化工原理-第 0 章 绪论.doc

化工原理-第 0 章 绪论.txt32因为爱心，流浪的人们才能重返家园；因为爱心，疲惫的灵魂才能活力如初。渴望爱心，如同星光渴望彼此辉映；渴望爱心，如同世纪之歌渴望永远被唱下去。 本文由宇智轩贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 Principles of Chemical Engineering 主讲： 解新安（ 主讲： 解新安（XIE XINAN） ） E-mail: 华南农业大学食品学院 2010年2月 教材 管国锋主编. 化工原理 第三版） 管国锋主编 化工原理（第三版） 化学工业出版社, 化学工业出版社 2008 学时安排 总学时： 总学时：80 学时 理论课： 其中 理论课： 实验课： 实验课： 64 学时 16 学时 参考文献 高福成. 食品工程原理，中国轻工业出版社, 1. 高福成. 食品工程原理，中国轻工业出版社, 1998 姚玉英.黄凤廉，陈常贵等. 化工原理，上下册，天津： 2. 姚玉英.黄凤廉，陈常贵等. 化工原理，上下册，天津：科学技术出版 社.1999 3. 王志魁. 化工原理. 北京：化学工业出版社，1987. 王志魁. 化工原理. 北京：化学工业出版社， 金克普利斯著，清华大学化工组译. 传递过程与单元操作.1985。 4. 美J 金克普利斯著，清华大学化工组译. 传递过程与单元操作.1985。 华南工学院等.发酵工程与设备。北京：轻工业出版社。 5. 华南工学院等.发酵工程与设备。北京：轻工业出版社。 姚玉英.化工原理例题与习题。北京：化学工业出版社，1998。 6. 姚玉英.化工原理例题与习题。北京：化学工业出版社，1998。 其它 绪 论 1 课程性质、内容及任务 课程性质、 1.1 课程性质 化工原理是食品工程、生物化工、化学工程、 化工原理是食品工程、生物化工、化学工程、农副产品加工 和贮藏等工科专业的学生必修的重要基础技术课程。 工科专业的学生必修的重要基础技术课程 和贮藏等工科专业的学生必修的重要基础技术课程。 先修课：高等数学、物理、物理化学、机械制图等 先修课：高等数学、物理、物理化学、机械制图等。 1.2 课程内容 本课程主要介绍“三传理论” 单元操作” 本课程主要介绍“三传理论”和 “单元操作” 。 1.3 课程任务 其主要任务是： 其主要任务是： 掌握三传理论，即流体流动、传热、传质的基本原理； 掌握三传理论，即流体流动、传热、传质的基本原理； 三传理论 掌握主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算（核算）、 掌握主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算（核算） 设备构造 选型（设计计算） 实验研究方法； 选型（设计计算）及实验研究方法； 方法 培养学生运用基础理论分析和解决化工单元操作中各种工程实 培养学生运用基础理论分析和解决化工单元操作中各种工程实 分析 化工单元操作中各种 际问题(核算、设计及实验研究方法 的能力 的能力。 际问题 核算、设计及实验研究方法)的能力。 核算 2 化工过程及单元操作 化学工业：利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成 化学工业 利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成 生活资料的工业。 生活资料的工业。 化学反应过程：如发酵、 化工生产 ：(1) 化学反应过程：如发酵、化学合成等 (2) 物理加工过程 不同化工生产过程使用各种物理加工过程， 不同化工生产过程使用各种物理加工过程 ， 根据他们的操 作原理，可以归结为数个应用广泛的基本操作过程 基本操作过程， 作原理，可以归结为数个应用广泛的基本操作过程，如流体输 搅拌、沉降、过滤、热交换、制冷、蒸发、结晶、吸收、 送、搅拌、沉降、过滤、热交换、制冷、蒸发、结晶、吸收、 蒸馏、粉碎、乳化萃取、吸附、干燥等 蒸馏、粉碎、乳化萃取、吸附、干燥等。 单元操作。 这些基本的物理过程称为单元操作。 