【大学课件】化工原理 绪论多媒体教学课件.ppt

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1、化工原理(Principles of Chemical Engineering)多媒体教学课件(化学工程与工艺专业适用),http:/,http:/,化工原理(Principles of Chemical Engineering),化工原理 该课程是从自然科学领域的基础课 向 工程科学的专业课过渡的入门课程。它在基础课数学、物理、化学(物理化学)与专业课（化工工艺学、化工工艺设计与设备设计等）之间，起着承前启后、由理及工的重要“桥梁”作用。,http:/,化工原理国家级精品课程及网址：1、化工原理与实验，天津大学：http:/202.113.7.181 2003年度2、化工原理，北京化工大学：

2、http:/202.4.135.9 2003年度3、化工原理，华东理工大学：http:/202.120.108.15 2004年度4、化工原理，华南理工大学http:/202.38.193.233/05course/hg 2005年度5、化工原理，南京理工大学 2006年度6、化工原理，南京工业大学 2007年度,化工原理主要教材：（化工原理、化工过程与设备）天津大学：化工流体流动与传热，化工传质与分离过程，21世纪教材华东理工大学：化工原理，21世纪教材华南理工大学：化工原理，21世纪教材北京化工大学：1 杨祖荣主编版本，2 王志魁主编版本。浙江大学与西安交通大学合编、大连理工大学、清华大学

3、等。,执行济南大学新制定的化学工程与工艺专业的化工原理教学大纲。,化工原理课程国内概况,济南大学化工原理网络课程在化学化工学院精品课程栏内。,http:/,化工原理,绪论 2学时,第1章 流体流动 14学时,第2章 流体输送机械 6学时,第3章 液体搅拌 2学时,第4章 流体通过颗粒层的流动 6学时,第5章 颗粒的沉降和流态化 6学时,第6章 传热 12学时,第7章 蒸发 2学时,第8章 气体吸收 12学时,第9章 液体精馏 16学时,第10章 气液传质设备 4学时,第11章 液液萃取 6学时,第12章 固体干燥 8学时,化工原理（上册）,化工原理（下册）,理论课学时共计 96 学时。实验课单

4、独开设。,http:/,化工原理(Principles of Chemical Engineering),1.化学工程学科中的基本概念(了解)2.化工原理课程的性质(理解)3.化工原理硏究问题的方法(理解)4.化工原理课程应解决的问题(了解)5.单位与单位换算(掌握)6.物料衡算与能量衡算(掌握),绪论(preface),http:/,化学工业(chemical industry)：利用自然界中的物资资源，通过物理和化学的方法将原料加工成为产品的工业。它的范围不但覆盖了化学与石化工业，而且渗透到能源、环境、生物、材料、制药、冶金、轻工、卫生、信息等工业及技术部门。在人们的衣、食、住、行、娱乐等

5、生活中均离不开化学产品。,1.化学工程学科中的基本概念,化工（生产）过程(chemicals production process)：化工产品的生产过程（化工工艺过程）。,同一原料可以生产出多种产品；同一产品可以由不同的原料进行生产。,http:/,例：聚氯乙烯(PVC:polyvinyl chloride)塑料的生产过程。,乙烯氧氯化法：,http:/,化学工程(Chemical Engineering)：研究化工生产过程中的基本规律，并应用这些规律解决生产过程与设备计算的工程技术学科。,化工单元操作：(unit operation of Chemical Engineering)：一物理性

6、的化工基本操作过程。任何一种化工过程(chemicals production process)均是由若干化工单元操作及化学反应过程有机组合而成。,1.化学工程学科中的基本概念,化学工程：研究以化学工业为代表的过程工业中有关化学过程和物理过程的一般原理和共性规律，解决过程和装置的开发、设计、操作及优化的理论和方法问题。,http:/,化学工程的产生与发展,随着对化学品需求的增长，引起了从手工业向大工业的过渡。化学家分为纯化学家和工业化学家（或称应用化学家）。纯化学家主要对合成新物质，发现新的化学反应，测定物质的化学结构和性质，以及新的机理、规律、理论感兴趣。工业化学家则着眼于将该化学物质或化学

