化工原理教学绪论课件PPT.ppt

主讲：高丹丹 电话邮箱： 2 研究化工研究化工 单元操作单元操作 的基本原理的基本原理 ：典型化工单元设备的原理、结：典型化工单元设备的原理、结 构选型以及工艺尺寸的计算。构选型以及工艺尺寸的计算。 高等数学高等数学 物理学物理学 物理化学物理化学 从复杂事物中排除非主要因素，抽出从复杂事物中排除非主要因素，抽出 关键环节，以合理的简化方式建立物关键环节，以合理的简化方式建立物 理和数学模型，解决工程问题。理和数学模型，解决工程问题。 综合运用基础知识，有目的地解决综合运用基础知识，有目的地解决 工程实际问题工程实际问题 目的并不只是目的并不只是 认识一些自然现象，认识一些自然现象， 而是解决真实的、复杂的生产问题。而是解决真实的、复杂的生产问题。 化 工 原 理 主要内容主要内容 理论基础理论基础 课程学习课程学习 工程学科工程学科 概 括 3 化工生产过程与单元操作 单元操作单元操作：指在各种化工过程中，遵守同一基本原理 ，所用设备相似，作用相同，仅发生物理变化过程的 那些操作。 单元操作一般占整个化工过程的 80% 左右。 本课程的研究对象就是本课程的研究对象就是各种单元操作各种单元操作，包括两个，包括两个 方面：方面：过程和设备过程和设备。 对物料进行大规模的物理或化学加工的过程称 为化学工业生产过程， 简称化工过程化工过程。 尽管用不同原料生产不同的产品的化工过程相差 很大，但它们都是由若干个简单过程和设备（单元操 作）按一定的顺序和方式组合而成的。 4 基 本 化 工 过 程 原料预处理反 应后处理产品 化学反应工程 化工原理 5 基 本 制 药 过 程 原料 预处理反 应后处理原料药 有机合成 反应工程学 化工原理 (单元操作) 产品 制 剂 药剂学 制药工程学 柠檬酸生产工艺流程 白薯干 粉 碎 发酵反应 过 滤 中和过滤 酸解过滤 产 品 石灰乳caco3 净 化 h2so4 废糖液 浓 缩 结 晶 离 心 干 燥 菌体、残渣 10 个主要环节中单元操作占 9 个 7 研究各种单元操作的基本原理，典型设备的结构和 性能，工程和设备的基本计算方法，选择适当的操作条 件，探索过程的强化途径和方向。 其目的是满足工艺要求。 一、化工原理课程的任务、内容、性质、特点 1、化工原理课程的任务 8 化工常用单元操作 单单元操作目 的物 态态原 理传递过传递过 程 流体输送输 送液或气输入机械能动量传递 搅 拌混合或分散 气-液、液-液 、固-液 输入机械能 过 滤 非均相 混合物分离 气-固 液-固 尺度不同 的截留 沉 降 气-固 液-固 密度差引起的 沉降运动 加 热 冷 却 升温、降温 改变物态 液或气 利用温度差传 入或移出热量 热量传递 蒸 发 溶剂与不挥发 溶质的分离 液体 供热以 汽化溶剂 具体的单元操作 2、化工原理课程的内容 9 化工常用单元操作 ( 续 ) 单单元操作目 的物 态态原 理传递过传递过 程 气体吸收 均 相 混 合 物 分 离 气体混合物 各组分在溶剂中的 溶解度不同 质量传递 液体精馏液体混合物 各组分 挥发度不同 萃 取液体混合物 各组分在溶剂中的 溶解度不同 吸 附液或气 各组分在溶剂中的 吸附能力不同 干 燥除湿固或液供热汽化 热、质 同时传递 10 单元操作特点 (1) 都是物理加工过程。 (2) 遵循相同的规律，操作设备相似（不是相同） (3) 用于不同化工生产过程的同一单元操作，其原理相同，设备 通用。 (4)对同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实现。 例如：流体输送 是一种单元操作。 基本原理是：流体力学。 所用设备是：泵或风机、管道等。 它的作用是：将流体从一个地方输送到另一 个地方。 11 理论与经验相结合的工程研究方法4、特点 经验方法 理论方法 相似准则：利用经验公式和实验曲线进行设计和工程放大。 量纲分析：得出无因次准数方程，使实验参数最少，简化实验 。 利用基本定律对过程的微观机理进行相应的数学描述 建立数学模型。 注：该方法着眼于过程参数的整体变化，不究其微观机理， 得到的结果带局限性 ，不可任意推广。 3、性质 技术基础课、专业基础课 工程学科 实用性 经济性 安全性 12 课程研究主线 用研究工程问题的方法解决传递过程中的 实际问题，是化工原理课程研究的主线。 不同的 单元操作单元操作 的组合 传递过程传递过程 成千上万的 具体工艺过程工艺过程 13 二、四个基本概念 1、物料衡算 质量守恒定律在化工过程中的应用 稳定过程中：进入的能量 = 排出的能量 2、热量衡算 能量守恒定律在化工过程中的应用 稳定过程中：进入的物料量 = 排出的物料量 3、平衡关系 表明过程进行的方向和所能达到的极限 在一定的t、p下，相平衡时两相浓度有着确定的关系 4、过程速率快慢程度，关系到生产过程设备的大小 14 1、物料衡算 设计设备尺寸之前，要确定所处理的物料量 研究方法：（1）划定衡算范围（确定研究系统）； （2）定出衡算基准。 非稳态过程 输入输出积累 系统 输出输入 积累 系统 输出输入 稳态过程 积累 0 输入输出 15 考虑进出设备的物料本身的焓，与从外界加入或外 界送出的热。有化学反应时则还包括反应所吸收或放出 的热（反应热）。 （1）划定衡算范围（确定研究系统）； （2）定出衡算基准：物料基准、温度基准。 2、热量衡算 研究方法： 非稳态过程 输入输出积累 系统 输出输入 积累 系统 输出输入 稳态过程 积累0 输入输出 16 3、物系的平衡关系 n物系的平衡可以用来判断过程能否进行， 以及进行的方向和所能达到的极限。 