化工原理绪论.ppt

化工原理化工原理（上册）（上册）Principles of Chemical Engineering总学时54+36（上课52+机动2）绪论1第一章流体流动17第二章流体输送机械8第三章非均相混和物分离及固体流态化7第五章传热13第七章传质与分离过程概述6学时安排教 材柴诚敬主编普通高等教育“十五”国家级规划教材化工原理（上、下册）北京:高等教育出版社2010年5月（第二版）参考书 1.1.阮阮 奇，叶长燊，黄诗煌奇，叶长燊，黄诗煌.化工原理优化设计与解题指南化工原理优化设计与解题指南.2.2.谭天恩，窦梅，周明华谭天恩，窦梅，周明华.化工原理（上册，第三版）化工原理（上册，第三版）3.3.何洪朝，窦梅，钱栋英何洪朝，窦梅，钱栋英.化工原理操作型问题的分析化工原理操作型问题的分析.4.4.天津大学化工原理教研室天津大学化工原理教研室.化工原理（上册）化工原理（上册）.5.5.丛德滋，方图南丛德滋，方图南.化工原理示例与练习化工原理示例与练习.6.6.姚玉英姚玉英.化工原理例题与习题化工原理例题与习题.7.7.大连理工大学化工原理教研室大连理工大学化工原理教研室.化工原理化工原理.8.8.陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋.化工原理（上册，第化工原理（上册，第三版）三版）9.姚玉英，姚玉英，陈常贵，陈常贵，柴诚敬编，化工原理学习指南：问题柴诚敬编，化工原理学习指南：问题与习题与习题解析。解析。强调三点强调三点2、复杂性复杂性：难学。是在高等数学、物理学及物理化学：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，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。公式多，知识比较零散。3、严谨性严谨性：要求树立严谨的态度：要求树立严谨的态度。1、重要性重要性：化学工程技术人员必修之课，重要的专业技：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。术基础课，应用性课程；理论与工程实际相联系的桥梁。目的和要求目的和要求 通过本课程的学习，应树立起工程观点（通过本课程的学习，应树立起工程观点（安全适用、经济合安全适用、经济合理理），掌握解决工程实际的方法，培养下列两种基本能力：），掌握解决工程实际的方法，培养下列两种基本能力：（1）以）以工程技术观点工程技术观点和和经济观点经济观点来分析和处理实际问题的能来分析和处理实际问题的能力；力；（2）熟练的进行化工基本运算。以便在化工生产、科研和设）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计工作中达到强化强化生产过程，生产过程，提高产品质量提高产品质量，提高设备能力提高设备能力及效率及效率，降低设备投资及产品成本降低设备投资及产品成本，节约能耗节约能耗，防止污染防止污染以以及加速新技术开发等方面的目的。及加速新技术开发等方面的目的。本课程，不是教大家如何合成得到新物质？如何提本课程，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。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成果开发放大为中试中试，再开发为，再开发为生产规模生产规模。是在科学是在科学实验与化工之间架桥的工作实验与化工之间架桥的工作，是直接为人类服务的创，是直接为人类服务的创造价值的劳动。造价值的劳动。化学工程的发展史化学工程的发展史近几百年，化学工程经历了近几百年，化学工程经历了孕育时期、奠基时期、飞跃孕育时期、奠基时期、飞跃时期和现代时期时期和现代时期等四个发展阶段等四个发展阶段 1）、孕育时期）、孕育时期 1915年里特尔年里特尔(A.D.Little)提出建立提出建立“单元操作单元操作”（Unit Operations）的概念）的概念 化学工程史上的第一块里程碑化学工程史上的第一块里程碑 2）、奠基时期）、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：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”于于1923由由 MIT的著名教的著名教授授 W.D.Walker、W.H.Lewis和和W.H.Mcadams等人完成。