化工原理绪论_2015

1、 生物工程单元操作原理主讲人：胡 洪 波办公室：生物药学大楼 3#-511电话号码：34207047E-mail: 教材及考核方式教材：化工原理（上册） （第三版）陈敏恒主编平时成绩（30%） ：作业（抄题、画图、求解过程、结果、讨论） 课堂测验（如未特殊说明，要求同上）出勤情况期末考试（70%）：闭卷 MIT UC Berkeley Caltech UCLA MIT传递现象 商业化基因重组产物生产流程 生物工程的生产过程原料生化反应器成品预处理过程后处理过程一种产品的生产过程中，从原料到成品，往往需要几个或几十个加工过程。其中除了生物化学反应过程外，还有大量的

2、物理加工过程。这些物理加工过程称为单元操作（unit operation）。 生物工程的生产过程特点反应器为数不多，绝大多数设备中都是进行各种前、后处理的（物理）操作，这些物理操作统称为单元操作（Unit Operation）。各种单元操作决定了生产过程的经济性和生产技术的先进性。工艺优化时必须考虑涉及的各种单元操作。单元操作的特点 所有的单元操作都是物理性操作。只改变物料的状态或物理性质，并不改变化学性质。 单元操作是生产过程 有的操作。只是不同的生产中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。 单元操作作用于不同的生物过程时，基本原理相同，所用的设备也是通用的。 单元操作的分类根据单元操作

3、所遵循的基本规律，单元操作可分为三类： 流体流动过程 遵循流体流动基本规律，用动量传递理论研究如：流体输送、沉降、过滤、固体流态化 传热过程 遵循传热基本规律，用热量传递理论研究如：传热、冷凝、蒸发等 传质过程 遵循传质基本规律，用质量传递理论研究如：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等 学科性质和研究方法1） 学科性质工程学科用自然科学的基本原理来分析和处理工业生产中的物理过程2）研究方法工程方法因次分析法 直管湍流阻力数学模型法 双膜模型参数综合法 过滤常数当量法 当量直径，当量长度类比法 动量、热量、质量传递的类比律数学模型法（半经验半理论）因次指导下的实验研究法实验：寻找函数形式，决定参数

4、本课程的学习要求 单元操作和设备选择的能力。 操作和调节生产过程的能力。 工程设计的能力：学习工艺过程的计算和设备设计。 过程开发和科学研究的能力。 传递理论（动量、热量、质量传递） 平衡： 平衡状态是自然界中广泛存在的现象。 平衡关系可以用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能达到的限度。 平衡是一个动态的过程。 传递的速率过程的传递速率是指过程由不平衡到平衡进行的快慢。传递速率表示为：传递速率=推动力/阻力推动力：过程所处的状态与平衡状态的距离。阻力：过程的阻力是各种因素对速率影响的总的体现。 守恒理论质量守恒和能量守恒理论（1） 物料衡算依据质量守恒定律，进入与离开某一系统的物料质量之差

5、，等于该过程中累积的物料质量。 物料衡算的步骤 （1) 圈出衡算范围。 SF= SD+AFt时间内输入的物料质量总和Dt时间内输出的物料质量总和At时间内系统积累的物料质量总和对于稳态操作系统，A=0SF= SD 物料衡算的要点衡算的系统衡算的对象整个生产过程某个设备系统的所有物料某一个组分 物料衡算的要点 （2) 规定衡算的基准 间歇操作： 以一个操作循环为基准连续操作：以单位时间为基准 总物料衡算某连续的废水处理过程，每天加入处理池的纤维素为105kg， 菌体为103kg，每天流出处理池液中含纤维素104kg，菌体1.5104kg。已知细菌降解纤维素的能力为7104kg/天，菌体生长速率为

6、2 104kg /天，菌体死亡率为5 102kg /天。105 -104 - 7 104 = 2 104 kg / d衡算系统：处理池；衡算基准：一天对纤维素衡算：103 -1.5104 + 2 104 - 5102 = 5.5103 kg / d对菌体衡算：制造无水乙醇工艺示意图F苯+95%乙醇水溶液D乙醇18.5% 水7.4%苯74.1%W无水乙醇若要每小时得到0.25m3的无水乙醇（785kg/m3)， 求每小时加入的苯和95%乙醇的量。 衡算方程F苯+95%乙醇水溶液D乙醇18.5%水 7.4% 苯74.1%W无水乙醇总物料：乙醇：F = D + WFxFA = 0.185D + W苯

