0--化工原理-刘雪暖-绪论

1、化 工 原 理,中国石油大学（华东）化学化工学院化学工程系,绪 论,绪 论,二、化学工程的发展简史,一、本课程的研究对象、内容及任务,三、研究本学科的基本方法,四、研究单元过程的基本工具,五、单位制及单位换算,绪论,一、本课程的研究对象、内容及任务,1.研究对象：,单元操作,研究各单元操作的基本原理、计算方法及设备的设计、操作和选型等。,工艺过程：将一定的原料经过各个物理加工和化学加工而获得符合一定规格要求的各种产品的过程。,2.研究内容：,工艺过程中只改变物料状态或物理性质的过程。,绪论,工艺过程实例,湿法磷酸生产工艺流程,磷矿石,破碎,球磨,酸解反应,过滤,浓缩,精制,磷酸（化肥、饲料用）

2、,磷酸（医药、食品用）,硫酸,HF气体（回收）,过滤,水,滤渣石膏,洗液,加工成盐,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,粗盐液,净化,H2SO4,废糖液,浓缩,结晶,离心,干燥,菌体、残渣,工艺过程实例,绪论,绪论,单元操作：工艺过程中只改变物料状态或物理性质，并不改变物料化学性质的物理过程。,单元操作的特点：,共同的研究对象传递过程 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； 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

3、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。,绪论,流体输送：流体通过管道的阻力损失，输送设备 过滤：液固混合物的分离 沉降：液固或气固混合物的分离（重力、离心） 搅拌：液液或液固体系的混合 颗粒流态化：强化气（液）固两相间的接触 气力输送：固体微粒的管道输送 加热冷却：增加或降低特定物质的温度 蒸发：对含有固体溶质的溶液进行浓缩制取固体产品 蒸馏：液体混合物的分离（组分挥发度的差异） 吸收：气体混合物的分离（组分在吸收液中的溶解度） 吸附：气体混合物的分离（

4、组分在固体表面的吸附能力） 萃取：从液体混合物中分离有用组分（湿法冶金） 干燥：从固体产品中去除湿分 结晶：从液体混合物中得到纯的固体产品,常见的单元操作过程：,绪论,质量传递：浓度在时空中分布的不均匀性。,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。,绪论,以“三传”为物理内核的单元操作,绪论,3.研究任务：,研究新的工艺过程及设备。,设计工业生产过程（工艺条件、设备等）。,对现有设备进行改造计算或操作条件优化。,学习方法 ：与实际结合、分析问题、建立工程概念

5、。,绪论,二、化学工程的发展简史,工程学,1.化学工程的萌芽,化学工业的发展推动了化学工程的发展。法国大革命时期出现的吕布兰法制碱标志着化学工业的产生，到19世纪70年代，制碱、硫酸、化肥、煤化工等已经有了相当的规模，化学工业得到了一定的发展，但此时人们并没有认识到化学工程在其中起到的重要作用，还简单的认为化学工业就是化学知识与土木、机械等知识的结合。,第一个认识到化学工程重要作用的人物是英国的一名制碱业污染检察员G.E.戴维斯，他指出：化学工业中所面临的许多问题往往是工程问题，各种化工工艺生产都是由为数不多的基本操作如蒸馏、蒸发、干燥、过滤、吸收、萃取等构成的，因此可以对他们进行综合的研究和

6、分析。他认为化学工程将继土木工程、机械工程、电力工程后成为第四门工程学科。,绪论,然而戴维斯的观点在英国并未得到广泛认可，1880年，他发起成立英国化学工程师协会，但未获成功，尽管如此，他仍然根据自己的观点进行资料搜集和分析，18871888年，戴维斯在曼彻斯特工学院作了12次演讲，系统阐述了化学工程的任务、作用和研究对象。后来以此为基础，写成了化学工程手册，并于1901年出版，这是世界上第一本系统阐述各种化工生产共性的著作。,与英国的情况相反，戴维斯的这些活动在美国引起了普遍注意，化学工程这一名词很快得到了广泛应用。1888年，麻省理工学院在L.M.诺顿教授的建议下，开设了世界第一个以化学工

7、程命名的四年制学士学位课程。随后，宾夕法尼亚大学、戴伦大学、密西根大学等学校先后开设了类似的课程。标志着化学工程师培养的最初尝试。,绪论,绪论,然而，此时的化学工程课程主要是由机械工程和化学构成，还未具有今天化学工程专业的特点，这样培养出的化学工程师虽然具有制造各种化工产品的工艺知识，但对于化工过程的内在规律还不够了解，因此不能满足化学工业的需要。1902年W.H.华尔克教授受命对麻省理工学院的化学工程课程进行彻底改造，开始了对化工教育的一系列改革，化学工程的发展进入了一个新阶段。,其实，A.D.利特尔在此之前已经提出了把化学和工程知识有机结合起来的“工业化学”的课程，并进行了尝试。华尔克教授

