本课程的内容、性质及任务 Contents, Property and Tasks of This Course 内容 流体流动过程(传动过程):流体输送、沉降、过滤、(流态化)等 单元操作火传热过程:热交换、(蒸发)等 传质过程:蒸馏、吸收、(萃取)、干燥、(结晶)等 性质:(技术基础课或专业基础课或技术科学) 专並课 基础科学一技术科学一工程技术 基础课—技术基础课一应用技术 3.任务:培养学生发现、分析、解决单元操作中各种问题的能力 (1)介绍三传的基本原理。 (2)介绍主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型、设计及实验研究方法。 (3)培养学生发现、分析、解决单元操作中各种问题的能力。 、物理量的单位与量纲 Units and Dimensions of Physical Quantities 1.单位:计量中作为记数单元所规定的标准量。 2.单位(计量)制度:由基本单位和导出单位组成的一系列计量单位的总称 3.单位制分类及简史 英单位制(FPS 单位制<物理单位制(CGS) 国际单位制(SI)(含我国的法定单位制) 工程单位制(重力制)
一、本课程的内容、性质及任务Contents, Property and Tasks of This Course 1. 内容 流体流动过程(传动过程)：流体输送、沉降、过滤、（流态化）等 单元操作 传热过程：热交换、（蒸发）等 传质过程：蒸馏、吸收、（萃取）、干燥、（结晶）等 2．性质：（技术基础课或专业基础课或技术科学） 基础课—专业基础课—专业课 基础科学—技术科学—工程技术 基础课—技术基础课—应用技术 3．任务：培养学生发现、分析、解决单元操作中各种问题的能力 (1) 介绍三传的基本原理。 (2) 介绍主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型、设计及实验研究方法。 （3）培养学生发现、分析、解决单元操作中各种问题的能力。 三、物理量的单位与量纲Units and Dimensions of Physical Quantities 1．单位：计量中作为记数单元所规定的标准量。 2．单位(计量)制度：由基本单位和导出单位组成的一系列计量单位的总称。 3. 单位制分类及简史 英单位制(FPS) 单位制 物理单位制(CGS) 国际单位制(SI) （含我国的法定单位制） 工程单位制（重力制）
世界上普遍使用的计量(单位)制度有两个。一个是10世纪初由英国人创立的 Foot-Pound Second Measurement System,简称英制(FPS);另一个是18世纪末由法国人发展的 Centimeter-Gram- Second Measurement System,简称物理制(CGS)。后来工程界将物理制发 展为 Meter-Kilogram-Second Measurement System,简称米制(MKS)。1960年第十一届国际 计量大会对米制进行了规范化,建立了 Intemational System of Units,简称国际制(I)。工程 制是工程界在米制基础上发展起来的。国际制以长度、质量、时间为基本量,以米、千克质 量、秒为相应的基本单位,而工程制以长度、力、时间为基本量,以米、千克力、秒为相应 力定义为千克质量的物体在北纬45°海平面上所受的重力,根据牛顿第 定律,可知一千克力等于9.80665牛顿。我国目前市场上使用的市制(MS, Market System) 是在米制基础上对我国旧市制进行修改而形成的 1959年我国政府正式确定米制为我国的基本计量制度,1977年国务院计量管理条例规定 我国的基本计量制度是米制,逐步采用国际制”。1984年又发布命令,确定我国统一实行 以国际制为基础,并包括由我国指定的若干非国际制单位在内的《中华人民共和国法定计量 单位制度》,简称法定伟h,L,t,r/min 4.单位换算:将换算关系代入原单位中即可进行单位换算 同一物理量用不同单位计量时,其数值是不同的,又由于目前常用的物理、化学数据和工程图 表仍有许多使用物理制和工程制,所以单位换算在化工计算中是非常重要的。 实践证明,单位换算时,不仅初学者常常造成混乱,就是很有经验的人,如不遵守一定的规则, 也会发生错误。 单位换算时,先从附录2中查出换算关系,后将换算关系代入原单位中即可进行单位换算。 在化工计算中,先用换算关系将各物理量不同单位制的数值换算成同一种单位制的数值,然 后再进行计算,就能避免差错。 5.经验方程的换算 若已知物理量的单位与经验方程中规定的单位不相符,则要将已知物理量的单位换算成经验方 程中规定的单位后才能进行运算;若经验方程要经常使用,则可以将经验方程加以变换,使 经验方程中各物理量采用计算者所希望的单位,这就是经验方程的换算 由于经验方程中的符号只代表物理量的数值部分,所以只要让经验方程中的符号只代表数值 部分,即可讲行经验方程换篁,例如:
