化工原理教学的基本概念范文

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1单元操作中常用的基本概念

1.1物料衡算物料衡算由质量守恒定律可知，在化工或制药生产过程中，尽管物质的状态随着过程的进行不断变化，但对某个指定系统或设备而言，如果是间歇的生产过程，输入系统的物料总和等于输出系统的物料总和以及积累在过程中的物料总和。对于连续式的生产过程，输入系统的物料量等于输出系统的物料量。

1.2能量衡算物质世界存在各种形式的能量，如热能、机械能、化学能、电能、光能等。这些能量之间是可以发生转换的，即可以从一种形式的能量转变为另一种形式的能量，但能量的总和保持不变，这就是能量守恒定律。能量衡算的依据就是能量守恒定律。在化工生产和制药过程中，常见的是热能形式的交换，所以能量衡算就只是热量衡算。在进行热量衡算时，以0℃为基准，除了考虑随物料进出系统的热量外，还应考虑系统与周围环境交换的热量，如：系统向环境损失的热量或外界向系统输入的热量。故在进行热量衡算时必须把这两部分热量计算在内。

1.3过程的平衡与速率化工和制药生产过程中的任何过程，都是由不平衡到平衡的变化过程(或者相反)。而平衡过程是过程进行的方向以及所能达到的极限。一个过程能否进行以及能进行到什么程度，其条件与规律只有通过对平衡关系研究来确定。例如，利用一定温度的热流体与冷流体通过间壁式换热器进行热交换，热流体温度不断降低而冷流体温度逐渐升高直至两者温度不再改变。从整体上看，传热过程已经停止。但如果我们分别从吸热和放热的角度看，过程并没有停止，只是因为两流体放出热量的速率与吸收热量的速率相等，即处于动态的平衡过程。传质过程也有类似的的情况。通常把某种过程进行时单位时间内的变化量称为过程速率。

用以表示过程进行的快慢程度。过程的速率大小跟过程推动力呈正比，而与过程阻力成反比，提高过程速率的途径在于加大过程的推动力和减小过程的阻力。例如，过滤过程中，增加压力差增大推动力，从而提高过程速率。又如，流体的温度差，浓度差，化学式差等凡是自发过程中有利于趋向平衡因素的都可以称为过程推动力。在实际生产中，过程速率越大，设备生产能力就越大，或者在同样生产能力下，设备尺寸的尺寸就越小。

2三种传递过程

物系内物理量自发的从高强度区向低强度区转移的过程是自然界和生产中普遍存在的现象。对于物系的每一个具有强度性质的物理量如，速度、温度、浓度等都存在着相对平衡的过程。当物系偏离平衡状态时，就会发生某种物理量的转移过程，使物系趋向于平衡状态。如物系内浓度不均匀，物质就会从高浓度区向低浓度区传递。在化工和制药生产过程，主要涉及的物料是流体和固体，所传递的物理量是动量、质量和能量。因此，涉及到的有：动量传递如流体的输送与压缩、沉降、过滤、液体搅拌等；热量传递如传热、蒸发、结晶等；质量传递如吸收、蒸馏、萃取、干燥等三种传递过程。对这三种传递过程的原理及计算方法的研究是单元操作研究的基础。在实际生产过程中，可能三种传递过程同时存在，也可能只存在其中一种或两种。在研究传递过程时，通常按三种不同的尺度进行，即分子尺度、微团尺度和设备尺度。

2.1分子尺度上的研究考察分子运动所引起的动量、热量和质量传递。以分子运动论的观点，借助统计方法，确立传递规律，如粘性流体流动的牛顿粘性定律、热传导中的傅里叶定律和分子扩散中的菲克定律。与分子运动有关的物质的宏观传递特性表示为粘度、热导率和分子扩散系数等。2.2微团尺度上的研究考察流体微团运动所造成的动量、热量和质量传递。常忽略流体分子内部的间隙。而将流体视为连续介质，从而使用连续函数的数学工具，从守恒原理出发，以微分方程的形式建立描述传递规律的连续性方程、能量方程和对流扩散方程。当流体作湍流运动时，与流体微团运动有关的传递特性表示为涡流粘度、涡流热扩散系数和涡流扩散系数，但这些传递特性与流动状况、设备结构等有关，不是流体的物性。

2.3设备尺度上的研究考察流体在设备中的整体流动所导致的动量、热量和质量传递，以能量守恒和质量守恒原理为基础，就一定范围进行总体衡算，建立有关的代数方程。如液体搅拌过程中，搅拌桨所造成的大尺度环流。设备尺度上的传递特性表示为传热分系数和传质分系数，以及有效(或当量)热导率和有效扩散系数等。这些传递特性与流动条件直接有关，同样也不是物系的物性。

3间歇操作与连续操作

化工及制药生产过程，可以分为间歇式和连续式。所谓间歇式生产过程，是指在每次操作初始，投下一批物料，经过各种操作处理后，最后取出全部的产品，再重新投入下一批物料。小规模的生产多为间歇式生产过程。间歇式操作的的设备在不同时间，同一位置进行不同的操作步骤，因为设备的同一位置上的物料其压强、温度、流速随时间而变。

连续式生产过程是连续进行的操作。原料源源不断的从一端投入，另一端不断地获得产品。连续操作的设备在稳定连续过程中，其不同位置上的物料组成、温度、压强等参数不随时间而变花。此外，化工原理的理论分析是建立在大量实验基础上的，因此，在其数学解析分析中，经常要借助实验来进行。在化工原理课程的学习中，应掌握其基本知识和基本理论。培养学生从工程观点出发提出、分析并解决各类相关问题的能力。

作者：刘恒坤黄莉潘雪单位：国防科学技术大学磁悬浮研究中心湖南中医药大学药学院