化工原理--绪论全解

化工原理——绪论(Introduction)PrinciplesofChemicalEngineering化学工业与化学工程化学工业: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物质的工业。化学工程:研究化工产品生产过程的基本规律，并应用这些规律解决化工生产中的实际问题。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生产之间架桥的工作，是直接为人类服务的创造价值的劳动。化工原理在化工领域中的地位二.单位制及单位换算三.两条主线、五个概念一.课程的由来、内容和性质一.课程的由来发展、内容和性质（一）由来和发展萌牙时期:现代化工生产始于18世纪的法国,特点：以研究某一产品的生产技术为对象，形成了各种工艺学。例如：纯碱工艺学、硫酸工艺学等。1922年美国化工学会年会里特尔(A.D.LiThle)提出建立“单元操作”（UnitOperations）的概念:“任何一个化学过程,不管它的规模如何,都可分解成为一系列互相类同的被称作“单元操作”的组成部分，如粉碎、混合、加热、焙烧、吸收、沉淀、结晶、过滤、溶解等。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，可能只包括它们中的几个。要使化学工程师们具备广博地适应职业需要的能力，只能是对实际规模上所进行的过程作出分析并将其分成多个单元操作来获得……”。1923年MIT的著名教授W.D.Walker、W.H.Lewis和W.H.Mcadams等人写成了第一部单元操作的书“PrinciplesofChemicalEngineering”研究发现动量传递(momentumtransferprocess,又称流体流动过程fluidflowprocess)、热量传递（或称传热过程，heattransferprocess）与质量传递（或称传质过程，masstransferprocess）在许多过程中同时发生,并且三种传递现象有类似性。这使得原来本是分立学科的“三传”合而为一。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《Transportphenomena》一书，加强了学生工程学科基础的训练。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。（化学工程学时期）4.计算机应用、系统工程学的应用，使化学工程学进入全新时期（“过程优化集成”、“分子模拟”的新阶段）。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。化学工程的发展化工生产=单元操作+化学反应化工原理(PrinciplesofChemicalEngineering)化工单元操作(UnitOperationsofChemicalEngineering)化学工程=化工原理+反应工程=三传一反单元操作（UnitOperations）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”。例如：甲醇的生产：合成气（CO，H2，CO2）→输送→管式反应器→粗甲醇→冷却→精馏→精甲醇（99.85~99.95%）苯的生产：原料油（甲苯、二甲苯）、H2→输送→加热→反应器→减压蒸馏塔→精馏→苯（99.992~99.999%）可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。nClHCClHCHClHC323222聚合合成原料提纯单体合成单体精制压缩冷凝聚合脱水干燥产品反应热反应热乙炔氯化氢乙炔法制聚氯乙烯（二）内容和性质本课程特点：《化工原理》是专业技术基础课，兼有“科学”与“技术”的特点，它是综合运用数学、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。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。单元操作的特点共同的研究对象——传递过程物理性操作，即只改变物料状态或物性，不改变化学性质;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；对同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实现；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，如理化性质，生产规模等。实际问题的复杂性—过程、体系、设备、工程性强、计算量大三传:《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。质量传递：浓度在时空中分布的不均匀性。单元操作目的物态原理传递流体输送输送l、g输入机械能动量传递搅拌混合、分散g、l、s~l输入机械能沉降非均相混合物分离g、l～sΔρ引起沉降过滤同上g、l～s尺度不同的截留换热升、降T，or改变相态g、l利用ΔT传入、移出热量热量传递蒸发溶剂与不挥发性溶质分离l供热汽化溶剂气体吸收均相混合物分离g溶解度不同质量传递液体精馏均相混合物分离l挥发度不同萃取均相混合物分离l溶解度不同干燥去湿s供热汽化吸附均相混合物分离g、l吸附能力不同化工常见单元操作见下表所示：各种单元操作根据不同的物理化学原理，采用相应的设备，达到各自的工艺目的。