世界上普遍使用的计量（单位）制度有两个。一个是10世纪初由英国人创立的Foot-PoundSecond Measurement System，简称英制(FPS)；另一个是18世纪末由法国人发展的 Centimeter-Gram-Second Measurement System，简称物理制(CGS)。后来工程界将物理制发 展为Meter-Kilogram-Second Measurement System，简称米制(MKS)。1960年第十一届国际 计量大会对米制进行了规范化，建立了International System of Units，简称国际制(SI)。工程 制是工程界在米制基础上发展起来的。国际制以长度、质量、时间为基本量，以米、千克质 量、秒为相应的基本单位，而工程制以长度、力、时间为基本量，以米、千克力、秒为相应 的基本单位。一千克力定义为一千克质量的物体在北纬45o海平面上所受的重力，根据牛顿第 二定律，可知一千克力等于9.80665牛顿。我国目前市场上使用的市制(MS, Market System) 是在米制基础上对我国旧市制进行修改而形成的。 1959年我国政府正式确定米制为我国的基本计量制度，1977年国务院计量管理条例规定： “我国的基本计量制度是米制，逐步采用国际制”。1984年又发布命令，确定我国统一实行 以国际制为基础，并包括由我国指定的若干非国际制单位在内的《中华人民共和国法定计量 单位制度》，简称法定制。 4．单位换算：将换算关系代入原单位中即可进行单位换算 同一物理量用不同单位计量时，其数值是不同的，又由于目前常用的物理、化学数据和工程图 表仍有许多使用物理制和工程制，所以单位换算在化工计算中是非常重要的。 实践证明，单位换算时，不仅初学者常常造成混乱，就是很有经验的人，如不遵守一定的规则， 也会发生错误。 单位换算时，先从附录2中查出换算关系，后将换算关系代入原单位中即可进行单位换算。 在化工计算中，先用换算关系将各物理量不同单位制的数值换算成同一种单位制的数值，然 后再进行计算，就能避免差错。 5．经验方程的换算 若已知物理量的单位与经验方程中规定的单位不相符，则要将已知物理量的单位换算成经验方 程中规定的单位后才能进行运算；若经验方程要经常使用，则可以将经验方程加以变换，使 经验方程中各物理量采用计算者所希望的单位，这就是经验方程的换算。 由于经验方程中的符号只代表物理量的数值部分，所以只要让经验方程中的符号只代表数值 部分，即可进行经验方程换算，例如：
如 Antoine蒸汽压方程: lg p; '=A'B t+C mmHg=p, kPa, p'= kPa mmg2=750062 P (物理量=数值×单位) T=273.15+t (数值转换关系) 理论:系统化了的理性认识。客观事物的本质、规律性的正确反应。其重要意义在于指导实 改。汉冇理论指号的实践是盲日的实戢。脱离实际的理论是空洞的理论。 理论方程:以定义、定律为基础,经逻辑(演绎)推理而得的某些物理量之间的关系。其重 要意义在于其广泛的适用性,可以指导实践。如流体静力学基本方程:P2=P1+可以适 用于任何静止流体。 经验:感性认识。是人们在实践过程中,通过自己的肉体感官直接接触客观外界而获得的, 对各种事物的表面现象的初步认识。 经验方程:以实验结果为基础,经数学拟合而得的某些物理量之间的关系。其特点在于其专 用性,可作为理论方程的补充。当理论方程较复杂时,可用经验方程简化计算;当没有理论 方程时,可通过实验建立经验方程以满足工程应用的需要。如 Antoine蒸汽压方程: 只适用于特定的物质 lg p,= 4_ B t+C 1.量纲 Dimension (1)定义:某类物理量B(可以相互比较的一类物理量)的量纲是该类物理量不同单位的统称, 记为dimB 性质:若用符号L、M、T、Ⅰ、θ、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 dmQ=MBl⊙5 式中a,只,y, 量纲指数(因次)
