蘇州大學(xué) 化工原理 緒論

化工原理CAI課件

蘇州大學(xué)材料工程學(xué)院200６年2月制作人:謝洪德2023/2/1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)方法二、單位與單位制三、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2023/2/1

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——化工生產(chǎn)中共有的物理操作2023/2/12）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。

2023/2/1

3）單元操作的分類根據(jù)單元操作所遵循的基本規(guī)律，分為三類：流體動(dòng)力過(guò)程——遵循流體動(dòng)力基本規(guī)律，用動(dòng)量傳遞理論研究如：流體輸送、沉降、過(guò)濾、固體流態(tài)化熱過(guò)程——遵循傳熱基本規(guī)律，用熱量傳遞理論研究如：傳熱、冷凝、蒸發(fā)等傳質(zhì)過(guò)程——遵循傳質(zhì)基本規(guī)律，用質(zhì)量傳遞理論研究

如：蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶、干燥等2023/2/12.化工原理學(xué)科性質(zhì)與研究方法

1）學(xué)科性質(zhì)——工程學(xué)科用自然科學(xué)的基本原理來(lái)分析和處理化工生產(chǎn)中的物理過(guò)程

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2023/2/13.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)的各種不正常現(xiàn)象，尋找其原因及可能采取的調(diào)節(jié)措施。2023/2/1二、單位及單位制1.單位及單位制

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。

2023/2/1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m

、質(zhì)量kg、時(shí)間s、溫度K、

物質(zhì)量mol2．單位衡算已知1atm=1.033kgf/cm2,將其換算成N/m2。

按題意需將kgf/cm2中的單位換算成N，cm2換算成m2,查附錄1：換算關(guān)系為：2023/2/11kgf=9.81N，1cm=0.01m上述關(guān)系代入，得：3．單位的正確運(yùn)用

理論公式：根據(jù)物理規(guī)律建立的，反映各有關(guān)物理量之間的關(guān)系，又叫物理方程。具有單位一致性，只要采用同一單位制的單位來(lái)表示各物理量即可。

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經(jīng)驗(yàn)公式：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理出來(lái)的，反映各有關(guān)物理量的數(shù)字之間的關(guān)系，又叫數(shù)字公式。

公式中所用的單位一般都是指定的，在計(jì)算中只要將數(shù)字代入，算出結(jié)果，然后加上規(guī)定的單位就行了。2023/2/1緒論

（2）重量補(bǔ)充

（3）體積補(bǔ)充

（1）長(zhǎng)度補(bǔ)充

1.物理量的單位換算

1碼＝3英尺＝0.9144m；1英尺＝12英寸

；

1盎司（oz）=1/12磅＝28.35克；1克拉（Carat）=200mg；

1m3=103升＝220英加侖＝264.2美加侖＝35.315英尺3＝61024英寸31石油桶（bbl）＝35英加侖＝42美加侖＝158.99升1品脫（pint）=8英加侖＝36.365升

（４）溫度補(bǔ)充

℃=(℉－32)×5/9℉華氏溫度℉=℃×9/5＋32

K=273.3＋℃oR=460＋℉K=oR×5/92023/2/1SI制SI制由1962年確定下的，除基本單位外，化工上用得著的單位為

名稱因次單位力MLθ－2N能與功ML2θ－2J功率ML2θ－3W壓強(qiáng)ML－1θ－2Pａ粘度ML－1θ－1N·S/m2速度Lθ－1m/s

2023/2/1三、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。——物料衡算的通式2023/2/1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2023/2/1

例：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。2023/2/1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=0.32023/2/1

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2023/2/1

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：2023/2/12．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?023/2/1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2023/2/1

②速率過(guò)程的速率表示為：

過(guò)程的速率＝推動(dòng)力／阻力推動(dòng)力：過(guò)程所處的狀態(tài)與平衡狀態(tài)的距離，阻力：過(guò)程的阻力是各種因素對(duì)速率影響的總的體現(xiàn)。過(guò)程的速率是指過(guò)程由不平衡到平衡進(jìn)行的快慢。

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例：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/s2023/2/1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2708.9kJ/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：

2023/2/1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)=

2023/2/1例題2有一精餾塔，每小時(shí)處理5%乙醇溶液１０Ｔ，要求塔頂產(chǎn)品濃度為９５％，塔底廢液乙醇濃度不超過(guò)０．１％，問(wèn)：１．塔頂＼塔底每小時(shí)的產(chǎn)量；２．每年按３００天計(jì)算，一年將排放掉多少噸乙醇．解：（1）確定衡算范圍（大虛