7、反应在工业上的运用和实现。要求工业化学家具备较多的物理和机械知识。英国工程师G.E.戴维斯(George Edwards Davis,1850-1907年)最早提出“化学工程”这一概念。1915年麻省理工学院A.D.Little首次提出“化工单元操作”的概念。,1923年美国麻省理工学院的著名教授W.H.华克尔等人编写出版的第一部关于单元操作的著作化工原理（Principles of Chemical Engineering），从而奠定了化学工程作为一门独立工程学科的基础，完成了从化工生产工艺到单元操作的发展，推进认识上的一个飞跃。对于化学工程学科的形成和发展起到了推动作用。我国于20世纪20

8、年代创办了化学工程系，开设了化工原理课程。解放之后，我国先后出版了以单元操作为主线的化工原理、化工过程及设备、化工操作原理及设备等教科书。,http:/,化工学科体系的形成,化工教育是从化学教育中分离出来的。1885年，英国伦敦帝国学院最早创办了化工系，当时的课程是化学与机械工程的混合。不久停办。1888年，美国麻省理工学院首先在化学系科内设置化学工程课，后来才开始设置化学工程系。其他国家随后也逐步建立了化学工程系。在美国著名化学家A.D.Little首次提出“化工单元操作”的概念之后，W.H.Walker(W.H.华克尔等),W.K.Lewis和W.H.McAdams三人合著的化工原理初版在

9、1923年问世。化工学科已由一种工艺单元发展为现代化的工程科学。,http:/,中国的化工高等教育,1927年4月，李寿恒在浙江大学建立了化工系。李寿恒先生于1925年在美国伊利诺伊大学获化学工程博士学位后回国教授应用化学。不久后，南京的中央大学和天津的南开大学也设立了化工系。到1949年，全国约有30个化工系。新中国成立后，进行大规模的院系调整，第一批合并组成了天津大学化工系、大连工学院化工系、成都工学院化工系、华南工学院化工系、华东化工学院、北京石油学院等。1958年，北京化工学院创建。目前，全国有上百个化工学院或化工系。,http:/,更为广义地说，化学工程是研究化学工业和相关过程工业（

10、Process industry）生产过程中所进行的化学反应过程及物理过程普遍规律的一门工程学科。它的范围不但覆盖了化学与石化工业，而且渗透到能源、环境、生物、材料、制药、冶金、轻工、卫生、信息等工业及技术部门。,20世纪60年代“三传一反”（动量传递、热量传递、质量传递、化学反应工程）概念的提出，开辟了化学工程发展过程的第二个历程。计算机应用的快速发展，使化学工程成为更完整的体系，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

11、、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。,1.化学工程学科中的基本概念,http:/,化工单元操作的分类 根据单元操作的理论基础进行的分类1）以动量传递(momentum transfer)理论为基础：流体流动、流体输送机械、沉降、过滤、搅拌、固体流态化 等2）以热量传递(heat transfer)理论为基础：加热、冷却、蒸发 等3）以质量传递(mass transfer)理论为基础：吸收、精馏、萃取、干燥 等,流体中发生的这三种传递现象(transport phenomena)都是由于流体质点的运动和分子扩散运动所产生的结果。,1.化学工程学科中

12、的基本概念,流体流动：研究流体流动的规律，完成流体输送的任务。流体输送机械：研究流体输送机械的性能特点，进行正确的选用及安装。沉降：利用密度差，从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒、液滴或气泡。过滤：根据尺寸不同的截留，从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒。搅拌：输入机械能使流体间或与其他物质均匀混合。流态化：输入机械能使固体颗粒悬浮于流体中，具有流体状态的性质。,http:/,换热（传热）：利用温度差，对于物质输入热量或移出热量，使物质升温、降温或者改变相态。蒸发：对于溶液输入热量使溶剂汽化，使溶液浓缩。,气体吸收：利用各组分在溶剂中溶解度的差异，分离气体混合物。液体精馏：利用各组分在同样条件下挥发

