化工原理0D0F7C2DB課件

化工原理0D0F7C2DB2024/4/17化工原理0D0F7C2DB幾點(diǎn)說明環(huán)節(jié)：理論、實(shí)踐成績(jī)：考試80%；作業(yè)、實(shí)驗(yàn)20%作業(yè)：16開活頁紙紀(jì)律：上課關(guān)手機(jī)、不許說話，可以睡覺、看其它書學(xué)習(xí)方法：預(yù)習(xí)→聽講→復(fù)習(xí)記憶方法：記憶原始公式：公式特點(diǎn)：圖形記憶：聯(lián)系日常生活：洗衣服采用去濕方法2024/4/172化工原理0D0F7C2DB0.1化學(xué)工程(ChemicalEngineering

)學(xué)科的進(jìn)展0.1.1化學(xué)工程學(xué)及其進(jìn)展化學(xué)工程學(xué)：以化學(xué)、物理和數(shù)學(xué)原理為基礎(chǔ)，研究物料在工業(yè)規(guī)模條件下，它所發(fā)生物理或化學(xué)狀態(tài)變化的工業(yè)過程及這類工業(yè)過程所用裝置的設(shè)計(jì)和操作的一門技術(shù)學(xué)科?；瘜W(xué)工程學(xué)的進(jìn)展：三階段：?jiǎn)卧僮鳎?0世紀(jì)初期。單元操作的物理化學(xué)原理及定量計(jì)算方法，奠定了化學(xué)工程做為一門獨(dú)立工程學(xué)科的基礎(chǔ)?！叭齻饕环础备拍睿?0世紀(jì)60年代多分支：20世紀(jì)60年代末。形成了單元操作、傳遞過程、反應(yīng)工程、化工熱力學(xué)、化工系統(tǒng)工程、過程動(dòng)態(tài)學(xué)及控制等完整體系。2024/4/173化工原理0D0F7C2DB0.1.2單元操作(TheUnitOperations)化工生產(chǎn)是以化學(xué)變化或化學(xué)處理為主要特征的工業(yè)生產(chǎn)過程。在化學(xué)工業(yè)中，對(duì)原料進(jìn)行大規(guī)模的加工處理，使其不僅在狀態(tài)與物理性質(zhì)上發(fā)生變化，而且在化學(xué)性質(zhì)生也發(fā)生變化，成為合乎要求的產(chǎn)品，這個(gè)過程即叫化工生產(chǎn)過程。以氯堿生產(chǎn)為例說明化工生產(chǎn)過程的基本步驟。可見，雖然電解反應(yīng)為核心過程，但大量的物理操作占有很大比重。另外象傳熱過程，不僅在制堿中，在制糖、制藥、化肥中都需要，在傳熱過程物料的化學(xué)性質(zhì)不變，遵循熱量傳遞規(guī)律，通過熱量交換的方式實(shí)現(xiàn)，所用設(shè)備均為換熱器，作用都是提高或降低物料溫度，為一普遍采用的操作方式。

