1、化工原理 I,Principle of Chemical Engineering,主讲教师：赖庆轲,2,化工原理教学组织及要求,1本学期化工原理讲课学时安排化工原理I，教学大纲共计48学时。绪论 6学时 第一章 流体流动 15学时 第二章 流体输送机械 6学时 第三章 机械分离 6学时 第四章 传热 15学时,3,化工原理教学组织及要求,2教学环节与要求 课堂教学（思路和概念为主）：认真听讲、记笔记，不迟到、早退，保证出勤率 预习、复习、练习 作业 ：严谨，独立完成，及时答疑， 平时成绩20%。 期末考试(闭卷),我的联系方式 Tel: 13668498262QQ: 346182231E-ma
2、il: lai_,4,教材： 化工原理（上、下），谭天恩等，化学工业出版社,参考教材： 1.化工原理（上、下），姚玉英等，天津大学出版社 2.化工原理（上、下），陈敏恒等，化学工业出版社 3.化工原理（上、下），蒋维钧等，清华大学出版社 4.化工原理，何潮洪，科学出版社,教学资料：,5,1.化工原理学习指南问题与习题解析， 姚玉英等 ，天津大学出版社 2.化工原理教与学，陈敏恒等，化学工业出版社 3.化工原理例题详解，陈敏恒等，化学工业出版社 4.化工原理习题精解，何潮洪等，科学出版社,TG02 4214-4,辅助教学资料：,6,推荐几个好的论坛,海川化工论坛 http:/ 化工技术论坛 ht
3、tp:/ 马后炮化工 http:/ 维远论坛 http:/ 小木虫论坛 http:/ 论,一、“化工原理”课程的任务,1、化学工程和单元操作,化学工程,一个化工产品生产要经过很多步骤,12,原料提纯,单体合成,单体精制 压缩冷凝,聚合,脱水干燥,产品,乙炔法制聚氯乙烯,13,高压聚乙烯生产过程示意图,14,一切化工生产过程中的物理加工过程称为“单元操作”。,单元操作（Unit Operations）,化工生产的两大部分,核心部分,辅助部分,化学反应过程,前、后处理过程,化工生产所不可缺少,单元操作,15,蒸发：制糖工业糖水的浓缩；制碱工业苛性钠溶液的浓缩；甘油和生物胶水溶液的浓缩；牛奶和橘汁的
4、浓缩。,精馏：酿酒，石油精制。,膜分离：海水淡化，血液透析，食盐电解，水的净化。,单元操作,16,单元操作,17,（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。,单元操作分类,18,另外，还有一些新兴单元操作： 热力过程（制冷） 粉体工程（粉碎、颗粒分级、流态化） 等单元操作。,（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
5、燥等。,单元操作分类,19,2、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、名称与排列顺序各异；,1、物理性操作，即只改变物料的状态或物性，并不改变化学性质；,共同的研究对象传递过程,单元操作之特点,20,3、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，其基本原理是相同的，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。,单元操作之特点,21,连续操作,特点：物料的组成、温度、压强等参数仅随位置的不同而不同，不随时间的变化而变化,U=U(x,y,z),化工生产过
6、程多数为连续稳定过程,间歇操作,特点：不稳定操作。不仅是空间的函数，也是时间的函数,U=U(x,y,z,),单元操作过程进行的方式,22,质量传递：浓度在时空中分布的不均匀性。,2、三传:化工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。,23,化工生产 = 单元操作 + 化学反应,三传 = 动量传递 + 热量传递 + 质量传递,化学工程 = 化工原理 + 反应工程 = 三传 + 一反,24,以“三传”为物理内核的单元操作,25,化工生产,26,1）、孕育时期1915年里特尔
7、(A.D.Little) 提出建立“单元操作” （Unit Operations）的概念 化学工程史上的第一块里程碑,3、化学工程的发展史,近几百年，化学工程经历了孕育时期、奠基时期、飞跃时期和现代时期等四个发展阶段,27,3、化学工程的发展史,2）、奠基时期 第一本系统阐述单元操作原理和计算方法的著作：“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。,从以产品来划分的化工生产工艺中，抽象出各种单元操作，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
8、形成和发展起了重要的推动作用。,28,3）、飞跃时期“三传”理论的发现与发展。1960年，美国威斯康新大学的Bird等人把“三传”的内容组织在一起写成了Transport phenomena 一书。,并得出 “三传”遵循的“唯象方程”又一块里程碑。,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。,3、化学工程的发展史,29,4）、现代时期：70年代以后。能源有效利用问题、操作优化问题逐渐突现起来系统分析、系统综合和系统优化最优设计、最优控制和最优管理计算机应用的快速发展，并推向了“过程优化集成”、“分子模拟”的新阶段,