单元操作的应用及特点 若干个单元操作串 并联起来组成一个工艺过程。 若干个单元操作串、并联起来组成一个工艺过程。 单元操作 组成一个工艺过程 均为物理性操作，只改变物料的状态或其物理性质， 均为物理性操作，只改变物料的状态或其物理性质， 物理性操作 不改变其化学性质。 不改变其化学性质。 同一化工生产过程中，可能会包含多个相同的单元 同一化工生产过程中，可能会包含多个相同的 多个相同 操作。 操作。 单元操作用于不同的生产过程， 基本原理相同， 单元操作用于不同的生产过程，其基本原理相同， 不同的生产过程 进行该操作的设备也可以通用 进行该操作的设备也可以通用。 单元操作与加工过程（举例） 单元操作与加工过程（举例） 奶粉生产工艺流程 原料乳验收 预处理 预热杀菌 加糖 冷却与过筛 包装、 包装、检验 出粉 成品 工艺流程图 加工现场 真空浓缩 喷雾干燥 过滤 乳品工程原理解析 编号 ， 名称 冷冻盐水管道 自来水管道 蒸汽管道 贮罐 离心泵 板式换热器 配料槽 均质机 两段板式换热器 作用 提供冷却介质 提供流动介质 提供加热介质 贮存牛奶与缓冲作用 输送牛奶 冷却牛奶与加热空气 配料、 配料、混合与标准化 均质牛奶 巴氏灭菌 浓缩牛奶 分离水中的牛奶 提供负压 使牛奶产生较大的压力， 使牛奶产生较大的压力，利于 喷雾干燥 过滤空气， 过滤空气，使其清洁 干燥牛奶使其成为奶粉 风力空气中的奶粉颗粒 派出废气 筛出大的奶粉颗粒 冷却干燥后的牛奶 单元操作 流体输送 流体输送 流体输送 流体输送 传热 搅拌 均质 传热 浓缩 物系分离 流体输送 流体输送 过滤 干燥 分离 流体输送 筛分 传热 涉及的传递理论 动量传递 动量传递 动量传递 动量传递 热量传递 动量传递 动量传递与质量传递 热量传递 热量传递、 热量传递、动量传递与质量 传递 动量传递与质量传递 动量传递 动量传递 动量传递 热量传递、动量传递与质量 热量传递、 传递 动量传递与质量传递 动量传递 技术参数 ?20 常温 180 (21) 4 90 80,20min 升膜式蒸发器 旋液分离器 喷射泵 高压泵 空气过滤器 喷雾干燥器 旋风分离器 风机 筛分机 流化床冷却 包装系统 浓度10% 浓度 压力 kpa 90%以上过 目筛， 以上过100目筛， 以上过 目筛 含水量13% 含水量 热量传递 单元操作的分类 单元操作按其理论基础可分为下列三类： 单元操作按其理论基础可分为下列三类： （1）流体流动过程（fluid flow process）: 流体流动过程（ 包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等 包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。 流体输送 （2）传热过程（heat transfer process）: 传热过程（ 包括热交换、蒸发等 包括热交换、蒸发等。 热交换 （3）传质过程（mass transfer process）: 传质过程（ 包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等 包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。 吸收 上述三个过程包含了三种理论，我们称之为“三传理论” 上述三个过程包含了三种理论，我们称之为“三传理论” 三传理论 流体流动时， 动量传递(momentum transfer)：流体流动时，其内部发生动 量传递，故流体流动过程也称为动量传递过程。 量传递，故流体流动过程也称为动量传递过程。凡是遵循流体 流动基本规律的单元操作，都可以用动量传递的理论去研究。 流动基本规律的单元操作，都可以用动量传递的理论去研究。 热量传递(heat transfer): 物体被加热或冷却的过程也称为物 体的传热过程。凡是遵循传热基本规律的单元操作， 体的传热过程。凡是遵循传热基本规律的单元操作，都可以用 热量传递的理论去研究。 热量传递的理论去研究。 质量传递(mass transfer): 两相间物质的传递过程即为质量传 递。凡是遵循传质基本规律的单元操作，都可以用质量传递的 凡是遵循传质基本规律的单元操作， 理论去研究。 