作出某種合理簡化，建立物理模型，進行數(shù)學描述，得出數(shù)學模型。通過實驗確定模型參數(shù)。如一個物理過程的影響因素較少，各參數(shù)之間的關系比較簡單，能建立數(shù)學方程并能直接求解，則稱為解析法。三.兩條主線、五個基本概念數(shù)學模型法（半經驗半理論）因次論指導下的實驗研究法實驗：尋找函數(shù)形式，決定參數(shù)課程的展開方式過程分析--過程數(shù)學描述--實例分析定性--定量--應用目的原理設計、操作實施方法--工程問題的--提煉工經濟分析各種處理方法程觀點（二）五個基本概念

物料衡算、能量衡算、物料的平衡關系、過程速率和經濟核算五個基本概念貫穿于各個單元操作的始終?；み^程計算可分為設計型計算和操作型計算兩類，其在不同計算中的處理方法各有特點，但是不管何種計算都是以質量守恒、能量守恒、平衡關系和速率關系為基礎的。上述五種基本關系將在有關章節(jié)陸續(xù)介紹。穩(wěn)定過程和不穩(wěn)定過程穩(wěn)定過程:某一固定位置上物料組成、溫度、壓強、流速