化工原理課件 第三版 譚天恩

1、1,化工原理 I,Principle of Chemical Engineering,主講教師：賴慶軻,2,化工原理教學(xué)組織及要求,1本學(xué)期化工原理講課學(xué)時安排 化工原理I，教學(xué)大綱共計56學(xué)時。 緒論 6學(xué)時 第一章 流體流動 18學(xué)時 第二章 流體輸送機械 8學(xué)時 第三章 機械分離 8學(xué)時 第四章 傳熱 16學(xué)時,3,化工原理教學(xué)組織及要求,2教學(xué)環(huán)節(jié)與要求 課堂教學(xué)（思路和概念為主）：認真聽講、記筆記，不遲到、早退，保證出勤率 預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、練習(xí) 作業(yè) ：嚴謹，獨立完成，及時答疑， 平時成績20%。 期末考試(閉卷),我的聯(lián)系方式 Tel:QQ: 34618223

2、1 E-mail: lai_qk,4,教材： 化工原理（上、下），譚天恩等， 化學(xué)工業(yè)出版社,參考教材： 1.化工原理（上、下），姚玉英等，天津大學(xué)出版社 2.化工原理（上、下），陳敏恒等，化學(xué)工業(yè)出版社 3.化工原理（上、下），蔣維鈞等，清華大學(xué)出版社 4.化工原理，何潮洪，科學(xué)出版社,教學(xué)資料：,5,1.化工原理學(xué)習(xí)指南問題與習(xí)題解析， 姚玉英等 ，天津大學(xué)出版社 2.化工原理教與學(xué)，陳敏恒等， 化學(xué)工業(yè)出版社 3.化工原理例題詳解，陳敏恒等， 化學(xué)工業(yè)出版社 4.化工原理習(xí)題精解，何潮洪等， 科學(xué)出版社,TG02 4214-4,輔助教學(xué)資料：,6,推薦幾個好的論壇,海川化工論壇 化工技術(shù)

3、論壇 馬后炮化工 維遠論壇 小木蟲論壇 ,7,2、復(fù)雜性：難學(xué)。是在高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)及物理化學(xué)等課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的較綜合的課程。方法與前不同，公式多，知識比較零散。,強調(diào)三點：,1、重要性：化學(xué)工程技術(shù)人員必修之課，重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，應(yīng)用性課程；理論與工程實際相聯(lián)系的橋梁。,3、嚴謹性：要求樹立嚴謹?shù)膽B(tài)度。,化工類研究生考試專業(yè)課之一,8,目的和要求：,（1）以工程技術(shù)觀點和經(jīng)濟觀點來分析和處理實際問題的能力；,通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)樹立起工程觀點（安全適用、經(jīng)濟合理），掌握解決工程實際的方法，培養(yǎng)下列兩種基本能力：,（2）熟練的進行化工基本運算。以便在化工生產(chǎn)、科研和設(shè)計工作中達到強化生產(chǎn)

4、過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高設(shè)備能力及效率，降低設(shè)備投資及產(chǎn)品成本，節(jié)約能耗，防止污染以及加速新技術(shù)開發(fā)等方面的目的。,9,化學(xué)工程研究的是：如何把化學(xué)家們的小試研究成果開發(fā)放大為中試，再開發(fā)為生產(chǎn)規(guī)模。是在科學(xué)實驗與化工之間架橋的工作，是直接為人類服務(wù)的創(chuàng)造價值的勞動。,本課程，不是教大家如何合成得到新物質(zhì)？如何提取新物質(zhì)？如何表征新物質(zhì)？這是化學(xué)家的事。,10,課程的展開方式,過程分析,過程數(shù)學(xué)描述,實例分析,定性,定量,應(yīng)用,11,：是研究大規(guī)模地改變物料的化學(xué)組成和物理性質(zhì)而得到合乎要求的產(chǎn)品的工程技術(shù)學(xué)科。,緒 論,一、“化工原理”課程的任務(wù),1、化學(xué)工程和單元操作,化學(xué)工程,一個化工產(chǎn)

