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化工原理

化工原理. 讲解： 陈光友. 教学计划（ 90 学时，其中实验 36 ）：. 1. 课堂讲授： 围绕教学大纲进行讲授，以教材为蓝本； 2. 习题课： 讲完课后安排一次习题课； 3. 实验教学： 通过验证性实验来帮助学生理解所学理论。 雷诺准数的测定； 离心泵特性曲线测定； 传热系数的测定； 精馏实验； 吸收实验； 干燥实验 ……. 4 ．辅导答疑 5 ．作业： 每章交一次，计算题求解步骤（抽查）。 6 ．考核 平时： 30% （包括出勤、作业、实验） 考试： 70%. 本课程的特点：

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Presentation Transcript

  1. 化工原理 讲解：陈光友 07制药工程专业《化工原理》教案

  2. 教学计划（90学时，其中实验36）： 1. 课堂讲授：围绕教学大纲进行讲授，以教材为蓝本； 2. 习题课：讲完课后安排一次习题课； 3. 实验教学：通过验证性实验来帮助学生理解所学理论。 • 雷诺准数的测定； • 离心泵特性曲线测定； • 传热系数的测定； • 精馏实验； • 吸收实验； • 干燥实验 • …… 07制药工程专业《化工原理》教案

  3. 4．辅导答疑 5．作业：每章交一次，计算题求解步骤（抽查）。 6．考核 • 平时：30%（包括出勤、作业、实验） • 考试：70% 07制药工程专业《化工原理》教案

  4. 本课程的特点： • 1．划分工和理科的标准，是化工类专业的基础理论课。 • 2．难度较大，有较多的公式需要记忆、需要大量做题。 • 3. 很重要，化工类研究生升学考试科目 07制药工程专业《化工原理》教案

  5. 课程性质 化工原理是在高等数学、物理学、物理化学等课程的基础上开设的一门技术基础课程，属工程学科，具有工程性和实用性。 07制药工程专业《化工原理》教案

  6. 课程的性质 食品工业 制药工业 07制药工程专业《化工原理》教案

  7. 2.课程任务 • 1、掌握化工单元操作过程的基本原理，并能进行过程的选择和计算(即对指定的产品，选择一个适宜的过程，经济而有效地满足工艺过程要求)。 • 2、据生产需要，进行设备的工艺计算及选型。 • 3、依据过程的不同要求，进行操作调节和控制。 • 4、掌握强化过程途径，以提高过程和设备的能力、效率。 07制药工程专业《化工原理》教案

  8. 绪 论 07制药工程专业《化工原理》教案

  9. 一.化工过程与单元操作 1.1化工生产过程 化工生产是以化学变化或化学处理为主要特征的工业生产过程。在化学工业中，对原料进行大规模的加工处理，使其不仅在状态与物理性质上发生变化，而且在化学性质生也发生变化，成为合乎要求的产品，这个过程即叫化工生产过程。 07制药工程专业《化工原理》教案

  10. 化工生产过程 化学反应 产物后处理 原料预处理 物理过程 单元操作 化学反应工程 物理过程 单元操作 • 化工生产过程 ＝ 单元操作 ＋ 化学反应 • 化学工程 ＝ 化工原理 ＋ 反应工程 ＝ 三传一反 07制药工程专业《化工原理》教案

  11. 1922年美国化工学会年会, 里特尔(A.D.LiThle) 提出建立“单元操作” （Unit Operations）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(Unit operation)”的组成部分，如粉碎、混合、加热、吸收、沉淀、结晶、过滤、溶解等。 07制药工程专业《化工原理》教案

  12. 单元操作进行的方式 1.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。 间歇操作设备内，同一位置上，在不同时刻进行着不同的操作步骤，因而同一位置上，物料组成、温度、压强、流速等参数都随时间变化，属非定态过程，即： 参数＝f(x,y,z,θ) 2.连续操作：原料不断地从设备一端送入，产品不断从另一端送出。 连续操作设备内，各个位置上，物料组成、温度、压强、流速等参数可互不相同，但在任一固定位置上，这些参数一般不随时间变化，属定态过程，即： 参数＝f(x,y,z) 07制药工程专业《化工原理》教案

  13. 单元操作分为三类： • 1、流体动力过程(传动)：研究流体流动及流体和与之接触的固体间发生相对运动时的基本规律，以及受其支配的若干单元操作(包括输送、沉降、过滤等)。 • 2、热量传递过程(传热)：研究传热的基本规律及受其支配的单元操作 (包括热交换、蒸发)。 • 3、质量传递过程(传质)：研究物质通过相界面迁移过程的规律及受其支配的单元操作(包括吸收、蒸馏等)。 • 三种传递过程既有联系又有区别。 07制药工程专业《化工原理》教案

