传质与分离-introduction.ppt

Principles of Chemical Engineering化工原理,杨东杰 Tel： 87114722 化工学院 16号楼413 2015化工原理课程群 ： 156889058,任课老师介绍,杨东杰 ： 教授/博士生、硕士生导师 研究方向：化学工程，精细化工、生物质资源化工 科学研究情况： （1）生物基纳米材料的研究 （2）木质素可再生资源利用技术 （3） 生物催化法改性木质素的研究。 主讲 (1)《流体力学与传热》， (2)《传质与分离工程》； (3)《化工原理实验课》 (4) 《化工原理课程设计》,3,课堂纪律: 迟到超过5分钟，站着上课 不允许打、接电话，看手机或与课程无关的资料、 不允许在上课中睡觉、吃东西、做作业等 按第一次上课的排位坐，如需更改，四周后可调换一次,1.化工工业的重要性及发展 2.化工生产过程 3.化工学科的内容 4.研究方法及基本概念 5.单位及其换算 6.化工原理系列课程的内容和要求,绪 论,—— 衣食住行,化学工业,,人类生存密切相关,—— 能源,—— 国防和科技现代化,—— 环保,,,开源节流,1.化学工业的重要性,为农业提供化肥、农药等农用生产资料； 为轻纺、建材、冶金、国防、军工及其他行业提供各种配套原材料和能源等； 为微电子、信息、生物工程等高科技产业提供新型化工材料和新产品； 为人们的衣、食、住、行提供各种化工产品。,国民经济的重要基础产业,化学不断发现和创造的新物质,,产品,化工过程,化学反应,有经济价值的商业产品,化学工程,世界化工产品的总销售额(年),--- 几千亿美元,,,Tower,化学工业的发展 昨天（始于18 世纪工业革命）,,无机化学工业,1746 年 英国人罗巴克 铅室法制硫酸 1791 年 法国人路布兰 制碱 1861 年 比利时人索尔维 氨碱法 1905 年 德国人哈伯 合成氨 1941 年 中国人侯德榜 联碱法,有机化学工业,,1826 年 从氰酸铵合成尿素 19 C 中叶、20 C 初利用煤、农副产品 20 C 30 年代开始石油、天然气的开发,今天（我国）,明天（发展趋势）,,以信息技术为先导,以新材料技术为基础,以新能源技术为支柱,微观尺度向生物技术开拓,宏观尺度向空间和海洋扩展,化学工业不再局限于传统的化工领域，与其他技术渗透结合。,材料工程 高分子功能材料、陶瓷、纳米材料、富勒碳 能源化工 发展煤化工（洁净煤技术）、生物质资源化工 环境化工 CO2 化学 环境工程 清洁生产,直接氧化法:,氯乙醇法,发展趋势,生物工程,,,,生物学,化学,工程学,生物技术,生化 工程,化学工程,生物化学,,,e.g. 将淀粉酶基因克隆到酵母菌中发酵生产乙醇，时间缩短了十分之九，能量消耗减少了60％。,,能源与化工,,纤维素乙醇技术、微藻生物柴油技术和生物航煤技术,化工过程是什么？,2.化学工业生产过程,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。,,,高压乙烯流程,乙醇生产工艺流程图,,,,,,,,,,1887 年，英国人David. G. E . 在曼彻斯特工学院做了一系列化学工程问题的讲演； 1888 年，美国麻省理工学院，世界上第一次讲授“化学工程”这门课程； 1915 年，利特尔Little. A. D. 提出了单元操作（Unit Operation）的概念； 1923 年，第一本化学工程教科书《Principles of Chemical Engineering》；,3、化学工程学科内容,1957 年，正式提出了“化学反应工程”（Chemical Reaction Engineering） 20 世纪 60 年代后期，计算机用于化学工程以解决最优规划，最优设计─“化工系统工程” 1983 年在美国化学工程师学会（AICHE）第 75 周年年会上，把化学工程定义为“经济地开发利用物质和能量的方法为人类造福的工学”。,,化工生产,化学工艺学 或工业化学,单元操作 （物理过程）,化学反应工程,,,单元过程 （化学过程）,,化工系统工程,传递过程,学科的发展,化学工程学科的内容 单元操作 固体和流体物料输送、加热和冷却、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、干燥等基本操作的总称。 传递过程 “三传”： 动量传递、热量传递、质量传递 化学反应工程 研究理想反应器内化学反应的一些共同规律 化工热力学 研究化工过程中各种形式能量之间的相互转换规律和过程趋于平衡的条件 化工系统工程 以化工系统为研究对象，从整体目标出发确定最优决策,化工生产过程的特点,由若干个简单的过程按一定的顺序和方式组合而成的 物理过程（输送、分离、干燥、气化等） 化学过程（脱水、聚合等化学反应） 化工原理－－研究物理操作过程的设备构造、设计、操作等,单元操作是指化工生产过程中基本原理和典型设备的相同物理性操作。,单元操作及分类,单元操作特点： 化工生产中共有的操作; 物理性操作：只改变物料状态和物理性质，化学性质不变。