因此我們將整個(gè)化工生產(chǎn)中(包括冶金、輕工、制藥等)那些普遍采用的、遵循共同的操作原理，所用設(shè)備相近，具有相同作用的一些基本的物理性操作，稱為“化工單元操作”。2024/4/174化工原理0D0F7C2DB一個(gè)化工生產(chǎn)過程所包括的步驟分為兩類：1.化學(xué)反應(yīng)過程：通常在反應(yīng)器中進(jìn)行，以化學(xué)反應(yīng)為主。不同化學(xué)工業(yè)中的化學(xué)反應(yīng)不同，反應(yīng)機(jī)理千差萬別，其反應(yīng)器在構(gòu)造與操作原理上有很大差別。2.單元操作過程：化工生產(chǎn)中基本的物理處理過程。一個(gè)化工生產(chǎn)過程由若干單元操作與化學(xué)反應(yīng)串聯(lián)組合而成。單元操作特點(diǎn)：1.都是物理操作。2.都是化工生產(chǎn)過程中共有的操作。3.用于不同化工生產(chǎn)過程的同一單元操作，其原理相同，所用設(shè)備亦通用。2024/4/175化工原理0D0F7C2DB0.2本課程的性質(zhì)、任務(wù)和內(nèi)容、研究方法0.2.1性質(zhì)化工原理是在高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、物理化學(xué)等課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課程，屬工程學(xué)科，具有工程性和實(shí)用性。0.2.2任務(wù)1掌握化工單元操作過程的基本原理，并能進(jìn)行過程的選擇和計(jì)算(即對(duì)指定的產(chǎn)品，選擇一個(gè)適宜的過程，經(jīng)濟(jì)而有效地滿足工藝過程要求)。2據(jù)生產(chǎn)需要，進(jìn)行設(shè)備工藝尺寸的計(jì)算及其設(shè)備選型計(jì)算。3依據(jù)過程的不同要求，進(jìn)行操作調(diào)節(jié)和控制。4掌握強(qiáng)化過程途徑，以提高過程和設(shè)備的能力、效率。2024/4/176化工原理0D0F7C2DB0.2.3內(nèi)容化工單元操作的目的是：①物料的輸送；②物料物理狀態(tài)的改變；③混合物料的分離。因而據(jù)其所發(fā)生的過程和遵循的物理共性而言，可按其進(jìn)行的物理本質(zhì)和理論基礎(chǔ)分為三類：1流體動(dòng)力過程(傳動(dòng))：研究流體流動(dòng)及流體和與之接觸的固體間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的基本規(guī)律，以及受其支配的若干單元操作(包括輸送、沉降、過濾等)。2熱量傳遞過程(傳熱)：研究傳熱的基本規(guī)律及受其支配的單元操作(包括熱交換、蒸發(fā))。3質(zhì)量傳遞過程(傳質(zhì))：研究物質(zhì)通過相界面遷移過程的規(guī)律及受其支配的單元操作(包括吸收、蒸餾等)。三種傳遞過程既有聯(lián)系又有區(qū)別?；ぴ碚n程的內(nèi)容，就是討論這三種傳遞過程的基本規(guī)律及受其支配的單元操作過程及其設(shè)備。

