1、1化工原理化工原理B化学与生物工程学院化学与生物工程学院魏超魏超Email:Mobile phone:131873222602绪论一、化工生产过程与单元操作一、化工生产过程与单元操作二、本课程的主要内容和任务二、本课程的主要内容和任务三、化工原理学科性质与研究方法三、化工原理学科性质与研究方法四、单位制与单位换算四、单位制与单位换算五、化工单元操作中的基本概念五、化工单元操作中的基本概念六、结束语六、结束语3一、化工生产过程与单元操作一、化工生产过程与单元操作1.1.化工生产过程化工生产过程 用化工手段将原料进行加工处理，使其在物理性能用化工手段将原料进行加工处理，使其在物理性能上或在化学性质
2、上发生变化，成为人们所需的产品。上或在化学性质上发生变化，成为人们所需的产品。化工生产过程分为：化工生产过程分为：化学变化过程化学变化过程化学反应改变组成化学反应改变组成 物理变化过程物理变化过程物理加工过程物理加工过程 化工生产过程的核心显然应该是化学反应及其设备化工生产过程的核心显然应该是化学反应及其设备（反应器）（反应器）化工原理化工原理研究前处理和后处理所涉及的物理加工研究前处理和后处理所涉及的物理加工过程的规律和设备。过程的规律和设备。4例例1 1：乙烯水合生产乙醇：乙烯水合生产乙醇 1-1-固定床催化反应器；固定床催化反应器；2-2-分凝器；分凝器；3 3、5 5、9-9-吸收塔；
3、吸收塔；4-4-闪蒸塔；闪蒸塔；6-6-粗馏塔；粗馏塔；7-7-催化加氢反应器；催化加氢反应器；8-8-脱轻组脱轻组分塔；分塔；10-10-产品塔产品塔 5例2：二氯乙烷精制例3：裂解气分离62.2.单元操作（单元操作（unit operationunit operation）化工生产中，具有共同物理操作原理和设备的过程。化工生产中，具有共同物理操作原理和设备的过程。化工原理化工原理研究各个独立的单元操作研究各个独立的单元操作3.3.单元操作的分类单元操作的分类根据单元操作所遵循的基本规律，分为三类：根据单元操作所遵循的基本规律，分为三类：a.a.流体动力过程（动量传递过程）流体动力过程（动量
4、传递过程）遵循流体动遵循流体动力基本规律，用动量传递理论研究力基本规律，用动量传递理论研究 如：流体输送、沉降、过滤、固体流态化如：流体输送、沉降、过滤、固体流态化b.b.热过程（热量传递过程）热过程（热量传递过程）遵循传热基本规律遵循传热基本规律，用热量传递理论研究，用热量传递理论研究 如：传热、冷凝、蒸发等如：传热、冷凝、蒸发等c.c.传质过程（质量传递过程）传质过程（质量传递过程）遵循传质基本规遵循传质基本规律，用质量传递理论研究律，用质量传递理论研究 如：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等如：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等7流体输送搅拌过滤与沉降流态化气体液化液体汽化蒸发浓缩加热冷却结晶精
5、馏气固吸附液液萃取气液吸收喷雾干燥动量传递质量传递热量传递84.4.单元操作的特点单元操作的特点所有的单元操作都是物理性操作所有的单元操作都是物理性操作，只改变物，只改变物料的状态或物理性质，并不改变化学性质。料的状态或物理性质，并不改变化学性质。单元操作是化工生产过程中共有的操作单元操作是化工生产过程中共有的操作，只是不同的化工生产中所包含的单元操作数目、只是不同的化工生产中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。名称与排列顺序不同。单元操作作用于不同的化工过程时，单元操作作用于不同的化工过程时，基本基本原理相同，所用的设备也是通用的原理相同，所用的设备也是通用的。9二、本课程的主要内容和
6、任务二、本课程的主要内容和任务1.1.内容：化工单元操作内容：化工单元操作(以传递过程为主线以传递过程为主线)流体动力学过程：流体流动与输送机械，沉降与过滤流体动力学过程：流体流动与输送机械，沉降与过滤传热过程：传热等传热过程：传热等传质过程：蒸馏、吸收等传质过程：蒸馏、吸收等热质过程：干燥。热质过程：干燥。2.2.任务：认识过程和设备的规律任务：认识过程和设备的规律 应用于化工设计应用于化工设计,生产调节生产调节,优化操作优化操作掌握原理，选择掌握原理，选择合理的过程、设备合理的过程、设备掌握掌握典型设备设计与计算典型设备设计与计算强化强化化工过程、设备化工过程、设备将实验室成果将实验室成果
