化工原理-绪论.ppt

化工原理 上册 PrinciplesofChemicalEngineering 主讲人 陈建华 漳州师范学院化学与环境科学系 总学时54 36 上课52 机动2 绪论1第一章流体流动17第二章流体输送机械8第三章非均相混和物分离及固体流态化7第五章传热13第七章传质与分离过程概述6 学时安排 教材 柴诚敬主编普通高等教育 十五 国家级规划教材化工原理 上 下册 北京 高等教育出版社2010年5月 第二版 参考书 1 阮奇 叶长燊 黄诗煌 化工原理优化设计与解题指南 2 谭天恩 窦梅 周明华 化工原理 上册 第三版 3 何洪朝 窦梅 钱栋英 化工原理操作型问题的分析 4 天津大学化工原理教研室 化工原理 上册 5 丛德滋 方图南 化工原理示例与练习 6 姚玉英 化工原理例题与习题 7 大连理工大学化工原理教研室 化工原理 8 陈敏恒 丛德滋 方图南 齐鸣斋 化工原理 上册 第三版 9 姚玉英 陈常贵 柴诚敬编 化工原理学习指南 问题与习题解析 强调三点 2 复杂性 难学 是在高等数学 物理学及物理化学等课程的基础上开设的较综合的课程 方法与前不同 公式多 知识比较零散 3 严谨性 要求树立严谨的态度 1 重要性 化学工程技术人员必修之课 重要的专业技术基础课 应用性课程 理论与工程实际相联系的桥梁 目的和要求 通过本课程的学习 应树立起工程观点 安全适用 经济合理 掌握解决工程实际的方法 培养下列两种基本能力 1 以工程技术观点和经济观点来分析和处理实际问题的能力 2 熟练的进行化工基本运算 以便在化工生产 科研和设计工作中达到强化生产过程 提高产品质量 提高设备能力及效率 降低设备投资及产品成本 节约能耗 防止污染以及加速新技术开发等方面的目的 本课程 不是教大家如何合成得到新物质 如何提取新物质 如何表征新物质 这是化学家的事 化学工程研究的是 如何把化学家们的小试研究成果开发放大为中试 再开发为生产规模 是在科学实验与化工之间架桥的工作 是直接为人类服务的创造价值的劳动 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 1 孕育时期1915年里特尔 A D Little 提出建立 单元操作 UnitOperations 的概念化学工程史上的第一块里程碑 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 PrinciplesofChemicalEngineering 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 对化学工程学的形成和发展起了重要的推动作用 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 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 Transportphenomena 一书 三传一反 概括了化工生产过程的全部特征 三传 为动量传递 热量传递和质量传递 化工单元操作 一反 为化学反应过程 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 1 化学工业和化学工程化学工业是将自然界中的各种物质资源通过物理和化学的方法加工成具有规定质量的物质的工业 化学工程是一门工程技术学科 它研究化工产品生产过程的基本规律 并运用这些规律解决化工生产中的问题 2 化工原理 课程的内容与性质 化工原理 是在高等数学 物理学 物理化学等课程的基础上 研究化工单元操作基本原理的一门基础技术课 它的发展与化工单元操作概念的形成是密切相关的 原料预处理 化学反应 产物后处理 物理过程单元操作 化学反应过程反应器 物理过程单元操作 3化工生产过程 化工过程与单元操作化工过程的特点之一是步骤多 而且因为不同的化学工业所用的原料与所得产品不同 所以各种化工过程的差别大 一个化工过程所包含的步骤可分为两大类 化学变化和单元操作 简称为 三传一反 化学反应 进行化学反应为主 在反应器中进行 是化工过程的核心 其投资约占化工过程总投资的10 20 单元操作 不进行化学反应 是物理变化过程 如 原料和反应物的前 后处理工序 仅发生压力 温度 组成 相态等物理变化过程 是生产过程必不可少的操作 按达到相同的目的 依据不同原理 采用不同方法分类 表1 新的单元操作 膜分离技术单元操作 过程和设备并重 研究各单元操作就是为了掌握过程的规律 并设计设备的结构和大小 以使过程在有利的条件下进行 