化工原理課件-2012緒論

2023/1/17緒論一、化工原理課程簡(jiǎn)介1.化工原理的研究對(duì)象2.化工原理的學(xué)科性質(zhì)與研究方法3.化工原理的學(xué)習(xí)方法4.化工原理的學(xué)習(xí)目的二、化工原理處理問(wèn)題的方法1.物料衡算2.能量衡算3.平衡與速率三、單位與單位制2023/1/17

一、化工原理課程簡(jiǎn)介化學(xué)反應(yīng)和若干個(gè)單元操作串聯(lián)而成

化工原理——研究各個(gè)獨(dú)立的單元操作化工原理的研究對(duì)象——單元操作（UnitOperations）（1）單元操作的概念化工與冶金生產(chǎn)過(guò)程原料的預(yù)處理進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)物的分離與提純單元操作原料的預(yù)處理反應(yīng)產(chǎn)物的分離與提純——化工與冶金生產(chǎn)中共有的物理操作2023/1/17原料提純單體合成單體精制壓縮冷凝聚合脫水干燥產(chǎn)品反應(yīng)熱反應(yīng)熱乙炔氯化氫乙炔法制聚氯乙烯2023/1/17高壓聚乙烯生產(chǎn)過(guò)程示意圖2023/1/17

高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規(guī)定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐，并使?fàn)t喉料面保持一定的高度。焦炭和礦石在爐內(nèi)形成交替分層結(jié)構(gòu)。礦石料在下降過(guò)程中逐步被還原、熔化成鐵和渣，聚集在爐缸中，定期從鐵口、渣口放出。2023/1/17選礦，燒結(jié)，球團(tuán)，是高爐冶煉的原料準(zhǔn)備階段，當(dāng)完成燒結(jié)，造球后進(jìn)入高爐利用高爐內(nèi)的還原性環(huán)境將鐵水從鐵礦石從還原出來(lái)，為下一階段的煉鋼提供原料供給。煉鋼利用轉(zhuǎn)爐內(nèi)的氧化性環(huán)境將鐵水中過(guò)量的碳氧化成一氧化碳和二氧化碳，達(dá)到鋼水要求的碳含量。當(dāng)然在煉鋼廠房?jī)?nèi)一般來(lái)說(shuō)還要有轉(zhuǎn)爐之前的鐵水脫硫預(yù)處理，轉(zhuǎn)爐出鋼后的鋼水精煉（LF或LF+RH或LF+VD，VOD等），完成精煉后用行車調(diào)運(yùn)至連鑄機(jī)的大包回轉(zhuǎn)臺(tái)，進(jìn)行連鑄澆鑄的工序環(huán)節(jié)，為后續(xù)的軋鋼廠提供鋼坯原料。整個(gè)聯(lián)合鋼鐵廠的工藝流程為：原料碼頭（各種原料集中卸載存放區(qū)域）——燒結(jié)（礦石造塊或造球團(tuán)）——高爐（煉鐵）——煉鋼（鐵水預(yù)處理-轉(zhuǎn)爐或電爐-精煉-連鑄）-軋鋼2023/1/172023/1/17