7、放大放大到工业规模到工业规模发展发展新技术、新设备新技术、新设备10管廊罐区离心式风机泵房11旋风分离器组板框过滤机列管式换热器板式换热器12三、三、化工原理学科性质与研究方法化工原理学科性质与研究方法1 1）学科性质）学科性质工程学科工程学科 用自然科学的基本原理来分析和处理化工生产中的用自然科学的基本原理来分析和处理化工生产中的物理过程物理过程 2 2）研究方法）研究方法工程方法工程方法 因次分析法因次分析法直管湍流阻力直管湍流阻力 数学模型法数学模型法双膜模型的建立双膜模型的建立 要能要能“由小见大由小见大”，“由此及彼由此及彼”以前：简单问题以前：简单问题,严格处理严格处理 现在：复杂
8、问题现在：复杂问题,简化处理简化处理 参数综合法参数综合法过滤常数过滤常数 当量法当量法当量直径、当量长度等当量直径、当量长度等 类比法类比法动量、热量、质量传递的类似规律动量、热量、质量传递的类似规律13四、单位制和单位换算四、单位制和单位换算1.1.物理量的单位物理量的单位单位：任何物理量的大小都可以用数字和单位的乘积单位：任何物理量的大小都可以用数字和单位的乘积来表示，如长度来表示，如长度 5 m 5 m。单位制基本单位导出单位单位制基本单位导出单位基本单位基本单位独立的物理量称为基本物理量，其单位独立的物理量称为基本物理量，其单位称为基本单位。称为基本单位。SISI制中有七个基本单位：
9、长度（制中有七个基本单位：长度（m m）、）、质量（质量（kgkg），时间（），时间（s s）、电流（）、电流（A A）、热力学温度）、热力学温度（K K）、物质的量（）、物质的量（molmol）、发光强度（）、发光强度（cdcd）导出单位导出单位除独立的物理量外，其他物理量的单位除独立的物理量外，其他物理量的单位可由他们与基本量之间的关系来确定，这些物理量称可由他们与基本量之间的关系来确定，这些物理量称为导出量，其单位称为导出单位。为导出量，其单位称为导出单位。14国际单位制有几大优点国际单位制有几大优点:通用性。通用性。在自然科学、工程技术乃至国民经济各部在自然科学、工程技术乃至国民经济各
10、部门、商品流通领域和社会日常生活中，所有物理量门、商品流通领域和社会日常生活中，所有物理量的单位都可由上述七个基本单位导出，也就是说，的单位都可由上述七个基本单位导出，也就是说，SISI是所有科学、技术、经济部门都可采用的一套相是所有科学、技术、经济部门都可采用的一套相当完整的单位制。当完整的单位制。一贯性。一贯性。具有科学性和简明性，构成原则科学明了，具有科学性和简明性，构成原则科学明了，采用十进制，换算简便；任何一个导出单位在由上采用十进制，换算简便；任何一个导出单位在由上述七个基本单位相乘或相除而导出时，都不需引入述七个基本单位相乘或相除而导出时，都不需引入比例系数。比例系数。SISI制
11、中每种物理量只有一个单位。制中每种物理量只有一个单位。准确性。准确性。单位都有严格的定义和精确的基准。单位都有严格的定义和精确的基准。152.2.单位换算单位换算 化工计算中所用到的公式可分两类：化工计算中所用到的公式可分两类：一类是根据物一类是根据物理规律建立的理论公式；另一类是单纯根据实验数据理规律建立的理论公式；另一类是单纯根据实验数据整理得来的经验公式。整理得来的经验公式。(1)(1)物理量的单位换算物理量的单位换算。物理量由一种单位换成另一。物理量由一种单位换成另一种单位时，量本身并无变化，但数值要改变。换算时种单位时，量本身并无变化，但数值要改变。换算时要乘以两单位间的换算因数。要
12、乘以两单位间的换算因数。(2)(2)经验公式的单位变换经验公式的单位变换。经验公式中各符号都要用。经验公式中各符号都要用规定单位的数字代入，不容随意变更。当已知数据的规定单位的数字代入，不容随意变更。当已知数据的单位与公式所规定的单位不同而这公式又要经常使用单位与公式所规定的单位不同而这公式又要经常使用时，可把整个公式加以变换，使其中各符号都采用算时，可把整个公式加以变换，使其中各符号都采用算者所希望的单位。这就是经验公式的单位变换。者所希望的单位。这就是经验公式的单位变换。16五、化工单元操作中的基本概念五、化工单元操作中的基本概念 1.1.物料衡算：依据物料衡算：依据质量守恒定律质量守恒定