等人完成。从以产品来划分的化工生产工艺中，抽象出各种单元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，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对化学工程学的形成和发展起了重要的推动作用。并得出并得出“三传三传”遵循的遵循的“唯象方程唯象方程”又一块里程碑又一块里程碑。与此同时，化学反应过程经过了由与此同时，化学反应过程经过了由“单元过程单元过程”到到“化学反应化学反应工程学工程学”的发展。至此，化学工程学科发展到了的发展。至此，化学工程学科发展到了“三传一反三传一反”的较的较完整阶段。完整阶段。3)3)、飞跃时期、飞跃时期 “三传三传”理论的发现与发展。理论的发现与发展。1960年，美国威斯康新大年，美国威斯康新大学的学的Bird等人把等人把“三传三传”的内容组织在一起写成了的内容组织在一起写成了Transport phenomena 一书。一书。“三传一反三传一反”概括了化工生产过程的全部特征。概括了化工生产过程的全部特征。“三传三传”为动量传递、为动量传递、热量传递和质量传递（化工单元操作），热量传递和质量传递（化工单元操作），“一反一反”为化学反应过程为化学反应过程 4)4)、现代时期：、现代时期：70年代以后。年代以后。能源有效利用问题、操作优化问题逐渐突现起来能源有效利用问题、操作优化问题逐渐突现起来计算机应用的快速发展，并推向了计算机应用的快速发展，并推向了“过程优化集成过程优化集成”、“分分子模拟子模拟”的新阶段的新阶段 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、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，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程的进步。无机化学无机化学分析化学分析化学有机化学有机化学物理化学物理化学应用化学应用化学高高分分子子化化学学化学教育化学教育科科学学实实验验化化学学家家化化工工生生产产化工原理化工原理传递过程传递过程反应工程反应工程（还有：分（还有：分离工程、化离工程、化工热力学、工热力学、系统工程）系统工程）化化工工专专家家合成氨合成氨硫酸制造硫酸制造氯碱工业氯碱工业石油化工石油化工制糖业制糖业制漆业制漆业电镀业电镀业水泥、玻水泥、玻璃制造业璃制造业1.化学工业和化学工程化学工业和化学工程 化学工业是将自然界中的各种物质资源通过物理和化学化学工业是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的物质的工业。的方法加工成具有规定质量的物质的工业。化学工程是一门工程技术学科，它研究化工产品生产过程化学工程是一门工程技术学科，它研究化工产品生产过程的基本规律，并运用这些规律解决化工生产中的问题。的基本规律，并运用这些规律解决化工生产中的问题。2.2.化工原理课程的内容与性质化工原理课程的内容与性质化工原理课程的内容与性质化工原理课程的内容与性质 化工原理是在高等数学、物理学、物理化学等课程的化工原理是在高等数学、物理学、物理化学等课程的基础上，研究化工单元操作基本原理的一门基础技术课。它的基础上，研究化工单元操作基本原理的一门基础技术课。它的发展与化工单元操作概念的形成是密切相关的。发展与化工单元操作概念的形成是密切相关的。原料预处理原料预处理化学反应化学反应产物后处理产物后处理物理过程物理过程单元操作单元操作化学反应过程化学反应过程反应器反应器物理过程物理过程单元操作单元操作3 化工生产化工生产过程过程过程过程 化工过程与单元操作化工过程与单元操作 化工过程的特点之一是化工过程的特点之一是步骤多步骤多，而且因为不同的化学工，而且因为不同的化学工业所用的原料与所得产品不同，所以各种化工过程的业所用的原料与所得产品不同，所以各种化工过程的差别差别大大。一个化工过程所包含的步骤可分为两大类一个化工过程所包含的步骤可分为两大类化学变化学变化和单元操作，简称为化和单元操作，简称为“三传一反三传一反”：化学反应：化学反应：进行化学反应为主，在反应器中进行；是进行化学反应为主，在反应器中进行；是化工过程的核心，其投资约占化工过程总投资的化工过程的核心，其投资约占化工过程总投资的1020%；单元操作：单元操作：不进行化学反应，是物理变化过程。