5、品生產(chǎn)要經(jīng)過很多步驟,12,原料提純,單體合成,單體精制 壓縮冷凝,聚合,脫水干燥,產(chǎn)品,乙炔法制聚氯乙烯,13,高壓聚乙烯生產(chǎn)過程示意圖,14,一切化工生產(chǎn)過程中的物理加工過程稱為“單元操作”。,單元操作（Unit Operations）,化工生產(chǎn)的兩大部分,核心部分,輔助部分,化學(xué)反應(yīng)過程,前、后處理過程,化工生產(chǎn)所不可缺少,單元操作,15,蒸發(fā)：制糖工業(yè)糖水的濃縮； 制堿工業(yè)苛性鈉溶液的濃縮； 甘油和生物膠水溶液的濃縮； 牛奶和橘汁的濃縮。,精餾：釀酒，石油精制。,膜分離：海水淡化，血液透析，食鹽電解，水的凈化。,單元操作,16,單元操作,17,（1）遵循流體動力學(xué)基本規(guī)律的單元操作，包

6、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(zhì)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。,單元操作分類,18,另外，還有一些新興單元操作： 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。,（4）同時遵循熱質(zhì)傳遞規(guī)律的單元操作，包括氣體的增濕與減濕、結(jié)晶、干燥等。,單元操作分類,19,2、它們都是化工生產(chǎn)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；,1、物理性操作，即只改變物料

7、的狀態(tài)或物性，并不改變化學(xué)性質(zhì)；,共同的研究對象傳遞過程,單元操作之特點,20,3、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，其基本原理是相同的，進行該操作的設(shè)備也往往是通用的。具體應(yīng)用時也要結(jié)合各化工過程的特點來考慮，如原材料與產(chǎn)品的理化性質(zhì)，生產(chǎn)規(guī)模等。,單元操作之特點,21,連續(xù)操作,特點：物料的組成、溫度、壓強等參數(shù)僅隨位置的不同而不同，不隨時間的變化而變化,U=U(x,y,z),化工生產(chǎn)過程多數(shù)為連續(xù)穩(wěn)定過程,間歇操作,特點：不穩(wěn)定操作。不僅是空間的函數(shù)，也是時間的函數(shù),U=U(x,y,z,),單元操作過程進行的方式,22,質(zhì)量傳遞：濃度在時

8、空中分布的不均勻性。,2、三傳:化工原理的共同規(guī)律和聯(lián)系,動量傳遞：流體內(nèi)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(nèi)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。,23,化工生產(chǎn) = 單元操作 + 化學(xué)反應(yīng),三傳 = 動量傳遞 + 熱量傳遞 + 質(zhì)量傳遞,化學(xué)工程 = 化工原理 + 反應(yīng)工程 = 三傳 + 一反,24,以“三傳”為物理內(nèi)核的單元操作,25,化 工 生 產(chǎn),26,1）、孕育時期 1915年里特爾(A.D.Little) 提出建立“單元操作” （Unit Operations）的概念 化學(xué)工程史上的第一塊里程碑,3、化學(xué)工程的發(fā)展史,近幾百年

9、，化學(xué)工程經(jīng)歷了孕育時期、奠基時期、飛躍時期和現(xiàn)代時期等四個發(fā)展階段,27,3、化學(xué)工程的發(fā)展史,2）、奠基時期 第一本系統(tǒng)闡述單元操作原理和計算方法的著作：“Principles of Chemical Engineering” 于1923由 MIT的著名教授 W.D.Walker、W.H.Lewis和W.H.Mcadams等人完成。,從以產(chǎn)品來劃分的化工生產(chǎn)工藝中，抽象出各種單元操作，即從特殊性中總結(jié)出普遍性，是認識上的一個飛躍，對化學(xué)工程學(xué)的形成和發(fā)展起了重要的推動作用。,28,3）、飛躍時期 “三傳”理論的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展。1960年，美國威斯康新大學(xué)的Bird等人把“三傳”的內(nèi)容組織在一起