  14. 1923年 MIT的著名教授 W.D.Walker、W.H.Lewis和W.H.Mcadams 等人根据此概念写成了第一部单元操作的书 “Principles of Chemical Engineering（化工原理）” 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，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。 07制药工程专业《化工原理》教案

  15. 乙炔法制聚氯乙烯 单体精制 压缩冷凝 单体合成 原料提纯 聚合 脱水干燥 产品 07制药工程专业《化工原理》教案

  16. 07制药工程专业《化工原理》教案

  17. 单元操作的研究内容与方向： 单元操作的基本原理； 单元操作典型设备的结构； 单元操作设备选型设计计算。 研究内容 高效率、低能耗、环保； 开发新的单元操作 单元操作集成工艺与技术。 研究方向 07制药工程专业《化工原理》教案

  18. 07制药工程专业《化工原理》教案

  19. 2. 单位制与单位换算 2.1 基本单位与导出单位 基本单位：选择几个独立的物理量，根据方便原则规定单位； 导出单位：由有关基本单位组合而成。 单位制度的不同，在于所规定的基本单位及单位大小不同。 07制药工程专业《化工原理》教案

  20. 2.2 常用单位制 基本单位：7个，化工中常用有5个，即长度（米），质量（千克），时间（秒），温度（K），物质的量（摩尔），电流（安培），发光强度（坎） 国际单位制 SI制 物理单位制 CGS制 基本单位：长度（厘米cm），质量（克g），时间（秒s） 工程单位制 基本单位：长度（米），重量或力（千克力kgf），时间（秒） 我国法定单位制为国际单位制（即SI制） 07制药工程专业《化工原理》教案

  21. 2.3 单位换算 • 物理量的单位换算 换算因数：同一物理量，若单位不同其数值就不同，二者包括单位在内的比值称为换算因数（见附录一）。 • 经验公式的单位换算 经验公式是根据实验数据整理而成的，式中各符号只代表物理量的数字部分，其单位必须采用指定单位。 07制药工程专业《化工原理》教案

  22. 例 通用气体常数R＝0.08206 atm.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 ＝8.314 Pa.m3／mol.K ＝8.314 J／mol.K 07制药工程专业《化工原理》教案

  23. 2.4 量纲(Dimension) 定义：任何物理量通过物理关系与基本量联系起来的关系式。 性质：若用符号L、M、T、I、、N、J分别表示长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量、发光强度7个基本量的量纲，则导出量Q的量纲可用基本量量纲的组合来表示， 即 ： 式中： —量纲指数（因次）。 07制药工程专业《化工原理》教案

  24. 如： 若 ： 则 ： ， 此时Q称为量纲为1的量，或称为无量纲量 如： 量纲一致性原理：任何一个理论（物理）方程两边的量纲必相等。 经验公式的单位换算：自学内容 07制药工程专业《化工原理》教案

  25. 2.5 浓度的表示方法 • 物质的量浓度与摩尔分数 物质的量（摩尔）浓度： 摩尔分数： • 物质的质量浓度与物质的质量分数 物质的质量浓度： 物质的质量分数： 07制药工程专业《化工原理》教案

  26. 摩尔比与质量比 摩尔比： 质量比： 07制药工程专业《化工原理》教案

  27. 【例0-1】200kg湿物料中含水量的质量分数为ω1=50%，干燥后含水量的质量分数为ω2 =5%，试计算出去的水分为多少？ 选定计算基准 07制药工程专业《化工原理》教案

  28. 气体混合物的表示方法 • （1）摩尔分数yi • 气体混合物中的组分i的摩尔分数常用yi表示， • yi=ni/n • （2）压力分数pi • 根据道尔顿定律，有 • p=p1+p2+…+pi+… • p——总压 • pi——分压 07制药工程专业《化工原理》教案

  29. 对于理想气体： （3）体积分数pi 由： 结论，对于理想气体（一般的低压气体）有： 摩尔分数 =压力分数 =体积分数 07制药工程专业《化工原理》教案

  30. 3. 单元操作中的两条主线和五个基本概念 3.1 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。 07制药工程专业《化工原理》教案

  31. 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。 实验：寻找函数形式，决定参数 07制药工程专业《化工原理》教案

