1、1 1 化工过程及单元操作化工过程及单元操作 不同产品的生产过程使用各种物理加工过程，根据他们的不同产品的生产过程使用各种物理加工过程，根据他们的操作原理，可以归结为数个应用广泛的操作原理，可以归结为数个应用广泛的基本操作过程基本操作过程，如，如流体流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、制冷、蒸发、结晶、吸收、输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、制冷、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、粉碎、乳化萃取、吸附、干燥蒸馏、粉碎、乳化萃取、吸附、干燥等。等。化工工业化工工业：利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成利用物理和化学方法将自然界的各种物质加工成生活资料的工业。生活资料的工业。化工生产化工生产：(1)化学
2、反应过程：如食品风味的形成化学反应过程：如食品风味的形成 (2)物理加工过程物理加工过程这些基本的物理过程称为这些基本的物理过程称为单元操作单元操作。绪绪 论论v若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。若干个单元操作串联起来组成一个工艺过程。v均为物理性操作，只改变物料的状态或其物理性质，均为物理性操作，只改变物料的状态或其物理性质，不改变其化学性质。不改变其化学性质。v同一产品生产过程中可能会饱含多个相同的的单元同一产品生产过程中可能会饱含多个相同的的单元操作。操作。v单元操作用于不同的生产过程其基本原理相同，进单元操作用于不同的生产过程其基本原理相同，进行该操作的设备也可以通用行该操作的设
3、备也可以通用。单元操作的应用及特点单元操作的应用及特点奶粉生产工艺流程奶粉生产工艺流程原料乳验收原料乳验收预处理预处理预热杀菌预热杀菌真空浓缩真空浓缩过滤过滤加热加热喷雾干燥喷雾干燥出粉出粉冷却与过筛冷却与过筛包装、检验包装、检验成品成品单元操作举例单元操作举例工艺流程图工艺流程图加工现场加工现场编号编号名称名称作用作用单元操作单元操作涉及的传递理论涉及的传递理论技术参数技术参数冷冻盐水管道冷冻盐水管道提供冷却介质提供冷却介质流体输送流体输送动量传递动量传递20自来水管道自来水管道提供流动介质提供流动介质流体输送流体输送动量传递动量传递常温常温蒸汽管道蒸汽管道提供加热介质提供加热介质流体输送流
4、体输送动量传递动量传递180贮罐贮罐贮存牛奶与缓冲作用贮存牛奶与缓冲作用离心泵离心泵输送牛奶输送牛奶流体输送流体输送动量传递动量传递，板式换热器板式换热器冷却牛奶与加热空气冷却牛奶与加热空气传热传热热量传递热量传递4配料槽配料槽配料、混合与标准化配料、混合与标准化搅拌搅拌动量传递动量传递90均质机均质机均质牛奶均质牛奶均质均质动量传递与质量传递动量传递与质量传递两段板式换热器两段板式换热器巴氏灭菌巴氏灭菌传热传热热量传递热量传递80,20min升膜式蒸发器升膜式蒸发器浓缩牛奶浓缩牛奶浓缩浓缩热量传递、动量传递与质量热量传递、动量传递与质量传递传递浓度浓度10%旋液分离器旋液分离器分离水中的牛奶
5、分离水中的牛奶物系分离物系分离动量传递与质量传递动量传递与质量传递喷射泵喷射泵提供负压提供负压流体输送流体输送动量传递动量传递高压泵高压泵使牛奶产生较大的压力，利于使牛奶产生较大的压力，利于喷雾干燥喷雾干燥流体输送流体输送动量传递动量传递压力压力 kpa空气过滤器空气过滤器过滤空气，使其清洁过滤空气，使其清洁过滤过滤动量传递动量传递喷雾干燥器喷雾干燥器干燥牛奶使其成为奶粉干燥牛奶使其成为奶粉干燥干燥热量传递、动量传递与质量热量传递、动量传递与质量传递传递90%以上过以上过100目筛，目筛，含水量含水量13%旋风分离器旋风分离器风力空气中的奶粉颗粒风力空气中的奶粉颗粒分离分离动量传递与质量传递动
6、量传递与质量传递风机风机派出废气派出废气流体输送流体输送动量传递动量传递筛分机筛分机筛出大的奶粉颗粒筛出大的奶粉颗粒筛分筛分流化床冷却流化床冷却冷却干燥后的牛奶冷却干燥后的牛奶传热传热热量传递热量传递(21)包装系统包装系统乳品工程原理解析乳品工程原理解析单元操作按其理论基础可分为下列三类：单元操作按其理论基础可分为下列三类：上述三个过程包含了三种理论，我们称之为上述三个过程包含了三种理论，我们称之为“三传理论三传理论”。（1 1）流体流动过程（）流体流动过程（fluid flow processfluid flow process）:包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。包括流体输送、搅拌、沉降
7、、过滤等。（2 2）传热过程（）传热过程（heat transfer processheat transfer process）:包括热交换、蒸发等。包括热交换、蒸发等。（3 3）传质过程（）传质过程（mass transfer processmass transfer process）:包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。单元操作的分类单元操作的分类动量传递动量传递(momentum transfer)：流体流动时，其内部发生动流体流动时，其内部发生动量传递，故流体流动过程也称为动量传递过程。凡是遵循流体量传递，故流体流动过程也称为动量传递过程。凡是遵循流