理论去研究。 单元操作与三传的关系 杀 菌：传热； 传热； 真空浓缩：传热、传质、流体流动； 真空浓缩：传热、传质、流体流动； 过 滤：流体流动. 流体流动 “三传理论”是单元操作的理论基础， 三传理论”是单元操作的理论基础， 三传理论 单元操作是“三传理论”的具体应用。 单元操作是“三传理论”的具体应用。 同时， 三传理论” 同时，“三传理论”和单元操作也是 化工技术的理论和实践基础。 化工技术的理论和实践基础。 流体力学、 传热及传质的基本原理是各单元操作 流体力学 、 的理论基础。 的理论基础。许多单元操作都会包含两种以上的传递 现象， 如干燥、精馏等。 现象， 如干燥、精馏等。 3 单位与单位换算 3.1 单位制 3.2 几种单位制 几种不同单位制 名称 基 本 物 理 量 力 质量 长度 时间 温度 热量 符号 F M L T Q SI kg m s ，K J ，kj CGS g cm s ，K J MKS kg m s ，K J ，kj FPS lb ft s F ，R Btu 工程单位制 kgf m s ，K cal ，cal 3.3、SI制（Standard International Unit）:20世纪60年 、 制 ） 代初国际度量衡会议提出,有7个基本量和基本单位即 热力学 发光强 物质的 基本量 长度 质量 时间 电流 度 温度 量 坎德拉 摩尔 安培A 基本单位 米 m 千克 kg 秒 s 开尔文k Cd mol 化学与 光学 电学 分子物 应用范围 力学 力学 力学 热学 理学 其他量称为导出量，其单位可由基本单位推导而出，称为导 出单位。 SI制: 国际单位制中的单位由基本单位和导出单位构成。 制 国际单位制中的单位由基本单位 导出单位构成 基本单位和 构成。 1984确定我国统一实行中华人民共和国法定计量单位，以 SI制为基础；1991年1月起除个别领域外，不允许使用法 定计量单位以外的单位。 1997年我国国家标准计量局确定，我国将逐步采用SI制。 可见：单位制是基本单位与导出单位的总和。基本量的单 单位制是基本单位与导出单位的总和。 单位制是基本单位与导出单位的总和 位称为基本单位， 位称为基本单位，通过基本单位而导出的单位称为导出单 位。 基本量和基本单位的选择，各种单位制均不相同，但通常 均取长度和时间作基本量。 如在SI制、cgs制中，质量为基本量，其单位为基本单位， 而力为导出量；在工程单位制中力为基本量，其单位为基 本单位，而质量为导出量。 3.4 单位换算 同一物理量若用不同单位度量时， 同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应 地改变。这种换算称为单位换算。 地改变。这种换算称为单位换算。 通用气体常数 R0.08206Latm/molK8.313J/molK 3.5 因次 法定计量单位中，基本量的长度、质量、时间、 法定计量单位中，基本量的长度、质量、时间、温度可分 别用符号L、 、 、 表示 表示， 别用符号 、M、T、表示，则导出量可由这些基本量的符号 组合而成。 组合而成。 例：速度LT1 速度 加速度LT2 加速度 力MLT2 若某物理量以 表示，则称它为该物理量的因次 若某物理量以MaLbTc表示，则称它为该物理量的因次 或量纲（ 称为因次， 或量纲（dimension）（严格地说，指数a、b、c称为因次， ） 严格地说，指数a MaLbTc称为该物理量的因次式或量纲式）。它表示该物理 称为该物理量的因次式或量纲式）。 ）。它表示该物理 量的单位与基本量的单位之间的关系。 量的单位与基本量的单位之间的关系。当abc0时，时 1 称为无因次 无因次（ M0L0T0 ，称为无因次（dimensionless）。 ） 4 单元操作中常用的基本概念 物料衡算； 物料衡算； 能量衡算； 能量衡算； 物系的平衡关系； 物系的平衡关系； 传递速率； 传递速率； 经济核算。 经济核算。 