,物理操作过程－－占整个化工过程的80％ 单元操作：过程和设备并重,按操作目的分类 （1）物料的增压、减压和输送； （2）物料的混合或分散； （3）物料的加热或冷却； （4）非均相混合物的分离； （5）均相混合物的分离。,单元操作分类：,依据不同原理分类 （1）以流体力学为基础 流体输送、沉降、过滤分离等 （2）以热量传递理论为基础 加热、冷却、蒸发等 （3）以质量传递理论为基础 蒸馏、吸收、萃取、干燥等,典型的化工单元操作,精馏,列管式换热器,化工生产 = 单元操作 + 化学反应（单元过程）,三传 = 动量传递 + 热量传递 + 质量传递,化学工程 = 化工原理 + 反应工程 = 三传 + 一反,4、化工原理的研究方法及基本概念,化工原理课程的两条主线,1、动量传递、传热和传质（三传）---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。,a.实验研究方法（经验的方法） b.数学模型法（半经验半理论的方法）,2、研究工程问题的方法论--各单元操作有共同研究方法,研究方法,,实验研究法,,测试技术,实验规划,数据处理,数学模型法,,过程分析,数学描述,检验与修正,(1)实验研究方法（经验方法） 优点：省却方程的建立，直接采用实验获 得变量间的关系 不足：实验工作量大、缺乏指导意义 (2)数学模型方法（半理论半经验方法） 必要性：复杂问题的简化——广泛被应用,课程的展开方式,过程分析,过程数学描述,实例分析,定性,定量,应用,物料衡算、能量衡算、物料的平衡关系、传递速率和经济核算五个基本概念贯穿于各个单元操作的始终。,5 个基本概念,实验室研究与化工生产差别,e.g. a. 搅拌,化学实验与化工生产过程比较,b. 放大效应,c. 加料,D →10 D,V（容积）?,S（传热器壁面积）?,实验室,工业过程,直接过渡,想 一 想,,是否可行 ?,从实验室研究到工业生产,实验室成果能否进行工业化的四个要求:,对环境无危害,技术上可靠,经济上可行,生产上安全,(1).物料衡算 依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即 输入量－输出量＝累积量 稳定操作状态时，过程中不应有物料的积累。则物料衡算（material balance）关系为 输入量＝输出量 1）首先根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。 （2）在写衡算式之前，要计算基准，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。,物料衡算(mass balance) （设计计算的基础）,G5 = G4 + G3 = G4 + G2 + G1,定常态操作（连续稳定操作），积累速率等于零。,输入速率之和 = 输出速率之和,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273K液态(即此时H＝０)。 2. 热量除了伴随物料进出系统外，还可通过设备外壳、管壁由系统向外界散失或由外界传入系统，只要系统与外界存在温度差，就有热量的散失或传入，称热损失QL。 热量衡算通式： ΣQi=ΣQo+QＬ,2. 热量衡算,能量衡算(energy balance) （通常为了确定热负荷Q1）,能量守恒定律 （定常态操作）,例1 用连续操作的蒸发器把质量分率为wF的稀盐水溶液经蒸发浓缩到质量分率为ww的浓盐水溶液。稀盐水溶液的进料量为F(kg/h) ，试求：浓盐水溶液（完成液）的产生速率W (kg/h) 和水蒸气（二次蒸汽）的产生速率V (kg/h) 。,总物料衡算,溶质衡算,得到：,1、根据题意画出本例附图所示的流程图。,★解题方法与步骤,2、圈出衡算范围（控制体）。,3、定出衡算基准，通常单位1h或1s。,例2 1000kg的电解液F中含NaOH（质量百分数，下同）10% 、NaCL10% 、H2O80% ，用真空蒸发器浓缩，食盐结晶分离后的浓缩液中含NaOH50% 、 NaCL2% 、H2O48% 。试求： （1）水分蒸发量V；（2）结晶分离的食盐量S；（3）食盐分离后的浓缩液量W。在全过程中，溶液中NaOH的量保持不变。,解：,电解液被分离为3部分,总物料衡算,NaOH衡算,H2O衡算,平衡状态是自然界中广泛存在的现象。 如在一定温度下，不饱和的食盐溶液与固体食盐接触时，食盐向溶液中溶解，直到溶液为食盐所饱和，食盐就停止溶解，此时固体食盐表面已与溶液成动平衡状态。反之，若溶液中食盐浓度大于饱和浓度，则溶液中的食盐会析出，使溶液中的固体食盐结晶长大，最终达到平衡状态。一定温度下食盐的饱和浓度，就是这个物系的平衡浓度。 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”。,(3). 物系平衡关系,过程的传递速率（rate of transfer process）与推动力成正比，与阻力成反比，即 传递速率= 推动力/阻 力 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。