化工原理课件实用.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化工原理,西南科技大学城市学院 过控,07,级,第一册,主讲：廖义中,(,助教 高等化学教育硕士,),时间安排：第四周十八周,内容安排：详细讲解：第一章第四章,阅读内容：第五章,答疑时间：随时恭候,答疑地点：土木系办公室,参考教材：谭天恩化工原理,无机化学,分析化学,有机化学,物理化学,应用化学,高分子,化学教育,化工生产,合成氨,硫酸制造,氯碱工业,石油化工,制糖业,制漆业,电镀业,水泥、玻璃制造业,化学家,化工专家,化工原理,传递过程,反应工程,（还有：分离工程、化工热力学、系统工程）,科学实验,天津化工厂,川化集团简介,川化集团有限责任公司（原四川化工厂）始建于,1956,年，经过四十多年的发展，已成为一个以生产化肥和化工原料为主的综合性特大型化工企业，是全国,18,个大型化工基地之一。,公司地处四川省成都市青白江区，距成都市区约,30,公里，距成都双流国际机场约,60,公里，均高速公路直达。厂区专用铁道与宝成铁路青白江站接轨，厂区公路与成绵高速公路、川陕公路接道。公司拥有川化股份有限公司、川化永达建设工程有限责任公司、川化润嘉置业有限责任公司、成都望江化工厂、深圳荣生化工有限公司等家全资、控股子公司和中外合资企业川化味之素有限公司、川化青上有限公司。公司现有在册职工,7350,人（其中各类专业技术人员,1020,余人），资产总额,25,亿元，占地,220,公顷，生产,57,种,100,多个型号的产品，是我国目前最大的合成氨、氮肥生产企业之一及最大的三聚氰胺和赖氨酸生产企业。公司以其规模优势、技术优势、管理优势、人才优势和地域优势，在全国化工行业中处于领先水平。川化（）这一企业品牌和天府牌商标，在国内外享有较好知名度和声誉，产品畅销全国各省、市、自治区，部分产品还远销国外。公司先后荣获全国产品质量优秀企业、全国环保先进企业、全国五一劳动奖状、中国企业管理杰出贡献奖、全国精神文明建设工作先进单位、全国先进基层党组织等称号。,川化集团生产场景,第一章,绪,论,Introduction,一、化工生产过程与单元操作,1,、化学工业,所谓化学工业，是将原料以工业规模用化学方法生产新的物质过程，,化学工业包括多种门类的工业，如基本化工原料的制备、染料、医药、油漆、涂料、农药、塑料、化肥、感光材料、化学试剂、洗涤剂、制冷剂等生产，石油工业、冶金工业、食品工业、燃料工业、皮革工业、陶瓷工业、玻璃工业、合成橡胶工业以及铀的浓缩提取等都属于化学工业范畴,2,、化工生产过程,化工产品生产过程是由两大部分组成的，即核心部分和辅助部分。核心为,化学反应过程，,辅助部分为,前、后处理过程。,举例：聚氯乙烯塑料的生产（乙炔法）,基本原理,-,化学反应,原料预处理,化学反应,产品分离提纯,化工产品的生产过程,3,、单元操作,化工单元操作是化工原理的主要研究领域，是在,化学工业生产中具有共同的物理变化特点的基本操作,，是由各种化工生产操作概括得来的。,专题一：单元操作,单元操作的概念,单元操作的特点（下页）,只改变物料的状态或其物理性质,而不改变其化学性质,;,都是化工过程中共有的操作,但不同的化工过程包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异,某单元操作作用于不同的化工过程，其基本原理并无不同，进行该操作的设备往往也是通用的,精馏、吸收、干燥、吸附和膜分离,单元操作种类（,P2,）,流体的输送与压缩,过滤、沉降,加热 冷却,蒸发,动量传递,热量传递（,传热,）,质量传递（,传质,）,化工产品生产过程：“三传一反”过程,单元操作过程进行的方式,间歇操作：不稳定操作,连续操作：稳定操作,U,操作中物料,组成、温度、压强等参数,二、本课程的任务、性质和内容,1,、任务：,研究各化工单元操作的,基本原理、典型设备的构造及工艺尺寸的计算或造型,，并能用以分析和解决工程技术中的一般问题。,2,、性质：,化工原理是化工类、轻工、医药类专业学生的技术基础课，是一门应用性学科。,本门课程讲解的思路,化工各单元操作,基本原理,遵循规律,数学关联式,工艺计算,工艺尺寸,三、单位及单位换算,1,、单位与单位制,物理量,=,数字,单位,导出单位：,由基本单位派生出的单位，如速度单位,m/s,，加速度单位,m/s,2,等。,基本单位,：基本物理量的单位，,例,长度,m,，质量,等,单位,绝对单位制,（物理单位制）,C.G.S.,科学实验,cm s g,基本单位,长度 时间 质量 力,M.K.S.,工程实际,m s kg,工程单位制,m s,kgf,SI,制（国际单位制,),：七个基本单位：长度,m,，,时间,s,，质量,kg,，热力学温度（,Kelvin,温度）,K,，电流单位,A,，发光单位,cd,（烛光），物质的量,mol,2,、单位换算,*理论公式（物理量方程）,是根据物理规律建立的公式，例如牛顿第二定律,*经验公式（数字公式）,根据实验数据整理得来的公式,3,、物理量单位方程的换算,化工中常用的单位间的换算因数可从本书附录中查得。