13、度的的差异，分离液体混合物。液液萃取：利用各组分在萃取剂中溶解度的差异，分离液体混合物。固体干燥：对于湿固体物料输入热量，使湿分汽化，使固体物料得以干燥。气液传质设备：实现气体吸收、液体精馏 所需要的塔设备。,1.化学工程学科中的基本概念,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

14、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。“三传理论的建立”是单元操作在理论上的进一步发展和深化。传递过程是联系各单元操作的一条主线。,http:/,化工生产过程中常见的单元操作,http:/,2.化工原理课程的性质与任务,化工原理(principles of Chemical Engineering)：是化学工程(chemical engineering)学科的基础部分；是化工工艺(chemical technology)学的理论基础。化工原理 研究的对象是实际工程问题。其讲述各种化工单元操作的基本原理，典型化工设备的结构原理、操作性能，工艺过程设计和设备设计的计算方法。,化

15、工原理课程具有显著的工程性 它要解决的问题是多因素、多变量的综合性的工业实际问题，因此，分析和处理问题的方法也就与理科课程有较大的不同。该课程所研究的内容来自化工生产实践，又面向化工生产实践，是化工技术工作者的基本的重要的本领所在。该课程的研究内容就是生产实际问题，故理论密切联系实际，通过学习培养学生应用基础理论,分析得到工程理论，解决工程实际问题的能力。,http:/,化工过程开发：以已经研究出的从原料到产品的化工过程所包括的基本单元操作步骤为基础，从技术和经济上来考虑，探索出最佳的工艺流程及设备，确定出最佳的操作条件。化工过程设计：通过计算确定设备的合适型式和主要尺寸，并且确定工艺流程中的

16、控制点。化工过程操作：除了进行生产过程技术管理保障正常运行以外，更重要的是对于现有的工艺流程及设备作出改进以提高其效率。在化工过程开发、化工过程设计、化工过程操作中都存在着明显的工程性：（1）影响化工过程的因素多，（2）制约化工过程的条件多，（3）在化工过程计算中，涉及到的物性数据、工程条件数据多，相关的经验数据和经验公式多，（4）效益是评价工程优劣的最终判据。社会效益、经济效益、环境效益。,本课程强调工程观点,http:/,化工原理课程是化工类及相近专业的一门重要的技术基础课，其兼有“科学”与“技术”的特点，它是综合运用自然科学的基础知识，分析和解决化工类型生产中各种物理过程的工程学科。该课

17、程的主要内容是利用数学、物理和化学等自然科学的原理，研究实际化工物理过程中的客观规律，并利用这些规律进行化工过程设计、工艺计算、设备构造设计等。从理论知识体系来看，先行的数学、物理和化学等课程主要是揭示自然界中的普遍规律，属于自然科学的范畴。而化工原理课程所研究的内容则属于工程技术科学的范畴。在化工类专业人才培养中，它起着由理及工的“桥梁”作用，它承担着工程科学与工程技术的双重教育任务。本课程强调工程观点、工程问题处理方法、定量运算、实验技能及设计能力的培养，强调理论联系实际。,2.化工原理课程的性质与任务,http:/,课程教学的主导思想：以化学工程学科的发展和现代教育思想为依据，与社会发展

18、需求相适应，提出本课程的科学体系和课程框架。以化工过程的共性为主线，将化工单元操作的内容及基础按过程共性分块，阐明共同的原理和科学基础，培养学生的应用科学理论的意识和获取知识的能力。体现课程内容的工程特色，突出工程问题的处理方法，强调对于学生工程观点、工程方法、工程能力及工程素质的培养教育。以教学内容为载体，使学生掌握化工常用的科学方法，如：数学模型法、实验研究法、过程分解法、参数归并法及数学解析法等。在基本原理的应用中，从设计型问题和操作型问题两方面加强理论联系实际的示范。以此培养学生从实际工作出发，思考和解决问题的能力。以教育心理学的建构主义理论指导教学，精心创设教学情境，合理安排教学过程