如：不进行化学反应，是物理变化过程。如：原料和反应物的前、后处理工序，仅发生压力、温度、组原料和反应物的前、后处理工序，仅发生压力、温度、组成、相态等物理变化过程，是生产过程必不可少的操作。成、相态等物理变化过程，是生产过程必不可少的操作。按达到相同的目的，依据不同原理，采用不同方法分按达到相同的目的，依据不同原理，采用不同方法分类（表类（表1 1）新的单元操作：膜分离技术新的单元操作：膜分离技术单元操作：过程和设备并重，研究各单元操作就是为单元操作：过程和设备并重，研究各单元操作就是为了掌握过程的规律，并设计设备的结构和大小，以使了掌握过程的规律，并设计设备的结构和大小，以使过程在有利的条件下进行。过程在有利的条件下进行。4 4 单元操作单元操作单元操作单元操作(Unit Operation)的分类的分类的分类的分类按其操作的功能可以分为：按其操作的功能可以分为：（1 1）物料的增压、减压和输送）物料的增压、减压和输送 （2 2）物料的混合和分散）物料的混合和分散（3 3）物料的加热和冷却）物料的加热和冷却 （4 4）均相混合物的分离（蒸发、蒸馏、结晶等）均相混合物的分离（蒸发、蒸馏、结晶等）（5 5）多相混合物的分离（沉降、过滤、干燥等）多相混合物的分离（沉降、过滤、干燥等）几乎覆盖了所有的主要单元操作几乎覆盖了所有的主要单元操作包括流体输送、沉降、包括流体输送、沉降、过滤、过滤、离心分离、搅拌、固体流态离心分离、搅拌、固体流态化等化等以流体力学为基础以流体力学为基础以热量传递理论为基础以热量传递理论为基础包括加热、冷却、包括加热、冷却、蒸发等蒸发等 以质量传递理论为基础以质量传递理论为基础包括蒸馏、吸收、吸附、萃取、包括蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等干燥、结晶、膜分离等化工生产中，主要的单元操作可以归纳为三类：化工生产中，主要的单元操作可以归纳为三类：化工生产中，主要的单元操作可以归纳为三类：化工生产中，主要的单元操作可以归纳为三类：分离过程分离过程分离过程分离过程将混合物分离将混合物分离研究化工单元研究化工单元 操作的基本原理，操作的基本原理，典型化工单元设备的原理、结构、典型化工单元设备的原理、结构、选型以及工艺尺寸的计算选型以及工艺尺寸的计算。主要内容主要内容主要内容主要内容理论基础理论基础理论基础理论基础高等数学高等数学高等数学高等数学物理学物理学物理学物理学物理化学物理化学物理化学物理化学课程学习课程学习课程学习课程学习从复杂事物中排除非主要因素，抽出从复杂事物中排除非主要因素，抽出从复杂事物中排除非主要因素，抽出从复杂事物中排除非主要因素，抽出关键环节，以合理关键环节，以合理关键环节，以合理关键环节，以合理 的简化方式建立物的简化方式建立物的简化方式建立物的简化方式建立物理和数学模型，解决工程问理和数学模型，解决工程问理和数学模型，解决工程问理和数学模型，解决工程问 题。题。题。题。综合运用基础知识，有目的地解决工综合运用基础知识，有目的地解决工程实际问题程实际问题目的并不只是目的并不只是目的并不只是目的并不只是 认识一些自然现象，而认识一些自然现象，而认识一些自然现象，而认识一些自然现象，而是解决真实的、复杂的生产问题。是解决真实的、复杂的生产问题。是解决真实的、复杂的生产问题。是解决真实的、复杂的生产问题。工程学科工程学科工程学科工程学科5 化化工工原原理理如果实验工作必须遍及各种如果实验工作必须遍及各种如果实验工作必须遍及各种如果实验工作必须遍及各种规格的设备和各种不同物料，规格的设备和各种不同物料，规格的设备和各种不同物料，规格的设备和各种不同物料，实验将不胜其烦，而且失去实验将不胜其烦，而且失去实验将不胜其烦，而且失去实验将不胜其烦，而且失去指导意义。指导意义。指导意义。指导意义。实验研究法，实验研究法，经验的方法经验的方法6 6 化工原理化工原理化工原理化工原理的研究方法的研究方法的研究方法的研究方法避免了方程的建立，直接用避免了方程的建立，直接用实验测取各变量之间的联系实验测取各变量之间的联系必须建立实验研究的方法论，必须建立实验研究的方法论，必须建立实验研究的方法论，必须建立实验研究的方法论，以使实验结果在几何尺寸上以使实验结果在几何尺寸上以使实验结果在几何尺寸上以使实验结果在几何尺寸上能能能能“由小见大由小见大由小见大由小见大”，在物料品种，在物料品种，在物料品种，在物料品种方面能方面能方面能方面能“由此及彼由此及彼由此及彼由此及彼”。