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化工原理(PrinciplesofChemicalEngineering)多媒体教学课件(制药工程专业适用)UniversityofJinan济南大学2023/4/4化工原理绪论2化工原理(PrinciplesofChemicalEnginee

ring)化工原理该课程是从自然科学领域的基础课向工程科学的专业课过渡的入门课程。它在基础课（数学、物理、化学）与专业课（化工工艺学、化工工艺设计与设备设计等）之间，起着承前启后、由理及工的重要“桥梁”作用。2023/4/4化工原理绪论3执行济南大学新制定的

制药工程专业的化工原理教学大纲。化工原理国家级精品课程及网址：1、化工原理与实验，天津大学：http://202.113.7.1812003年度2、化工原理，北京化工大学：http://202.4.135.92003年度3、化工原理，华东理工大学：http://166.11

1.82.52004年度4、化工原理，华南理工大学http://202.38.193..233/05course/hg2005年度5、化工原理，南京理工大学2006年度6、化工原理，南京工业大学2007年度化工原理主要教材：（化工原理、化工过程与设备）天津大学：化

工流体流动与传热，化工传质与分离过程，21世纪教材华东理工大学：化工原理，21世纪教材华南理工大学：化工原理，21世纪教材北京化工大学：1杨祖荣主编版本，2王志魁主编版本。浙江大学与西安交通大学合编版本、大连理工大学版本

、清华大学版本等。化工原理课程国内概况我校的化工原理网络课程在化学化工学院精品课程栏内。2023/4/4化工原理绪论4化工原理绪论2学时第1章流体流动(fluidflow)10学时第2章流体输送机械(fluidtransportationmachinery)6学

时第3章沉降(particlessettling)与过滤(suspendingliquidfilter)8学时第4章传热(heattransfer)10学时第5章气体吸收(gasabsorption)10学时填料塔(packedtower

)2学时第6章液体精馏(liquiddistillation)16学时板式精馏塔(platetowerforliquiddistillation)4学时理论课学时共计68学时。(PrinciplesofChemicalEn

gineering)2023/4/4化工原理绪论5化工原理(PrinciplesofChemicalEngineering)1.化学工程学科中的基本概念(了解)2.化工原理课程的性质(了解)3.化工原理硏究问题的方法(理解)4.化工原

理课程应解决的问题(理解)5.单位与单位换算(掌握)6.物料衡算与能量衡算(掌握)绪论(preface)2023/4/4化工原理绪论6化学工业(chemicalindustry)：利用自然界中的物资资源，通过物理和化

学的方法将原料加工成为产品的工业。它的范围不但覆盖了化学与石化工业，而且渗透到能源、环境、生物、材料、制药、冶金、轻工、卫生、信息等工业及技术部门。在人们的衣、食、住、行、娱乐等生活中均离不开化学产品。原料产品1.化学工程学科中的基本概念化工（生产）过程(chemicalspro

ductionprocess)：化工产品的生产过程（化工工艺过程）。同一原料可以生产出多种产品；同一产品可以由不同的原料进行生产。2023/4/4化工原理绪论7C2H2提纯HCl提纯单体合成反应热单体精制聚合反应反应热干燥热量成品例：聚氯乙烯(PVC:polyvinylchlor

ide)塑料的生产过程。OHClCHClCHOHClCHCH222222212+−→++=乙烯氧氯化法：OHCHClCHClCHClCH2222+=→−nCHClCHCHClCH22→=乙炔加成法

：CHClCHHClHC−→+222nCHClCHCHClCH22→=C2H4提纯HCl提纯单体生成热量单体精制聚合反应反应热干燥热量成品空气氧氯化反应2023/4/4化工原理绪论8化学工程(ChemicalEngineering)：研究化工生产过程中的基本规律，并应用这些规律解决生产过

程与设备计算的工程技术学科。化工单元操作：(unitoperationofChemicalEngineering)：一物理性的化工基本操作过程。任何一种化工过程(chemicalsproductionprocess)均是由若干化工单元操作及化学反应过程有机组合