8、体流动基本规律的单元操作，到可以用动量传递的理论去研究。流动基本规律的单元操作，到可以用动量传递的理论去研究。热量传递热量传递(heat transfer):物体被加热或冷却的过程也称为物物体被加热或冷却的过程也称为物体的传热过程。凡是遵循传热基本规律的单元操作，到可以用体的传热过程。凡是遵循传热基本规律的单元操作，到可以用热量传递的理论去研究。热量传递的理论去研究。质量传递质量传递(mass transfer):两相间物质的传递过程即为质量传两相间物质的传递过程即为质量传递。凡是遵循传质基本规律的单元操作，到可以用质量传递的递。凡是遵循传质基本规律的单元操作，到可以用质量传递的理论去研究。理
9、论去研究。三传理论三传理论 流体力学、传热及传质的基本原理是各单元操作流体力学、传热及传质的基本原理是各单元操作的理论基础。许多单元操作都会包含两种以上的传递的理论基础。许多单元操作都会包含两种以上的传递现象，现象，如干燥、精馏等。如干燥、精馏等。“三传理论三传理论”是单元操作的理论基础，是单元操作的理论基础，单元操作是单元操作是“三传理论三传理论”的具体应用。的具体应用。同时，同时，“三传理论三传理论”和单元操作也是和单元操作也是食品工程技术的理论和实践基础。食品工程技术的理论和实践基础。2.2 2.2 课程内容课程内容2.1 2.1 课程性质课程性质化工原理是生物、化学、食品工程等工科专业
10、的专业基化工原理是生物、化学、食品工程等工科专业的专业基础课。础课。先修课：高等数学、物理、物理化学、机械制图等。先修课：高等数学、物理、物理化学、机械制图等。本课程主要介绍本课程主要介绍“三传理论三传理论”和和“单元操作单元操作”。2 课程性质、内容及任务课程性质、内容及任务主要任务是：主要任务是：q介绍三传理论，即流体流动、传热、传质的基本原理；介绍三传理论，即流体流动、传热、传质的基本原理；q掌握主要单元操作的典型掌握主要单元操作的典型设备构造设备构造、操作原理操作原理、计算计算、选选型型及及实验研究实验研究方法；方法；q培养学生运用基础理论培养学生运用基础理论分析分析和和解决解决化学工
11、程单元操作中各化学工程单元操作中各种种工程实际问题工程实际问题(计算、选型及实验研究方法计算、选型及实验研究方法)的能力。的能力。2.3 2.3 课程任务课程任务3.1 3.1 单位制单位制 国际单位制中的单位是由基本单位、辅助单位和具国际单位制中的单位是由基本单位、辅助单位和具有专门名称的导出单位构成的。有专门名称的导出单位构成的。3 单位与单位换算单位与单位换算3.2 3.2 因次因次 法定计量单位中，基本量的长度、质量、时间、温度可分法定计量单位中，基本量的长度、质量、时间、温度可分别用符号别用符号L、M、T、表示，则导出量可由这些基本量的符号表示，则导出量可由这些基本量的符号组合而成。
12、组合而成。例：速度例：速度LT1 加速度加速度LT2 力力MLT2 若某物理量以若某物理量以MaLbTc表示，则称它为该表示，则称它为该物理量的因次物理量的因次或量纲或量纲（dimension）（严格地说，指数（严格地说，指数a a、b b、c c称为因次，称为因次，MaLbTc称为该物理量的因次式或量纲式）。它表示该物理称为该物理量的因次式或量纲式）。它表示该物理量的单位与基本量的单位之间的关系。当量的单位与基本量的单位之间的关系。当a ab bc c0 0时，时时，时M0L0T01，称为，称为无因次无因次（dimensionless）。3.3 3.3 单位换算单位换算 同一物理量若用不同单
13、位度量时，其数值需相应地同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地改变。这种换算称为单位换算。改变。这种换算称为单位换算。通用气体常数通用气体常数 R0.08206Latm/molK8.313J/molK 物料衡算；物料衡算；能量衡算；能量衡算；物系的平衡关系；物系的平衡关系；传递速率；传递速率；经济核算。经济核算。4 单元操作中常用的基本概念单元操作中常用的基本概念 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，即差，等于该过程中累积的物料质量，即 对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即处于稳
14、对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即处于稳定操作状态时，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 输入量输出量累积量输入量输出量累积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。4.1 物料衡算（物料衡算（material balance）物料衡算的步骤：物料衡算的步骤：（1 1）根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流）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。向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。（2 2）规定衡算基准，一般选用单位