数学模型方法立足于对复杂数学模型方法立足于对复杂数学模型方法立足于对复杂数学模型方法立足于对复杂的问题作出实际的的问题作出实际的的问题作出实际的的问题作出实际的 简化，从简化，从简化，从简化，从而使方程得以建立。而使方程得以建立。而使方程得以建立。而使方程得以建立。数学模型法，数学模型法，半理论半经半理论半经验的方法验的方法优点优点缺点缺点解决解决7 化工原理课程所回答的问题化工原理课程所回答的问题 （1 1）如何根据各单元操作在技术上和经济上的特如何根据各单元操作在技术上和经济上的特如何根据各单元操作在技术上和经济上的特如何根据各单元操作在技术上和经济上的特点，点，点，点，进行进行进行进行“过程和设备过程和设备过程和设备过程和设备”的选择，以适应指定的选择，以适应指定的选择，以适应指定的选择，以适应指定 物系的特征，物系的特征，物系的特征，物系的特征，经济而有效地满足工艺要求。经济而有效地满足工艺要求。经济而有效地满足工艺要求。经济而有效地满足工艺要求。（2 2）如何进行过程的计算和设备的设计。在缺乏如何进行过程的计算和设备的设计。在缺乏如何进行过程的计算和设备的设计。在缺乏如何进行过程的计算和设备的设计。在缺乏数据的情况下，如何组织实验以取得必要的设计数数据的情况下，如何组织实验以取得必要的设计数数据的情况下，如何组织实验以取得必要的设计数数据的情况下，如何组织实验以取得必要的设计数据。据。据。据。（3 3）如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。美国气象卫星的美国气象卫星的“失足失足”计量单位的重要性计量单位的重要性1998年年2月，美国宇航局月，美国宇航局（NASA）发射探测火星气）发射探测火星气象的卫星失事。预定于象的卫星失事。预定于1999年年9月月23日抵达火星，然而卫日抵达火星，然而卫星没有进入预定的轨道。星没有进入预定的轨道。问题出在有些资料的计量问题出在有些资料的计量单位没有把英制转换成公制，单位没有把英制转换成公制，错误起自承包工程的洛克希错误起自承包工程的洛克希德马丁航天公司。德马丁航天公司。这个这个“小错误小错误”造成的损造成的损失：单卫星的造价就高达失：单卫星的造价就高达1.25亿美元。亿美元。二、单位及单位换算二、单位及单位换算二、单位及单位换算二、单位及单位换算1 1、单位制、单位制 （1 1）cgscgs制（物理单位制）制（物理单位制）基本单位：长度基本单位：长度cm，质量，质量g，时间，时间s 导出单位：如导出单位：如 力力 g cm/s2=dyn（达因）（达因）力力=质量质量 加速度加速度 即即F=ma（1）力的符号力的符号质量的符号质量的符号加速度的符号加速度的符号F=g（cm/s2）=dyn（达因）（达因）方括号表示物方括号表示物理量的单位理量的单位 （2 2）工程制）工程制 基本单位：长度基本单位：长度m，重量（重力），重量（重力）kgf，时间，时间s 导出单位：如导出单位：如 质量质量质量的符号质量的符号（3 3）SI制（国际单位制）制（国际单位制）基本单位：长度基本单位：长度m，质量，质量kg，时间，时间s，温度，温度K，物质量单位物质量单位mol，电流，电流A，光强度，光强度cd（坎德拉）（坎德拉）1 =（273.15+1）K导出单位：如导出单位：如 比热容（比热容（cp）kJ/(mol K)或或kJ/(kg K)温度差温度差1K=1（k=1）2 2、单位换算、单位换算 （1 1）理论公式）理论公式 根据物理规律推导的根据物理规律推导的 （2 2）经验公式）经验公式 根据实验结果整理出的根据实验结果整理出的对流给热系数对流给热系数气体速度气体速度 cm/s(cgs制制)（3 3）物理量的单位换算物理量的单位换算质量质量m=1kg的物体在地面附近的重量为的物体在地面附近的重量为1kgf（工程制）（工程制）1kgf=9.81N换算因数换算因数1.