《化工原理教程》 (学生用) 制作:虚拟化工实验室 2003-6-8
《化工原理教程》（学生用） 制作：虚拟化工实验室 2003-6-8
前言 《新世纪网络课程化工基础》,不是电子书,是集文字、声音、动画于一体的多媒体 课件。该软件在内容上,有别于已出版教材的特点是:(1)公式推导详细,中文说明筒练 好像是一本数学书。(2)例题数量多。对消化理论,十分有帮助。(3)某些内容吸收了最 新研究论文的成果,知识深度、广度有所拓展。但是,该课件虽自成体系,但所列算图和 数据表格不够全面,仍需参考有关教材。所以,该课件与化工原理教材起到“互补”的作 用。 祁存谦2003年3月 绪论 0-1化工原理在化工领域的地位 合成氨 无机化学 硫酸制造 分析化学 化 化工原理 氯碱工业 有机化学 学传递过程 石油化工 物理化学 制糖业 反应工程 生 应用化学 制漆业 (还有:分 离工程、化 高分子 工热力学、 电镀业 系统工程) 化学教育 化学家 产化工专家 水泥、玻璃 制造业 此课程,不是教学生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生产之间架桥的工作,是直接为人类服务的创造价 值的劳动。 0-2化学工程发展四阶段 化学工程学主要经历了四个发展阶段 1、化学工艺学阶段。在20世纪以前的几百年时间里,出现了不少化学工业,如制糖 工业、制碱工业、造纸工业等。介绍每种工业从原料到成品的生产过程,作为一种特殊的
2 前言 《新世纪网络课程—化工基础》，不是电子书，是集文字、声音、动画于一体的多媒体 课件。该软件在内容上，有别于已出版教材的特点是：（1）公式推导详细，中文说明简练， 好像是一本数学书。（2）例题数量多。对消化理论，十分有帮助。（3）某些内容吸收了最 新研究论文的成果，知识深度、广度有所拓展。但是，该课件虽自成体系，但所列算图和 数据表格不够全面，仍需参考有关教材。所以，该课件与化工原理教材起到“互补”的作 用。 祁存谦 2003 年 3 月 绪论 0-1 化工原理在化工领域的地位 此课程，不是教学生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生产之间架桥的工作，是直接为人类服务的创造价 值的劳动。 0-2 化学工程发展四阶段 化学工程学主要经历了四个发展阶段。 1、化学工艺学阶段。在 20 世纪以前的几百年时间里，出现了不少化学工业，如制糖 工业、制碱工业、造纸工业等。介绍每种工业从原料到成品的生产过程，作为一种特殊的 无机化 学 分析化 学 有机化 学 物理化 学 应用化 学 化学教 育 合 成 氨 硫酸制 造 石油化 工 氯碱工 业 制 糖 业 制 漆 业 电 镀 业 水泥、玻璃 制 造 业 科 学 实 验 化 工 生 产 化 工原理 传 递 过 程 反 应 工 程 （还有：分 离工程、化 工热力学、 化 系统工程） 学 家 化 工 专 家 高分子
知识讲解,这是最早的化学工程学 2、单元操作阶段。到二十世纪初,人们逐渐发现,许多门化学工业中,存在共同的操 作原理。例如,无论在制糖业还是制碱业,从溶液蒸发,得到固体糖和固体碱所遵循的原 理是相同的,于是,蒸发成为最早提出的单元操作之一。经不断总结,被称为单元操作的 有:流体流动与输送、沉降与过滤、固体流态化、传热、蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取、 干燥、结晶、膜分离等。 传递过程阶段。到20世纪50年代,人们又发现,各单元操作之间还存在着共性。 例如传热、蒸发都是热量传递的形式,蒸馏、吸附、吸收、萃取都是质量传递的形式。于 是把单元操作归纳为动量传递、热量传递、质量传递。此即化工传递过程阶段。 4、“三传一反”阶段。50年代中期,化学工程中出现了“化学反应工程学”这一新的 分支。对化学反应器的研究,不仅要运用化学动力学与热力学原理,而且要运用动量、热 量、质量传递原理。于是“传递过程”与“反应工程”成为当今化学工程学的两大支柱。 简称“三传一反”阶段。 从化学工程学的发展过程,证明人们对自然规律的认识,有一个由浅入深的过程。归 纳为如下隶属关系图。 制糖工业流体输送 制碱工业沉 造纸工业过 离心分 动量传递 合成氨搅 降滤离拌 硫酸制造固体流态化 硝酸制造 橡胶工业加热 玻璃陶瓷工业 冷却 热量传递 蒸发 化工传递过程 水泥工业 石油工业 电镀工业蒸馏 染料工业 吸收 吸附 燃料化学工业 萃取 质量传递 放射化工干燥 数十种化学工结晶 膜分离 反应工程学 I阶段 Ⅱ阶段 Ⅲ阶段 Ⅳ阶段 1918年 1960年 1970年 0-3与之配套的教材发展 化学工程学的教材,也有一个逐渐成熟的过程。20世纪20年代初,出现了第一本“化 工原理”教科书,也就是“化工单元操作”教科书。我国于20年代亦成立了化学工程系
