优选化工原理绪论

四川理工学院材化系 化学工程教研室 绪论 7/13
本课程的研究方法
1.试验研究方法 试验研究方法 2.数学模型法 数学模型法
化工过程计算的基础: 化工过程计算的基础
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绪论
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单位制与单位换算
1、单位制： 、单位制： 单位制 基本物理量及单位 cgs制 长度 制 长度(L) cm Kms 制 长度(L) 长度 m 质量(M) 质量 g 质量(M) 质量 kg 时间(θ) 时间 s 时间(θ) 时间 s 别称 绝对单 位制
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几个基本概念
3、过程速率 、 过程速率=过程推动力 过程推动力/过程阻力 过程速率 过程推动力 过程阻力 4、平衡关系 、 过程所能进行到的极限状态的数学描述
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绪论14/13四川理工院材化系 化学工程教研室绪论
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单位制与单位换算
➣重力单位制：长度(L)、时间 重力单位制：长度 重力单位制 、时间(θ)、力(F) 、 的规定单位分别为m、 、 的规定单位分别为 、s、kg(f)，又称 ， 工程单位制。 工程单位制。 单位制中规定的基本物理量： ➣ SI单位制中规定的基本物理量：质量 单位制中规定的基本物理量 ）、长度 ）、时间 ）、物质 （kg）、长度（m）、时间（s）、物质 ）、长度（ ）、时间（ ）、 ）、热力学温度 ）、电流强 量（mol）、热力学温度（K）、电流强 ）、热力学温度（ ）、 ）、发光强度 度（A）、发光强度（cd） ）、发光强度（ ） 辅助量：平面角（ ）、立体角 辅助量：平面角（rad）、立体角（sr） ）、立体角（ ）
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产品
脱水干燥
聚合
反应热
（二）内容和性质
本课程特点： 《化工原理》是专业技术基础课，兼有“科学”与“技
术”的特点，它是综合运用数学、物理、化学和算法语言等基 础知识，将自然科学中的基本原理（质量守衡、能量守衡及平 衡关系等）用来研究化工生产中内在的共同规律，讨论化工生 产中共同的基本过程的基本原理、典型设备结构，工艺尺寸设 计和设备的选型以及计算方法的一门工程学科。
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。
蒸发
气体吸收 液体精馏 萃取 干燥 吸附
化工常见单元操作见下表所示：
目的
物态
原理
输送
l 、g
输入机械能
混合、分散
g、l、s~l 输入机械能
非均相混合物分离 g、l～s Δρ引起沉降
同上 升、降T，or改变 相态
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
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。

G输入量－ G输出量＝ G累积量
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能量衡算（依据能量守恒定律）
机械能、热量、电能、磁能、化学能、原子 能等统称能量
化工生产中常以机械能、热量为主。机械能 衡算将在流体流动一章讲解；热量衡算将在 传热、蒸馏、干燥等章讲解
能量衡算的步骤与物料衡算基本相同
基本单位：长度（厘米cm），质量（克g）， 时间（秒s）
工程单位制
基本单位：长度（米），重量或力（千克力 kgf），时间（秒）
我国法定单位制为国际单位制（即SI制）
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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
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尿素生产流程
福尔马林生产流程
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以“三传”为物理内核的单元操作
气体 液化
流体 输送
液体 汽化
过滤 与 沉降
动量传递
搅拌
喷雾 干燥
流态 化
热量
质量
气液
蒸发
传递
传递Leabharlann 吸收浓缩液液
萃取
加热
气固
冷却
吸附
精馏
结晶
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单元操作的研究内容与方向
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。
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混合物浓度的表示方法（自学）
物质的量浓度 物质的量分数
ci ni /V xi ni / n