如Antoine蒸汽压方程： （物理量=数值单位） （数值转换关系） 理论：系统化了的理性认识。客观事物的本质、规律性的正确反应。其重要意义在于指导实 践。没有理论指导的实践是盲目的实践。脱离实际的理论是空洞的理论。 理论方程：以定义、定律为基础，经逻辑（演绎）推理而得的某些物理量之间的关系。其重 要意义在于其广泛的适用性，可以指导实践。如流体静力学基本方程： 可以适 用于任何静止流体。 经验：感性认识。是人们在实践过程中，通过自己的肉体感官直接接触客观外界而获得的， 对各种事物的表面现象的初步认识。 经验方程：以实验结果为基础，经数学拟合而得的某些物理量之间的关系。其特点在于其专 用性，可作为理论方程的补充。当理论方程较复杂时，可用经验方程简化计算；当没有理论 方程时，可通过实验建立经验方程以满足工程应用的需要。如Antoine蒸汽压方程： 只适用于特定的物质。 1．量纲Dimension （1）定义：某类物理量B（可以相互比较的一类物理量）的量纲是该类物理量不同单位的统称， 记为dimB。 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）
例如 dimw=Lr(速度)dma=L72(加速度)dmF=LMr2(力 若a=B=y=6=5=5=n=0,则 所以Q称为量纲为1的量,或称为无量 纲量 纲一致性原理:任何一个理论(物理)方程两边的量纲必相等 1m=3.281≠xkg≠但 t(C)=f(o(h) (经验方程)。 物料衡算 Material balances 物料衡算是质量守恒定律在流动系统中的应用,也就是进入和离开某一衡算范围的质量总和 之差等于该衡算范围内的质量累积,即 ∑G2-G=GA 五、能量衡算 Energy Balances 能量衡算是能量守恒定律在流动系统中的应用,也就是进入和离开某一衡算范围的能量总和 之差等于该衡算范围内的能量累积,即 ∑Q2-E。=9 当GA=0和QA=0时,则过程为稳定(定态)过程。否则为不稳定(非定态)过程。 衡算基准:连续过程,单位时间 间歇过程,一个循环(批次)。 六、化学工程科学分类及简史 Classification and Concise History of Chemical Engineering 回顾一下化学工程科学的发展历程,将有助于我们学好《化工原理》这门课程。 我们知道,化学工业是一门古老的工业,但以化学工业过程为研究对象的化学工程科学的诞生 至今只有80多年的历史。这是由于最初的化学工业规模比较小,技术要求不高,化学家可以 全凭经验来设计和操作化工装置
例如： 若 ，则 所以Q称为量纲为1的量，或称为无量 纲量 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。 如： 但 （经验方程）。 四、物料衡算Material Balances 物料衡算是质量守恒定律在流动系统中的应用，也就是进入和离开某一衡算范围的质量总和 之差等于该衡算范围内的质量累积，即 五、能量衡算Energy Balances 能量衡算是能量守恒定律在流动系统中的应用，也就是进入和离开某一衡算范围的能量总和 之差等于该衡算范围内的能量累积，即 当GA=0和QA=0时，则过程为稳定（定态）过程。否则为不稳定（非定态）过程。 衡算基准：连续过程，单位时间 间歇过程，一个循环（批次）。 六、化学工程科学分类及简史 Classification and Concise History of Chemical Engineering 回顾一下化学工程科学的发展历程，将有助于我们学好《化工原理》这门课程。 我们知道，化学工业是一门古老的工业，但以化学工业过程为研究对象的化学工程科学的诞生 至今只有80多年的历史。这是由于最初的化学工业规模比较小，技术要求不高，化学家可以 全凭经验来设计和操作化工装置