19、中的互动及交流，引领新知识在头脑中的意义建构思维过程，达到新知识与原知识基础的融会贯通。,2.化工原理课程的性质与任务,http:/,1）数学描述（解析）方法：常用的物理原理：物料衡算、能量衡算、热量衡算、动量守恒原理、牛顿第二定律、牛顿第三定律常用的化学原理：相平衡关系常用的数学手段：数学微积分原理,3.化工原理研究问题时的方法,2）复杂问题的两种思维方式:（1）实验研究方法；（2）数学模型方法。,http:/,课程的研究方法 如果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，能够应用相关的物理或化学原理，建立数学方程并能直接求解，则称为解析法。根据质量守恒、能量守恒、相平衡关系和传

20、递速率关系等基础理论建立数学方程，是解决某些物理过程有效的解析法。如果一个物理过程的影响因素很多，各参数之间的关系难以从理论上分析清楚，解决这类复杂的工程问题，形成了两种典型的思维方式和方法。（1）实验研究方法（经验法）该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。（2）数学模型法（半经验半理论方法）该方法是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。,http:/,联系“化工原理”课程内容的两条主线

21、:,1）传递过程是统一的研究对象,动量传递(momentum transfer)、热量传递(heat transfer)、质量传递(mass transfer),2）各单元操作有着共同（或相似）的研究方法,动量传递的单元操作：力平衡、质量守恒、动量守恒、机械能守恒。经济分析。热量传递的单元操作：热量平衡、传热速率。经济分析。质量传递的单元操作：传质速率、相平衡关系、质量平衡、热量平衡、经济分析。,3.化工原理研究问题时的方法,总之，对于各单元操作，均以质量守恒、能量守恒、平衡关系和速率关系这4种基本关系为基础，进行数学描述。,http:/,4.学习化工原理课程之后能够解决的问题,1）如何根据各

22、单元操作在技术上和经济上的特点,进行“过程设计和设备类型选择”,以经济而有效地完成工艺设计，满足工艺的要求。2）如何进行“过程(process)”的计算和“设备(appatatus)”的设计。3）如何根据生产的不同要求,进行生产参数或指标的调节。4）当生产状况不正常时，如何寻找根源。,课程学习要求:学习本课程中，应注意以下几个方面能力的培养：（1）单元操作和设备选择的能力,（2）工程设计能力,（3）操作和调节生产过程的能力,（4）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。,http:/,5.物理量的单位与量纲（因次）（dimension）,1）单位制 国际单位

23、制SI(System International dUnites)基本单位:质量.kg 长度.m 时间.s具有专门名称的导出单位:力.N 能量.功.J 功率.W物理单位制cgs:基本单位:质量.g 长度.cm 时间.s 工程单位制:基本单位:力.Kgf 长度.m 时间.s,需要 由 工程单位制 或 物理单位制 换算到 国际单位制。,中华人民共和国法定计量单位（简称法定单位制）,在我国的法定计量单位中，除了SI制中的基本单位导出单位外，又规定了一些我国选定的非国际单位制单位。例如，时间用s（秒）、min（分钟）、h（小时）、d（日）。质量可以用kg（公斤）、t（吨）。温度可以用K（开尔文）、oC

24、（摄式度）。物质的量mol（摩尔）、kmol（千摩尔）。长度可以用m（米）、km（千米）、mm（毫米）、cm（厘米）。,http:/,2）量纲（因次）物理量的基本量的量纲为其本身。SI制中的基本量:质量 M、长度 L、时间 T、热力学温度、物质的量 N、电流 I、发光强度 J 导出量的量纲:例如：速度 LT-1 加速度 LT-2 力 MLT-2,5.物理量的单位与量纲（因次）(dimension),3）量纲一致性方程(dimensionally homogeneous equation),物理量方程 是 与某一客观现象有关的各物理量之间关系的表达式。任何一个物理量方程，只要理论上合理，该方程等

