绪论.ppt

化学工程基础,（化工原理）,中国石油大学（华东）化学工程学院,化学工程系,郭晓艳,O：86981812 15020053196,几点说明：,课程特点作业、实验 参考书 答疑,化学工程系网站http://linux2.hdpu.edu.cn/hxgcyjs/,参考书：《化工原理考研真题及习题精解》 工科楼A座205 《石油加工单元过程原理》，沈复、李阳初《化工原理》，姚玉英 《化工流程模拟实训-Aspen Plus教程》工科楼A座205《化工原理》，谭天恩 《化工原理》，陈敏恒 《化工原理》，蒋维均等,绪 论,绪 论,一、本课程的研究对象、内容及任务 二、化学工程的发展简史 三、研究本学科的基本方法 四、研究单元过程的基本工具 五、单位制及单位换算,绪论,一、本课程的研究对象、内容及任务,1.研究对象：,化学工业：,,无机化工：氯碱工业、合成氨等,有机化工：石油炼制、基本有机化工等,单元操作：组成工艺过程的基本单元 ①化工生产过程共有的操作， 但数目、名称、排列顺序各异； ②基本原理相同，设备可以通用； ③物理型操作。,研究对象,绪论,原油常压蒸馏原理流程,常减压蒸馏工艺流程,原 油,,换热,电脱盐,,换热,,,加热,常 压 蒸 馏,冷凝 冷却,油水 分离,,,水,,直馏汽油,,蒸馏,,煤油,,蒸馏,,轻柴油,,蒸馏,,重柴油,加热,减 压 蒸 馏,减顶污油,,减一蜡油,,减二蜡油,减压渣油,高低并列提升管式催化裂化原理流程,绪论,柴油催化加氢工艺流程,柴油,加热,加氢反应,油气分离,换热,气体脱硫,乙醇胺,气体压缩,氢气,吸收液,蒸馏,柴油,冷凝冷却,含氢气体,蒸馏,液化气,汽油,,,,,,,,,,,,,,,,,循环氢,,绪论,过程：单元操作的基本原理、计算方法 设备：设备的结构、操作、设计和选型等,2.课程内容：,,流体输送：流体通过管道的阻力损失，输送设备 过滤：液固混合物的分离 沉降：液固或气固混合物的分离（重力、离心） 搅拌：液液或液固体系的混合 颗粒流态化：强化气（液）固两相间的接触 气力输送：固体微粒的管道输送 加热冷却：增加或降低特定物质的温度 蒸发：对含有固体溶质的溶液进行浓缩制取固体产品 蒸馏：液体混合物的分离（组分挥发度的差异） 吸收：气体混合物的分离（组分在吸收液中的溶解度） 吸附：气体混合物的分离（组分在固体表面的吸附能力） 萃取：从液体混合物中分离有用组分（湿法冶金） 干燥：从固体产品中去除湿分 结晶：从液体混合物中得到纯的固体产品,绪论,分类：,按理论基础分类：,,流体流动过程－动量传递,传热过程－热量传递,传质过程－质量传递,质量传递：浓度在时空中分布的不均匀性。,动量传递：流体内部由于动量、密度的空间分布不均而引起动量在时空中的传递过程。,热量传递：内能在时空中的传递过程，是由温度在空间的非均匀分布造成。,三传:《化工原理》的共同规律和联系。,绪论,以“三传”为物理内核的单元操作：,绪论,二、化学工程的发展简史,工程学,1.化学工程的萌芽,化学工业的发展推动了化学工程的发展。法国大革命时期出现的吕布兰法制碱标志着化学工业的产生，到19世纪70年代，制碱、制酸、化肥、煤化工等已经有了相当的规模，化学工业得到了一定的发展。,绪论,第一个认识到化学工程重要作用的人物是英国的一名制碱业污染检察员G.E.戴维斯，但他并未能对化工操作作出定量的处理。,绪论,戴维斯的观点在英国并未得到广泛认可，尽管如此，他仍然根据自己的观点进行资料搜集和分析，1887～1888年，戴维斯在曼彻斯特工学院作了12次演讲，系统阐述了化学工程的任务、作用和研究对象。后来以此为基础，写成了《化学工程手册》，并于1901年出版，这是世界上第一本系统阐述各种化工生产共性的著作。,与英国的情况相反，戴维斯的这些活动在美国引起了普遍注意，化学工程这一名词很快得到了广泛应用。1888年，麻省理工学院在L.M.诺顿教授的建议下，开设了世界第一个以化学工程命名的四年制学士学位课程。随后，宾夕法尼亚大学、戴伦大学、密西根大学等学校先后开设了类似的课程。标志着化学工程师培养的最初尝试。,绪论,其实，A.D.利特尔在此之前已经提出了把化学和工程知识有机结合起来的“工业化学”的课程，并进行了尝试。华尔克教授接受任务后，便着手进行此方面的工作，他1905年在哈佛大学受聘讲工业化学课程时，已经提出了化工原理的基本思想。1907年，华尔克全面修订了化学工程的课程计划，奠定了化学工程的学科基础。,绪论,绪论,2.单元操作概念的提出,利特尔对早期化学工程的发展起了重要作用。