中山大学化工原理课件第0章绪论.ppt

化工基础第一讲,丁 楠,化学不断发现和创造的新物质,产品,化工过程,化学反应,有经济价值的商业产品,化学工程,化 工,国民经济的支柱产业,世界化工产品的总销售额(年),- 几千亿美元, 衣食住行,化 工,人类生存密切相关, 能源, 国防和科技现代化,开源节流, 环保,格栅,沉砂池,初次沉淀池,生物处理设备,二次沉淀池,消毒投氯,排放或三级处理,污泥浓缩池,污泥消化,脱水干燥设备,污泥利用,消化气利用,城市污水处理典型流程,污水流程,污泥流程,消化气,一级处理（物理法处理）,二级处理（生物处理）,污泥处理,活性污泥法或生物膜法,实验室,工业过程,直接过渡,想 想,是否可行 ?,萘,O,邻苯二甲酸酐,+ Q,实验室反应器,加热,工业反应器,冷却,实验室与化工生产的区别：,实验室,化工生产,催化剂升温活化,电加热,空气预热至活化温度，通入少量反应物,量,催,萘,反应温度控制,外加热,冷却,即：,1.量上,少,多,2.传质、传热及材质上的差别,3.能源、动力及技术与经济上的差别,1 - 20 g,0.04 - 0.8 gh-1,10 - 30 吨,400 - 1200 kgh-1,绪 论,一. 化工,化学工艺,化学工业,化学工程,化工过程,单元操作 传递过程 化学反应工程 化工热力学 过程系统工程,动量、热量、质量传递的总称,研究化工过程中各种状态变化、能量转化和能量有效利用,包括系统分析、系统模拟、系统综合和系统优化等,化工原理,20世纪初美国李特尔提出,麻省理工学院率先开“化工原理”课程，现代“化学工程”是世界公认的一门系统性的工程学科,化学工艺：, 生产过程或技术,原料,制 造,Chemical Technology,化学工业：,原料,化学工艺,化学品,生 产,工厂企业形成的特定生产部门,化学方法,化学品,Chemical Industry,化学工程：,研究,工业生产过程的共同规律,指导,工业装置,放大,设计,生产操作, 学科,Chemical Engineering,原料预处理,化学反应,产物后处理,物理过程 单元操作,化学反应工程,物理过程 单元操作,化工生产过程,化工过程,化学反应,物理过程,流体输送、沉降、过滤、传热、吸收、蒸馏、萃取、干燥, 单元操作, 核心,即: 化工过程, 化学反应 + 若干单元操作,原料,产品,一系列加工处理步骤,Chemical Process,使物料发生所要求的物理变化的基本操作,二. 研究方法,实验研究法,测试技术,实验规划,数据处理,数学模型法,过程分析,数学描述,检验与修正,实验研究方法（经验的方法） 一般用因次分析和相似论为指导，依靠实验来确定过程变量之间的关系，通过无因次数群（或称准数）构成的关系式来表达。,实验：寻找函数形式，决定参数,在对实际过程的机理深入分析的基础上，在抓住过程本质的前提下，作出某种合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得出数学模型。通过实验确定模型参数。 如一个物理过程的影响因素较少，各参数之间的关系比较简单，能建立数学方程并能直接求解，则称为解析法。,数学模型法（半经验半理论的方法）,三. 有关基本概念,1. 物料衡算：,输入 = 输出 + 损失 + 累积,A. 确定衡算范围：,（1）衡算步骤：,b. 设备或管道中的某一部分。,a. 一个设备、若干设备、或是一个车间、,几个车间或整个流程,B. 确定衡算对象：,C. 确定基准：,连续操作 单位时间量,间歇操作 每批量,总、某一（或某几个）组分,（2）定常操作与非定常操作区别,定常操作：,累积量 = 0, 过程中的变量是否随时间变化,（3）应用：,副产物及“三废”量之间的关系,反映生产过程中原料、产品、,例1：如图每小时处理含乙醇40%某混合液5吨（qn,F），经分离后塔顶产品含乙醇90%，塔釜产品含乙醇5%（以上均为质量%）。已知qn,L:qn,D = 2.5。试求塔顶产品量qn,D、塔釜产品量qn,W及进入塔顶冷凝器的蒸汽量qn,V。,解：以每小时为基准,qn,F = qn,D + qn,W,qn,F xf = qn,Dxd + qn,Wxw,qn,D = 2.06 吨,qn,W = 2.94 吨,qn,V = qn,L + qn,D,qn,V = 7.2 吨,2. 能量衡算：,输入 = 输出 + 损失 + 累积,应用：,（2）为换热设备设计、改进提供依据,（3）能量综合利用，确定经济合理的方案,（1）确定加热介质或冷却介质的量,如：,a. 在15输送；,b. 用0.2MPa饱和蒸汽将油加热至50输送,试问：你选择哪种方案？,3. 过程平衡与速率,（1）过程平衡,注：过程速率决定装置与设备的生产能力, 分析过程进行的方向与极限,四 . 可压缩流体与不可压缩流体,1. 区别：,2. 