3 知识讲解，这是最早的化学工程学。 2、单元操作阶段。到二十世纪初，人们逐渐发现，许多门化学工业中，存在共同的操 作原理。例如，无论在制糖业还是制碱业，从溶液蒸发，得到固体糖和固体碱所遵循的原 理是相同的，于是，蒸发成为最早提出的单元操作之一。经不断总结，被称为单元操作的 有：流体流动与输送、沉降与过滤、固体流态化、传热、蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取、 干燥、结晶、膜分离等。 3、传递过程阶段。到 20 世纪 50 年代，人们又发现，各单元操作之间还存在着共性。 例如传热、蒸发都是热量传递的形式，蒸馏、吸附、吸收、萃取都是质量传递的形式。于 是把单元操作归纳为动量传递、热量传递、质量传递。此即化工传递过程阶段。 4、“三传一反”阶段。50 年代中期，化学工程中出现了“化学反应工程学”这一新的 分支。对化学反应器的研究，不仅要运用化学动力学与热力学原理，而且要运用动量、热 量、质量传递原理。于是“传递过程”与“反应工程”成为当今化学工程学的两大支柱。 简称“三传一反”阶段。 从化学工程学的发展过程，证明人们对自然规律的认识，有一个由浅入深的过程。归 纳为如下隶属关系图。 反应工程学 0-3 与之配套的教材发展 化学工程学的教材，也有一个逐渐成熟的过程。20 世纪 20 年代初，出现了第一本“化 工原理”教科书，也就是“化工单元操作”教科书。我国于 20 年代亦成立了化学工程系， 制 糖 工 业 制 碱 工 业 造 纸 工 业 合 成 氨 硫 酸 制 造 硝 酸 制 造 橡 胶 工 业 玻璃陶瓷工业 水 泥 工 业 石 油 工 业 电 镀 工 业 染 料 工 业 燃料化学工业 放 射 化 工 数十种化学工 艺 学 流 体 输 送 沉 降 过 滤 离 心 分 离 搅 拌 固体流态化 动 量 传 递 加 热 冷 却 蒸 发 蒸 馏 吸 收 吸 附 萃 取 干 燥 结 晶 膜 分 离 热 量 传 递 质 量 传 递 化 工 传 递 过 程 Ⅰ 阶 段 Ⅱ 阶 段 1918 年 Ⅲ 阶 段 1960 年 Ⅳ 阶 段 1970 年
亦讲授《化工原理》课程。1960年第一本《化工传递过程》问世(C.O. Bennett. J.E. Mvers Momentum, Heat and Mass Tramsfer”1960)。1956年有了第一本“化学反应工程”教科 书(JM. Smith,“ Chemical engineering kineties"1956第一版,O. Levenspiel,“ Chemical Reaction engineering”1962年第一版) 解放之后,我国有了自编的教科书。 丁绪淮、张洪源、顾毓珍、张震旦,《化工操作原理及设备》,上、下册,1956年; 张洪源、丁绪淮、顾毓珍,《化工过程及设备》上、下册,1956年; 上海化工学院、天津大学等,《化学工程》(一)、(二),1980年 天津大学编,《化工原理》上、下册,1983年; 谭天恩、麦本熙、丁惠华,《化工原理》上、下册,1984年; 陈敏恒、丛德滋、方图南,《化工原理》上、下册,1985年; 王志魁主编,《化工原理》第二版,1998年; 天津大学王绍亭主编,《化工传递过程》,1980年 浙江大学陈甘棠主编,《化学反应工程》,1981年 浙江大学朱自强主编,《化工热力学》,1981年 南京化工学院张联科,《化工热力学》,1981年 清华大学、天津大学,《化工系统工程》,1981年; 北京大学,《化学工程基础》第二版,1983年 上海师范学院,福建师范大学,《化工基础》第二版,1990年; 0-4单位制换算 (1)CGS制(物理单位制) cm-g-s,厘米克秒制 (2)MKS制(绝对单位制 m-kg-s,米千克秒制 (3)工程单位制,米公斤(力)秒 (4)SI制(国际单位制) 是在MKS制的基础上发展起来的。 