4.1 物料衡算（material balance） 物料衡算（ 依据质量守恒定律，进入与离开某一操作过程的物料质量之 依据质量守恒定律，进入与离开某一操作过程的物料质量之 操作过程 差，等于该过程中累积的物料质量，即 等于该过程中累积的物料质量， 输入量输出量 输入量输出量累积量 对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变， 对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即处于稳 定操作状态时，过程中不应有物料的积累， 定操作状态时，过程中不应有物料的积累，则物料衡算关系为 输入量 输入量输出量 用物料衡算式，可由过程的已知量求出未知量。 用物料衡算式，可由过程的已知量求出未知量。 物料衡算的步骤： 物料衡算的步骤： （1）根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头 根据题意画出各物流的流程示意图， 表示，并标上已知数据与待求量。 表示，并标上已知数据与待求量。 规定衡算基准，一般选用单位进料量或排料量、 （2）规定衡算基准，一般选用单位进料量或排料量、时间及 设备的单位体积等作为计算的基准。 设备的单位体积等作为计算的基准 。 在较复杂的流程示 意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。 意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。 4.2 能量衡算（energy balance） 本课程所用到的能量主要有机械能和热能。 本课程所用到的能量主要有机械能和热能。 能量衡算的依据是能量守恒定律。 能量衡算的依据是能量守恒定律。 热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。 热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。 4.3 物系的平衡关系 (relationship of system balance) 平衡状态是自然界中广泛存在的现象。 平衡状态是自然界中广泛存在的现象。 以食盐的溶解和结晶为例： 以食盐的溶解和结晶为例： 溶解 为例 食盐浓度 饱和浓度：结晶 饱和浓度： 饱和浓度： 食盐浓度 饱和浓度：溶解 该温度下的饱和浓度为该物系的平衡浓度。 该温度下的饱和浓度为该物系的平衡浓度。 平衡浓度 平衡关系可用来判断过程能否进行，以及进行的 平衡关系可用来判断过程能否进行， 可用来判断过程能否进行 方向和能达到的限度。 方向和能达到的限度。 和能达到的限度 4.4 传递速率 （rate of transfer process） 以食盐的溶解为例： 以食盐的溶解为例： 不饱和食盐溶液：溶解速率（单位时间内溶解的食 不饱和食盐溶液：溶解速率（ 盐质量）与食盐浓度有关，食盐浓度低时， 盐质量）与食盐浓度有关，食盐浓度低时，溶解速 率大；食盐浓度高时，溶解速率小。 率大；食盐浓度高时，溶解速率小。 饱和食盐溶液（即平衡状态）：溶解速率为零。 饱和食盐溶液（即平衡状态）：溶解速率为零。 ）：溶解速率为零 溶液浓度越是远离平衡浓度，其溶解速率就越大； 溶液浓度越是远离平衡浓度，其溶解速率就越大； 远离平衡浓度 越大 溶液浓度越是接近平衡浓度，其溶解速率就越小。 溶液浓度越是接近平衡浓度，其溶解速率就越小。溶 接近平衡浓度 越小 液浓度与平衡浓度之差值，可以看作是溶解过程的推 液浓度与平衡浓度之差值，可以看作是溶解过程的推 差值 动力（ force） 动力（driving force）。 影响因素：颗粒大小和搅拌对溶解速率有影响。 影响因素：颗粒大小和搅拌对溶解速率有影响。 原因：由大块改为许多小快， 原因：由大块改为许多小快，能使固体食盐与溶液的 接触面积增大；由不搅拌改为搅拌， 接触面积增大；由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对 阻力 流。其结果能减小溶解过程的阻力（resistance）。 其结果能减小溶解过程的阻力（resistance） 过程的传递速率与推动力成正比，与阻力成反比， 过程的传递速率与推动力成正比，与阻力成反比，即 传递速率与推动力成正比 此关系类似于电学中欧姆定律。 