10、寫成了Transport phenomena 一書。,并得出 “三傳”遵循的“唯象方程”又一塊里程碑。,與此同時，化學(xué)反應(yīng)過程經(jīng)過了由“單元過程”到“化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)”的發(fā)展。至此，化學(xué)工程學(xué)科發(fā)展到了“三傳一反”的較完整階段。,3、化學(xué)工程的發(fā)展史,29,4）、現(xiàn)代時期：70年代以后。 能源有效利用問題、操作優(yōu)化問題逐漸突現(xiàn)起來 系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合和系統(tǒng)優(yōu)化 最優(yōu)設(shè)計、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理 計算機應(yīng)用的快速發(fā)展，并推向了“過程優(yōu)化集成”、“分子模擬”的新階段,3、化學(xué)工程的發(fā)展史,30,隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，化學(xué)工程與相鄰學(xué)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(xué)工程、分子化學(xué)工

11、程、環(huán)境化學(xué)工程、能源化學(xué)工程、計算化學(xué)工程、軟化學(xué)工程、微電子化學(xué)工程等。同時，上述新興產(chǎn)業(yè)與學(xué)科的發(fā)展，也推動了特殊領(lǐng)域化學(xué)工程的進步。,3、化學(xué)工程的發(fā)展史,31,二、化工原理課程的特點,理論與經(jīng)驗相結(jié)合的工程研究方法,半經(jīng)驗半理論方法,重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，兼有“科學(xué)”與“技術(shù)”的特點,綜合運用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和算法語言等基礎(chǔ)知識，將自然科學(xué)中的基本原理（質(zhì)量守衡、能量守衡及平衡關(guān)系等）用來研究化工生產(chǎn)中內(nèi)在的共同規(guī)律，討論化工生產(chǎn)中共同的基本過程的基本原理、典型設(shè)備結(jié)構(gòu)，工藝尺寸設(shè)計和設(shè)備的選型以及計算方法的一門工程學(xué)科,32,二、化工原理課程的特點,本課程強調(diào)工程觀點、定量運算、實

12、驗技能及設(shè)計能力的培養(yǎng)，強調(diào)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(xué)與工程技術(shù)的雙重教育任務(wù)，擔負著由理論到工程、由基礎(chǔ)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(xué)生最實用的一門課程，是化工類學(xué)生考研課程,33,隨著新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)或為實現(xiàn)綠色化工生產(chǎn)，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(shù)，如膜分離、參數(shù)泵分離、電磁分離、超臨界技術(shù)等。同時，以節(jié)約能耗，提高效率或潔凈無污染生產(chǎn)的集成化工藝（如反應(yīng)精餾、反應(yīng)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(shè)備”兩個方面的內(nèi)容，故

13、單元操作又稱為化工過程和設(shè)備?；ぴ硎茄芯恐T單元操作共性的課程。,開發(fā)新的單元操作,34,三、化工原理的兩條主線、五個基本概念,（一）化工原理課程的兩條主線,1、動量傳遞、傳熱和傳質(zhì)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。,a.實驗研究方法（經(jīng)驗的方法） b.數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗半理論的方法）,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。,35,數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗半理論）,因次論指導(dǎo)下的實驗研究法,實驗：尋找函數(shù)形式，決定參數(shù),三、化工原理的兩條主線、五個基本概念,36,（二）五個基本概念,化工過程計算可分為設(shè)計型計算和操作

14、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(zhì)量守恒、能量守恒、平衡關(guān)系和速率關(guān)系為基礎(chǔ)的。上述五種基本關(guān)系將在有關(guān)章節(jié)陸續(xù)介紹。,物料衡算、能量衡算、物料的平衡關(guān)系、過程速率和經(jīng)濟核算五個基本概念貫穿于各個單元操作的始終。,三、化工原理的兩條主線、五個基本概念,37,穩(wěn)定過程：連續(xù)操作:某一固定位置上物料組成、 溫度、 壓強、流速等參數(shù)不隨時間變化。,穩(wěn)定過程和不穩(wěn)定過程,不穩(wěn)定過程：間歇操作、連續(xù)操作中的開車、波動及故障等。,38,過程速率：單位時間內(nèi)所傳遞的能量（動量，熱量）或物質(zhì)量,是決定化工設(shè)備的重要因素。過程速率的增大可節(jié)約時間，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。,平衡關(guān)