物料衡算（物料衡算（material balance）依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的依据质量守恒定律，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，即物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即 输入量输出量累积量输入量输出量累积量输入量输出量累积量输入量输出量累积量 对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即稳定操作状态时，过程中不应有物料的积变，即稳定操作状态时，过程中不应有物料的积变，即稳定操作状态时，过程中不应有物料的积变，即稳定操作状态时，过程中不应有物料的积 累。则物料衡算关系为累。则物料衡算关系为累。则物料衡算关系为累。则物料衡算关系为 输入量输出量输入量输出量输入量输出量输入量输出量 用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。三、物料衡算及能量衡算三、物料衡算及能量衡算1、画画出出流流程程示示意意图图，标标出出物料流向与流量、组成等；物料流向与流量、组成等；2、用虚线划出衡算范围；、用虚线划出衡算范围；3、定定出出衡衡算算基基准准对对稳稳定定的的连连续续过过程程，一一般般以以单单位位时时间间为为衡衡算算基基准准，对对间间歇歇过过程程一一般般以以一一批批操操作作为衡算基准作作为衡算基准；4、列出衡算式并求解。、列出衡算式并求解。物料衡算可按下列步骤进行：物料衡算可按下列步骤进行：物料衡算可按下列步骤进行：物料衡算可按下列步骤进行：2.2.能量衡算（能量衡算（能量衡算（能量衡算（energy balanceenergy balance）在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否否先进先进合理的主要指标之一。合理的主要指标之一。能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完备的物能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完备的物料衡算后才能作出能量衡算。料衡算后才能作出能量衡算。根据能量守恒定律：根据能量守恒定律：输入的能量输入的能量=输出的能量输出的能量+积累的能量积累的能量heaterpumpU1 u1P1A1U2 u2P2A2内能内能动能动能位能位能热量热量功功流动功流动功推动流体进出所需的功推动流体进出所需的功连续流动过程的总能量衡算式连续流动过程的总能量衡算式本课程中所用到的能量主要是本课程中所用到的能量主要是本课程中所用到的能量主要是本课程中所用到的能量主要是机械能和热能机械能和热能机械能和热能机械能和热能。能。能。能。能量衡算的依据是能量守恒定律。量衡算的依据是能量守恒定律。量衡算的依据是能量守恒定律。量衡算的依据是能量守恒定律。机械能衡算将在第一章流体流动中说明；机械能衡算将在第一章流体流动中说明；机械能衡算将在第一章流体流动中说明；机械能衡算将在第一章流体流动中说明；热量衡算也将在传热、蒸馏、干燥等章中结合具热量衡算也将在传热、蒸馏、干燥等章中结合具热量衡算也将在传热、蒸馏、干燥等章中结合具热量衡算也将在传热、蒸馏、干燥等章中结合具体单元操作有详细说明。体单元操作有详细说明。体单元操作有详细说明。体单元操作有详细说明。热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。3.经济核算经济核算为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备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。济的设计方案。本章小结1.了解化工原理的研究对象和单元操作的分了解化工原理的研究对象和单元操作的分类。类。2.熟练掌握物料衡算和能量衡算方法。熟练掌握物料衡算和能量衡算方法。3.熟练掌握单位换算方法。熟练掌握单位换算方法。学好本课程应注意的问题及培养的能力:(1)(1)要理论联系实际要理论联系实际(2)(2)过程原理与设备并重过程原理与设备并重(3)(3)掌握研究的方法掌握研究的方法(4)(4)着重培养自学能力、创新能力着重培养自学能力、创新能力(5)(5)培养非智力因素（刻苦、勤奋、好学、多培养非智力因素（刻苦、勤奋、好学、多问、实干、毅力等）问、实干、毅力等）此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！