8、接受任务后，便着手进行此方面的工作，他1905年在哈佛大学受聘讲工业化学课程时，已经提出了化工原理的基本思想。1907年，华尔克全面修订了化学工程的课程计划，奠定了化学工程的学科基础。,绪论,2.单元操作概念的提出,A.D.利特尔对早期化学工程的发展起了重要的作用。1908年，在他的建议下，美国化学工程师协会诞生，利特尔任主席。同年，在他的建议下，麻省理工学院建立的应用化学实验室和化学工程实验室，让学生接受各种化工基本操作的实际训练。,1915年，利特尔在给麻省理工学院的一份报告中提出了单元操作的概念，他写道：“任何化学过程，不论是什么样的规律，总可以分解为一系列相互雷同的被称为单元操作的组成

9、部分，如破碎、混合、加热、吸收、沉淀、结晶、过滤等。这些基本单元操作的数目并不多。对于一个特定的加工过程，可能只包括其中的几个。”利特尔继续写道：“化学工程不是化学、机械和土木工程的组合，本身就是工程学科的一个分支，它的基础就是单元操作。,1922年，在美国化学工程师学会年会上，以利特尔为首的化学工程教育提出建立“单元操作”的概念，同时提出了建成“化学工程”的“独立宣言”的报告，在会议上，这两项建议得到了认可。这也标志着化学工程正式从化学中独立成为一门工程学科。,绪论,其实在这之前，化学工程的独立已经初露端倪。1920年，在麻省理工学院，化学工程脱离化学系成为一个独立的系，由W.K.刘易斯任系

10、主任。同年，华尔克、刘易斯和W.H.麦克亚当斯完成了化工原理一书的初稿，油印后用于化工系的教育，该书于1923年正式出版。化工原理阐述了各种单元操作的物理化学原理，提出了它们的定量计算方法，并从物理学等基础学科中吸取了对化学工程有用的研究成果（如雷诺对于层流、湍流的研究）和研究方法（如因次分析法和相似论）奠定了化学工程作为一门独立学科的基础。,3.化学工程学科体系的形成,绪论,在阐述单元操作的原理时，华尔克等曾利用了热力学的研究成果。但是在化学工程中遇到的许多问题，如高温高压下气体混合物的P-V-T关系的计算，经典热力学并没有提供现成的方法。30年代初，麻省理工学院的H.C.韦伯教授等人提出了

11、一种利用气体临界性质的计算方法。虽然比较粗糙，但对化工计算来讲以足够准确。这是化工热力学最早的研究成果。1939年，韦伯写出了第一本化工热力学教科书化学工程师用热力学。1944年，耶鲁大学的B.F.道奇教授写出了第一本取名为化工热力学的著作，于是，化学工程的一个新的分支学科化工热力学诞生了。,在第二次世界大战期间，为满足战争需要，开发了三个重大过程，即碳四馏分的分离和丁苯橡胶的乳液聚合、粗柴油的流化催化裂化和著名的曼哈顿工程。在这几个过程的开发中，为反应器的设计和放大打下了一定的基础。,20世纪30年代后期，德国的G.达姆科勒和美国的E.W.蒂列分别对反应相外传质和传热以及反应相内传质和传热作

12、了系统的分析。这些成果至今仍是化学反应工程的重要组成部分。50年代初，随着石油化工业的兴起对连续反应的研究中，提出了一系列重要的概念。如返混、停留时间分布、宏观混合、微观混合、反应器参数敏感性、反应器的稳定性等。1957年，在阿姆斯特丹举行的第一届欧洲化学反应工程讨论会上，宣布了化学反应工程这一化学工程分支学科的形成。,绪论,绪论,在化工原理中，华尔克等已经吸取了流体力学、传热学和质量传递的研究成果。到50年代，化学工程师更清楚的认识到，所有的单元操作过程都可以分解为动量传递、热量传递、质量传递这三种传递过程或它们的组合。在工业反应器中传递过程对化学反应的影响在化学反应工程学科形成当中也被清楚