轉(zhuǎn)爐煉鋼法這種煉鋼法使用的氧化劑是氧氣。把空氣鼓入熔融的生鐵里，使雜質(zhì)硅、錳等氧化。在氧化的過(guò)程中放出大量的熱量（含1%的硅可使生鐵的溫度升高200攝氏度），可使?fàn)t內(nèi)達(dá)到足夠高的溫度。因此轉(zhuǎn)爐煉鋼不需要另外使用燃料。轉(zhuǎn)爐煉鋼是在轉(zhuǎn)爐里進(jìn)行。轉(zhuǎn)爐的外形就像個(gè)梨，內(nèi)壁有耐火磚，爐側(cè)有許多小孔（風(fēng)口），壓縮空氣從這些小孔里吹爐內(nèi)，又叫做側(cè)吹轉(zhuǎn)爐。開(kāi)始時(shí)，轉(zhuǎn)爐處于水平，向內(nèi)注入1300攝氏度的液態(tài)生鐵，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空氣并轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)爐使它直立起來(lái)。這時(shí)液態(tài)生鐵表面劇烈的反應(yīng)，使鐵、硅、錳氧化(FeO,SiO2,MnO,)生成爐渣，利用熔化的鋼鐵和爐渣的對(duì)流作用，使反應(yīng)遍及整個(gè)爐內(nèi)。幾分鐘后，當(dāng)鋼液中只剩下少量的硅與錳時(shí)，碳開(kāi)始氧化，生成一氧化碳（放熱）使鋼液劇烈沸騰。爐口由于溢出的一氧化炭的燃燒而出現(xiàn)巨大的火焰。最后，磷也發(fā)生氧化并進(jìn)一步生成磷酸亞鐵。磷酸亞鐵再跟生石灰反應(yīng)生成穩(wěn)定的磷酸鈣和硫化鈣，一起成為爐渣。當(dāng)磷于硫逐漸減少，火焰退落，爐口出現(xiàn)四氧化三鐵的褐色蒸汽時(shí)，表明鋼已煉成。這時(shí)應(yīng)立即停止鼓風(fēng)，并把轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)到水平位置，把鋼水傾至鋼水包里，再加脫氧劑進(jìn)行脫氧。整個(gè)過(guò)程只需15分鐘左右。如果空氣是從爐低吹入，那就是低吹轉(zhuǎn)爐。隨著制氧技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已普遍使用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐（也有側(cè)吹轉(zhuǎn)爐）。這種轉(zhuǎn)爐吹如的是高壓工業(yè)純氧，反應(yīng)更為劇烈，能進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和鋼的質(zhì)量。2023/1/17拜耳法氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程2023/1/17電解鋁工藝過(guò)程2023/1/17獨(dú)居石礦生產(chǎn)稀土流程圖2023/1/172023/1/17液態(tài)鋼渣熱燜池液態(tài)鋼渣溢流高溫高鈣洗水回水井補(bǔ)充新水CO2高效氣液反應(yīng)（系統(tǒng)）固液分離壓力輸送CaCO3清液低溫清液壓力輸送噴灑

補(bǔ)充新水鋼悶渣循環(huán)水脫鈣流程圖2023/1/17（2）單元操作的特點(diǎn)

①所有的單元操作都是物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或物理性質(zhì)，并不改變化學(xué)性質(zhì)。②單元操作是化工生產(chǎn)過(guò)程中共有的操作，只是不同的化工生產(chǎn)中所包含的單元操作數(shù)目、名稱與排列順序不同。③單元操作作用于不同的化工過(guò)程時(shí)，基本原理相同，所用的設(shè)備也是通用的。

2023/1/17（3）單元操作的分類另外，還有熱力過(guò)程（制冷）、粉體工程（粉碎、顆粒分級(jí)、流態(tài)化）等單元操作。①遵循流體動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律的單元操作，包括流體輸送、沉降、過(guò)濾、物料混合（攪拌）。②遵循熱量傳遞基本規(guī)律的單元操作，包括加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)等。③遵循質(zhì)量傳遞基本規(guī)律的單元操作，包括蒸餾、吸收、萃取、吸附、膜分離等。從工程目的來(lái)看，這些操作都可將混合物進(jìn)行分離，故又稱之為分離操作。④同時(shí)遵循熱質(zhì)傳遞規(guī)律的單元操作，包括氣體的增濕與減濕、結(jié)晶、干燥等。2023/1/17

本課程強(qiáng)調(diào)工程觀點(diǎn)、定量運(yùn)算、實(shí)驗(yàn)技能及設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際。在化工類專門人才培養(yǎng)中，它承擔(dān)著工程科學(xué)與工程技術(shù)的雙重教育任務(wù)，擔(dān)負(fù)著由理論到工程、由基礎(chǔ)到專業(yè)的橋梁作用?；ぴ硎腔ゎ惛鲗I(yè)重點(diǎn)課程之一，是化工類學(xué)生最實(shí)用的一門課程，是化工類學(xué)生考研課程。理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的工程研究方法半經(jīng)驗(yàn)半理論方法重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，兼有“科學(xué)”與“技術(shù)”的特點(diǎn)

綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和算法語(yǔ)言等基礎(chǔ)知識(shí)，將自然科學(xué)中的基本原理（質(zhì)量守衡、能量守衡及平衡關(guān)系等）用來(lái)研究化工生產(chǎn)中內(nèi)在的共同規(guī)律，討論化工生產(chǎn)中共同的基本過(guò)程的基本原理、典型設(shè)備結(jié)構(gòu)，工藝尺寸設(shè)計(jì)和設(shè)備的選型以及計(jì)算方法的一門工程學(xué)科。2.化工原理學(xué)科性質(zhì)與研究方法