而成。1.化学工程学科中的基本概念化学工程：研究以化学工业为代表的过程工业中有关化学过程和物理过程的一般原理和共性规律，解决过程和装置的开发、设计、操作及优化的理论和方法问题。2023/4/4化工原理绪论9化学工程的产生与发展随着对化学品需求的

增长，引起了从手工业向大工业的过渡。化学家分为纯化学家和工业化学家（或称应用化学家）。纯化学家主要对合成新物质，发现新的化学反应，测定物质的化学结构和性质，以及新的机理、规律、理论感兴趣。工业化学家则着眼于将该化学物质或化学反应在工业上的运用和实现。要求工业化学家具备较多的物理和机械知识。英国

工程师G.E.戴维斯(GeorgeEdwardsDavis,1850-1907年)最早提出“化学工程”这一概念。1915年麻省理工学院A.D.Little首次提出“化工单元操作”的概念。1923年美国麻省理工学院的著名教授W.

H.华克尔等人编写出版的第一部关于单元操作的著作――化工原理（PrinciplesofChemicalEngineering），从而奠定了化学工程作为一门独立工程学科的基础，完成了从化工生产工艺到单元操作的发展，推进认识上的一个飞跃。对于化学工程学

科的形成和发展起到了推动作用。我国于20世纪20年代创办了化学工程系，开设了化工原理课程。解放之后，我国先后出版了以单元操作为主线的《化工原理》、《化工过程及设备》、《化工操作原理及设备》等教科书。2023/4/4化工原理绪论10化工学科体系的形成化工教育是从化学教育中分离出来的。1885年

，英国伦敦帝国学院最早创办了化工系，当时的课程是化学与机械工程的混合。不久停办。1888年，美国麻省理工学院首先在化学系科内设置化学工程课，后来才开始设置化学工程系。其他国家随后也逐步建立了化学工程系。在美国著名化学家A.D.Little首次提出“化

工单元操作”的概念之后，W.H.Walker(W.H.华克尔等),W.K.Lewis和W.H.McAdams三人合著的《化工原理》初版在1923年问世。化工学科已由一种工艺单元发展为现代化的工程科学。2023/4/4化工原理绪论11中国的化工高等教育192

7年4月，李寿恒在浙江大学建立了化工系。李寿恒先生于1925年在美国伊利诺伊大学获化学工程博士学位后回国教授应用化学。不久后，南京的中央大学和天津的南开大学也设立了化工系。到1949年，全国约有30个化工系。新中国成立后，进行大规模的院系调整，第一批合并组成了天津大学化工系、大连工

学院化工系、成都工学院化工系、华南工学院化工系、华东化工学院、北京石油学院等。1958年，北京化工学院创建。目前，全国有上百个化工学院或化工系。2023/4/4化工原理绪论12更为广义地说，化学工程是研究化学工业和相关过程工业（Processindustry）生产过程中所进行

的化学反应过程及物理过程普遍规律的一门工程学科。它的范围不但覆盖了化学与石化工业，而且渗透到能源、环境、生物、材料、制药、冶金、轻工、卫生、信息等工业及技术部门。20世纪60年代“三传一反”（动量传递、热量传递、质量传递、化学反应工程）概念的提出，开辟了化学工程发展过程的第二个历程。计算机应用的

快速发展，使化学工程成为更完整的体系，并推向了“过程优化集成”、“分子模拟”的新阶段。随着科学技术的高速发展，化学工程与相邻学科相融合逐渐形成了若干新的分支与生长点，诸如：生物化学工程、分子化学工程、环境化学工

程、能源化学工程、计算化学工程、软化学工程、微电子化学工程等。同时，上述新兴产业与学科的发展，也推动了特殊领域化学工程的进步。1.化学工程学科中的基本概念2023/4/4化工原理绪论13化工单元操作的分

类根据单元操作的理论基础进行的分类1）以动量传递(momentumtransfer)理论为基础：流体流动、流体输送机械、沉降、过滤、液体搅拌、固体流态化等2）以热量传递(heattransfer)理论为基础：加热

、冷却、蒸发等3）以质量传递(masstransfer)理论为基础：吸收、精馏、萃取、干燥等流体中发生的这三种传递现象(transportphenomena)都是由于流体质点的运动和分子扩散运动所产生的结果。1.化学工程学科中的基本概念流体流动：研究流体流动的规律，