13、认识到了。对单元操作和反应过程的研究都离不开对传递过程规律的探索。50年代初，许多大学都开始系统地给化工系学生讲授流体力学、扩散原理等课程，并出现了把三种传递过程加以结合的趋势。1957年，在普渡大学召开的美国工程学科的系主任会上，传递过程和力学、热力学、电磁学等一起被列为基础工程学科，并制定了这一课程的详细计划。在这一背景下，威斯康星大学的教授R.B.博得、W.E.斯图尔特和E.N.莱特福特编写了传递现象，先在威斯康星大学试用，修订后于1960年出版。成为化学工程发展进入“三传一反”新时期的标志。,绪论,50年代中期，电子计算机开始进入化工领域，对化学工程的发展起了巨大的推动作用，化工过程数

14、学模拟迅速发展。由对一个过程或一台设备的模拟很快发展到对整个工艺流程甚至联合企业的模拟。在50年代后期出现了第一代化工模拟系统。在计算机上进行模拟试验，既省时又省钱，使得研究化工系统的整体优化成为可能。形成了化学工程的又一新领域化工系统工程。这是化学工程在综合上面的深化。至此，化学工程形成了比较完整的学科体系。,化学工程,4.化学工程的发展展望,绪论,国外将化学工程的发展从1905年起每十年分一个阶段，具体如下：,第一阶段 19051915年 标志性成果：工业化学,第二阶段 19151925年 标志性成果：单元操作,第三阶段 19251935年 标志性成果：物料和能量衡算,第四阶段 19351

15、945年 标志性成果：化工热力学,第五阶段 19451955年 标志性成果：化学反应工程,第六阶段 19551965年 标志性成果：传递过程 和系统工程,绪论,然而，从1965年以后至今整整40年，化学工程尽管有所发展，但没有出现像单元操作这样的具有鲜明特色的标志性成果，因此有人说化学工程已经无法继续发展。,化学工程,随着近些年的研究的深入以及人类关注焦点的改变，专家预计，2005年至2015年，化学工程将有一次大的飞跃。,绪论,21世纪人类最关心的几大焦点,化学工程发展的第11个阶段,第十一阶段 20052015年 分子转移 多尺度分析 过程及产品工程,绪论,三、研究本学科的基本方法,1.实

16、验研究方法（经验的方法）,依靠实验来确定过程变量之间的关系，得到经验公式，理论 基础为因次分析法和相似论。,2.数学模型法（半经验半理论的方法）,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。得到半经验半理论公式。,绪论,四、研究单元过程的基本工具,1.物料衡算,理论基础：物质守恒定律,在一个单元过程中，进入的物料量等于排出的物料量与积累的物料量之和。,例子：一水箱容积为8m3，进水管每小时注入5m3 水，排水管每小时排出3m3水，问何时可以将水箱注满。,绪论,稳定过程与不稳定过程：,稳定过程：物料

17、积累量等于0。,不稳定过程：物料积累量不等于0。,作物料衡算应注意的问题：,1.确定衡算范围；,2.明确衡算对象；,3.统一计算单位；,4.选定计算基准。,绪论,2.能量衡算,理论基础：能量守恒定律。,稳定过程：能量积累等于0。,3.系统的平衡关系,两大平衡：相平衡与化学平衡。,任何过程都是由不平衡状态向平衡状态进行。,平衡态：自然过程所能达到的极限程度，用来判断过程进行的方向及限度。,绪论,4.过程速率,系统从不平衡状态向平衡状态转化的速率。,过程推动力：系统与平衡态相差的程度。相差程度越大，推动力越大，当过程达到平衡时，推动力为0。,过程阻力：比较复杂，影响因素很多。,过程速率是计算设备尺

18、寸的基本工具。,绪论,五、单位制及单位换算,1.单位与单位制,物理量的大小以数值加单位表示。,压力p=100kPa,数值,单位,单位有基本单位和导出单位之分。,基本单位一般人为规定，数量不多；导出单位可以由基本单位推导而得。,物理量数字单位,单位物理量数字,绪论,单位制：基本单位与导出单位的总合。,常用的单位制有：国际单位制（SI）、工程单位制、物理单位制、英制。,目前使用最多的为国际单位制。,国际单位制的基本单位,绪论,2.单位换算,由于在生产实践中存在许多习惯用法，因此并不是所有的单位都使用国际单位制。在很多情况下，为了计算中单位的统一性，我们需要对一些单位进行单位换算而转变为其他单位制的单位。,化学工程中常用的单位制及其基本单位间的换算见下页。,如工程中常用的压力单位就有kPa、atm、kgf/cm2、mmHg、mH2O等，在遇到不同的场合时使用的单位也不一样。,绪论,其中：1m=100cm，1kg=1000g，1K=1 ,1K=1 ，说明开氏温度和摄氏度的分度是一样的，但二者在数值上不一样，开氏温度=摄氏度+273。,绪论,例如：