根据各单元操作所遵循的规律，将其划分为如下类型，即：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）。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。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。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课程:干粮猎枪学习本课程中，应注意以下几个方面能力的培养：单元操作和设备选择的能力工程设计能力操作和调节生产过程的能力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。二.单位制及单位换算（一）单位制：是由一定数量的基本单位和导出单位组成的国际上趋向于采用国际单位制（SI制）,SI制基本单位7个：长度L：米(m)质量M：千克（公斤）(kg)时间T：秒(s)热力学温度θ：开[尔文](k)物质的量N:摩[尔](mol)电流I：安培(A)发光强度J:坎[德拉](cd)SI制主要优点：①通用性：是一套完整的单位制，适合于各个领域；②一贯性：每种物理量只有一个单位，如热功都用J（焦耳）表示化工生产中，还使用一些非SI单位，如：温度有℃，时间min、hr、d、Yr，压强单位除了Pa外，有atm、mmHg、m水柱、bar、ata等。成语“半斤八两”基本物理量长度（L)时间（T)质量（M）重力（F)绝对单位制Cgs制cmsgkgms制mskg英制ftslb工程单位制米制mskgf英制ftslbf（二）单位换算物理量＝数字×单位单位＝物理量／数字将物理量单位由一种制度换算成另一种制度时，换算时只需乘以两相关物理单位之间的换算系数。*经验公式（又称数字公式，根据实验结果整理而得）中各符号只代表物理量的数字部分，而它们的单位必须采用指定的单位。例0-1.通用气体常数R＝0.08206atm.L／mol.K，试用国际单位J／mol.K表示。解：R＝0.08206atm.L／mol.K＝0.08206atm.L／mol.K×1m3／1000L×101325Pa／atm＝8.314Pa.m3／mol.K＝8.314J／mol.K三.两条主线、五个基本概念（一）化工原理课程的两条主线动量传递、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。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。a.实验研究方法（经验的方法）一般用因次分析和相似论为指导，依靠实验来确定过程变量之间的关系，通过无因次数群（或称准数）构成的关系式来表达。是一种工程上通用的基本方法。b.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。如一个物理过程的影响因素较少，各参数之间的关系比较简单，能建立数学方程并能直接求解，则称为解析法。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，决定参数实验：检验模型，确定参数K（二）五个基本概念物料衡算（materialbalance）衡算依据是质量守恒定律,输入量－输出量=累计量能量衡算（energybalance）衡算依据是能量守恒定律,涉及到的能量主要是机械能和热能物料的平衡关系（equilibriumrelation）过程速率（rateoftransferprocess）经济核算:针对相同设备所选用的不同操作参数，引起过程设备费用与材料费用的相应变化，因而应进行经济核算以确定最经济的优化设计方案。五个基本概念贯穿于各个单元操作的始终。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。绪论稳定过程和不稳定过程稳定过程: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。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”。推动力:流体流动→ΔP传热→ΔT传质→ΔC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。传递速率=推动力/阻力本讲要点1.化工原理是化学工程学的分支，它研究化工生产中共有的物理操作过程的基本原理、典型设备及其选用、计算方法，是一门工程性较强的技术基础课程。研究方法:实验法和数学模型法。2.本课程以传递过程为主线，划分与安排教学内容；以研究方法为纵向主线，展开各单元操作内容的讨论。3.了解单位制及熟悉单位换算是学好本课的必要技巧,应在学习中逐步掌握。化工原理教学组织及要求1．一年课程，其中划分为三部分：三门课化工原理理论教学(上、下）:112学时(56+56)化工原理实验:50学时(20+30)课程设计:1.5周2．本学期化工原理讲课学时安排第O章绪论2学时第一章流体流动14-16学时第二章流体输送8学时第三章搅拌2学时第四章过滤6学时第五章沉降流态化4学时第六章传热14-16学时第七章蒸发2-4学时3．教学环节与要求课堂教学（思路和概念为主）：认真听讲、不要迟到、早退课堂练习和讨论预习、复习与网上练习作业：独立完成，及时答疑，一般每周一上课前交齐期中测试(闭卷)期末考试(闭卷)考试成绩占总评的70%教与学的相互配合教师之职责筛选,引导,顾问,评判同学之职责继承和发展学会前人留下的东西(包括具体知识和方法)创造新知识学好本课程应注意的问题及培养的能力:(1)要理