15、进料量或排料量、）规定衡算基准，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。解未知量。q本课程所用到的能量主要有机械能和热能。本课程所用到的能量主要有机械能和热能。q能量衡算的依据是能量守恒定律。能量衡算的依据是能量守恒定律。q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。4.2 能量衡算能量衡算（energy balance）平衡状态是自然界中广泛存在的现象。平衡状态是自然界中广泛存在的现象
16、。平衡关系平衡关系可用来判断过程能否进行，以及进行可用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能达到的限度。的方向和能达到的限度。以食盐的溶解和结晶为例：以食盐的溶解和结晶为例：食盐浓度食盐浓度 饱和浓度：结晶饱和浓度：结晶食盐浓度食盐浓度 饱和浓度：溶解饱和浓度：溶解该温度下的饱和浓度为该物系的平衡浓度。该温度下的饱和浓度为该物系的平衡浓度。4.3 物系的平衡关系物系的平衡关系(relationship of system balance)不饱和食盐溶液不饱和食盐溶液：溶解速率（单位时间内溶解的食：溶解速率（单位时间内溶解的食盐质量）大；食盐浓度高时，溶解速率小。盐质量）大；食盐浓度高时，溶解速
17、率小。饱和食盐溶液饱和食盐溶液（即平衡状态）：溶解速率为零（即平衡状态）：溶解速率为零 以食盐的溶解为例：以食盐的溶解为例：4.4 传递速率传递速率（rate of transfer process）溶液浓度越是远离平衡浓度，其溶解速率就越大；溶液浓度越是远离平衡浓度，其溶解速率就越大；溶液浓度越是接近平衡浓度，其溶解速率就越小。溶溶液浓度越是接近平衡浓度，其溶解速率就越小。溶液浓度与平衡浓度之差值，可以看作是溶解过程的液浓度与平衡浓度之差值，可以看作是溶解过程的推推动力（动力（driving forcedriving force）。颗粒大小和搅拌对溶解速率有影响。颗粒大小和搅拌对溶解速率有影
18、响。原因：由大块改为许多小快，能使固体食盐与溶液的原因：由大块改为许多小快，能使固体食盐与溶液的接触面积增大；由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对接触面积增大；由不搅拌改为搅拌，能使溶液质点对流。其结果能减小溶解过程的流。其结果能减小溶解过程的阻力（阻力（resistanceresistance）。此关系类似于电学中欧姆定律。此关系类似于电学中欧姆定律。过程的过程的传递速率传递速率与推动力成正比，与阻力成反比，即与推动力成正比，与阻力成反比，即 过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递速率增大时，设备尺寸可以变小。速率增大时，设备尺寸可以变小。本课程
19、中，各单元操作的计算、设备的本课程中，各单元操作的计算、设备的选型等工作都将围绕上述五个方面进行，并以选型等工作都将围绕上述五个方面进行，并以最优经济效益作为最终的设计方案。最优经济效益作为最终的设计方案。效益是企业的命脉，经济核算是企业的核心工作。为生效益是企业的命脉，经济核算是企业的核心工作。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，参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核
20、算要用经济核算确定最经济的设计方案确定最经济的设计方案。4.5 经济核算经济核算(economic evaluations)任何一个科研成果都要通任何一个科研成果都要通过工程技术才能得以大规模生过工程技术才能得以大规模生产，才能实现它的社会价值，产，才能实现它的社会价值，造福于广大的人民群众。造福于广大的人民群众。化工原理化工原理是将实验室科研成果转是将实验室科研成果转入工业化生产的基础理论课程。入工业化生产的基础理论课程。返回1 化工原理网上自学教材2 化工原理实验室近年主要成果及奖励 化工原理多媒体课件3 化工原理概念题导师系统4 清华大学1998年研究生入学考试：化工原理试题.5 化工原
21、理自学考试大纲 6 天津大学1999硕士入学化工原理试题7 化工原理网上课堂8 化工原理网络多媒体课件系统9 2000年中国矿业大学硕士生入学考试化工原理试卷10 1999山东大学化工原理试题11 化工原理期末复习提要12 重金求购石油大学物化和化工原理试题13 2000年南京理工大学硕士生入学考试化工原理试卷14 中国科学院过程工程研究所2000化工原理试题15 化工原理网上课堂16 上海交通大学研究生院17 南京工业大学2002年硕士研究生入学考试化工原理.18 中国科学技术专家传略19 山东农业大学-食品学院 4.相关网站相关网站冷 冻 盐冷 冻 盐水水自自 来来 水水饱 和 蒸饱 和 蒸汽汽返回返回乳品加工现场乳品加工现场返回返回乳品加工现场乳品加工现场