随着第二次工业革命的兴起,化学工业开始向大型化迈进。为了适应化学工业的大型化,从 19世纪90年代(1890s)开始,化工各行业开始研究各自的生产工艺学。随着研究的深入,人 认识到化工各行业中的许多物理过程遵循相同的物理原理。于是在1923年美国麻省理工学院 MIT)化工系的三位教授 Walker,, Lewis, and madams编著了一本名为” Principles of Chemical Engineering的书。他们在该书中提出了单元操作( Unit Operation)的概念,并且 出,在所有的化工装置中进行的所有物理过程,无非是原料的输送、混合、加热、冷却, 品与废料的分离等几种操作。该书的出版标志着化学工程科学的诞生,也使化工装置从由化 和操作开始转向由化学王程师设计和操作。 下面的例子可以说明化学家与化学工程师的差别。青霉素是由烧杯中营养液表面的霉菌生长 而制成的。第一次规模生产是用成千上万只烧杯来生产,这样不能降低成本。后来化学工程 师设计了一个一千加伦的罐子,大量的空气被鼓入罐中通过营养液以提供霉菌生长所需的氧 气,这就大大地降低了成本,使青霉素真正成为广泛使用的药物。 随着对单元操作研究的深入,人们又认识到所有的单元操作实质上不过是动量传递、热量传 递和质量传递(三传)的特殊情况或特定组合,并于1960年出版了” Transport Phenomena Bird, Stewart, and Lightfoot)。作者在该书中对三传过程进行了理论分析,使许多过去必须 用经验方法解决的问题,现在可以用理论方法加于解决 在研究单元操作和传递现象的同时,人们对化学过程也进行了深入的研究,并于1962年出版 了” Chemical Reaction Engineering”(o. Levenspiel)。作者在该书中对各种反应器的设计、 放大和最优化问题进行了详细的讨论 从此,化学工程科学进入了以“传递过程”和“反应工程”为中心的所谓“三传一反”的发展阶 化学工程科学还有两个分支。一是化工热力学,另一是化工系统工程。化工热力学是用化学热力 学的理论来解决化工过程中的能量和极限问题,化工系统工程是用最优化的方法来对化工装 置进行设计和操作。 化工原理(单元操作) 化工传递过程原理(传递现象) 化学工程 化学反应工程 化工热力学 化工系统工程
随着第二次工业革命的兴起，化学工业开始向大型化迈进。为了适应化学工业的大型化，从 19世纪90年代(1890s)开始，化工各行业开始研究各自的生产工艺学。随着研究的深入，人们 认识到化工各行业中的许多物理过程遵循相同的物理原理。于是在1923年美国麻省理工学院 (MIT)化工系的三位教授Walker, Lewis, and MeAdams 编著了一本名为”Principles of Chemical Engineering”的书。他们在该书中提出了单元操作(Unit Operation)的概念，并且指 出，在所有的化工装置中进行的所有物理过程，无非是原料的输送、混合、加热、冷却，产 品与废料的分离等几种操作。该书的出版标志着化学工程科学的诞生，也使化工装置从由化 学家设计和操作开始转向由化学工程师设计和操作。 下面的例子可以说明化学家与化学工程师的差别。青霉素是由烧杯中营养液表面的霉菌生长 而制成的。第一次规模生产是用成千上万只烧杯来生产，这样不能降低成本。后来化学工程 师设计了一个一千加伦的罐子，大量的空气被鼓入罐中通过营养液以提供霉菌生长所需的氧 气，这就大大地降低了成本，使青霉素真正成为广泛使用的药物。 随着对单元操作研究的深入，人们又认识到所有的单元操作实质上不过是动量传递、热量传 递和质量传递（三传）的特殊情况或特定组合，并于1960年出版了”Transport Phenomena” (Bird, Stewart, and Lightfoot)。作者在该书中对三传过程进行了理论分析，使许多过去必须 用经验方法解决的问题，现在可以用理论方法加于解决。 在研究单元操作和传递现象的同时，人们对化学过程也进行了深入的研究，并于1962年出版 了”Chemical Reaction Engineering” (O. Levenspiel)。作者在该书中对各种反应器的设计、 放大和最优化问题进行了详细的讨论。 从此，化学工程科学进入了以“传递过程”和“反应工程”为中心的所谓“三传一反”的发展阶 段。 化学工程科学还有两个分支。一是化工热力学，另一是化工系统工程。化工热力学是用化学热力 学的理论来解决化工过程中的能量和极限问题，化工系统工程是用最优化的方法来对化工装 置进行设计和操作。 化工原理（单元操作） 化工传递过程原理（传递现象） 化学工程 化学反应工程 化工热力学 化工系统工程