化工原理

07制药工程专业《化工原理》教案

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化工原理

讲解：陈光友

07制药工程专业《化工原理》教案 2

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 ……

教学计划（ 90 学时，其中实验 36 ）：


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：

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


1. 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。


课程的性质

食品工业

制药工业


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。


绪论


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。


原料预处理化学反应产物后处理

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

化工生产过程


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。


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)


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。


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。


nClHCClHCHClHC 323222聚合合成

原料提纯单体合成单体精制

压缩冷凝

聚合脱水干燥产品

乙炔法制聚氯乙烯


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


单元操作目的物态原理传递流体输送输送 l 、 g 输入机械能

动量传递

搅拌混合、分散 g 、 l、 s~l

输入机械能

沉降非均相混合物分离 g 、 l～ s

Δρ 引起沉降

过滤同上 g 、 l～ s

尺度不同的截留

换热升、降 T ， or 改变相态

g 、 l 利用 ΔT 传入、移出热量热量

传递蒸发溶剂与不挥发性溶质分离

l 供热汽化溶剂

气体吸收均相混合物分离 g 溶解度不同

质量传递

液体精馏均相混合物分离 l 挥发度不同萃取均相混合物分离 l 溶解度不同干燥去湿 s 供热汽化吸附均相混合物分离 g 、 l 吸附能力不同


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。


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

基本单位：长度（厘米 cm ），质量（克 g），时间（秒 s）

物理单位制 CGS制

基本单位：长度（米），重量或力（千克力 kgf），时间（秒）

工程单位制

我国法定单位制为国际单位制（即SI制）


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。


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


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）。

2.4 量纲 (Dimension)

dimQ L M T I N J

、、、


如： 1dim ( )u LT 速度；

3dim ( )ML 密度；

若：

则：，此时 Q称为量纲为 1的量，或称为无量纲量

0 ＝＝＝＝＝＝＝

dim 1Q

如： 3 3 0 0dim ( )d ML ML M L 相对密度

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


2.5 浓度的表示方法

物质的量浓度与摩尔分数

i ic n V物质的量（摩尔）浓度：

摩尔分数： i ix n n

物质的质量浓度与物质的质量分数物质的质量浓度： i im V

物质的质量分数： i iw m m


摩尔比与质量比

摩尔比： A BX n n

质量比： 'A BX m m


【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


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


V

RTnp ii n

npp i

i /

对于理想气体：

（ 3 ）体积分数 pi

由： RTnpV ii nnVV iii //

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


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。


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


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。

b. 数学模型法（半经验半理论的方法）


3.2 五个基本概念

输入量－输出量＝积累量

物料衡算

通式： ΣGi-ΣGo ＝ GA


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


1.画出流程示意图，标出物料流向与流量、组成等；

物料衡算的步骤

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。

W1 W2

F0 F1

第一蒸发器

第二蒸发器

F2


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 k

g/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 ？


蒸发器结晶器1000kg/h20 ％ KNO3

W kg/h

S kg/h50 ％ KNO3

P kg/h96 ％ KNO3

R kg/h37.5 ％ KNO3

III III

解： 1. 绘简图：

2. 定基准： 1h3. 划范围：范围 I ， II ， III 见图


4. 列算式：方框 I ：总物料： 1000=W+PKNO3 组分 :1000×0.2=W×0+P×0.96

蒸发器结晶器1000kg/h20 ％ KNO3

W kg/h

S kg/h50 ％ KNO3

P kg/h96 ％ KNO3

R kg/h37.5 ％ KNO3

III III

W=791.7 kg/hP=208.3 kg/h

方框 II ：总物料： S=P+RKNO3 组分 :S×0.5=P×0.96+R×0.375

S=974.8 kg/hR=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？


注意：① 方框代表方程式！② 画方框的目的：将未知数包括进去③ 方程式要求：线性无关


遵循能量守恒定律

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 273

K 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+Q Ｌ

Σ(wH) i=Σ(wH)o+Q Ｌ

能量衡算


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。


换热器25℃ 溶液

1.0kg/s80℃ 溶液1.0kg/s

120℃ 饱和水蒸汽0.095kg/s

120℃ 饱和水0.095kg/s

解：

2. 定基准： 1s ， 0℃ ，液体3. 划范围：以换热器为衡算范围

1. 绘简图


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

换热器25℃ 溶液

1.0kg/s80℃ 溶液1.0kg/s

120℃ 饱和水蒸汽0.095kg/s

120℃ 饱和水

0.095kg/s

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 ％


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


经济衡算

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。

推动力

传递速率阻力

传递速率


(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）

学好本课程应注意的问题及培养的能力 :

化工原理

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