基本单位:长度一米(m),质量—千克(kg) 时间—秒(s),温度—开尔文(K) 物质的量—摩尔(mol) 重要导出单位: 力—F= ma kg. m·s 压强—P=F/面积kgm-.s-→Nm-→Pa; 能量、功、热一F×距离kgm2s-2→Nm→J; 功率—功/时间kgm2s-3→Js-→W
4 亦讲授《化工原理》课程。1960 年第一本《化工传递过程》问世（ C. O. Bennett, J. E. Myers, “ Momentum, Heat and Mass Tramsfer”1960）。1956 年有了第一本“化学反应工程”教科 书（ J. M. Smith, “Chemical Engineering Kineties”1956 第一版，O. Levenspiel, “Chemical Reaction Engineering” 1962 年第一版）。 解放之后，我国有了自编的教科书。 丁绪淮、张洪源、顾毓珍、张震旦，《化工操作原理及设备》，上、下册，1956 年； 张洪源、丁绪淮、顾毓珍，《化工过程及设备》上、下册，1956 年； 上海化工学院、天津大学等，《化学工程》（一）、（二），1980 年； 天津大学编，《化工原理》上、下册，1983 年； 谭天恩、麦本熙、丁惠华，《化工原理》上、下册，1984 年； 陈敏恒、丛德滋、方图南，《化工原理》上、下册，1985 年； 王志魁主编，《化工原理》第二版，1998 年； 天津大学王绍亭主编，《化工传递过程》，1980 年； 浙江大学陈甘棠主编，《化学反应工程》，1981 年； 浙江大学朱自强主编，《化工热力学》，1981 年； 南京化工学院张联科，《化工热力学》，1981 年； 清华大学、天津大学，《化工系统工程》，1981 年； 北京大学，《化学工程基础》第二版，1983 年； 上海师范学院，福建师范大学，《化工基础》第二版，1990 年； 0-4 单位制换算 (1) CGS 制（物理单位制）， cm - g - s ，厘米-克-秒制 (2) MKS 制（绝对单位制） m - kg - s ，米-千克-秒制 (3) 工程单位制 ，米-公斤（力）-秒 (4)SI 制（国际单位制） 是在 MKS 制的基础上发展起来的。 基本单位：长度——米 (m) ，质量——千克 (kg) 时间——秒 (s)，温度——开尔文 (K) 物质的量——摩尔 (mol) 重要导出单位： 力—— F = ma kg m s N × × -2 Þ ； 压强—— P = F / 面积 kg m s N m Pa × -1 × -2 Þ × -2 Þ ； 能量、功、热—— F ×距离 kg m s N m J × 2 × -2 Þ × Þ ； 功率——功/时间 kg ×m 2 ×s -3 Þ J×s -1 Þ W ；
比热热/质量温度m2s-2K-→Jkg-.K-; 国外亦多采用英制单位,可以通过换算表得到解决 单位换算举例 【例0-1】已知1atm=1.033kgf·cm2,试将此压强换算为SI单位。 解:1公斤(力)等于1千克质量的物体所受到的重力 即1公斤(力)=1kg×981ms2=9.81N ∴1atm=1.033×981N(10-2m)-2=1.013×105N.m-2
5 比热——热/质量·温度 2 2 1 1 1 m s K J kg K - - - - × × Þ × × ； 国外亦多采用英制单位，可以通过换算表得到解决。 单位换算举例， 【例 0-1】 已知 2 1 atm 1.033 kgf cm- = × ,试将此压强换算为 SI 单位。 解：1 公斤（力）等于 1 千克质量的物体所受到的重力。 即 1 公斤（力） 1kg 9.81 m s 9.81 N 2 = ´ × = - ∴ 2 2 5 2 1 atm 1.033 9.81 N (10 m) 1.013 10 N m - - - = ´ × = ´ ×