化工原理__绪论全解

单元操作的特点
共同的研究对象——传递过程 物理性操作，即只改变物料状态或物性，不改变化学性质; 都是化工生产过程中共有的操作，但不同的化工过程中所 包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异； 对同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实现 ； 某单元操作用于不同的化工过程，其基本原理并无不同， 进行该操作的设备也往往是通用的。具体应用时也要结合 各化工过程的特点来考虑，如理化性质，生产规模等。 实际问题的复杂性—过程、体系、设备、工程性强、计算量大 三 传:《化工原理》的共同规律和联系 动量传递:流体内部由于动量、密度的空间分布不均而引 起动量在时空中的传递过程。 热量传递：内能在时空中的传递过程，是由温度在空间的 非均匀分布造成。 质量传递：浓度在时空中分布的不均匀性。
（一）单位制： 是由一定数量的基本单位和导出单位组成的
国际上趋向于采用国际单位制（SI制）,SI制基本单位7个： 长度 L： 米 (m) 质量 M ：千克（公斤） (kg) 时间 T ：秒 (s) 热力学温度 θ： 开[尔文] (k) 物质的量 N : 摩 [尔 ] (mol) 电流 I ： 安培 (A) 发光强度 J : 坎[德拉] ( cd ) SI制主要优点： ①通用性：是一套完整的单位制，适合于各个领域； ②一贯性：每种物理量只有一个单位，如热功都用J（焦耳）表示 化工生产中，还使用一些非SI单位，如：温度有℃，时间 min、 hr、d、Yr，压强单位除了Pa外，有atm、mmHg、m水柱、 bar、ata等。
成语“半斤八两”
（二）单位换算
基本物理量 长度 （L)
绝对 Cgs制 单位制 kgms制 工程 单位制 英制 英制 米制 cm m ft m ft
时间 （T)
s s s s s
质量 重力 （M） （F)
g kg lb kgf lbf
物理量＝数字×单位
单位＝物理量／数字
将物理量单位由一种制度换算成另一种制度时， 换算时只需乘以两相关物理单位之间的换算系数。 *经验公式（又称数字公式，根据实验结果整理而得）中 各符号只代表物理量的数字部分，而它们的单位必须采 用指定的单位。 例 0-1. 通用气体常数 R ＝ 0.08206 atm.L ／ mol.K ，试用国 际单位J／mol.K表示。
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。 是一种工程上通用的基本方法。 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。
化工常见单元操作见下表所示：
单元操作 流体输送 搅拌 沉降 过滤 换热 输送 混合、分散 非均相混合物分离 同上 升、降T，or改变 相态 目的 物态 l 、g
g、l、s~l
原理 输入机械能 输入机械能 Δρ引起沉降 尺度不同的截留 利用ΔT传入、移 出热量
传递
动量 传递
g、l～s g、l～sHale Waihona Puke g、 l绪 论本讲要点
1.化工原理是化学工程学的分支，它研究化工生产中共
有的物理操作过程的基本原理、典型设备及其选用、计算
方法，是一门工程性较强的技术基础课程。研究方法 :实
验法和数学模型法。
2.本课程以传递过程为主线，划分与安排教学内容；以
研究方法为纵向主线，展开各单元操作内容的讨论。
数学模型法（半经验半理论）
因次论指导下的实验研究法
实验：检验模型，确定参数K
实验：寻找函数形式，决定参数
（二）五个基本概念 物料衡算（material balance） 衡算依据是质量守恒定律,输入量－输出量=累计量 能量衡算（energy balance） 衡算依据是能量守恒定律,涉及到的能量主要是机械能和热能 物料的平衡关系（equilibrium relation） 过程速率（rate of transfer process） 经济核算:针对相同设备所选用的不同操作参数，引起 过程设备费用与材料费用的相应变化，因而应进行经济核 算以确定最经济的优化设计方案。 五个基本概念贯穿于各个单元操作的始终。 化工过程计算可分为设计型计算和操作型计算两类， 其在不同计算中的处理方法各有特点，但是不管何种计算 都是以质量守恒、能量守恒、平衡关系和速率关系为基础 的。上述五种基本关系将在有关章节陆续介绍。
化工生产=单元操作+化学反应 化工原理(Principles of Chemical Engineering) 化工单元操作(Unit Operations of Chemical Engineering) 化学工程=化工原理+反应工程=三传一反