工程上,液体 不可压缩,气体,流体的体积是否随P、T变化而变化, P、T变化小，,视为不可压缩,五. 流体的密度,定义：,单位：kgm-3,1. 气体,P（绝）- kPa , M - 分子量,R - 8.314kJkmol-1K-1,2. 混合物,液体：,气体：,y 摩尔%,m 混合液体的密度,1kg混合液体积,x 质量%,1. 课堂讲授：围绕教学大纲进行讲授，以教材为蓝本；祁存谦主编的化工原理。课件不拷贝。 2. 习题课：讲完课后安排一次习题课； 3. 实验教学：通过验证性实验来帮助学生理解所学理论。安排在下学期上，作为专门的一门课化工基础实验。,教学计划（54学时),4辅导答疑： 5作业：每章交一次，要求计算题求解步骤。 6考核 考勤：10%（缺勤超1/3者没有考试资格） 作业：10%（缺作业超1/3者没有考试资格） 考试：80%,本课程的特点： 1是划分工科和理科的标准，是化工类各专业课的基础理论课。 2难度较大，与物理化学相当。 3. 很重要，化工类研究生升学考试科目,1课前预习 2认真听课 3课后复习 4独立完成作业 5. 有疑问及时解决,学习要求：,1.课程的由来发展、内容和性质,1922年美国化工学会年会, 里特尔(A.D.LiThle) 提出建立“单元操作” （Unit Operations）的概念,“任何一个化学过程,不管它的规模如何,都可分解成为一系列互相类同的被称作“单元操作(Unit operation)”的组成部分，如粉碎、混合、加热、焙烧、吸收、沉淀、结晶、过滤、溶解等。,1.1 课程的由来发展,1923年 MIT的著名教授 W.D.Walker、W.H.Lewis和W.H.Mcadams 等人根据此概念写成了第一部单元操作的书 “Principles of Chemical Engineering （化工原理）” 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，加强了学生工程学科基础的训练。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。,.计算机应用的快速发展，使化学工程成为更完整的体系，并推向了“过程优化集成”、“分子模拟”的新阶段。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。,单元操作的研究内容与方向：,单元操作的基本原理； 单元操作典型设备的结构； 单元操作设备选型设计计算。,研究内容,课程的性质,2. 单位制与单位换算,2.1 基本单位与导出单位,基本单位：选择几个独立的物理量，根据方便原则规定单位；,导出单位：由有关基本单位组合而成。,单位制度的不同，在于所规定的基本单位及单位大小不同。,2.2 常用单位制,基本单位：7个，化工中常用有5个，即长度（米），质量（千克），时间（秒），温度（K），物质的量（摩尔），电流（安培），发光强度（坎）,国际单位制 SI制,基本单位：长度（厘米cm），质量（克g），时间（秒s）,物理单位制 CGS制,基本单位：长度（米），重量或力（千克力kgf），时间（秒）,工程单位制,我国法定单位制为国际单位制（即SI制）,2.3 单位换算,物理量的单位换算,换算因数：同一物理量，若单位不同其数值就不同，二者包括单位在内的比值称为换算因数（见附录一）。,经验公式的单位换算,经验公式是根据实验数据整理而成的，式中各符号只代表物理量的数字部分，其单位必须采用指定单位。,定义：任何物理量通过物理关系与基本量联系起来的关系式。 性质：若用符号L、M、T、I、N、J分别表示长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量、发光强度7个基本量的量纲，则导出量Q的量纲可用基本量量纲的组合来表示， 即 ： 式中： 量纲指数（因次）。,2.4 量纲(Dimension),如：,若 ： 则 ： ， 此时Q称为量纲为1的量，或称为无量纲量，,如：,量纲一致性原理：任何一个理论（物理）方程两边的量纲必相等。,2.5 浓度的表示方法,物质的量浓度与摩尔分数,物质的量浓度：,摩尔分数：,物质的质量浓度与物质的质量分数,物质的质量浓度：,物质的质量分数：,摩尔比与质量比,摩尔比：,质量比：,3. 单元操作中的两条主线和五个基本概念,3.1 两条主线,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。 研究工程问题的方法论是联系各单元操作的另一条主线。,3.2 五个基本概念,输入量 输出量 积累量,1.画出流程示意图，标出物 料流向与流量、组成等；,物料衡算的步骤,2.用虚线划出衡算范围；,3.定出衡算基准；,4.列出衡算式并求解。,物料衡算,能量衡算,平衡关系,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