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1、1 化工原理 程岳山 泰山医学院化学工艺教研室 2 绪论 3 一 化工原理课程的性质和基本内容 一 课程的基本内容 1 化工生产过程 对原料进行化工加工 最终获得有用产品的过程称为化工生产过程 例 聚乙烯生产的主要步骤 4 化工生产工艺流程 化学 生物 反应 物理操作 单元操作 化工生产的核心 反应工程物理操作过程起到为化学反应准备必要条件以及将反应物分离提纯而获得最终产品的作用 另一说法 反应 分离 本课程研究的主要内容 化工单元操作 5 2 化工原理 1923年美国麻省理工学院的著名教授W H 华克尔等人编写出版的第一部关于单元操作的著作 化工原理 奠定了化学工程作为一门独立工程学科的基础
2、 完成了从化工生产工艺到单元操作的发展 推进认识上的一个飞跃 化学工程发展的第一个里程碑 6 3 化学工程的发展 20世纪60年代 三传一反 概念的提出 开辟了化学工程发展过程的第二个历程 第二个里程碑 计算机应用的快速发展 使化学工程成为更完整的体系 并推向了 过程优化集成 分子模拟 的新阶段 第三个里程碑 随着科学技术的高速发展 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 生物化学工程 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 同时 上述新兴产业与学科的发展 也推动了特殊领域化学工程的进步 7 化学工程已成为过程工业的基础 国民
3、经济两类支柱制造业 1过程工业 有物理和化学变化的加工业 2机电工业 过程工程内容不再局限于化学工业过程 分离工程反应工程系统工程控制工程热过程工程流体工程 电力工程热力工程矿山工程 8 二 单元操作分类和特点 1 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 2 遵循热量传递基本规律的单元操作 加热 冷却 冷凝 蒸发等 以上两点是本学期的学习内容 1 遵循流体动力学基本规律的单元操作 流体输送 沉降 过滤 物料混合 搅拌 9 3 遵循质量传递基本规律的单元操作 蒸馏 吸收 萃取 吸附 膜分离等 从工程目的
4、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 4 同时遵循热质传递规律的单元操作 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 10 2 单元操作特点 1 物理过程 2 同一单元操作在不同的化工生产中遵循相同的过程规律 但在操作条件及设备类型 或结构 方面会有很大差别 3 对同样的工程目的 可采用不同的单元操作来实现 11 3 开发新的单元操作 随着新产品 新工艺的开发或为实现绿色化工生产 对物理过程提出了一些特殊要求 又不断地发展出新的单元操作或化工技术 如膜分离 参数泵分离 电磁分离 超临界技术等 以节约能耗 提高效率或洁
5、净无污染生产的集成化工艺 如反应精馏 反应膜分离 萃取精馏 多塔精馏系统的优化热集成等 将是未来的发展趋势 12 单元操作的研究包括 过程 和 设备 两个方面的内容 故单元操作又称为化工过程和设备 化工原理是研究诸单元操作共性的课程 三传理论的建立 是单元操作在理论上的进一步发展和深化 传递过程是联系各单元操作的一条主线 13 三 课程的研究方法 两种基本研究方法 1 实验研究方法 经验法 该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 14 2 数学模型法 半经验半理论方法 该方法是在对实际过程的
6、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 如果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 能够建立数学方程并能直接求解 则称为解析法 研究工程问题的方法论是联系各单元操作的另一条主线 15 四 课程的特点及学习要求 1 本课程特点本课程是化工类及相近专业一门重要的技术基础课 兼有 科学 与 技术 的特点 它是综合运用数学 物理 化学等基础知识 分析和解决化工类型生产中各种物理过程的工程学科 在化工类专门人才培养中 它承担着工程科学与工程技术的双重教育任务 本课程强调工程观点 定量运算 实验技能及设计