（1）化工原理學(xué)科性質(zhì)2023/1/17

隨著新產(chǎn)品、新工藝的開(kāi)發(fā)或?yàn)閷?shí)現(xiàn)綠色化工生產(chǎn)，對(duì)物理過(guò)程提出了一些特殊要求，又不斷地發(fā)展出新的單元操作或化工技術(shù)，如膜分離、參數(shù)泵分離、電磁分離、超臨界技術(shù)等。同時(shí)，以節(jié)約能耗，提高效率或潔凈無(wú)污染生產(chǎn)的集成化工藝（如反應(yīng)精餾、反應(yīng)膜分離、萃取精餾、多塔精餾系統(tǒng)的優(yōu)化熱集成等）將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。單元操作的研究包括“過(guò)程”和“設(shè)備”兩個(gè)方面的內(nèi)容，故單元操作又稱為化工過(guò)程和設(shè)備?；ぴ硎茄芯恐T單元操作共性的課程。研究諸單元操作共性的課程2023/1/17化工原理課程的兩條主線

（1）動(dòng)量傳遞、傳熱和傳質(zhì)皆屬于傳遞過(guò)程，是本門課程統(tǒng)一的研究對(duì)象，是聯(lián)系各單元操作的一條主線。a.實(shí)驗(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)的方法）

b.數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法）

（2）研究工程問(wèn)題的方法論是聯(lián)系各單元操作的另一條主線。各單元操作有共同的研究方法。2023/1/17實(shí)驗(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)法）：用量綱分析和相似論為指導(dǎo)，依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)確定過(guò)程變量之間的關(guān)系，通常用無(wú)量綱數(shù)群(或稱準(zhǔn)數(shù))構(gòu)成的關(guān)系來(lái)表達(dá)。實(shí)驗(yàn)研究方法可避免建立數(shù)學(xué)方程，是工程上通用的研究方法。數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論方法）：在對(duì)實(shí)際過(guò)程的機(jī)理進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，抓住過(guò)程的本質(zhì)，作出某些合理簡(jiǎn)化，建立物理模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，得出數(shù)學(xué)模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)。2023/1/17數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論）因次論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究法實(shí)驗(yàn)：尋找函數(shù)形式，決定參數(shù)2023/1/17（2）研究方法——工程方法因次分析法數(shù)學(xué)模型法參數(shù)綜合法當(dāng)量法類比法——直管湍流阻力——雙膜模型的建立——過(guò)濾常數(shù)——當(dāng)量直徑、當(dāng)量長(zhǎng)度等——?jiǎng)恿?、熱量、質(zhì)量傳遞的類似律2023/1/173.化工原理的學(xué)習(xí)方法

發(fā)展：如何根據(jù)某個(gè)物理或物理化學(xué)原理開(kāi)發(fā)成為一個(gè)單元操作，尋本求源。選擇：為了達(dá)到或?qū)崿F(xiàn)某一工程目的，能否對(duì)過(guò)程和設(shè)備作合理的選擇和組合。設(shè)計(jì)：對(duì)已掌握了性能的過(guò)程和設(shè)備作直接的設(shè)計(jì)計(jì)算以及對(duì)性能不十分掌握的過(guò)程和設(shè)備通過(guò)必要的試驗(yàn)，測(cè)取設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，做逐級(jí)放大。操作：如何根據(jù)基本原理發(fā)現(xiàn)操作上可能出現(xiàn)的各種不正?，F(xiàn)象，尋找其原因及可能采取的調(diào)節(jié)措施。2023/1/17（1）以工程技術(shù)觀點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來(lái)分析和處理實(shí)際問(wèn)題的能力；通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)樹(shù)立起工程觀點(diǎn)（安全適用、經(jīng)濟(jì)合理），掌握解決工程實(shí)際的方法，培養(yǎng)下列兩種基本能力：（2）熟練的進(jìn)行化工基本運(yùn)算。以便在化工生產(chǎn)、科研和設(shè)計(jì)工作中達(dá)到強(qiáng)化生產(chǎn)過(guò)程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高設(shè)備能力及效率，降低設(shè)備投資及產(chǎn)品成本，節(jié)約能耗，防止污染以及加速新技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面的目的。4.化工原理的學(xué)習(xí)目的2023/1/17化學(xué)工程研究的是：如何把化學(xué)家們的小試研究成果開(kāi)發(fā)放大為中試，再開(kāi)發(fā)為生產(chǎn)規(guī)模。是在科學(xué)實(shí)驗(yàn)與化工之間架橋的工作，是直接為人類服務(wù)的創(chuàng)造價(jià)值的勞動(dòng)。本課程，不是教大家如何合成得到新物質(zhì)？如何提取新物質(zhì)？如何表征新物質(zhì)？這是化學(xué)家的事。2023/1/17二、化工原理處理問(wèn)題的方法物料衡算