n 当设备或系统内过程达到平衡时，过程就 会停止，平衡状态是过程进行的极限。 17 任何一个物系，如果不是处于平衡状态， 必然存在一个趋向平衡的过程，而过程的快慢 即过程的速率受多方面的影响。 过程的推动力依具体过程有所不同，它可以 是压差、温度差或浓度差等。过程速率反映了过 程进行的快慢程度。 4、过程速率 单位制度及单位换算 基本单位：物理量的单位是被规定的，比 如：米，秒，摄氏度等称为基本单位。 导出单位：物理量的单位是根据其本身的 物理意义有相关基本单位组合而成，这种 组合单位称为导出单位。（速度，加速度 ，密度等） 19 单位 制 基 本 单 位 长度质量时间温度 物质 的量 力 simkgskkmol 工程ms kgf cgscmgs mksmkgs 英制ftlb s 常用的单位制度 20 物理量的换算：物理量 = 数值单位 压力的单位（最多，一定要清楚） 1atm= 101300 n/m2 = 101.3 kpa = 1.033 kgf/cm2 = 10.33 mh2o = 760 mmhg 1at = 1 kgf / cm2 = 10 mh2o = 735.6 mmhg = 0.9807 bar = 9.807104 pa 常温下水的密度: r = 1000 kg / m3 = 1 g /cm3 = 62.4 lb / ft3 = 102kgf / m3 当物理量a=物理量b时时，其换换算因子：1=物理量a/物理量 b 工程大气压 21 【例 0-1】某物质的比热容 cp =1.00 btu / (ibf)，试从基 本单位换算入手，将其换算为 si 单位，即 kj / (kg) 解：查表： 1.00 btu = 1.055 kj 1 lb = 0.4536 kg 1 f = 5/9 1=1.005 kj/btu 1=1 lb/0.4536kg 1=1 f/(5/9) 22 解： 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。 例0-2 【例 0-2】质量百分比为20%的kno3水溶液，以1000kg/h的流量 送入蒸发器。在常压、149条件下蒸出部分水，得到浓度为50% 的浓缩液。该浓缩液送入结晶器冷却至38后，析出含有4%结晶 水的kno3晶体并不断分离出去；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。 蒸发器结晶器 料液 1000kg/h 20%kno3 r kg/h 37.5%kno3 s kg/h 50%kno3 结晶产品 p kg/h 4% 水 水，w kg/h 蒸发器结晶器 23 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 例0-2b 在图中绿色虚线方框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 料衡算式和 kno3 的衡算式，即： 料液 1000kg/h 20%kno3 r kg/h 37.5%kno3 s kg/h 50%kno3 结晶产品 p kg/h 4% 水 水，w kg/h 蒸发器 结晶器 24 例0-2 c（2）循环母液量 r 及浓缩溶液量 s s = r + p = r + 208.3 s（0.50）= r（0.375）+ 208.3（1-0.04） 解得 r = 766.5 kg/h 料液 1000kg/h 20%kno3 r kg/h 37.5%kno3 s kg/h 50%kno3 结晶产品 p kg/h 4% 水 水，w kg/h 蒸发器 结晶器 料液 1000kg/h 20%kno3 r kg/h 37.5%kno3 s kg/h 50%kno3 结晶产品 p kg/h 4% 水 水，w kg/h 蒸发器 结晶器 对结晶器作总物料衡算及 kno3 衡算(粉红色虚框可不画） s = 947.8 kg/h 25 四、化工原理课程的目的(培养四种能力） 1、培养单元操作和设备选择的能力：根据生产工艺 要求和物系特性，合理地选择单元操作及设备。 2、工程设计能力：学习进行工艺过程计算和设备设计 3、操作和调节生产过程的能力 4、过程开发或科学研究能力 掌握规律 诊断过程 开发工艺 强化操作 创新设计 26 五、主要参考书籍 1、柴诚敬等编，化工原理课程学习指导 天津大学出版社， 2005，第2版 2、姚玉英等编，化工原理学习指南-问题与习题解析 天津大学出版社， 2003，第1版 3、柴诚敬、夏清主编，化工原理学习指南 高等教育出版社，2007，第1版 27 六、化工原理学习应注意： 2、重视计算和例题，掌握基本解题思路和计算方法，计算要准确 。 3、注意本课程的性质、特点，计算结果除了准确之外，还要 从工程的角度考虑其结果的合理性、经济性和安全性。 5、重视附录及教材中图、表、经验数据的使用，已知数据要扩展 6、与计算机学习结合，有些习题可编程解决或直接利用 excel 计算、做图。 4、重视实验，注意观察管路、设备的结构，增加感性认识。 1、内容多，加之以多媒体教学，每节课信息量大， 且第一次接触工程内容，学习有一定难度，所以最好要有 预习，必须复习。 28 另外，还有热力过程（制冷）、粉体工程（粉碎、颗粒分 级、流态化）等单元操作。 单元操作分类 ： （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。 （4）同时遵循热质传递规律