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绪论
本书正文一律采用法定计量单位，在少数 例题及习题中引入一些非法定的惯用单位，以便 联系新旧单位间的换算。
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绪论
4.单位的正确运用
化工计算所用的公式分为两类 一类是根据物理规律建立的
理论公式
反映各物理量之间的关系，又叫物理量方程， 只能用同一种单位制，中途不能更改。
另一类是根据实验结果整理 出来的
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绪论
4、主要任务
（1）介绍“三传”理论及主要单元操作的典型 设备构造、操作原理、计算（选型）及实验研究方 法；
（2）培养学生运用基础理论分析和解决化工单 元操作中的各种工程实际问题的能力。
概括为八字：发展、选择、设计、操作
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绪论
5、课程性质 《化工原理》是在高等数学、物理学及物理化
学等课程基础上开设的一门基础技术课程。
素。
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绪论
SI制应用情况 SI制近年得到迅速推广，已被世界许多国家及国 际性组织采用。 我国国务院于1977年确定逐步采用SI制。 1984年又发布命令，确定我国同意实行以SI制单 位为基础的包括国家选定的若干非国际单位在内 的《中华人民共和国法定计量单位》，并要求 1990年底前完成向国家法定单位的过渡。 自1991年1月起除个别领域外，不允许再用非法定 计量单位。
考核方式：
平时作业、考勤 20％ 期末考试 （闭卷） 80％
答 疑：
答疑时间：周三、五下午3：00~5：00 答疑地点：1#教学楼119
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绪论
参考书目：
1．柴诚敬主编.《化工原理》(上、下)．北京：高等教育 出版社，2005年
2．何潮洪，冯霄主编.《化工原理》(第二版)(上、下)．北 京：科学出版社，2007年

Ⅱ相应的设备的结构和尺寸可能不同
例如 传热 原理
传热
设备
简单的套管换热器
传热
设备
传热
设备
原理
吸收
吸收剂
相界面
气相主体
液相主体
y 界面
x
xi yi
气体
气相扩散
液相扩散
设备
8 气体
填料塔
吸收
7 液体
6 5 4 3 2
1
溶剂
气体 板式塔
板式塔
设备
吸收
溶剂
气体
填料塔
乱堆填料
规整填料
设备，是研究过程规律的目的，包括设备的设计、选型、调 试等。
绪论
四、如何学习化工原理
1、化工原理的研究对象
三传，即动量传递、热量传递及质量传递，简称传递过程， 以物料恒算、能量恒算、传递速率、平衡关系为依据， 计算分为设计型和操作型两大类
2、化工原理的研究方法
1）数学模型方法
包括解析法和半经验半理论方法
2）实验方法
以量纲分析或相似理论为指导，可避免 建立数学方程
绪论
五、学习化工原理后，应达到的水平
1、能理论联系实际用工程和经济观点解决化工单元操作中 的各类问题
2、筛选合理的单元操作完成给定的生产任务 3、在设备设计工作中会寻求所需的经验数据或公式 4、能管理和调试运转的设备，遇到故障时找出原因并能及 时排除
第一讲绪 论
主要内容
一、化工原理概述 二、单位制及其换算
（一）单位及单位制 （二）物理量及经验公式的单位换算
三、物料衡算
（一）稳态的物料衡算 （二）非稳态的物料衡算
四、能量衡算
（一）稳态的能量衡算 （二）非稳态的能量衡算

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化工原理专接本绪论new
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物料衡算计算步骤及要点：
1、物流图 2、确定衡算体系（某设备、车间、整个工厂） 3、确定衡算基准； 4、确定着眼物料；5、列衡算方程
能量守衡
关键： 1、物流图 2、划定系统 3、确定衡算基准 4、确定着眼 5、选定基准温度：0℃基准温度（焓值是相对值）6、列衡算 7、有反应发生的要考虑反应热。
能力、动手操作能力与工程观念。
本课程强调创新意识与创新能力的培养，强调定量计算和工程 计能力的训练，强调理论和实际相结合与实事求是的工作作风 通过本课程学习，促使学生达到能独立运用本课程所学知识分 和解决化工生产过程中出现的各种工程实际问题，能独立完成 工单元操作与设备的工艺计算、设计与选型工作，能独立完成 工单元过程的实验操作与实验设计，并为后续专业课程的学习
2000=w+R， 2000× 5%=w× 0+30%×R 则 w=1666.7kg/h，R=333.3kg/h
(2)热量衡算：
QF＋QD＝Qw+QR+QP+ Q损 以0℃为基态，求焓值：
①QF＝F·CP·△T＝2000×4×（20－0）＝1.6×105kJ/h ②QD：200kPa 查表，T ＝120.2℃ h=2709.2kJ/kg
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研究方法的发展
•经验放大
•相似论 •因次分析
•数学模型法
•各种化学工程研究方法的基础是实验工作
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n实验研究方法（经验法） n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 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 的基本方法。 n数学模型法（半经验半理论方法） n该方法是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 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 验确定模型参数。 n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 数学方程并能直接求解，则称为解析法。