依據(jù)——質(zhì)量守恒定律

輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量等于從系統(tǒng)輸出的物料質(zhì)量和系統(tǒng)中積累的物料質(zhì)量?！锪虾馑愕耐ㄊ?023/1/17定態(tài)過(guò)程，積累為零。則：衡算的系統(tǒng)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程某一設(shè)備系統(tǒng)中的所有物料某一個(gè)組分衡算的對(duì)象例2023/1/17

例1：在兩個(gè)蒸發(fā)器中，每小時(shí)將5000kg的無(wú)機(jī)鹽水溶液從12％（質(zhì)量％）濃縮到30%。第二蒸發(fā)器比第一蒸發(fā)器多蒸出5%的水分。試求：（1）各蒸發(fā)器每小時(shí)蒸出水分的量；（2）第一蒸發(fā)器送出的溶液濃度。

解：首先畫(huà)一個(gè)流程圖表示進(jìn)行的過(guò)程用方框表示設(shè)備，輸入輸出設(shè)備的物流方向用箭頭表示。

劃定衡算的范圍為求各蒸發(fā)器蒸發(fā)的水量，以整個(gè)流程為衡算范圍，用一圈封閉的虛線畫(huà)出。2023/1/17選擇衡算基準(zhǔn)（連續(xù)操作以單位時(shí)間為基準(zhǔn)，間歇操作以一批操作為基準(zhǔn)）由于連續(xù)操作，以1小時(shí)為基準(zhǔn)。蒸發(fā)器1蒸發(fā)器2x1W1W2F0=5000kg/hx0=0.12F1F2x2=0.32023/1/17

確定衡算對(duì)象此題中有兩個(gè)未知數(shù)，蒸發(fā)的水量及送出的NaOH溶液量B，因此，我們就以不同衡算對(duì)象列出兩個(gè)衡算式。對(duì)鹽作物料衡算：對(duì)總物料作衡算：代入已知數(shù)據(jù)，得：由題意知2023/1/17

求第一個(gè)蒸發(fā)器送出的溶液濃度，選擇第一個(gè)蒸發(fā)器為衡算范圍。對(duì)鹽作物料衡算：

對(duì)總物料作衡算：

代入已知數(shù)據(jù)，得：解得：2023/1/17例2濃度為20%（質(zhì)量百分比）的KNO3水溶液以1000kg/h的流量送入蒸發(fā)器。在149℃溫度下蒸出一部分水得到濃度為50%的水溶液，再送入結(jié)晶器，冷卻至38℃后，析出含有4%結(jié)晶水的KNO3晶體并不斷取走，濃度為37.5%的KNO3飽和母液則返回蒸發(fā)器循環(huán)處理。試求結(jié)晶產(chǎn)品量P、水分蒸發(fā)量W、循環(huán)母液量R及濃縮溶液量S。料液1000kg/h20%KNO3Rkg/h37.5%KNO3Skg/h50%KNO3結(jié)晶產(chǎn)品Pkg/h4%水水，Wkg/h解：（1）結(jié)晶產(chǎn)品量P及水分蒸發(fā)量W首先根據(jù)題意畫(huà)出過(guò)程示意圖。2023/1/17I料液1000kg/h20%KNO3Rkg/h37.5%KNO3Skg/h50%KNO3結(jié)晶產(chǎn)品Pkg/h4%水水，Wkg/h在圖中虛線方框I所示的范圍內(nèi)作物料衡算。因過(guò)程中無(wú)化學(xué)反應(yīng)，且為連續(xù)穩(wěn)定過(guò)程，故可寫出總物料衡算式及KNO3的衡算式，即：

1000=W+P

1000（0.20）=W（0）+P（1-0.04）及解得P=208.3kg/hW=791.7kg/h2023/1/17（2）循環(huán)母液量R及濃縮溶液量S料液1000kg/h20%KNO3Rkg/h37.5%KNO3Skg/h50%KNO3結(jié)晶產(chǎn)品Pkg/h4%水水，Wkg/hI

II在圖中虛線方框II所示的范圍內(nèi)作總物料衡算及KNO3衡算

S=R+208.3

S（0.50）=R（0.375）+208.3（1-0.04）解得

R=766.6kg/h2023/1/172．熱量衡算依據(jù)：能量守恒定律即任何時(shí)間內(nèi)輸入系統(tǒng)的總熱量等于系統(tǒng)輸出的總熱量與損失的熱量之和。