4.计算机应用、系统工程学的应用，使化学工程学进入全
1923年 MIT的著名教授 W.D.Walker、W.H.Lewis和 W.H.Mcadams等人写成了第一部单元操作的书 “Principles of Chemical Engineering” 研究发现动量传递(momentum transfer process ,又称流 体流动过程fluid flow process) 、热量传递（或称传热 过程，heat transfer process）与质量传递（或称传质 过程，mass transfer process）在许多过程中同时发生,并 且三种传递现象有类似性。这使得原来本是分立学科 的“三传”合而为一。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 《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。（化学工程学时 期）
化工原理在化工领域中的地位
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。 化学工程研究的是，如何把小试研 究成果，开发放大为中试，再开发 为生产规模。是在科学实验与化工 生产之间架桥的工作，是直接为人
类服务的创造价值的劳动。
一.课程的由来、内容和性质
二.单位制及单位换算
稳定过程和不稳定过程 稳定过程:某一固定位置上物料组成、 温度、 压强、 流速等参数不随时间变化。 不稳定过程: 间歇操作、连续操作中的开车、波动 及故障等。 平衡关系：(L-L G-L V-L G-S L-S) 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”。 推动力: 流体流动→ΔP 传热→ΔT 传质→ΔC 过程速率：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。 传递速率=推动力/阻力
蒸发
气体吸收 液体精馏 萃取 干燥 吸附
溶剂与不挥发性溶 质分离
均相混合物分离 均相混合物分离 均相混合物分离 去湿 均相混合物分离
l
g l l s g、 l
供热汽化溶剂
溶解度不同 挥发度不同 溶解度不同 供热汽化 吸附能力不同
热量 传递
质量 传递
单元操作分类
各种单元操作根据不同的物理化学原理，采用相应 的设备，达到各自的工艺目的。根据各单元操作所遵循 的规律，将其划分为如下类型，即： 遵循流体动力学基本规律的单元操作，包括流体输送、 沉降、过滤、物料混合（搅拌）。 遵循热量传递基本规律的单元操作，包括加热、冷却、 冷凝、蒸发等。 遵循质量传递基本规律的单元操作，包括蒸馏、吸收、 萃取、吸附、膜分离等。从工程目的来看，这些操作都 可将混合物进行分离，故又称之为分离操作。 同时遵循热质传递规律的单元操作，包括气体的增湿与 减湿、结晶、干燥等 另外，还有热力过程（制冷）、粉体工程（粉碎、颗粒 分级、流态化）等单元操作。
三.两条主线、五个概念
一.课程的由来发展、内容和性质
（一）由来和发展
萌牙时期:现代化工生产始于18世纪的法国,特点：以 研究某一产品的生产技术为 对象，形成了各种工艺学。 例如：纯碱工艺学、硫酸工艺学等 。 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”的组成部分， 如粉碎、混合、加热、焙烧、吸收、沉淀、结晶、过 滤、溶解等。这些基本单元操作的数目并不多，对于 一个特定的加工过程，可能只包括它们中的几个。要 使化学工程师们具备广博地适应职业需要的能力，只 能是对实际规模上所进行的过程作出分析并将其分成 多个单元操作来获得……”。
新时期（“过程优化集成”、“分子模拟”的新阶段）。
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、微电子化学
工程等。 化学工程的发展
单元操作（Unit Operations） 一切化工生产过程不论其生产规模大小，除化学 反应外，其它均可分解为一系列的物理加工过程。这 些物理加工过程称为“单元操作”。 例如： 甲醇的生产： 合成气（ CO ， H2 ， CO2 ） → 输送 → 管式反应器 → 粗甲 醇→冷却→精馏→精甲醇（99.85~99.95%） 苯的生产： 原料油（甲苯、二甲苯）、H2→输送→加热 → 反应器 → 减压蒸馏塔→精馏→苯（99.992~99.999%）
可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。
乙炔法制聚氯乙烯
C2 H2 HCl C2 H3Cl C2 H3Cl n