专 s 1kgf
s
（3） G = 2.45u 0.8∆p
式中 G
制 控 与 水蒸发速率，lb / ft 2 ⋅ h ；
u
水上方空气速度， ft / s ；
备 ∆ p
空气温度下，水饱和蒸汽压与空气中水汽分压差， atm 。
试求： u = 2 m/s ， ∆p = 100 Pa 时水的蒸发速率（SI 制）
绪论
教材
1．谭天恩，麦本熙，丁惠华．《化工原理》（上、下册，第二版）． 北京：化学工业出版
用 社，1998
2．阮 奇，叶长燊，黄诗煌．《化工原理优化设计与解题指南》．北京：化学工业出版社，
2001
使
业
斋．《化工原理》（上、下册）．北京：化学工业出版
控 社．2001 与 2．何洪朝，窦 梅，钱栋英．《化工原理操作型问题的分析》．北京：化学工业出版社．1998
州 G =1.089 ×10−2 lb/ft 2 ⋅ h
福=1.089 ×10−2
lb ft 2 ⋅ h
×
0.4536 kg 1lb
×
1ft 0.3048 m
2
×
1h 3600 s
= 1.477 ×10−5
kg/m 2 ⋅ s
公式变换：
G′ ： kg/m 2 ⋅ s ； u′ ： m/s ； ∆p′ ： Pa
者及实验设备条件的限制与影响，可能采用不同的单位制；所以应采用公式中各物理量规
定的单位进行运算，否则公式不成立且计算结果错误。
换算： （1）1kg：SI 制，质量；1kgf：工程制，重量
CSY-4-BOWANG
1kg 与 1kgf 数值上相同但物理意义完全不同，所以1kg ≠ 1kgf

56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
化工原理专接本绪论
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左

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5．混合物浓度的表示方法
（1）物质的量浓度 定义：物质的量浓度(amount concentration)是组分i的物质的量ni除以混合 物的体积Vi，以符号Ci表示，即Ci=ni/Vi，简称：物质的浓度. 单位：Kmol/m3。 （2）物质的量分数（摩尔分数） 定义：物质的量摩尔分数（amount fraction）是组分i的物质的量ni与混 合物的物质的量n之比值。对于液体混合物，以xi表示，即 xi=ni/n。 式中：n—混合物中各组分物质的量之总和，即n=n1+n2+···=∑n。
2
5. 化学反应工程：以化工过程中化学过程作为研究对象的一 门技术科学。
6. 化学工程：研究化工过程共性规律的一门技术科学。主要
由化工原理和化学反应工程两个分支组成。 （另外还有化工传递过程原理和化工热力学及 化工系统工程三个分支） 7. （过程）：物系状态发生变化的经过 。
8.（物系）：作为研究对象的物质 。
（3）体积分数：φi=Vi/V=ni/n
对理想气体混合物中各组分有下列关系： 摩尔分数=压力分数=体积分数
理想气体：指分子本身没有体积，分子间没有作用力的气体。它在任何 温度和压力下，均能服从气体状态方程 PV=nRT，适合对低压气体进行 计算。
ni Pi c （4）气体混合物中组分i的浓度ci： i V RT
化工原理
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绪论
INTRODUCTION
一、化工过程与单元操作 1. 化工过程（化学工业过程）：由若干物理过程和若干化学过 程组成的工业过程，或将原料改变或分离成有用产品的工业 过程。 2．单元操作：化工过程中不含化学反应物理过程。 3．化学过程：含有化学反应的过程。 4．化工原理：以单元操作为研究对象的一门技术科学。