1908年，在他的建议下，美国化学工程师协会诞生，利特尔任主席。同年，麻省理工学院建立的应用化学实验室和化学工程实验室，让学生接受各种化工基本操作的实际训练。,1915年，利特尔提出了“单元操作”的概念，他认为“任何化学过程，不论是什么样的规律，总可以分解为一系列相互雷同的被称为“单元操作”的组成部分，如破碎、混合、加热、吸收、沉淀、结晶、过滤等。这些基本单元操作的数目并不多。对于一个特定的加工过程，可能只包括其中的几个…”利特尔继续写道：“化学工程不是化学、机械和土木工程的组合，本身就是工程学科的一个分支，它的基础就是单元操作……”,1922年，在美国化学工程师学会年会上，以利特尔为首的化学工程教育提出建立“单元操作”的概念，同时提出了建成“化学工程”的“独立宣言”的报告，在会议上，这两项建议得到了认可。这也标志着化学工程正式从化学中独立成为一门工程学科。,绪论,其实在这之前，化学工程的独立已经初露端倪。1920年，在麻省理工学院，化学工程脱离化学系成为一个独立的系，由W.K.刘易斯任系主任。同年，华尔克、刘易斯和W.H.麦克亚当斯完成了《化工原理》一书的初稿，该书于1923年正式出版。《化工原理》阐述了各种单元操作的物理化学原理，提出了它们的定量计算方法，并从物理学等基础学科中吸取了对化学工程有用的研究成果（如雷诺对于层流、湍流的研究）和研究方法（如因次分析法和相似论）奠定了化学工程作为一门独立学科的基础。,3.化学工程学科体系的形成,绪论,在阐述单元操作的原理时，华尔克等曾利用了热力学的研究成果。但是在化学工程中遇到的许多问题，如高温高压下气体混合物的P-V-T关系的计算，经典热力学并没有提供现成的方法。30年代初，麻省理工学院的H.C.韦伯教授等人提出了一种利用气体临界性质的计算方法，这是化工热力学最早的研究成果。1939年，韦伯写出了第一本化工热力学教科书《化学工程师用热力学》。1944年，耶鲁大学的B.F.道奇教授写出了第一本取名为《化工热力学》的著作，于是，化学工程的一个新的分支学科－－化工热力学诞生了。,在第二次世界大战期间，为满足战争需要，开发了三个重大过程，即碳四馏分的分离和丁苯橡胶的乳液聚合、粗柴油的流化催化裂化和著名的曼哈顿工程。在这几个过程的开发中，为反应器的设计和放大打下了一定的基础。,20世纪30年代后期，德国的G.达姆科勒和美国的E.W.蒂列分别对反应相外传质和传热以及反应相内传质和传热作了系统的分析。50年代初，随着石油化工业的兴起对连续反应的研究中，提出了一系列重要的概念，如返混、停留时间分布、宏观混合、微观混合、反应器参数敏感性、反应器的稳定性等。1957年，在阿姆斯特丹举行的第一届欧洲化学反应工程讨论会上，宣布了化学反应工程这一化学工程分支学科的形成。,绪论,绪论,到50年代，化学工程师更清楚地认识到，所有的单元操作过程都可以分解为动量传递、热量传递、质量传递这三种传递过程或它们的组合。许多大学都开始系统地给化工系学生讲授流体力学、扩散原理等课程，并出现了把三种传递过程加以结合的趋势。,在这一背景下，威斯康星大学的教授R.B.博得、W.E.斯图尔特和E.N.莱特福特编写了《传递现象》，先在威斯康星大学试用，修订后于1960年出版。成为化学工程发展进入“三传一反”新时期的标志。,绪论,50年代中期，电子计算机开始进入化工领域，化工过程数学模拟迅速发展。由对一个过程或一台设备的模拟很快发展到对整个工艺流程甚至联合企业的模拟。在50年代后期出现了第一代化工模拟系统。在计算机上进行模拟试验，既省时又省钱，使得研究化工系统的整体优化成为可能，形成了化学工程的又一新领域－-化工系统工程，这是化学工程在综合上面的深化。至此，化学工程形成了比较完整的学科体系。,化学工程,绪论,4.化学工程的发展展望,绪论,国外将化学工程的发展从1905年起每十年分一个阶段，具体如下：,第一阶段：1905～1915年 标志性成果：工业化学,第二阶段：1915～1925年 标志性成果：单元操作,第三阶段：1925～1935年 标志性成果：物料和能量衡算,第四阶段：1935～1945年 标志性成果：化工热力学,第五阶段：1945～1955年 标志性成果：化学反应工程,第六阶段：1955～1965年 标志性成果：传递过程 和系统工程,绪论,然而，从1965年以后至今整整40年，化学工程尽管有所发展，但没有出现像单元操作这样的具有鲜明特色的标志性成果，因此有人说化学工程已经无法继续发展。,随着近些年的研究的深入以及人类关注焦点的改变，专家预计，2005年至2015年，化学工程将有一次大的飞跃。