9、3、化学工程的发展史,30,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。,3、化学工程的发展史,31,二、化工原理课程的特点,理论与经验相结合的工程研究方法,半经验半理论方法,重要的专业技术基础课，兼有“科学”与“技术”的特点,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
10、基本原理、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,32,二、化工原理课程的特点,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,33,随着新产品、新工艺的开发或为实现绿色化工生产，对物理过程提出了一些特殊要求，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（
11、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。,开发新的单元操作,34,三、化工原理的两条主线、五个基本概念,（一）化工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。,a.实验研究方法（经验的方法） b.数学模型法（半经验半理论的方法）,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。 各单元操作有共同的研究方法。,35,数学模型法（半经验半理论）,因次论指导下的实验
12、研究法,实验：寻找函数形式，决定参数,三、化工原理的两条主线、五个基本概念,36,（二）五个基本概念,化工过程计算可分为设计型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。,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。,三、化工原理的两条主线、五个基本概念,37,稳定过程：连续操作: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。,稳定过程和不稳定过程,不稳定过程：间歇操作、连续操作中的开车、波动及故障等。,38,
13、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。过程速率的增大可节约时间，提高设备的生产能力。,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 热量传递T 传质过程C,39,学习化工原理的目的和要求,掌握规律 诊断过程 开发工艺 强化操作 创新设计,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
14、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。,40,四、单位制及单位换算,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。,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）,（一）单位制：,41,不同单位制的不同基本量,导出量,力N；压强Pa（N/m2）；功，能，热J；功率W,42,（三）单位换算,（二）、单位的正确运用,理论公式：用同一单位，
15、中途不能更改（SI）,经验公式：按指定单位,1kg(f)=9.8N,p244附录一单位换算表,如 1atm1.01325105 Pa,压强：atm，mmHg，mmH2O,43,补例0-1、通用气体常数R0.08206 atmLmolK，试用国际单位JmolK表示。,解：R0.08206atmLmolK,0.08206atmLmolK1m31000L101325Paatm,8.314 Pam3 molK 8.314 JmolK,44,五、物料衡算,质量守恒定律,输入控制体的量+控制体内生成的量=输出控制体的量+控制体内量的积累,稳定过程：,输入控制体的量 = 输出控制体的量,衡算目的：决定要处理
16、的量或任何一个物理量；决定设备尺寸大小,衡算基准：单位时间,45,补例0-2 浓度为20%（质量百分比）的KNO3水溶液以1000kg/h的流量送入蒸发器。在149温度下蒸出一部分水得到浓度为50%的水溶液，再送入结晶器，冷却至38后，析出含有4%结晶水的KNO3晶体并不断取走，浓度为37.5%的KNO3饱和母液则返回蒸发器循环处理。试求结晶产品量P、水分蒸发量W、循环母液量R及浓缩溶液量S。,解：,（1）结晶产品量P及水分蒸发量W,首先根据题意画出过程示意图。,46,在图中虚线方框I所示的范围内作物料衡算。,因过程中无化学反应，且为连续稳定过程，故可写出总物料衡算式及KNO3的衡算式，即：,
17、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）循环母液量R及浓缩溶液量S,在图中虚线方框II 所示的范围内作总物料衡算及KNO3衡算,S=R+208.3,S（0.50）= R（0.375）+208.3（1-0.04）,解得,R=766.6 kg/h,48,衡算方法,（1）、绘流程图,（2）、划定衡算范围,（3）、规定衡算基准,（4）、列出衡算式并求解,方框、带箭头的物流线、物流的参数,力图使衡算简单,49,七、热量衡算,能量守恒定律,衡算目的：确定用于改变物料的温度与聚集状态或提供反应所需的热量,注意单位： 1千卡=427千克（力）米=4.187kJ,衡算方法：同物料衡算,衡算基准：基准温度,稳定过程：,输入控制体的量 = 输出控制体的量,