完成流体输送的任务。流体输送机械：研究流体输送机械的性能特点，进行正确的选用及安装。沉降：利用密度差，从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒、液滴或气泡。过滤：根据尺寸不同的截留，从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒。

搅拌：输入机械能使流体间或与其他物质均匀混合。固体流态化：输入机械能使固体颗粒悬浮于流体中，具有流体状态的性质。换热（传热）：利用温度差，对于物质输入热量或移出热量，使物质升温、降温或者改变相态。蒸发：对于溶液输入热量使溶剂汽化，使溶液浓缩。2023/4

/4化工原理绪论14气体吸收：利用各组分在溶剂中溶解度的差异，分离气体混合物。液体精馏：利用各组分在同样条件下挥发度的的差异，分离液体混合物。液液萃取：利用各组分在萃取剂中溶解度的差异，分离液体混合物。固体干燥：对于湿固体物料输入热量，使湿

分汽化，使固体物料得以干燥。气液传质设备：实现气体吸收、液体精馏所需要的塔设备。1.化学工程学科中的基本概念随着新产品、新工艺的开发或为实现绿色化工生产，对物理过程提出了一些特殊要求，又不断地发展出新的单元操作或化工技术，如膜分离、参数泵分离、电磁分离、超临界技术等。同时，以节约

能耗，提高效率或洁净无污染生产的集成化工艺（如反应精馏、反应膜分离、萃取精馏、多塔精馏系统的优化热集成等）将是未来的发展趋势。单元操作的研究包括“过程”和“设备”两个方面的内容，故单元操作又称为化工过程和设备。化工原理是研究诸单元操作共性的课程。“三传理论的建立”是单元操作在理论上的进一步

发展和深化。传递过程是联系各单元操作的一条主线。2023/4/4化工原理绪论15单元操作目的物态原理传递过程流体输送输送液、气输入机械能动量传递过滤非均相物系的分离气-固液-固尺寸不同的截留动量传递沉降非均相物系

的分离气-固液-固密度差引起的相对运动动量传递传热加热、冷却、相变气、液、固利用温度差传入或移出热量热量传递吸收对混合气体的分离气利用溶解度的差异分离物质传递蒸发溶剂与不挥发性溶质的分离液使溶剂汽化热量传递精馏液体均相混合物分离液各

组分挥发度的不同物质传递萃取均相混合物的分离液各组分在溶剂中溶解度的不同物质传递干燥去湿固体供热汽化热质同时传递化工生产过程中常见的单元操作2023/4/4化工原理绪论162.化工原理课程的性质与任务化工原理(principl

esofChemicalEngineering)：是化学工程(chemicalengineering)学科的基础部分；是化工工艺(chemicaltechnology)学的理论基础。化工原理研究的对象是实际工程问题。其讲述各种化工单元操作的基本原理，典型化工设备的结构原理、操作

性能，工艺过程设计和设备设计的计算方法。化工原理课程具有显著的工程性它要解决的问题是多因素、多变量的综合性的工业实际问题，因此，分析和处理问题的方法也就与理科课程有较大的不同。该课程所研究的内容来自化工生产实践，又面向化工生产实践，是化工技术工作者的基本的重要的本领所在。该课程的研究内容就

是生产实际问题，故理论密切联系实际，通过学习培养学生应用基础理论,分析得到工程理论，解决工程实际问题的能力。2023/4/4化工原理绪论17化工过程开发：以已经研究出的从原料到产品的化工过程所包括的基本单元操作步骤为基础，从技术和经济上来考虑，

探索出最佳的工艺流程及设备，确定出最佳的操作条件。化工过程设计：通过计算确定设备的合适型式和主要尺寸，并且确定工艺流程中的控制点。化工过程操作：除了进行生产过程技术管理保障正常运行以外，更重要的是对于现有的工艺流程及设备作出改进以提高其效率。在化工过程开发、化工过程设计、

化工过程操作中都存在着明显的工程性：（1）影响化工过程的因素多，（2）制约化工过程的条件多，（3）在化工过程计算中，涉及到的物性数据、工程条件数据多，相关的经验数据和经验公式多，（4）效益是评价工程优劣的最终

