化工原理 Principles of Chemical Engineering

Presentation on theme: "化工原理 Principles of Chemical Engineering"— Presentation transcript:

1 化工原理 Principles of Chemical Engineering
吉林化工学院化工原理教学与实验中心 李忠玉 （博士，教授）

2 个人简介 李忠玉，博士，教授。2005年9月于日本山口大学获工学博士学位，2006年2月至2008年1月曾在清华大学化学系从事博士后研究工作。现主要研究方向为非线性光学材料、材料光化学与光物理性能研究等。 近年来，主持中国博士后科学基金一项，承担国家973项目和国家自然基金各一项，其他项目多项。在国内外发表研究论文50余篇，其中被SCI收录30篇，EI收录10余篇，发明日本专利一项。 2009年，获首批吉林省高校百名科技领军人才和吉林市第四批优秀青年科技专家称号。

3 志于道， 据于德， 依于仁， 游于艺。 ----论语

4 祝同学们学习愉快! 化工原理教学安排及要求 1．本学期化工原理讲课学时安排 2．教学环节与要求
《化工原理》上册，教学大纲共计48学时。 绪论 学时 第一章 流体流动 学时 第二章 流体输送机械 学时 第四章 流体通过颗粒层的流动 学时 第五章 颗粒的沉降和流态化 学时 第六章      传热 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30%。 期末考试(闭卷)70% 我的联系方式 祝同学们学习愉快!

5 《化工原理》（上），陈敏恒等，化学工业出版社
教材： 《化工原理》（上），陈敏恒等，化学工业出版社 参考教材： 1.《化工原理》（上），姚玉英等，天津大学出版社 2.《化工流体流动与传热》，柴诚敬等，化学工业出版社 3.《化工原理》（上），蒋维钧等，清华大学出版社 辅助教学资料： 1.《化工原理学习指导》， 马江权等 ，华东理工大学出版社 2.《化工原理学习指南》，柴诚敬等，高等教育出版社 3.《化工原理学习指导》-----疑难解析 例题详解 习题精选， 丁忠伟，化学工业出版社 4.《化工原理800例》，王 湛等，国防工业出版社

6 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。
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。

7 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。

8 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。

9 绪 论 一、“化工原理”课程的任务 1、化学工程和单元操作 ：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 ：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。 化学工业是对原料进行化学加工以获得有用产品的工业。其核心是化学反应过程及其设备。 化学工程 一个化工产品生产要经过很多步骤

10 乙炔法制聚氯乙烯 反应热 乙炔 氯化氢 单体精制 压缩冷凝 原料提纯 单体合成 聚合 脱水干燥 产品 反应热

11 高压聚乙烯生产过程示意图

12 单元操作（Unit Operations）
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 单元操作（Unit Operations） 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。

13 化工常见单元操作见下表： 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 搅拌 混合、分散 沉降
g、l、s~l 沉降 非均相混合物分离 g、l～s Δρ引起沉降 过滤 同上 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 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 液体精馏 挥发度不同 萃取 干燥 去湿 s 供热汽化 吸附 吸附能力不同

14 单元操作举例----精馏

15 列管式换热器

16 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。 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。

17 单元操作之特点 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。

18 单元操作过程进行的方式 连续操作 间歇操作 原料不断地从设备一端送入，产品不断从另一端送出。
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 每次操作之初向设备内投入一批物料，经过一番处理后，排除全部产物，再重新投料。 特点：不稳定操作 U=U(x,y,z,θ)

19 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。 质量传递：浓度在时空中分布的不均匀性。

20 三传 = 动量传递 + 热量传递 + 质量传递 化工生产 = 单元操作 + 化学反应（单元过程） 化学工程 = 化工原理 + 反应工程 = 三传 + 一反

21 科 学 实 验 工 生 产 无机化学 合成氨 分析化学 硫酸制造 化工原理 氯碱工业 有机化学 传递过程 石油化工 物理化学 制糖业
应用化学 高分子化学 化学教育 科 学 实 验 化 家 工 生 产 化工原理 传递过程 反应工程 （还有：分离工程、化工热力学、系统工程） 专 合成氨 硫酸制造 氯碱工业 石油化工 制糖业 制漆业 电镀业 水泥、玻璃制造业

22 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 1）、孕育时期
1915年里特尔(A.D.Little) 提出建立“单元操作” （Unit Operations）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：“Principles of Chemical Engineering” 于1923由 MIT的著名教授 W.D.Walker、W.H.Lewis和W.H.Mcadams等人完成。

23 并得出 “三传”遵循的“唯象方程”——又一块里程碑。
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。 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《Transport phenomena》 一书。 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。

24 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。

25 二、化工原理课程的特点 重要的专业技术基础课，兼有“科学”与“技术”的特点 理论与经验相结合的工程研究方法 半经验半理论方法
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。 理论与经验相结合的工程研究方法 半经验半理论方法 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。

26 开发新的单元操作 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。

27 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。 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。 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）

28 研究方法 实验研究方法（经验法）：用量纲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，通常用无量纲数群(或称准数)构成的关系来表达。实验研究方法可避免建立数学方程，是工程上通用的研究方法。 数学模型法（半经验半理论方法）：在对实际过程的机理进行深入分析的基础上，抓住过程的本质，作出某些合理简化，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。

