化工原理

2019/10/8天津商业大学化工原理1化工原理ThePrincipleofChemicalEngineering2019/10/8天津商业大学化工原理2主讲：赵彦巧Tel:13102203452E-mail:[e-mail]2019/10/8天津商业大学化工原理3本课程为制药专业必修课总课时：119学时，7学分其中，本学期61学时下学期34学时实验24学时另安排课程设计2周，2学分2019/10/8天津商业大学化工原理4教材:天津大学化工学院柴诚敬、夏清主编，化工原理参考书：1、陈敏恒，化工原理2、蒋维钧等编，化工原理3、清华大学化工系编，传递过程与单元操作4、单熙滨编，制药工程5、柴诚敬等，化工原理课程学习指导6、其它见教材附录2019/10/8天津商业大学化工原理5绪论一、化工原理课程简介()1.化工原理的研究对象(What？)2.化工原理的学科性质与研究方法(Why？)3.化工原理的学习方法(Way？)二、化工过程计算基础1.物料衡算2.能量衡算3.平衡与速率三、单位制及单位换算2019/10/8天津商业大学化工原理6一、化工原理课程简介化学反应和若干个单元操作串联而成化工原理——研究各个独立的单元操作1.化工原理的研究对象——单元操作（UnitOperations）1)单元操作的概念化工生产过程原料的预处理进行化学反应反应产物的分离与提纯单元操作原料的预处理反应产物的分离与提纯——化工生产中共有的物理操作2019/10/8天津商业大学化工原理72）单元操作的特点①所有的单元操作都是物理性操作，只改变物料的状态或物理性质，并不改变化学性质。②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、名称与排列顺序不同。③单元操作作用于不同的化工过程时，基本原理相同，所用的设备也是通用的。2019/10/8天津商业大学化工原理83）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：•流体动力过程——遵循流体动力基本规律，用动量传递理论研究如：流体输送、沉降、过滤、固体流态化•热过程——遵循传热基本规律，用热量传递理论研究如：传热、冷凝、蒸发等•传质过程——遵循传质基本规律，用质量传递理论研究如：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等2019/10/8天津商业大学化工原理9单元操作制药生产是以化学变化和化学、物理处理为主要特征的生产过程，其原料来源广泛，产品种类繁多，加工过程复杂多样，但是，在各种过程中，除化学反应外，其余步骤可归纳为单元操作（UnitOperation）：流体的输送，沉降，过滤，搅拌，压缩，传热，蒸发，结晶，干燥，精馏，吸收，萃取等等。2019/10/8天津商业大学化工原理10化工原理知识单元化工原理知识单元的学习目标在于掌握基本化工操作单元中的物质、能量传递及平衡的原理和规律，掌握简单的数学模型、参数归并和过程分解等重要的工程问题处理方法。根据基本的化工单元操作，可分为流体流动、流体输送、液体搅拌、过滤、沉降、传热、蒸发、吸收、精馏、气液传质、萃取、结晶、干燥等13个知识点。每个知识点包含该单元操作中物质、能量传递和平衡的原理，对单元操作的过程分析，由此推导出基本数学模型，并据此解决简单的设计、计算问题。2019/10/8天津商业大学化工原理112.化工原理学科性质与研究方法1）学科性质——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物理过程关于化工原理、制药工程与化工制药工程的研究对象：制药工程是研究通过大规模地改变物料的化学组成和物理性质进而制造出医药制品的工程技术学科。与之相关的工程技术问题可以说都在制药工程的研究范畴之列，如制药单元操作的基本原理，典型设备的结构原理，操作性能和设计计算。2019/10/8天津商业大学化工原理12根据本专业培养目标，通过学习本课程，使同学建立工程的概念，培养分析和解决有关单元操作各种问题的能力，以便在制药生产、科研和设计中达到强化生产过程，提高产品质量，提高设备能力及效率，降低设备投资及产品成本，节约能耗，防止污染以及加速新技术开发等方面工作。单元操作和设备选择能力工程设计能力操作、调节生产过程的能力过程开发、科学研究的能力工程创新能力2019/10/8天津商业大学化工原理132）研究方法——工程方法因次分析法数学模型法参数综合法当量法类比法——直管湍流阻力——双膜模型的建立——过滤常数——当量直径、当量长度等——动量、热量、质量传递的类似律2019/10/8天津商业大学化工原理143.化工原理的学习方法发展：如何根据某个物理或物理化学原理开发成为一个单元操作，寻本求源。选择：为了达到或实现某一工程目的，能否对过程和设备作合理的选择和组合。设计：对已掌握了性能的过程和设备作直接的设计计算以及对性能不十分掌握的过程和设备通过必要的试验，测取设计数据，做逐级放大。操作：如何根据基本原理发现操作上可能出现的各种不正常现象，寻找其原因及可能采取的调节措施。2019/10/8天津商业大学化工原理15学习过程具体要求：课前预习课堂学习、笔记课下复习、习题总结、笔记四个环节2019/10/8天津商业大学化工原理16二、化工过程计算基础1.物料衡算依据——质量守恒定律输入系统的物料质量等于从系统输出的物料质量与系统中积累的物料质量之和。AOIGGG——物料衡算的通式2019/10/8天津商业大学化工原理17定态过程，积累为零。则：OIGG衡算的系统整个生产过程某一设备系统中的所有物料某一个组分衡算的对象例2019/10/8天津商业大学化工原理18例：在两个蒸发器中，每小时将5000kg的无机盐水溶液从12％（质量％）浓缩到30%。第二蒸发器比第一蒸发器多蒸出5%的水分。试求：（1）各蒸发器每小时蒸出水分的量；（2）第一蒸发器送出的溶液浓度。