,(4). 传递速率,为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核算确定最经济的设计方案。,(5). 经济核算,基础数据：物性数据 过程参数：控制生产过程的指标 无量纲量：由各种变量和参数组成的数群,化工数据,国际单位制（SI） The International System of Units,5、单位制及单位换算,任何物理量都由数字和单位联合表达的。运算时，数字与单位一并纳入运算。如： 5m+8m=(5+8)m; 5m×8m=(5×8)(m×m)=40m2 物理量单位选择时，先选定几个独立的物理量，叫基本量，并根据使用方便的原则，定出这些量的单位，叫基本单位； 其它各量的单位通过它们与基本量之间的关系来确定，这些物理量叫导出量，单位叫导出单位；导出单位是由基本单位乘除构成的。,（一）单位制：,国际单位制(SI单位制),7个基本量：长度:m；时间:s；质量:kg；电流强度:A(安培)；发光强度:cd(烛光)；物质的量:mol(摩尔)；热力学温度:K。 2个辅助量：平面角:rad(弧度)；立体角:sr(球面度)。 特点： 1.通用性。 2.一贯性。任何一个SI导出单位，在由基本单位导出时，都不需引入比例系数。,,不同单位制的不同基本量,导出量,力―N；压强―Pa（N/m2）；功，能，热―J；功率―W,1.物理量：由一种单位换算成另一种单位时，量本身并不变化，只是数值要变化，换算时要乘或除以两单位间的换算因数。 换算因数：彼此相等而单位不同的两个物理量包括单位在内的比值。 如；1m＝100cm，则换算因数为100cm/m 或0.01m/cm 例：已知1atm=1.033kgf/cm2,试用Pa表示。 解：查附录1知：1kgf=9.81N, 1cm2=10-4m2 换算因数：9.81N/kgf, 10-4m2/cm2,单位正确运用及单位换算,借助实验或半实验、半理论的方法处理得到的公式。它只反映各有关物理量之间的数字关系，每个符号只代表物理量的数字部分，而这些数字又与特定单位对应。因此，使用经验公式时，各物理量必须采用指定单位。 例:水蒸汽在空气中扩散系数为：,式中：D－扩散系数，ft2/h； P－压强，atm； T－兰氏温度，oR。 试将式中各符号单位换算成 D:m2/s；P:Pa；T:K,经验公式(数字公式)单位换算,6、化工原理系列课程内容,流体力学与传热 流体流动、流体输送设备、固液分离、传热 传质与分离工程 传质理论、吸收、精馏、干燥 化工原理实验（上、下） 化工原理课程设计,,化工原理课程特点,,课程性质 课程任务 课程内容 课程要求,,工程,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,本课程，不是教大家如何合成得到新物质？如何提取新物质？如何表征新物质？这是化学家的事。 化学工程研究的是：如何把化学家们的小试研究成果开发放大为中试，再开发为生产规模。是在科学实验与化工之间架桥的工作，是直接为人类服务的创造价值的劳动。,,2、复杂性：难学。是在高等数学、物理学及物理化学等课程的基础上开设的较综合的课程。方法与前不同，公式多，知识比较零散。,1、重要性：化学工程技术人员必修之课，重要的专业技术基础课，应用性课程；理论与工程实际相联系的桥梁。,3、严谨性：要求树立严谨的态度。,,,本节课后思考题,举1~2个例子，论述某个单元操作（化工过程）在某个领域中的应用，写在练习本上（不超少于500字）。,流体力学与传热教学安排及要求,1．讲课学时安排 《化工原理》上册，《流体力学与传热》，16 周 教学大纲共计64 学时。 绪论 2学时 第一章 流体流动 14学时 第二章 流体输送机械 8学时 第四章 固液分离 10学时 第六章      传热 14学时,平时课堂练习本 薄软皮本：课堂练习+课后思考题，不定期抽查。 作业本：可用A4纸，写完后装订好。,1、过分注重结果，忽略了基本概念的掌握和基本原理的理解。 2、运算能力有待于进一步提高。 3、总结归纳和分析的能力薄弱。 4、作业抄袭严重,教学环节与要求 1、课堂教学（思路和概念为主）： 2、认真听讲、记笔记，理解基本原理的基础上再做作业 3、习题课：每章上完课后安排 4、预习、复习、练习 5、不迟到、早退，保证出勤率,学习过程中存在的主要问题：,考核： 课程：平时成绩（出勤、作业和课堂回答问题、课后习作）（30%） 期末闭卷考试（70%）： （1）每次上课前提问上节课的知识点 （2）14~15周：课程PPT汇报，每人单独汇报,1.《化工原理》（上），钟理等编，化学工业出版社，或天津大学出版社， 2.《流体流动与传热》，华工 编 化学工业出版社 3.《化工原理》（上），清华大学出版社,辅助教学资料： 1.《化工原理学习指导》， 马江权等 ，华东理工大学出版社 2.《化工原理学习指南》，柴诚敬等，高等教育出版社 3.《化工原理学习指导》-----疑难解析 例题详解 习题精选， 丁忠伟，化学工业出版社 4.《化工原理800例》，王 湛等，国防工业出版社,参考教材：,,祝同学们学习进步、学有所得!,