7、能力的培养 强调理论联系实际 作为一门综合性技术学科的一个重要组成部分 主要研究各单元操作的基本原理 所用的典型设备结构 工艺尺寸设计和设备的选型的共性问题 是一门重要的专业基础课 16 2 学习要求学习本课程中 应注意以下几个方面能力的培养 1 单元操作和设备选择的能力 2 工程设计能力 3 操作和调节生产过程的能力 4 过程开发或科学研究能力 预习 听课 复习 17 二 单位制和单位换算 任何物理量的大小都是由数字和单位联合来表达的 二者缺一不可 一 单位制由于历史和地区的原因 也由于学科领域的不同 产生了不同的单位制 18 1 基本单位和导出单位选择几个独立的物理量 如质量 长度 时间
8、温度等 根据使用方便的原则规定出它们的单位 这些选择的物理量称为基本物理量 其单位称为基本单位 其它的物理量 如速度 加速度 密度等 的单位则根据其本身的物理意义 由有关基本单位组合而成 这些物理量称为导出物理量 其单位称为导出单位 19 2 绝对单位制和重力单位 工程单位 制 绝对单位制以长度 质量 时间为基本物理量 力是导出物理量 其单位为导出单位 重力单位制以长度 时间和力为基本物理量 质量是导出物理量 其单位为导出单位 上述两种单位制度中又有米制单位与英制单位之分 表0 1 20 表0 1两种单位制度中的米制与英制的基本单位 21 3 国际单位制度 SI制 1960年10月第十一届国际
9、计量大会通过了一种新的单位制度 称为国际单位制度 其代号为SI 它是mks制的引伸 由于SI制的 通用性 和 一贯性 的优点 在国际上迅速得到推广 22 4 中华人民共和国法定计量单位 简称法定单位制 法定单位制的内容见附录一 本课程主要采用法定单位制 23 二 单位换算 由于各种数据的来源不同 故其单位不一定符合计算公式的要求 计算时需要进行单位换算 换算因子 彼此相等而单位不同的两个同名物理量 包括单位在内 的比值称为换算因子 如1m 100cm 换算因子为100cm m 24 1 物理量的单位换算 同一物理量 若采用不同的单位则数值就不相同 例如最简单的一个物理量 圆形反应器的直径为1m
10、 在物理单位制度中 单位为cm 其值为100 而在英制中 其单位为ft 其值为3 2808 反应器的直径D 1m 100cm 3 2808ft同理 重力加速度g不同单位制之间的换算关系为 重力加速度g 9 81m s2 981cm s2 32 18ft s2 25 常用物理量的单位换算关系可查附录一 若查不到一个导出物理量的单位换算关系 则从该导出单位的基本单位换算入手 采用单位之间的换算因数与基本单位相乘或相除的方法 以消去原单位而引入新单位 原单位消去法 例1 质量速度的英制单位为lb ft2 h 试将其换算为SI制 即kg m2 s 解 1kg 2 20462lb 1m 3 2808ft
11、 1h 3600s 26 2 经验公式 或数字公式 的换算 化工计算中常遇到的公式有两类 1 物理方程 如F ma 物理方程遵循单位或因次一致的原则 同一物理方程中绝不允许采用两种单位制度 用一定单位制度的基本物理量来表示某一物理量 称为该物理量的因次 在mks单位制度中 基本物理量质量 长度 时间 热力学温度的因次分别用M L T与 表示 力的因次为MLT 2 在重力单位制度中 力为基本量 其因次用F表示 质量的因次则变为FT2L 1 因次一致的原则是因次分析方法的基础 27 2 经验方程式中各物理量的符号只代表指定单位制度的数据部分 因而经验公式又称数字公式 当所给物理量的单位与经验公式指定的单位制度不相同时 则需要进行单位换算 单位换算的两种方式 a 将诸物理量的数据换算成经验公式中指定的单位后 再分别代入经验公式进行计算 b 若经验公式需经常使用 对大量的数据进行单位换算很繁琐 则可将公式加以变换 使式中各符号都采用所希望的单位制度 28 将上式换算为SI制单位 例2 管壁对周围空气的对流传热经验公式为