4单元操作 UnitOperation 的分类 按其操作的功能可以分为 1 物料的增压 减压和输送 2 物料的混合和分散 3 物料的加热和冷却 4 均相混合物的分离 蒸发 蒸馏 结晶等 5 多相混合物的分离 沉降 过滤 干燥等 几乎覆盖了所有的主要单元操作 包括流体输送 沉降 过滤 离心分离 搅拌 固体流态化等 以流体力学为基础 以热量传递理论为基础 包括加热 冷却 蒸发等 以质量传递理论为基础 包括蒸馏 吸收 吸附 萃取 干燥 结晶 膜分离等 化工生产中 主要的单元操作可以归纳为三类 分离过程 将混合物分离 研究化工单元操作的基本原理 典型化工单元设备的原理 结构 选型以及工艺尺寸的计算 主要内容 理论基础 高等数学物理学物理化学 课程学习 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 有目的地解决工程实际问题 目的并不只是认识一些自然现象 而是解决真实的 复杂的生产问题 工程学科 5化工原理 如果实验工作必须遍及各种规格的设备和各种不同物料 实验将不胜其烦 而且失去指导意义 实验研究法 经验的方法 6化工原理的研究方法 避免了方程的建立 直接用实验测取各变量之间的联系 必须建立实验研究的方法论 以使实验结果在几何尺寸上能 由小见大 在物料品种方面能 由此及彼 数学模型方法立足于对复杂的问题作出实际的简化 从而使方程得以建立 数学模型法 半理论半经验的方法 优点 缺点 解决 7化工原理课程所回答的问题 1 如何根据各单元操作在技术上和经济上的特点 进行 过程和设备 的选择 以适应指定物系的特征 经济而有效地满足工艺要求 2 如何进行过程的计算和设备的设计 在缺乏数据的情况下 如何组织实验以取得必要的设计数据 3 如何进行操作和调节以适应生产的不同要求 在操作发生故障时如何寻找故障的缘由 美国气象卫星的 失足 计量单位的重要性 1998年2月 美国宇航局 NASA 发射探测火星气象的卫星失事 预定于1999年9月23日抵达火星 然而卫星没有进入预定的轨道 问题出在有些资料的计量单位没有把英制转换成公制 错误起自承包工程的洛克希德马丁航天公司 这个 小错误 造成的损失 单卫星的造价就高达1 25亿美元 二 单位及单位换算 1 单位制 1 cgs制 物理单位制 基本单位 长度cm 质量g 时间s导出单位 如力g cm s2 dyn 达因 力 质量 加速度即 3 SI制 国际单位制 基本单位 长度m 质量kg 时间s 温度K 物质量单位mol 电流A 光强度cd 坎德拉 1 273 15 1 K导出单位 如比热容 cp kJ mol K 或kJ kg K 温度差1K 1 k 1 2 单位换算 1 理论公式根据物理规律推导的 3 物理量的单位换算质量m 1kg的物体在地面附近的重量为1kgf 工程制 1 物料衡算 materialbalance 依据质量守恒定律 进入与离开某一化工过程的物料质量之差 等于该过程中累积的物料质量 即输入量 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 即稳定操作状态时 过程中不应有物料的积累 则物料衡算关系为输入量 输出量用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量 三 物料衡算及能量衡算 1 画出流程示意图 标出物料流向与流量 组成等 2 用虚线划出衡算范围 3 定出衡算基准对稳定的连续过程 一般以单位时间为衡算基准 对间歇过程一般以一批操作作为衡算基准 4 列出衡算式并求解 物料衡算可按下列步骤进行 2 能量衡算 energybalance 在化工生产中 能量的消耗是一项重要的技术经济指标 它是衡量工艺过程 设备设计 操作制度是否先进合理的主要指标之一 能量衡算的基础是物料衡算 只有在进行完备的物料衡算后才能作出能量衡算 根据能量守恒定律 输入的能量 输出的能量 积累的能量 heater pump U1u1P1A1 U2u2P2A2 内能 动能 位能 热量 功 流动功 推动流体进出所需的功 连续流动过程的总能量衡算式 本课程中所用到的能量主要是机械能和热能 能量衡算的依据是能量守恒定律 机械能衡算将在第一章流体流动中说明 热量衡算也将在传热 蒸馏 干燥等章中结合具体单元操作有详细说明 热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同 3 经济核算为生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