15、系：(L-L G-L V-L G-S L-S),平衡關(guān)系可判斷過程能否進行，及進行的方向和限度。任何傳遞過程都有一個極限，當傳遞過程達到極限時，其過程進行的推動力為零，此時凈的傳遞速率為零，即稱為“平衡”。,流體流動P 熱量傳遞T 傳質(zhì)過程C,39,學(xué)習(xí)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(shè)計,學(xué)習(xí)本課程中，應(yīng)注意以下幾個方面能力的培養(yǎng)： （1）單元操作和設(shè)備選擇的能力 （2）工程設(shè)計能力 （3）操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的能力 （4）過程開發(fā)或科學(xué)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)。,40,四、單位制及單位換算,SI制主要優(yōu)點： 通用性：是一套

16、完整的單位制，適合于各個領(lǐng)域； 一貫性：每種物理量只有一個單位，如熱功都用J（焦耳）表示。,國際單位制（SI制） SI制基本單位7個： 長度 L ：米（m) 質(zhì)量M：千克（kg） 時間T：秒（s） 熱力學(xué)溫度：開爾文（k） 物質(zhì)的量：摩爾（mol） 電流 I ：安培（A） 發(fā)光強度：燭光（cd）,（一）單位制：,41,不同單位制的不同基本量,導(dǎo)出量,力N；壓強Pa（N/m2）；功，能，熱J；功率W,42,（三）單位換算,（二）、單位的正確運用,理論公式：用同一單位，中途不能更改（SI）,經(jīng)驗公式：按指定單位,1kg(f)=9.8N,p244附錄一單位換算表,如 1atm1.01325105 P

17、a,壓強：atm，mmHg，mmH2O,43,補例0-1、通用氣體常數(shù)R0.08206 atmLmolK，試用國際單位JmolK表示。,解：R0.08206atmLmolK,0.08206atmLmolK1m31000L101325Paatm,8.314 Pam3 molK 8.314 JmolK,44,五、物料衡算,質(zhì)量守恒定律,輸入控制體的量+控制體內(nèi)生成的量 =輸出控制體的量+控制體內(nèi)量的積累,穩(wěn)定過程：,輸入控制體的量 = 輸出控制體的量,衡算目的：決定要處理的量或任何一個物理量； 決定設(shè)備尺寸大小,衡算基準：單位時間,45,補例0-2 濃度為20%（質(zhì)量百分比）的KNO3水溶液以10

18、00kg/h的流量送入蒸發(fā)器。在149溫度下蒸出一部分水得到濃度為50%的水溶液，再送入結(jié)晶器，冷卻至38后，析出含有4%結(jié)晶水的KNO3晶體并不斷取走，濃度為37.5%的KNO3飽和母液則返回蒸發(fā)器循環(huán)處理。試求結(jié)晶產(chǎn)品量P、水分蒸發(fā)量W、循環(huán)母液量R及濃縮溶液量S。,解：,（1）結(jié)晶產(chǎn)品量P及水分蒸發(fā)量W,首先根據(jù)題意畫出過程示意圖。,46,在圖中虛線方框I所示的范圍內(nèi)作物料衡算。,因過程中無化學(xué)反應(yīng)，且為連續(xù)穩(wěn)定過程，故可寫出總物料衡算式及KNO3的衡算式，即：,1000=W+P,1000（0.20）=W（0）+P（1-0.04）,及,解得,P=208.3 kg/h,W=791.7 kg/h,47,（2）循環(huán)母液量R及濃縮溶液量S,在圖