化工原理绪论课件

,化工原理I,PrincipleofChemicalEngineering,主讲教师：赖庆柯2005年8月,2,化工原理教学组织及要求,祝同学们学习愉快!,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50学时。绪论4学时第一章流体流动16学时第二章流体输送机械8学时第三章机械分离8学时第四章传热14学时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10%。期中测试(闭卷)期末考试(闭卷),我的联系方式Tel:58161297；E-mail:lai_qk,3,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4.化工原理，何潮洪，科学出版社,辅助教学资料：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（上、下），何潮洪等，科学出版社,TG024214-4,4,2、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。,强调三点：,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。,3、严谨性：要求树立严谨的态度。,5,目的和要求：,（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；,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：,（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。,6,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。,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。,7,：是研究大规模地改变物料的化学组成和物理性质而得到合乎要求的产品的工程技术学科。,绪论,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,8,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,9,高压聚乙烯生产过程示意图,10,一切化工生产过程不论其生产规模大小，除化学反应外，其它均可分解为一系列的物理加工过程。这些物理加工过程称为“单元操作”。,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（UnitOperations）,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,11,化工常见单元操作见下表：,12,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的单元操作，包括气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。,13,单元操作之特点,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,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；,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，其基本原理并无不同，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。,14,单元操作过程进行的方式,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),化工生产过程多数为连续稳定过程,间歇操作,特点：不稳定操作,U=U(x,y,z,),15,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。,16,化工生产=单元操作+化学反应（单元过程）,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,17,以“三传”为物理内核的单元操作,18,19,1）、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,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,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。,20,3、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。,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。,21,4）、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。,22,二、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,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,23,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（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,24,三、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。,25,数学模型法（半经验半理论）,因次论指导下的实验研究法,实验：寻找函数形式，决定参数,26,课程的展开方式,（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。,过程分析,过程数学描述,实例分析,定性,定量,应用,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。,27,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。,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。,平衡关系：(L-LG-LV-LG-SL-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,28,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。,29,五、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：,30,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,31,（三）单位换算,（二）、单位的正确运用,理论公式：用同一单位，中途不能更改（SI）,经验公式：按指定单位,1kg(f)=9.8N,p322附录1单位换算表,如1atm1.01325105Pa,压强：atm，mmHg，mmH2O,32,例0-1、通用气体常数R0.08206atmLmolK，试用国际单位JmolK表示。,解：R0.08206atmLmolK,0.08206atmLmolK1m31000L101325Paatm,8.314Pam3molK8.314JmolK,33,六、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：决定要处理的量或任何一个物理量；设备尺寸大小,衡算基准：单位时间,34,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。,35,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：,1000=W+P,1000（0.20）=W（0）+P（1-0.04）,及,解得,P=208.3kg/h,W=791.7kg/h,36,（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KN