——熱量衡算通式或?qū)懗?023/1/17熱量衡算的基本方法與物料衡算的方法相同，也必須首先劃定衡算范圍及衡算基準(zhǔn)。此外應(yīng)注意焓是相對(duì)值，因此必須指明基準(zhǔn)溫度，習(xí)慣上選0℃為基準(zhǔn)溫度，并規(guī)定0℃時(shí)液態(tài)的焓值為零。3.過(guò)程的平衡和速率

①平衡問(wèn)題

過(guò)程的平衡問(wèn)題是說(shuō)明過(guò)程進(jìn)行的方向和所能達(dá)到的極限。

平衡是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。

例2023/1/17

平衡狀態(tài)是自然界中廣泛存在的現(xiàn)象。例如，在一定溫度下，不飽和的食鹽溶液與固體食鹽接觸時(shí)，食鹽向溶液中溶解，直到溶液為食鹽所飽和，食鹽就停止溶解，此時(shí)固體食鹽表面已與溶液成動(dòng)平衡狀態(tài)。反之，若溶液中食鹽濃度大于飽和濃度，則溶液中的食鹽會(huì)析出，使溶液中的固體食鹽結(jié)晶長(zhǎng)大，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。一定溫度下食鹽的飽和濃度，就是這個(gè)物系的平衡濃度。平衡關(guān)系可判斷過(guò)程能否進(jìn)行，及進(jìn)行的方向和限度。任何傳遞過(guò)程都有一個(gè)極限，當(dāng)傳遞過(guò)程達(dá)到極限時(shí)，其過(guò)程進(jìn)行的推動(dòng)力為零，此時(shí)凈的傳遞速率為零，即稱為“平衡”。3.物系平衡關(guān)系2023/1/17

過(guò)程的傳遞速率（rateoftransferprocess）與推動(dòng)力成正比，與阻力成反比，即

傳遞速率=推動(dòng)力/阻力單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的能量（動(dòng)量，熱量）或物質(zhì)量,是決定化工設(shè)備的重要因素。過(guò)程速率的增大可節(jié)約時(shí)間，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。4.傳遞速率2023/1/17

為生產(chǎn)定量的某種產(chǎn)品所需要的設(shè)備，根據(jù)設(shè)備的型式和材料的不同，可以有若干設(shè)計(jì)方案。對(duì)同一臺(tái)設(shè)備，所選用的操作參數(shù)不同，會(huì)影響到設(shè)備費(fèi)與操作費(fèi)。因此，要用經(jīng)濟(jì)核算確定最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。5.經(jīng)濟(jì)核算2023/1/17

例3：在換熱器里將平均比熱為3.56kJ/（kg·℃）的某溶液自25℃加熱到80℃，溶液流量為1.0kg/s，加熱介質(zhì)為120℃的飽和水蒸氣，其消耗量為0.095kg/s，蒸氣冷凝成同溫度的飽和水排出。試計(jì)算此換熱器的熱損失占水蒸氣所提供熱量的百分?jǐn)?shù)。解：根據(jù)題意畫(huà)出流程圖

換熱器120℃飽和水蒸氣0.095kg/s120℃飽和水0.095kg/s1.0kg/s25℃溶液80℃溶液1.0kg/s2023/1/17基準(zhǔn)：1s在圖中虛線范圍內(nèi)作熱量衡算從附錄查出120℃飽和水蒸氣的焓值為278.9kJ/kg，120℃飽和水的焓值為503.67kJ/kg。在此系統(tǒng)中輸入的熱量：蒸氣帶入的熱量：溶液帶入的熱量：輸出的熱量：

2023/1/17冷凝水帶出的熱量：

溶液帶出的熱量：

根據(jù)能量衡算式，有：

熱量損失的百分?jǐn)?shù)=

2023/1/17三、單位及單位制1.單位及單位

基本量：任意選定的幾個(gè)獨(dú)立的物理量(如長(zhǎng)度,時(shí)間等)。

基本單位：根據(jù)使用方便的原則制定的基本量的單位。

導(dǎo)出量：根據(jù)物理量與基本量之間的關(guān)系來(lái)確定的量。

導(dǎo)出單位：導(dǎo)出量的單位稱為導(dǎo)出單位，均由基本單位相乘、除而構(gòu)成的。

單位制：基本單位與導(dǎo)出單位的總和。

2023/1/17物理單位制：基本單位：長(zhǎng)度cm

質(zhì)量g

時(shí)間s工程單位制：基本單位：長(zhǎng)度cm

力kgf

時(shí)間s

SI單位制：基本單位有7個(gè)，化工中常用的有5個(gè)：長(zhǎng)度cm

、質(zhì)量kg、時(shí)間s、溫度K、

物質(zhì)量mol2．單位衡算