此关系类似于电学中欧姆定律。 欧姆定律 过程的传递速率是决定食品、 过程的传递速率是决定食品 、 化工设备的重要因 传递速率增大时，设备尺寸可以变小（ 素 ， 传递速率增大时 ， 设备尺寸可以变小 （ 投资与效 益问题） 益问题）。 4.5 经济核算 economic evaluations) 经济核算( 效益是企业的命脉，经济核算是企业的核心工作。 效益是企业的命脉，经济核算是企业的核心工作。为生 产定量的某种产品所需要的设备， 产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的 不同，可以有若干设计方案。对同一台设备， 不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作 参数不同，会影响到设备费与操作费。因此， 参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核算 确定最经济的设计方案。 确定最经济的设计方案。 本课程中，各单元操作的计算、 本课程中，各单元操作的计算、设备的 选型等工作都将围绕上述五个方面进行， 选型等工作都将围绕上述五个方面进行，并以 最优经济效益作为最终的设计方案。 最优经济效益作为最终的设计方案。 任何一个科研成果都要通 过工程技术才能得以大规模生 才能实现它的社会价值， 产，才能实现它的社会价值， 造福于广大的人民群众。 造福于广大的人民群众。 化工原理是将实验室科研成果转 化工原理 入工业化生产的基础理论课程。 入工业化生产的基础理论课程。 绪论完 1 无锡轻工学院等.食品工程原理上、下册，北京：轻工业 无锡轻工学院等. 食品工程原理 下册，北京： 出版社，1985。 出版社，1985。 2 谭军.食品工程原理实验讲义，武汉：华中农业大学教 谭军. 食品工程原理实验讲义 武汉： 务处，1992。 务处，1992。 3 天津大学化工原理教研室编.化工原理上、下册，北京： 天津大学化工原理教研室编. 化工原理 下册，北京： 天津科技出版社1983。 天津科技出版社1983。 4 上海化工学院等编.化学工程一、二册，北京：化学工 上海化工学院等编. 化学工程 二册，北京： 业出版社，1980。 业出版社，1980。 5 谭天恩等编.化工原理上、下册，北京：化学工业出版 谭天恩等编. 化工原理 下册，北京： 1984。 社1984。 6 Stanley E. Charm, The Fundamentals of Food Engineering. AVI Publishing inc 1978 7 Dennis R.Heldman. Food Process Engineering. AVI Publishing Company inc:1981 返回 3.期刊 期刊 农业工程学报：中国农业工程学会主办，北京： 农业工程学报编辑部出版， 1 农业工程学报：中国农业工程学会主办，北京：农业工程学报编辑部出版，全 国中文核心期刊。（EI收录 。（EI收录） 国中文核心期刊。（EI收录） 农业机械学报，中国农业机械学会主办，北京： 农业机械学报编辑部出版， 2 农业机械学报，中国农业机械学会主办，北京：农业机械学报编辑部出版，全 国中文核心期刊。（EI收录 。（EI收录） 国中文核心期刊。（EI收录） 3 食品科学，北京市食品研究所主办，中国食品杂志出版社出版。中国核心期刊 食品科学，北京市食品研究所主办，中国食品杂志出版社出版。 4 食品工业科技，北京市食品研究所主办，北京：食品工业科技编辑部出版， 食品工业科技，北京市食品研究所主办，北京： 食品工业科技编辑部出版， 中国中文核心期刊，轻工总会优秀期刊。 中国中文核心期刊，轻工总会优秀期刊。 5 食品发酵工业，中国食品发酵工业研究所、全国食品与发酵工业信息中心主办， 食品发酵工业，中国食品发酵工业研究所、全国食品与发酵工业信息中心主办， 北京：北京百善印刷厂发行，全国中文核心期刊、国家优秀技术期刊。 北京：北京百善印刷厂发行，全国中文核心期刊、国家优秀技术期刊。 6 中国粮油学报，中国粮油学会主办，北京：中国粮油学报编辑部出版，全国 中国粮油学报，中国粮油学会