29 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

30 课程的展开方式 （二）五个基本概念 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、传递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。 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。

31 稳定操作状态时，过程中不应有物料的积累。则物料衡算（material balance）关系为 输入量＝输出量
1.物料衡算 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 稳定操作状态时，过程中不应有物料的积累。则物料衡算（material balance）关系为 输入量＝输出量 1）首先根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。 （2）在写衡算式之前，要计算基准，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。

32 例1 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。 料液 1000kg/h 20%KNO3 R kg/h 37.5%KNO3 S kg/h 50%KNO3 结晶产品 P kg/h 4% 水 水，W kg/h

33 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：
料液 1000kg/h 20%KNO3 R kg/h 37.5%KNO3 S kg/h 50%KNO3 结晶产品 P kg/h 4% 水 水，W kg/h 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=208.3 kg/h W=791.7 kg/h I

34 在图中虚线方框II 所示的范围内作总物料衡算及KNO3衡算
（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KNO3衡算 S=R+208.3 S（0.50）= R（0.375）+208.3（1-0.04） 解得 R=766.6 kg/h 料液 1000kg/h 20%KNO3 R kg/h 37.5%KNO3 S kg/h 50%KNO3 结晶产品 P kg/h 4% 水 水，W kg/h I I I

35 2. 热量衡算 同物料衡算一样，绘简图、定基准、划范围、列算式，但有两点不同：
1. 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，通常基准选273K液态(即此时H＝０)。 2. 热量除了伴随物料进出系统外，还可通过设备外壳、管壁由系统向外界散失或由外界传入系统，只要系统与外界存在温度差，就有热量的散失或传入，称热损失QL。 热量衡算通式： ΣQi=ΣQo+QＬ

36 3. 物系平衡关系 平衡状态是自然界中广泛存在的现象。例如，在一定温度下，不饱和的食盐溶液与固体食盐接触时，食盐向溶液中溶解，直到溶液为食盐所饱和，食盐就停止溶解，此时固体食盐表面已与溶液成动平衡状态。反之，若溶液中食盐浓度大于饱和浓度，则溶液中的食盐会析出，使溶液中的固体食盐结晶长大，最终达到平衡状态。一定温度下食盐的饱和浓度，就是这个物系的平衡浓度。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”。

37 4. 传递速率 过程的传递速率（rate of transfer process）与推动力成正比，与阻力成反比，即
传递速率= 推动力/阻 力 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。

38 5. 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。对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核算确定最经济的设计方案。

39 四、单位制及单位换算 （一）单位制： 任何物理量都由数字和单位联合表达的。运算时，数字与单位一并纳入运算。如： 基本单位 单位制 导出单位
5m+8m=(5+8)m; 5m×8m=(5×8)(m×m)=40m2 物理量单位选择时，先选定几个独立的物理量，叫基本量，并根据使用方便的原则，定出这些量的单位，叫基本单位；其它各量的单位通过它们与基本量之间的关系来确定，这些物理量叫导出量，单位叫导出单位；导出单位是由基本单位乘除构成的。 单位制 基本单位 导出单位

40 国际单位制(SI单位制) 7个基本量：长度:m；时间:s；质量:kg；电流强度:A(安培)；发光强度:cd(烛光)；物质的量:mol(摩尔)；热力学温度:K。 2个辅助量：平面角:rad(弧度)；立体角:sr(球面度)。 特点： 1.通用性。 2.一贯性。任何一个SI导出单位，在由基本单位导出时，都不需引入比例系数。 我国法定计量单位 国际单位制 选定的非国际单位制

41 不同单位制的不同基本量 基本物理量 单位制 长度 （ L ） 时间 （T） 质量 （M） 重力 （F） 绝对 Cgs制 cm s g
kgms制 m kg 英制 ft lb 工程 米制 kgf lbf 导出量 力――N；压强――Pa（N/m2）；功，能，热―J；功率―W

42 （二）单位正确运用及单位换算 1.物理量：由一种单位换算成另一种单位时，量本身并不变化，只是数值要变化，换算时要乘或除以两单位间的换算因数。
换算因数：彼此相等而单位不同的两个物理量包括单位在内的比值。 如；1m＝100cm，则换算因数为100cm/m 或0.01m/cm 例：已知1atm=1.033kgf/cm2,试用Pa表示。 解：查附录1知：1kgf=9.81N, 1cm2=10-4m2 换算因数：9.81N/kgf, 10-4m2/cm2

43 经验公式(数字公式)单位换算 借助实验或半实验、半理论的方法处理得到的公式。它只反映各有关物理量之间的数字关系，每个符号只代表物理量的数字部分，而这些数字又与特定单位对应。因此，使用经验公式时，各物理量必须采用指定单位。 例:水蒸汽在空气中扩散系数为： 式中：D－扩散系数，ft2/h； P－压强，atm； T－兰氏温度，oR。 试将式中各符号单位换算成 D:m2/s；P:Pa；T:K

44 本章总结 掌握单元操作与化工生产过程的概念 掌握物料衡算、热量衡算、单位制与单位换算 了解本课程的性质、任务与内容