2024/4/177化工原理0D0F7C2DB0.2.4研究方法實(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)來確定過程變量之間的關(guān)系，通常用無量綱數(shù)群(或稱準(zhǔn)數(shù))構(gòu)成的關(guān)系來表達(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)際過程的機(jī)理進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，抓住過程的本質(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，通過實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)。2024/4/178化工原理0D0F7C2DB0.2.5本課程與傳統(tǒng)理論的聯(lián)系和區(qū)別2024/4/179化工原理0D0F7C2DB0.3單元操作進(jìn)行的方式1.間歇操作：每次操作之初向設(shè)備內(nèi)投入一批物料，經(jīng)過一番處理后，排除全部產(chǎn)物，再重新投料。間歇操作設(shè)備內(nèi)，同一位置上，在不同時(shí)刻進(jìn)行著不同的操作步驟，因而同一位置上，物料組成、溫度、壓強(qiáng)、流速等參數(shù)都隨時(shí)間變化，屬非定態(tài)過程，即參數(shù)＝f(x,y,z,θ)2.連續(xù)操作：原料不斷地從設(shè)備一端送入，產(chǎn)品不斷從另一端送出。連續(xù)操作設(shè)備內(nèi)，各個(gè)位置上，物料組成、溫度、壓強(qiáng)、流速等參數(shù)可互不相同，但在任一固定位置上，這些參數(shù)一般不隨時(shí)間變化，屬定態(tài)過程，即參數(shù)＝f(x,y,z)2024/4/1710化工原理0D0F7C2DB0.4單位制與單位換算0.4.1單位制任何物理量都由數(shù)字和單位聯(lián)合表達(dá)的。運(yùn)算時(shí)，數(shù)字與單位一并納入運(yùn)算。如：5m+8m=(5+8)m;5m×8m=(5×8)(m×m)=40m2物理量單位選擇時(shí)，先選定幾個(gè)獨(dú)立的物理量，叫基本量，并根據(jù)使用方便的原則，定出這些量的單位，叫基本單位；其它各量的單位通過它們與基本量之間的關(guān)系來確定，這些物理量叫導(dǎo)出量，單位叫導(dǎo)出單位；導(dǎo)出單位是由基本單位乘除構(gòu)成的。2024/4/1711化工原理0D0F7C2DB國(guó)際單位制(SI單位制)：7個(gè)基本量：長(zhǎng)度:m；時(shí)間:s；質(zhì)量:kg；電磁強(qiáng)度:A(安培)；發(fā)光強(qiáng)度:cd(燭光)；物質(zhì)的量:mol(摩爾)；熱力學(xué)溫度:K。2個(gè)輔助量：平面角:rad(弧度)；立體角:sr(球面度)。特點(diǎn)：1.通用性。2.一貫性。任何一個(gè)SI導(dǎo)出單位，在由基本單位導(dǎo)出時(shí)，都不需引入比例系數(shù)。我國(guó)法定計(jì)量單位國(guó)際單位制選定的非國(guó)際單位制2024/4/1712化工原理0D0F7C2DB0.4.2單位換算1.物理量：由一種單位換算成另一種單位時(shí)，量本身并不變化，只是數(shù)值要變化，換算時(shí)要乘或除以兩單位間的換算因數(shù)。換算因數(shù)：彼此相等而單位不同的兩個(gè)物理量包括單位在內(nèi)的比值。如；1m＝100cm，則換算因數(shù)為100cm/m或0.01m/cm例0-1：已知1atm=1.033kgf/cm2,試用Pa表示。解：查附錄1知：1kgf=9.81N,1cm2=10-4m2換算因數(shù)：9.81N/kgf,10-4m2/cm22024/4/1713化工原理0D0F7C2DB2.經(jīng)驗(yàn)公式(數(shù)字公式)借助實(shí)驗(yàn)或半實(shí)驗(yàn)、半理論的方法處理得到的公式。它只反映各有關(guān)物理量之間的數(shù)字關(guān)系，每個(gè)符號(hào)只代表物理量的數(shù)字部分，而這些數(shù)字又與特定單位對(duì)應(yīng)。因此，使用經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，各物理量必須采用指定單位。經(jīng)驗(yàn)公式的單位換算，也可采用換算因數(shù)將規(guī)定單位換算成所要求單位。例0-2:水蒸汽在空氣中擴(kuò)散系數(shù)為：式中：D－擴(kuò)散系數(shù)，ft2/h；P－壓強(qiáng)，atm；T－蘭氏溫度，oR。試將式中各符號(hào)單位換算成D:m2/s；P:Pa；T:K2024/4/1714化工原理0D0F7C2DB解：查附錄二：1ft=0.3048m；1h=3600s；1atm=1.0133×105Pa；1oR=5/9K以D’、P’、T’代表擴(kuò)散系數(shù)、壓強(qiáng)和溫度三個(gè)物理量，則：

