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化工原理. 讲解: 陈光友. 教学计划( 90 学时,其中实验 36 ):. 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 ……. 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: - PowerPoint PPT Presentation
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07制药工程专业《化工原理》教案
1
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 ):
07制药工程专业《化工原理》教案 3
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%
07制药工程专业《化工原理》教案 4
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
07制药工程专业《化工原理》教案 5
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。
07制药工程专业《化工原理》教案 6
课程的性质
食品工业
制药工业
07制药工程专业《化工原理》教案 7
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。
07制药工程专业《化工原理》教案 8
绪 论
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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。
07制药工程专业《化工原理》教案 10
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
07制药工程专业《化工原理》教案 11
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。
07制药工程专业《化工原理》教案 12
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)
07制药工程专业《化工原理》教案 13
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。
07制药工程专业《化工原理》教案 14
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。
07制药工程专业《化工原理》教案 15
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
07制药工程专业《化工原理》教案 16
07制药工程专业《化工原理》教案 17
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
07制药工程专业《化工原理》教案 18
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
07制药工程专业《化工原理》教案 19
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。
07制药工程专业《化工原理》教案 20
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)
07制药工程专业《化工原理》教案 21
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。
07制药工程专业《化工原理》教案 22
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
07制药工程专业《化工原理》教案 23
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
、 、 、
07制药工程专业《化工原理》教案 24
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
07制药工程专业《化工原理》教案 25
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
07制药工程专业《化工原理》教案 26
摩尔比与质量比
摩尔比: A BX n n
质量比: 'A BX m m
07制药工程专业《化工原理》教案 27
【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
07制药工程专业《化工原理》教案 28
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
07制药工程专业《化工原理》教案 29
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
07制药工程专业《化工原理》教案 30
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。
07制药工程专业《化工原理》教案 31
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
07制药工程专业《化工原理》教案 32
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)
07制药工程专业《化工原理》教案 33
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
07制药工程专业《化工原理》教案 34
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
07制药工程专业《化工原理》教案 35
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
07制药工程专业《化工原理》教案 36
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 ?
07制药工程专业《化工原理》教案 37
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
07制药工程专业《化工原理》教案 38
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?
07制药工程专业《化工原理》教案 39
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
07制药工程专业《化工原理》教案 40
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
07制药工程专业《化工原理》教案 41
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。
07制药工程专业《化工原理》教案 42
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
07制药工程专业《化工原理》教案 43
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 %
07制药工程专业《化工原理》教案 44
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
07制药工程专业《化工原理》教案 45
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
07制药工程专业《化工原理》教案 46
(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 :