  32. 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。 07制药工程专业《化工原理》教案

  33. 3.2 五个基本概念 • 物料衡算 输入量 － 输出量 ＝ 积累量 通式：ΣGi-ΣGo＝GA 07制药工程专业《化工原理》教案

  34. 适用于： • 1.任何指定的空间范围； • 2.过程所涉及的全部变化： • 无化学变化；混合物任一组分符合此通式； • 有化学变化：各元素符合此通式； • 3.间歇、连续操作： • 间歇操作： GA≠0 • 连续操作： GA＝0 07制药工程专业《化工原理》教案

  35. W1 W2 第一蒸发器 第二蒸发器 F0 F1 F2 • 物料衡算的步骤 1.画出流程示意图，标出物料流 向与流量、组成等； 2.用虚线划出衡算范围； 3.定出衡算基准； 4.列出衡算式并求解。 07制药工程专业《化工原理》教案

  36. 物料衡算举例 • 【例0-3】:已知原料液流量为1000kg/h，含20％KNO3，进入蒸发器，蒸出水分W kg/h，浓缩液为S kg/h，含KNO350％进入结晶器，结晶产品为P kg/h，含96％KNO3，循环母液R kg/h，含37.5％KNO3，回到蒸发器再循环，求W,S,P,R各为多少kg/h？ 07制药工程专业《化工原理》教案

  37. W kg/h I III II 1000kg/h S kg/h P kg/h 蒸发器 结晶器 20％KNO3 50％KNO3 96％KNO3 R kg/h 37.5％KNO3 解：1.绘简图： 2.定基准：1h 3.划范围：范围I，II，III见图 07制药工程专业《化工原理》教案

  38. W kg/h I III II 1000kg/h S kg/h P kg/h 蒸发器 结晶器 20％KNO3 50％KNO3 96％KNO3 R kg/h 37.5％KNO3 • 4.列算式： • 方框I：总物料：1000=W+P • KNO3组分:1000×0.2=W×0+P×0.96 W=791.7 kg/h P=208.3 kg/h 方框II：总物料：S=P+R KNO3组分:S×0.5=P×0.96+R×0.375 S=974.8 kg/h R=766.5 kg/h 思考：比较R流股在I内外的情况有何不同？ I，III或II，III范围列算式时计算结果有何不同？ 07制药工程专业《化工原理》教案

  39. 注意： • 方框代表方程式！ • 画方框的目的：将未知数包括进去 • 方程式要求：线性无关 07制药工程专业《化工原理》教案

  40. 遵循能量守恒定律 • 能量衡算 • 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，还向外界散失或由外界传入系统，称热损失QL。 • 热量衡算通式：ΣQi=ΣQo+QＬ • Σ(wH) i=Σ(wH)o+QＬ 07制药工程专业《化工原理》教案

  41. 热量衡算举例 • 【例0-4】在换热器中将平均比热为3.56kJ/(kg.℃)的某种溶液自25℃加热到80℃，溶液流量为1.0kg/s。加热介质为120℃的饱和水蒸汽，其消耗量为0.065kg/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占水蒸汽所提供热量的百分数。 07制药工程专业《化工原理》教案

  42. 120℃饱和水蒸汽 0.095kg/s 80℃溶液 25℃溶液 1.0kg/s 1.0kg/s 120℃饱和水 0.095kg/s 解： 1.绘简图 换热器 2.定基准：1s，0℃，液体 3.划范围：以换热器为衡算范围 07制药工程专业《化工原理》教案

  43. 120℃饱和水蒸汽 0.095kg/s 80℃溶液 25℃溶液 1.0kg/s 1.0kg/s 120℃饱和水 0.095kg/s 换热器 • 4.列算式：查附录六：120℃饱和水蒸汽H=2708.9kJ/kg，120℃饱和水H=503.67kJ/kg，则： • 1.0×3.56×(25-0)+0.095×2708.9=1.0×3.56×(80-0)+0.095×503.67+QL QL=13.70 kW 水蒸汽提供热量：Q=0.095×(2708.9-503.67)＝209.5 kW ∴热损失百分数＝13.70/209.5=6.54％ 07制药工程专业《化工原理》教案

  44. 平衡关系 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”。 流体流动→ΔP 热量传递→ΔT 传质过程→ΔC 07制药工程专业《化工原理》教案

  45. 传递速率 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。 • 经济衡算 07制药工程专业《化工原理》教案

  46. 学好本课程应注意的问题及培养的能力: (1)要理论联系实际 (2)过程原理与设备并重 (3)掌握研究的方法 (4)着重培养自学能力、创新能力 (6)培养非智力因素（刻苦、勤奋、好学、多问、实干、毅力等） 祝大家学习愉快! 07制药工程专业《化工原理》教案

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