,绪论,21世纪人类最关心的几大焦点,绪论,三、研究本学科的基本方法,1.实验研究方法（经验的方法）,依靠实验来确定过程变量之间的关系，得到经验公式，理论基础为因次分析法和相似论。避免了复杂的数学描述，但应用范围受限。,2.数学模型法（半经验半理论的方法）,保证主要部分准确的基础上进行合理简化,,建立数学模型,,实验测定系数或指数,应用范围广，一定程度上反应了过程本质,绪论,四、研究单元过程的基本工具,1.物料衡算,理论基础：物质守恒定律,在一个单元过程中，进入的物料量等于排出的物料量与积累的物料量之和。,例子：一水箱容积为8m3，进水管每小时注入5m3 水，排水管每小时排出3m3水，问何时可以将水箱注满。,绪论,【例1】,浓缩NaOH水溶液的流程如图，F、G、E 皆为NaOH水溶液的质量流量，x 表示溶液中含NaOH的质量分数，W 表示各蒸发器产生水蒸汽的质量流量。 试根据图示的各已知量，计算W1、W2、G、E 之值。,,A,,B,绪论,【例2】,有一内直径D 为2m的水槽，其下部有一内直径d 为20mm的排水管。现以排水管的中心线所在的水平面作为恒量水槽内水位高度的基准面，如图所示。已知排水时排水管内水的流速u 与水位高度H 之间的关系式为：,（式中：g为重力加速度，9.81m/s2，H 的单位是m）。 试问：当水位由H1=4m下降到H2=2m需要多长时间？ 水温为20℃。,,绪论,说明：,①稳定过程：物料积累量等于0；,不稳定过程：物料积累量不等于0；,②可列总物平，也可列任意组分物平；,③必须确定衡算范围，明确衡算对象，选定计算基准（单位时间）。,绪论,⒉能量衡算：,理论基础：能量守恒定律,通式：输入能量＝输出能量＋能量积累,输入：物料带入、外界传入的热量 输出：物料带出、对外界作功,,,连续、稳定的过程：输入＝输出,机械能 热能,绪论,说明：,①只能进行总物料的能量平衡计算；,②要确定衡算范围，明确衡算对象，选定计算基准（单位时间或单位质量、单位体积物料）；,③计算之前要规定焓值及位能的计算基准。,3.系统的平衡关系：,两大平衡：相平衡与化学平衡,任何过程都是由不平衡状态向平衡状态进行,平衡态：自然过程所能达到的极限程度，用来判断过程进行的方向及限度。,绪论,动态平衡,如传热过程、密闭容器中的乙醇＋水混合溶液、用水吸收含氨的混合空气等,4.过程速率：,定义：单位时间通过某一指定面积的物质量或热量。（系统从不平衡状态向平衡状态转化的速率）,过程推动力：系统与平衡态相差的程度；相差程度越大，推动力越大；当过程达到平衡时，推动力为0。 过程阻力：比较复杂，影响因素很多。,过程平衡关系是过程设备尺寸设计计算的理论依据； 过程速率是计算设备尺寸的基本工具。,绪论,绪论,五、单位制及单位换算,1.单位与单位制：,计量中计数单元所规定的基本量,压力p=100kPa,,数值,,单位,单位,基本单位－基本量导出单位－导出量,物理量=数字×单位,单位=物理量／数字,,,单位：,绪论,基本单位与导出单位的总和。,常用单位制：国际单位制（SI）、工程单位制、物理单位制、英制……,单位制：,⒈物理单位制：,物理单位制，科学手册和数据手册中常用,,CGS 制：长度－cm，质量－g，时间－s，温度-℃；MKS 制：m，kg，s，℃,基本单位:,⒉工程单位制：,基本单位：长度－m，力－kgf，时间－s，温度- ℃,⒊国际单位制：SI制,质量的 单位？,绪论,工程制中重量为1kgf的物体与SI制中质量为1kg的物质何者重？,绪论,2.单位换算:,,其中：1m=100cm，1kg=1000g，△t=1K=1℃=? oF,常温下苯的导热系数λ=0.0919BTU/(ft·h·oF)(BTU为英制单位中热量单位的代号），试从基本单位开始，将λ单位换算为W/(m·℃)。,绪论,【例1】,管壁对周围空气的对流传热系数经验公式为： α=0.026G0.6D-0.4 式中：[α]= BTU/(ft2·h·°F)；[D ]=ft；[G ]=lb/(ft2·h)，lb为英制中质量单位磅的符号。对上式进行换算，使： [α]=W/(m2 ·℃)， [G ]= kg/(m2 ·s)，[D ]= m。,绪论,【例2】,绪论,本节思考题,1.本课程的研究对象是什么？,2.什么是单元操作？,3.”三传一反“指的是什么？,4.在化学工程之前，出现过那些工程学科？,5.物料衡算和能量衡算的基本原理是什么？,6.什么是单位制？目前最常用的是什么单位制？,7.试写出几种典型的单元操作过程。,