判据。社会效益、经济效益、环境效益。本课程强调工程观点2023/4/4化工原理绪论18化工原理课程是化工类及相近专业的一门重要的技术基础课，其兼有“科学”与“技术”的特点，它是综合运用自然科学的基础知识，分析和解决化工类型生产中各种物理过程的工程学科。该课程的主要内容是利用数学、物理和化学等自然

科学的原理，研究实际化工物理过程中的客观规律，并利用这些规律进行化工过程设计、工艺计算、设备构造设计等。从理论知识体系来看，先行的数学、物理和化学等课程主要是揭示自然界中的普遍规律，属于自然科学的范畴。而化工原理课程所研

究的内容则属于工程技术科学的范畴。在化工类专业人才培养中，它起着由理及工的“桥梁”作用，它承担着工程科学与工程技术的双重教育任务。本课程强调工程观点、工程问题处理方法、定量运算、实验技能及设计能力的培养，强调理论联系实际。2.化工原理课程的性质与任务2023/4/4化工原理绪论19课程教学的主

导思想：以化学工程学科的发展和现代教育思想为依据，与社会发展需求相适应，提出本课程的科学体系和课程框架。以化工过程的共性为主线，将化工单元操作的内容及基础按过程共性分块，阐明共同的原理和科学基础，培养学生的应用科学理论的意识和获取知

识的能力。体现课程内容的工程特色，突出工程问题的处理方法，强调对于学生工程观点、工程方法、工程能力及工程素质的培养教育。以教学内容为载体，使学生掌握化工常用的科学研究方法，如：数学模型法、实验研究法、过程分解法、参数归并法及数学解析法等。在基本原理的应用中，从设计型问题和操作型问题两方面加强理论

联系实际的示范。以此培养学生从实际工作出发，思考和解决问题的能力。2.化工原理课程的性质与任务课程教学的方法：多采用启发式、分析式、研究式。仍然使用基本描述（叙述）。避免填鸭式。引导科学思维，培养分析及解决工程问题的能

力，培养进行工程技术研究的基本素质。2023/4/4化工原理绪论201）数学描述（解析）方法：常用的物理原理：物料衡算、能量衡算、热量衡算、动量守恒原理、牛顿第二定律、牛顿第三定律常用的化学原理：相平衡关系常用的数学手段：数学微积分原理3.化工原理研究问题时的方法2）复杂问

题的两种思维方式:（1）实验研究方法；（2）数学模型方法。阻力推动力传递速率=2023/4/4化工原理绪论21联系“化工原理”课程内容的两条主线1）传递过程是统一的研究对象动量传递、热量传递、质量传递2）各单元操作有着共同（或相似）的研究方法动量传递的单元操作：

力平衡、动量守恒、机械能守恒。经济分析。热量传递的单元操作：热量平衡、传热速率。经济分析。质量传递的单元操作：传质速率、相平衡关系、质量平衡、热量平衡、经济分析。3.化工原理研究问题时的方法总之，对于各单元操

作，均以质量守恒、能量守恒、平衡关系和速率关系这4种基本关系为基础，进行数学描述。2023/4/4化工原理绪论224.学习化工原理课程之后能够解决的问题1）如何根据各单元操作在技术上和经济上的特点,进行“过程设计和设

备类型选择”,以经济而有效地完成工艺设计，满足工艺的要求。2）如何进行“过程(process)”的计算和“设备(appatatus)”的设计。3）如何根据生产的不同要求,进行生产参数或指标的调节。4）当生产状况不正常时，如何寻找根源。2023/4/4化工原理绪论235.物理量的单位与量纲

（因次）1）单位制国际单位制[SI](SystemInternationald’Unites)基本单位:质量.kg长度.m时间.s具有专门名称的导出单位:力.N能量.功.J功率.W物理单位制[cgs]:基本

单位:质量.g长度.cm时间.s工程单位制:基本单位:力.Kgf长度.m时间.s需要由工程单位制或物理单位制换算到国际单位制。中华人民共和国法定计量单位（简称法定单位制）在我国的法定计量单位中，除了SI制中的基本单位导出单位外，又规定了一