25、号两边各项的量纲必定相等。,http:/,5.物理量的单位与量纲（因次）,3）量纲一致性方程(dimensionally homogeneous equation),物理量方程 是 与某一客观现象有关的各物理量之间关系的表达式。任何一个物理量方程，只要理论上合理，该方程等号两边各项的量纲必定相等。,http:/,例:工程单位制中的 力 与国际单位制中的 力 之关系。以质量为1kg的物质在重力场中所受的力为分析对象。在工程单位制中，受力为1kgforce.在国际单位制中，根据牛顿第二定律 F=ma受力为 F=19.81=9.81kg.m/s2=9.81N所以 1kgf=9.81N 这是一个非常重

26、要的关系式。,4）单位换算,5.物理量的单位与量纲（因次）,http:/,例1：1atm=1.033kgf/cm2,将其换算成SI制的单位。1kgf=9.81N 1cm=10-2m,例2：通用气体常数R=82.06atmcm3/(molK),将其换算成SI制。,http:/,例3：30 水的粘 度=0.008g/(cm.s)（泊）,将此cgs制单位换算成SI制。解:,例4:传质系数单位的转换计算,http:/,6.物料衡算(mass balance)和能量衡算(energy balance),若积累速率=0，则控制体处于稳定状态（定常态）。此时，,输入速率之和=输出速率之和+控制体中的积累速率

27、,输入速率之和=输出速率之和,通常以单位时间为基准，物理量的单位时间内的数值称为速率。,平衡：输入之和=输出之和+控制体中的累积,http:/,物料衡算（设计计算的基础）,定常态操作（连续稳定操作），积累速率等于零。,平衡：输入之和=输出之和+控制体中的累积,http:/,能量衡算（通常为了确定热负荷）,能量守恒定律（定常态操作）,http:/,例1 用连续操作的蒸发器把质量分率为wF的稀盐水溶液经蒸发浓缩到质量分率为ww的浓盐水溶液。稀盐水溶液的进料量为F(kg/h)，试求：浓盐水溶液（完成液）的产生速率W(kg/h)和水蒸气（二次蒸汽）的产生速率V(kg/h)。,解：,总物料衡算,溶质衡算

28、,得到：,1、根据题意画出本例附图所示的流程图。,解题思路,2、圈出衡算范围。,3、定出衡算基准，通常单位1h或1s。,http:/,绪论完,例2 1000kg的电解液F中含NaOH（质量百分数，下同）10%、NaCL10%、H2O80%，用真空蒸发器浓缩，食盐结晶分离后的浓缩液中含NaOH50%、NaCL2%、H2O48%。试求：（1）水分蒸发量V；（2）结晶分离的食盐量S；（3）食盐分离后的浓缩液量W。在全过程中，溶液中NaOH的量保持不变。,解：,电解液被分离为3部分,总物料衡算,NaOH衡算,H2O衡算,http:/,例:开始时槽内预先盛有新鲜水100kg。水以150kg/h的流率，食盐以30kg/h的流率加入搅拌槽中。制成溶液后，溶液以120kg/h的流率离开容器。由于搅拌充分，槽内溶液浓度各处均匀。试计算当时间达到1小时的时候所流出的溶液中食盐的浓度（以wt%计）,解：,积分：,食盐衡算：,分离变量并积分：,http:/,分离变量并积分：,例:开始时槽内预先盛有新鲜水100kg。水以150kg/h的流率，食盐以30kg/h的流率加入搅拌槽中。制成溶液后，溶液以120kg/h的流率离开容器。由于搅拌充分，槽内溶液浓度各处均匀。试计算当时间达到1小时的时候所流出的溶液中食盐的浓度（以wt%计）,得：,绪论完,