化工生产过程

化工原理海南师范大学化学与化工学院刘红PrinciplesofChemicalEngineering本课程为制药工程专业必修课总课时：110学时，7学分其中，本学期85学时，实验25学时化工原理课程简介课程性质课程任务课程内容课程要求工程性、实践性强专业基础课具有桥梁作用开发、设计、操作、强化动量传递热量传递质量传递自学能力创新能力理论联系实际开发：选择合适的过程及设备（按经济合理性、技术可行性、污染小、能耗低）设计：选择设备的型号及主要尺寸（根据工艺对设备的要求）操作：如何进行操作和调节以适应生产的不同要求强化改造现有的生产过程和设备以提高效率（包括增产、降耗、节能）理论教学实验教学课程设计绪论一、化工生产过程二、单元操作及分类三、化工原理的传递过程四、单元操作中常用的基本概念五、單位換算一、化工过程原料前处理化学加工后处理产品除去杂质达到必要的纯度，物理变化过程生成新的物质，化学变化过程精制、分离达必要的纯度，物理变化过程化工过程包括化学反应过程和物理过程。单元操作特点：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。二、单元操作单元操作：化工生产中不涉及到化学反应的一系列操作过程UnitOperations单元操作的分类传递基础单元操作名称目的流体流动(动量传递)流体输送沉降过滤搅拌流态化以一定流量将流体从一处送到另一处。从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒、液滴或气泡。从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒。使物料混和均匀或使过程加速。用流体使固体颗粒悬浮并使其具有流体状态的特性。热量传递换热蒸发使物料升温、降温或改变相态。使溶液中的溶剂受热汽化而与不挥发的溶质分离，达到溶液浓缩。质量传递吸收蒸馏萃取浸取吸附离子交换膜分离液体吸收剂分离气体混合物。利用均相液体混合物中各组分挥发度不同使液体混合物分离。液体萃取剂分离均相液体混合物。液体浸渍固体物料，将其中的可溶组分分离出来。固体吸附剂分离气体或液体混合物。离子交换剂从溶液中提取或除去某些离子。固体膜或液体膜分离气体、液体混合物。热、质传递干燥增(减)湿结晶加热固体使其所含液体汽化而除去。调节气体中的水汽含量。使溶液中的溶质变成晶体析出。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。三、化工原理课程的传递过程传递过程（从物理本质上说又下列三种）(1)动量传递过程（单相或多相流动）；(2)热量传递过程——传热(3)质量传递过程——传质表1所列各单元操作皆归属传递过程，于是，传递过程成为统一的研究对象，也是联系各单元操作的一条主线。三传+一反构成各种工艺制造过程，三传又有彼此类似的规律可以合在一起研究，形成传递过程这门学科，是单元操作在理论方面的深入发展。四.单元操作中常用的基本概念1.物料衡算2.能量衡算3.物系的平衡关系4.传递速率1．物料衡算(1)衡算依据：质量守恒定律非定态：输入=输出＋积存定态：输入量=输出量输入系统输出积累定态过程与非定态过程定态过程：物理量不随时间而变，只随位置变非定态：物理量随时间和位置都变。(2)衡算方法：a.画物料流程示意图，流向用箭头表示，标明数据与待求量b.确定衡算基准：一般以单位进料或出料量、时间或设备的单位体积c.划定衡算范围，列衡算式，求解例：连续蒸发过程总物料衡算：F=V+W溶质物料衡算：FxF=WxW+VxVVxVWxwFxF蒸发器例：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。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=0.3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WW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xLoIQQQ2.能量衡算衡算依据：能量守恒定律非定态：输入=输出＋积存定态：输入量=输出量指明基准温度（一般物料的焓从0℃算起，也可选其它温度作基准，必须指明）LOI)()(QwHwH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/s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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3.平衡关系过程的平衡问题说明过程进行的方向和所能达到的极限。当过程不是处于平衡态时，则此过程必将以一定的速率进行。例如传热过程，当两物体温度不同时，即温度不平衡，就会有净热量从高温物体向低温物体传递，直到两物体的温度相等为止，此时过程达到平衡，两物体间也就没有净的热量传递。4.传递速率传递过程的速率和传递过程所处的状态与平衡状态的距离及其它很多因素有关。传递过程所处的状态与平衡状态之间的距离通常称为过程的推动力。例如两物体间的传热过程，其过程的推动力就是两物体的温度差。增大速率可通过：增大推动力或减小阻力来实现通常存在以下关系式：阻力推动力传递速率五、物理量的单位表0-1国际单位制的基本单位量的名称单位名称单位符号长度米m质量千克kg时间秒s电流安培A热力学温度开尔文K物质的量摩尔mol表0-2国际单位制中具有专门名称的导出单位量的名称单位名称单位符号其它表示式示例频率赫兹Hzs－1力；重力牛顿N㎏·m/s2压力（压强），应力帕斯卡PaN/m2能量，功，热焦耳JN·m功率瓦特WJ/s摄氏温度摄氏度℃*表0-3CGS制与工程制的基本单位CGS制工程制量的名称长度质量时间温度长度力时间温度单位符号cmgs℃mkgfs℃[例0-1]已知1atm=1.033kgf·cm-2，试将此压强换算为SI单位。1kgf=1kg×９.８１ｍ·ｓ－２＝９.８１Ｎ所以，1atm=１.０３３×９.８１Ｎ（１０－２ｍ）－２＝１.０１３Ｎｍ－２例题参考文献姚玉英等主编：化工原理，天津科技出版社柴诚敬等主编：化工原理学习指导，天津科技出版社丛德滋等主编：化工原理详解与应用化学工业出版社何潮洪等主编：化工原理习题精解科学出版社朱家骅等主编化工原理科学出版社管国锋化工原理化学工业出版社王志魁化工原理化学工业出版社谭天恩等主编：化工原理，化学工业出版社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?？过程工程相关课程间的关系图化工是物质合成、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，是国民经济许多传统与高新技术产业的物质基础、科学基础与技术支撑，有为广谱性工业服务的特征，该学科作为国民经济支柱产业的原动力。化工信息材料航天生命轻工食品能源环境建筑农牧业医药功能材料饲料注:2000年美国化工总销售额3400亿(24.3%)人均＄1360元/年2000年世界化工总销售14000亿人均$283元/年2000年中国化工总销售约800亿(5.7%)人均＄67元/年2000年化工人均销售额对比020040060080010001200140016002000年世界2000年美国2000年中国人均$/年工程技术发展的永恒目标------造福于人类，实现人类社会的可持续发展现代化工二十一世纪对于“化工”发展的挑战：1.资源与能源（危机）2.环境（污染与治理）3.人类健康水平与生活质量（衣、食、住、行、医）4.人类活动时空的拓展（空间技术）5.高科技（信息、生命、物质、科学等）6.生态工业园区WTO的挑战