解：首先画一个流程图表示进行的过程用方框表示设备，输入输出设备的物流方向用箭头表示。划定衡算的范围为求各蒸发器蒸发的水量，以整个流程为衡算范围，用一圈封闭的虚线画出。2019/10/8天津商业大学化工原理19选择衡算基准（连续操作以单位时间为基准，间歇操作以一批操作为基准）由于连续操作，以1小时为基准。蒸发器1蒸发器2x1W1W2F0=5000kg/hx0=0.12F1F2x2=0.32019/10/8天津商业大学化工原理20确定衡算对象此题中有两个未知数，蒸发的水量及送出的盐溶液量B，因此，我们就以不同衡算对象列出两个衡算式。对盐作物料衡算：2200xFxF对总物料作衡算：2125000WWF代入已知数据，得：23.012.05000Fkg/h20002Fkg/h300021WW由题意知1205.1WWkg/h6.1536kg/h4.146321WW2019/10/8天津商业大学化工原理21求第一个蒸发器送出的溶液浓度，选择第一个蒸发器为衡算范围。对盐作物料衡算：1100xFxF对总物料作衡算：110FWF代入已知数据，得：1112.05000xF14.14635000F解得：kg/h6.35361F%97.161697.01x2019/10/8天津商业大学化工原理222．热量衡算依据：能量守恒定律即任何时间内输入系统的总热量等于系统输出的总热量与损失的热量之和。LoIQQQ——热量衡算通式或写成LOI)()(QwHwH2019/10/8天津商业大学化工原理23热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，也必须首先划定衡算范围及衡算基准。此外应注意焓是相对值，因此必须指明基准温度，习惯上选0℃为基准温度，并规定0℃时液态的焓值为零。3.过程的平衡和速率①平衡问题过程的平衡问题是说明过程进行的方向和所能达到的极限。平衡是一个动态的过程。例2019/10/8天津商业大学化工原理24②速率过程的速率表示为：过程的速率＝推动力／阻力推动力：过程所处的状态与平衡状态的距离，阻力：过程的阻力是各种因素对速率影响的总的体现。过程的速率是指过程由不平衡到平衡进行的快慢。2019/10/8天津商业大学化工原理25例：在换热器里将平均比热为3.56kJ/（kg·℃）的某溶液自25℃加热到80℃，溶液流量为1.0kg/s，加热介质为120℃的饱和水蒸气，其消耗量为0.095kg/s，蒸气冷凝成同温度的饱和水排出。试计算此换热器的热损失占水蒸气所提供热量的百分数。解：根据题意画出流程图换热器120℃饱和水蒸气0.095kg/s120℃饱和水0.095kg/s1.0kg/s25℃溶液80℃溶液1.0kg/s2019/10/8天津商业大学化工原理26基准：1s在图中虚线范围内作热量衡算从附录查出120℃饱和水蒸气的焓值为2708.9kJ/kg，120℃饱和水的焓值为503.67kJ/kg。在此系统中输入的热量：21IQQQ蒸气带入的热量：kW3.2579.2708095.01Q溶液带入的热量：kW8902556.30.12QkW3.346893.257IQ输出的热量：43OQQQ2019/10/8天津商业大学化工原理27冷凝水带出的热量：kW8.4767.503095.03Q溶液带出的热量：kW8.28408056.30.14QkW6.3328.2848.4743OQQQ根据能量衡算式，有：LOIQQQkW71363323346OIL...QQQ热量损失的百分数=%54.68.473.2577.132019/10/8天津商业大学化工原理28三、单位制及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1.单位及单位制度基本量：任意选定的几个独立的物理量(如长度,时间等)。基本单位：根据使用方便的原则制定的基本量的单位。导出量：根据物理量与基本量之间的关系来确定的量。导出单位：导出量的单位称为导出单位，均由基本单位相乘、除而构成的。如速度，u=L/tm/s。2019/10/8天津商业大学化工原理29单位制：基本单位与导出单位的总和。物理单位制：基本单位：长度cm质量g时间s工程单位制：基本单位：长度cm力kgf时间sSI单位制：基本单位有7个，化工中常用的有5个：长度m、质量kg、时间s、温度K、物质的量mol2．单位换算已知1atm=1.033kgf/cm2,将其换算成N/m2。按题意需将kgf/cm2中的kgf换算成N，cm2换算成m2,查附录，换算关系为：2019/10/8天津商业大学化工原理301kgf=9.81N，1cm=0.01m上述关系代入，得：2522N/m10013.1m01.0N81.9033.1cmkgf033.1atm13．单位的正确运用理论公式：根据物理规律建立的，反映各有关物理量之间的关系，又叫物理方程。具有单位一致性，只要采用同一单位制的单位来表示各物理量即可。2019/10/8天津商业大学化工原理31经验公式：根据试验结果整理出来的，反映各有关物理量的数字之间的关系，又叫数字公式。公式中所用的单位一般都是指定的，在计算中只要将数字代入，算出结果，然后加上规定的单位就行了。若计算过程中已知物理量的单位与公式中规定的不相符，则应先将已知数据换算成经验公式中指定的单位后才能进行运算。2019/10/8天津商业大学化工原理32化工原理课程基础数学、物理、化学生物学学科交叉、融合发展出新的学科2019/10/8天津商业大学化工原理33化学工程学生物催化与生物转化化学物理分子设计与过程控制纳米技术与超分子化学数学生物学?？2019/10/8天津商业大学化工原理34过程工程相关课程间的关系图2019/10/8天津商业大学化工原理35•化工是物质合成、提取与制造的科学与技术，可以合成地球已有物质，亦可制造地球没有的功能物质；是21世纪实现可持续发展策略，解决资源、能源以及环境危机，提高人类生存质量和保证国家与民众安全的核心基础科学与技术。国际公认化学科学与工程是一门专业跨度大学科交叉性强，