13、律输入量输入量-输出量输出量=累积量累积量 稳定过程：输入量稳定过程：输入量=输出量输出量说明：说明：1)1)无化学变化；混合物任一组分都符合此通式；无化学变化；混合物任一组分都符合此通式；有化学变化：各元素符合此通式；有化学变化：各元素符合此通式；2)2)间歇操作：间歇操作：累积量累积量00；连续操作：；连续操作：累积量累积量0 0物料衡算的步骤：物料衡算的步骤：1)1)绘简图：绘简图：方框表设备，箭头表输入输出物流方向，箭方框表设备，箭头表输入输出物流方向，箭头旁注明条件；头旁注明条件；2)2)定基准：定基准：间歇操作：以一批物料为基准；连续操作：间歇操作：以一批物料为基准；连续操作：以单
14、位时间为基准；以单位时间为基准；3)3)划范围：划范围：其边界要与待计算的物流相交；其边界要与待计算的物流相交；4)4)列算式：列算式：总物料衡算式，总物料衡算式，1 1；某组分物料衡算式，；某组分物料衡算式，N-1N-1 累积输出输入GGG输出输入GG172.2.能量衡算：依据能量衡算：依据能量守恒定律能量守恒定律输入能量输入能量-输出能量输出能量=累积能量累积能量定态过程：输入能量定态过程：输入能量=输出能量输出能量同物料衡算一样，绘简图、定基准、划范围、列算式，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：但有两点不同：1)1)物料所具有的热量由显热与潜热两物料所具有的热
15、量由显热与潜热两部分组成，称为焓部分组成，称为焓(H(H，kJ/kg)kJ/kg)。焓值为一相对值，且。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，准状态，通常基准选通常基准选273K273K液态液态(即此时即此时H H)。2)2)热量除了伴随物料进出系统外，还可通过设备外壳、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，称热损与外界存在温度差，就有热量的散失或传入，称热损失失Q QL L。
16、因此，热量衡算通式可表示为：因此，热量衡算通式可表示为：累积输出输入QQQ输出输入QQLQQQ输入输出183.3.平衡关系平衡关系物系的平衡关系是指物系的传热和传质过程进行的方物系的平衡关系是指物系的传热和传质过程进行的方向和能达到的极限。向和能达到的极限。4 4传递速率传递速率过程的传递速率与推动力成正比，与阻力成反比，它过程的传递速率与推动力成正比，与阻力成反比，它决定了设备的大小及成本。决定了设备的大小及成本。过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递速过程的传递速率是决定化工设备的重要因素，传递速率大时，设备尺寸可以小。率大时，设备尺寸可以小。5.5.经济核算经济核算为生产定量的某种
17、产品所需要的设备，根据设备的形为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的形式和材料的不同，可以有若干设计方案。对同一台设式和材料的不同，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。费。因此，要用经济核算确定最经济的设计方案。阻力推动力传递速率 19六、结束语六、结束语联系实际，提高记忆联系实际，提高记忆注重概念，善于计算注重概念，善于计算归纳综合，对比分析归纳综合，对比分析在方法论、学到手上下功夫！在方法论、学到手上下功夫！20教材：教材：王志魁主编，王志魁主编，化工原理化工原理（第四版），化学工业出版（第四版），化学工业出版社，社，20102010参考书目：参考书目：陈敏恒，丛德滋，方图南等编，陈敏恒，丛德滋，方图南等编，化工原理化工原理（第三（第三版），化学工业出版社版），化学工业出版社,2005,2005丛德滋，从梅，方图南编，丛德滋，从梅，方图南编，化工原理详解与应用化工原理详解与应用，化学工业出版社，化学工业出版社，2002 2002