引入換算因子：整理，得：2024/4/1715化工原理0D0F7C2DB0.5物料衡算遵循質(zhì)量守恒定律通式：ΣGi＝ΣGo+GA

適用于：1.任何指定的空間范圍；2.過程所涉及的全部變化：無化學(xué)變化；混合物任一組分都符合此通式；有化學(xué)變化：各元素符合此通式；3.間歇、連續(xù)操作：間歇操作：GA≠0連續(xù)操作：GA＝02024/4/1716化工原理0D0F7C2DB物料衡算的步驟：1.繪簡(jiǎn)圖：方框表設(shè)備，箭頭表輸入輸出物流方向，箭頭旁注明條件。2.定基準(zhǔn)：間歇操作：以一批物料為基準(zhǔn)；連續(xù)操作：以單位時(shí)間為基準(zhǔn)。3.劃范圍：其邊界要與待計(jì)算的物流相交4.列算式：總物料衡算式，1個(gè)某組分物料衡算式，N-1個(gè)2024/4/1717化工原理0D0F7C2DB物料衡算舉例例0-3:已知原料液流量為1000kg/h，含20％KNO3，進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸出水分Wkg/h，濃縮液為Skg/h，含KNO350％進(jìn)入結(jié)晶器，結(jié)晶產(chǎn)品為Pkg/h，含96％KNO3，循環(huán)母液Rkg/h，含37.5％KNO3，回到蒸發(fā)器再循環(huán)，求W,S,P,R各為多少kg/h？蒸發(fā)器結(jié)晶器1000kg/h20％KNO3Wkg/hSkg/h50％KNO3Pkg/h96％KNO3Rkg/h37.5％KNO3IIIIII解：1.繪簡(jiǎn)圖：2.定基準(zhǔn)：1h3.劃范圍：范圍I，II，III見圖2024/4/1718化工原理0D0F7C2DB4.列算式：方框I：總物料：1000=W+PKNO3組分:1000×0.2=W×0+P×0.96蒸發(fā)器結(jié)晶器1000kg/h20％KNO3Wkg/hSkg/h50％KNO3Pkg/h96％KNO3Rkg/h37.5％KNO3IIIIIIW=791.7kg/hP=208.3kg/h方框II：總物料：S=P+RKNO3組分:S×0.5=P×0.96+R×0.375S=974.8kg/hR=766.5kg/h思考：比較R流股在I內(nèi)外的情況有何不同？I，III或II，III范圍列算式時(shí)計(jì)算結(jié)果有何不同？2024/4/1719化工原理0D0F7C2DB0.6熱量衡算遵循能量守恒定律同物料衡算一樣，繪簡(jiǎn)圖、定基準(zhǔn)、劃范圍、列算式，但有兩點(diǎn)不同：1物料所具有的熱量由顯熱與潛熱兩部分組成，稱為焓(H，kJ/kg)。焓值為一相對(duì)值，且與狀態(tài)有關(guān)，所以熱量衡算時(shí)必須規(guī)定基準(zhǔn)溫度和基準(zhǔn)狀態(tài)，通常基準(zhǔn)選273K液態(tài)(即此時(shí)H＝０)。2熱量除了伴隨物料進(jìn)出系統(tǒng)外，還可通過設(shè)備外殼、管壁由系統(tǒng)向外界散失或由外界傳入系統(tǒng)，只要系統(tǒng)與外界存在溫度差，就有熱量的散失或傳入，稱熱損失QL。熱量衡算通式：ΣQi=ΣQo+QＬΣ(wH)i=Σ(wH)o+QＬ

2024/4/1720化工原理0D0F7C2DB熱量衡算舉例例0-4:在換熱器中將平均比熱為3.56kJ/(kg.℃)的某種溶液自25℃加熱到80℃，溶液流量為1.0kg/s。加熱介質(zhì)為120℃的飽和水蒸汽，其消耗量為0.065kg/s，蒸汽冷凝成同溫度的飽和水后排出。試計(jì)算換熱器的熱損失占水蒸汽所提供熱量的百分?jǐn)?shù)。換熱器25℃溶液1.0kg/s80℃溶液1.0kg/s120℃飽和水蒸汽0.095kg/s120℃飽和水0.095kg/s解：1.繪簡(jiǎn)圖2.定基準(zhǔn)：1s，0℃，液體3.劃范圍：以換熱器為衡算范圍2024/4/1721化工原理0D0F7C2DB4.列算式：查附錄九：120℃飽和水蒸汽H=2708.9kJ/kg，120℃飽和水H=503.67kJ/kg，則：1.0×3.56×(25-0)+0.095×2708.9=1.0×3.56×(80-0)+0.095×503.67+QL換熱器25℃溶液1.0kg/s80℃溶液1.0kg/s120℃飽和水蒸汽0.095kg/s120℃飽和水0.095kg/sQL=13.70kW水