化工原理

绪论

(一) 化工过程及单元操作

一、化学工程的发展

1．化学工程：是工程技术的一个分支，是一门探讨化工生产过程的基本规律，并应用这些规律来解决化工生产问题的学科。

也就是说，化学工程以化学工业的生产过程为研究对象，也即是化学工业的生产过程。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，而且在化学性质上也发生变化，成为合乎要求的产品。

化工过程包括许多步骤，原料在各步骤中依次通过若干组设备，经历各种方式的处理之后才成为产品。

化工过程所包括的步骤可分成两类：

{dy}类：以进行化学反应为主，通常是在反应器中进行。

第二类：并不进行化学反应的步骤，如蒸馏、干燥等。

2．化学工程的发展 

①早期，化学工业上各种化工产品的生产技术，被看作是孤立的，人们从一个产品到另一产品，只能逐个地摸索其生产过程规律。

②本世纪20年代初，人们才认识到，化工产品虽有成千上万种，其生产工艺流程虽然各式各样，但它们都有共同之处。

例如：

A．硫酸的生产工艺：

[硫铁矿FeS2] 破碎 [粉粒] 筛分 [粉末] 焙烧  [SO2]   除尘、精制　[SO3]

                                                 转化

H2SO4（浓） H2SO4

   　 吸

B．合成氨的生产工艺：                 　　CO变换——　脱CO2

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　320Pa　　　

[煤（石油，天然气）]——[造气]——　[脱硫]——[压缩] ——  [合成]——　氨

                                      　[铜洗CO]→[碱洗CO2]

从以上的工艺可知, 任何化工生产过程可概括为如下典型过：

原料——[物理处理过程]——　[化学处理过程]——　[物理处理过程]   产品

                       　　　　循环

 从以上分析，可知每一种化工产品的生产过程都有是运用若于单元操作技术来处理某些化学反应的原料，产品的过程的总和。于是提出了化工“单元操作”的概念。

二、单元操作（Unit Operation)

1．定义：在各种化工产品的生产过程式中，具有共同的物理变化，遵循共同的物理学定律和具有共同作用的基本操作。如流体输送、蒸发、干燥、分离等。

2．特点：

（1）它们都是物理性操作，P1。

  （2）它们都是化工生产过程中共有的操作。

（3）某单元操作用于不同的化工过程，其基本原理并无不同，进行该操作的设备往往也是通用的。

3．单元操作分类：根据单元操作内在的理论基础来分。

（1）流体力学（流体流动fluid flow process），包括：流体输送，沉降，搅拌…。

（2）传热（Heat transfer process）。包括：加热、冷却、蒸发等。

（3）传质 (mass transfer process)。包括：蒸馏、吸收、干燥、萃取等。  

以上三者并不是孤立存在，而是往往彼此相联系，共同起作用的。如：流体流动的基本原理，不仅是流体输送，搅拌﹑沉降及过滤的理论基础，也是传热与传质过程中各单元操作的理论基础。传热的基本原理，也是传热与传质过程中各单元操作的理论基础。

可以说，流体力学，传热及传质的基本原理是各单元操作的理论基础。

三、《化工原理》课程特点及要求

1．编教材目的：为学习化工单元操作而编写的教材。即这门课的主要研究内容是：以化工生产中的物理加工过程为背景，按其操作原理的共性归纳成的若干“单元操作”。

2．《化工原理》性质及研究过程

   属工科学科，用自然科学的原理考察，解释和处理工程实际问题。研究方法：主要是理论解析和理论指导下的实验研究。本课程强调工程观点，定量运算，实验技能和设计能力的训练。

3．《化工原理》的任务

   主要任务是介绍 流体流动，传热，传质的基本原理及主要单元操作的典型设备构造，操作原理，计算，造型及实验研究方法。

（二）单位及单位换算

一、单位制度：

1．定义：规定少数几个物理量作为基础物理量并且定出它们的单位，其它物理量的单位由基础物理量的单位导出。选择不同的基础物理单位，形成不同的单位制度。

2．几种主要单位制

1）物理制的基本单位（cgs制）

 基础物理量      长度   质量   时间   热量   温度

 单位符号         cm     g      s      cal     oC

2）工程单位制度

基础物理量     长度   力    时间   热量   温度

单位符号        cm   kgf     s     kcal      oC

3) 国际单位制度 (SI Unit)

① 构成及特点：

七个基础单元，二个辅助单位，17个具有专门名称的导出单位，16个词冠，共42个符号。全世界所有物理量都用这42个符号表示（P2)。

4）法定计量单位

 以国际单位制的单位为基础，根我国的情况，适当增加了一些其他单位构成。

基本物理量      长度   质量   时间   温度

单位符号   　　  L      M     T      θ

二、单位换算

1．定义：用一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地改变，这种换算称为单位换算。

2．单位换算的基本方法

例1：一标准大气压（1atm）的压力等于1.033kgf\cm2，将其换算成SI单位。

解：要用SI 单位表示大气压，则要将工程单位kgf→N，cm2→m2  它们的换算关系为：

1kgf = 9.81N，1cm = 1/100m，1atm = 1.033 × 9.81N / (1/100m)2 = 1.013 ×105 N/ m2

例2：通用气体常数R = 0.08206L·atm/mol.ok，试用法定单位J/mol·k表示。

解：从单位换算表查得 ：1L = 10-3m3，1 atm = 1.013 ×105Pa

∴R = 0.08206 × 10-3 ×1.013× 105 = 8.313 m3 Pa/mol·k

  从单位换算表查得：1Pa = 1N/m2 = 1N·m/m3 = 1J/m3

∴R = 8.314J/mol·k

(三) 物料衡算 Material balance

我们在处理化工问题上，常遇到物料和热量衡算，现分别谈谈：

1．依据：质量守恒定律  输入 = 输出 + 积存，稳定时，输入 = 输出

2．举例，书上P4 例1

3．物料衡算的步骤，P5

（四）能量衡算 Energy balance

1．依据：能量守恒定律，输入系统热量 = 输出系统热量 + 系统内积蓄的热量。

2．举例，书上P6 例4

3．注意：物料衡算基准和三角度衡算基准。

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