些我国选定的非国际单位制单位。例如，时间用s（秒）、min（分钟）、h（小时）、d（日）。质量可以用kg（公斤）、t（吨）。温度可以用K（开尔文）、oC（摄式度）。物质的量mol（摩尔）、kmol（千摩

尔）。长度可以用m（米）、km（千米）、mm（毫米）、cm（厘米）。2023/4/4化工原理绪论242）量纲（因次）物理量的基本量的量纲为其本身。SI制中的基本量:质量M、长度L、时间T、热力学温度Θ、物质的量N、电流I、发光强度J导出量的量纲:例如：速度LT-

1加速度LT-2力MLT-25.物理量的单位与量纲（因次）3）量纲一致性方程(dimensionallyhomogeneousequation)物理量方程是与某一客观现象有关的各物理量之间关系的表达式。任何一个物理量方程

，只要理论上合理，该方程等号两边各项的量纲必定相等。2023/4/4化工原理绪论255.物理量的单位与量纲（因次）3）量纲一致性方程(dimensionallyhomogeneousequation)物理量方程是与某一客观现象有关的各物理量之间关系的表达式。任何一个物理量方

程，只要理论上合理，该方程等号两边各项的量纲必定相等。gzpgzp2211+=+2211pgzpgz+=++++=+++fhupgzWupgz2222222111kgJ+++=+++fpupgzWupgz22222221113mJ+++=+++feHgugpzHgug

pz2222222111mNJ=2023/4/4化工原理绪论26例:工程单位制中的力与国际单位制中的力之关系。以质量为1kg的物质在重力场中所受的力为分析对象。在工程单位制中，受力为1kgforce.在国际单位制中，根据牛顿第二定律F=ma受力为F=1×9.8

1=9.81[kg.m/s2]=9.81[N]所以1kgf=9.81N这是一个非常重要的关系式。4）单位换算5.物理量的单位与量纲（因次）2023/4/4化工原理绪论27例1：1atm=1.033kgf/cm2,将其换算成SI制的

单位。1kgf=9.81N1cm=10-2m例2：通用气体常数R=82.06atm•cm3/(mol•K),将其换算成SI制。()()Pa10013.1mN1081.9033.1cm/kgf033.1atm152222===−()=

==−−KkmolkJ314.8KkmolmN8314KkmolmmN101010013.106.82323325R2023/4/4化工原理绪论28例3：30℃水的粘度μ=0.008g/(cm.s)（泊）,将此

cgs制单位换算成SI制。解:sPa108mN.s108m.s.m/skg.m/s0.0008m.skg10100.008μ4242223====−−−−例4:传质系数单位的转换计算.h.atmmkmol612G=K225.s.N/mm101.0133600kmol61

=229N/msmkmol1039.4=−2023/4/4化工原理绪论296.物料衡算(massbalance)和能量衡算(energybalance)若积累速率=0，则控制体处于稳定状态（定常态）。此时，dd,,Mqqoutminm+=输入速率之和=输出速率之和+控制体中

的积累速率输入速率之和=输出速率之和控制体通常以单位时间为基准，物理量的单位时间内的数值称为速率。平衡：输入之和输出之和控制体中的累积2023/4/4化工原理绪论30物料衡算（设计计算的基础）物质守恒定律（质量守恒）G5=G4+

G3=G4+G2+G1定常态操作（连续稳定操作），积累速率等于零。平衡：输入之和输出之和控制体中的累积2023/4/4化工原理绪论31能量衡算（通常为了确定热负荷）能量守恒定律（定常态操作）losscout,in,1QQQQQQ

++=++产物反应热原料lossin,cout,1QQQQQQ+−−+=反应热原料产物蒸汽inQoutQcQ冷凝水反应反应热Q2023/4/4化工原理绪论32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WVF+=溶质衡算wFwWwF=得到：FwwWwF=FwwVwF−=1、根据题意画出本例附图所示的

流程图。★解题思路、圈出衡算范围。、定出衡算基准，通常单位或。2023/4/4化工原理绪论33绪论完例21000kg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WSVF++=WF%50%10=WVF%48%80+=总物料衡算NaOH衡算H2O衡算