7、：FxFB= 0.741D水：FxFW = 0.074DxFA/xFW = 0.95/0.05=19 答案D =160.73 kg/hF =356.98 kg/h苯的耗用量：FxFB =119.1 kg/h95%乙醇耗用量： 356.98-119.1=237.88 kg/h发酵液助滤剂120kg/h; 6%cell 0.05%卡那霉素真空过滤机10kg/h滤液滤饼112kg/h; 0.045%卡那霉素1） 求滤饼的含水率。2） 如果滤饼中液体的卡那霉素含量和滤液相同，求滤饼中每kg助滤剂吸附卡那霉素的量（假设菌体不吸附卡那霉素）。发酵液助滤剂120kg/h; 6%cell 0.05%卡那霉素真

8、空过滤机10kg/h滤液滤饼112kg/h;以一小时为基准：0.045%卡那霉素总物料衡算：滤饼=120+10-112=18kg滤饼中的水分 = 发酵液中的水分 滤液中的水分滤饼中的水分=120(1-6%-0.05%)-112 (1-0.045%)=0.79kg滤饼的含水率：0.79/18=4.39%发酵液助滤剂120kg/h; 6%cell 0.05%卡那霉素真空过滤机10kg/h滤液滤饼112kg/h;0.045%卡那霉素2）如果滤饼中液体的卡那霉素含量和滤液相同，求滤饼中每kg助滤剂吸附卡那霉素的量（假设菌体不吸附卡那霉素）。滤饼液体中卡那霉素含量：0.790.045%=3.6 10-4

9、kg滤饼中卡那霉素含量：1200.05%-112 0.045%=0.01kg助滤剂吸附的卡那霉素：0.01-3.6 10-4=0.0096kg0.0096/10=9.6 10-4kg/kg 能量衡算（1）同质量衡算，也必须首先划定衡算范围。（2） 考虑物态和温度基准物料所具有的热量由显热与潜热两部分组成，称 为焓(H，kJ/kg)。焓值为一相对值，且与状态有关， 所以热量衡算时必须规定基准温度和基准状态， 通常选0oC、液态时的焓值为零。热量衡算举例在换热器中将平均比热为3.56 kJ/(kg.)的某种溶液自25加热到80，溶液流量为1.0 kg/s。加热介质为120的饱和水蒸汽，其消耗量为0

10、.095 kg/s， 蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。试计算换热器的热损失。 120饱和水蒸汽H=2708.9 kJ/kg， 120饱和水H=503.67 kJ/kg。120饱和水蒸汽0.095kg/s25溶液1.0kg/s80溶液换热器1.0kg/s120饱和水0.095kg/s热量衡算举例120饱和水蒸汽0.095kg/s25溶液1.0kg/s80溶液换热器1.0kg/s120饱和水0.095kg/s1.03.56(25-0)+0.0952708.9=1.03.56(80 -0) +0.095503.67 + QLQL=13.70 kW单位制和单位换算SI单位制：基本单位有7个，本课程常用

11、的有5个：长度mL质量kgM时间sT 温度KQ物质量molN由于历史遗留问题，我们要学会不同单位间的换算。1atm = 101.325kPa=760mmHg 气体通用常数R82.06atmcm3/（mol K）R = 82.06= 82.06atmcm3 molKatmcm3 molKPa m31.01325105 Paatmm 100cm1000mol kmol= 8315kmolK 例题某物质的比热容cp=1.00BTU/(lboF)。试从基本单位换算着手，将其换算成SI单位。已知： 1BTU=1.005kJ，1lb=0.4536kg，1oF=5/9oC。cp=4.187kJ/(kg o C) 例题清水在圆管内对管壁的强制湍流对流传热系数可用下面的经验公式来表示，即：a = 180(1+ 2.9310-3T )u0