,以压强为例：,四、物料衡算及能量衡算,1,、物料衡算（质量衡算）,进料,出料,累积,输入物料质量的总和（,kg,）输出物料质量总和（,kg,）积累在该过程的物料质量（,kg,）,2,、能量衡算,在物料衡算的基础上进行能量衡算,输入能量,输出能量,热损失,随物料进入系统的总热量随物料离开系统的总热量散失热量,第一章,流体流动,1.1.1,、,概述,1,、,流体,液体和气体的总称,流体特点,流动性,，即抗剪抗张能力都很小,无固定形状,，随容器的形状而变化,在外力作用下流体内部发生相对运动,2,、,流体研究方法,1）,提出“,流体质点”概念：,含有大量分子的流体微团,。,流体质点成为,研究流体宏观运动规律的,对象,。,2,）,提出“,流体连续性假设”,：,假设流体是,由大量质点组成的彼此间没有空隙，完全充满所占空间的,连续介质,。可从宏观的角度研究流体的流动规律，摆脱了复杂的分子运动。（即连续介质模型）,3,、,流体流动规律是本门课程的重要基础，这是因为,：,（,1,）,流体的输送,管路的设计、输送机械选择及所需功率的计算,。,（,2,）,压强、流速及流量的测量,了解和控制生产过程，压强、流量及流速等一系列的参数进行测量,（,3,）,为强化设备提供适宜的流动条件,强化传热、传质过程,*,本章讨论重点,流体流动过程的基本原理,流体在管内的流动规律,分析和计算流体的输送问题,第一节,流体静力学及其应用,流体静力学研究内容：,研究流体在外力作用下处于平衡的,规律。,本节内容：,流体在重力和压力作用下的平衡规律。（实际上就是受力分析）,1.1.1,、流体的密度和比容,1,、流体的密度,：单位体积的流体所具有的质量。,定义：,单位：,流体中某点密度：,流体中,根据密度随压强变化,情况,流体,不可压缩流体,:,液体被视为不可压缩流体，其密度只与温度有关,。,可压缩流体,：,气体是可压缩流体。一般在压强不太高，温度不太低的情况下，可以按理想气体处理。,专题：混合物密度的确定原则,液体混合物：按理想溶液各组分混合前后体积不变,气体混合物：理想气体各组分混合前后质量不变,对于液体，混合物组成常用组分的质量,分数表示,(x,i,),，对于气体，混合物组成常,用体积分数,(,y,i,),表示。,混合液密度：,x,i,组分,i,的质量分数,i,组分,i,的密度,理想混合气体密度：,其中,y,i,组分,i,的体积分数,2,、流体的比容,密度的倒数，即单位质量流体所具有的体积。,定义：,单位：,3,、比重,定义：,1.1.2,、流体的静压强与方程,1,、定义,：流体,垂直作用,于单位面积上的静压力。（法向力）,单位,某点的静压强,2,、压强的单位,SI,制：,Pa,习惯使用单位：,液柱高度,换算关系：,、液体压强的表示方法,基 准：,绝对真空,(,零压,),和大气压强,绝对压强：以绝对真空,(,零压,),为基准量,得的压强,相对压强：,以大气压强为基准量得的压强，,表示为,表压或真空度。,具体换算见,P8,表压,=,绝对压强,大气压强,真空度,=,大气压强,绝对压强,=-,表压,需要记住以下常用数据：,=1.033,工程大气压,760,mmHg,SI,单位,m,水柱,小结：,（1）化工原理的主要内容,（2）单元操作,（3）,流体的物性参数：密度、,比重、比容,1.1.3,流体静力学基本方程式,Z,1,Z,2,1,2,静止液体内的压强分布,研究的目的,：,了解流体在重力和压力下的平衡规律，,讨论静止流体内部压力的变化规律,Z,y,x,dx,dy,微元流体的静力学平衡,（,1,）,重力；,（,2,）,作用于上底面积的压力：,（,3,）,作用于下底面积的压力：,由于液柱静止，故：,Z,y,x,dx,dy,分析：在,Z,轴上，作用于该立方体上的力,Z,轴方向力的平衡式：,X,轴方向力的平衡式：,y,轴方向力的平衡式：,流体平衡微分方程,同理，仅考虑重力得：,将上式分别乘以,dz,、,dx,、,dy,，,并相加各式,不可压缩流体,分析见,P9,，,1-2,式的由来,流体静力学的基本方程式，表示重力作用下静止液体内部压强的变化规律。(该方程亦适用于气体）,推论：静止流体中任意两点间的压强为：,如液面压强为,P,0,则静止液体内任一点压强为,：,0,即为表压,说明：,上式仅适用于重力场中静止的 不可压缩流体,。但对于气体若压强变化不大，密度可近似取平均值而视为常数，则上式亦可使用,静止流体内部静压强仅与垂直位置有关，而与水平位置无关,。水越深压强越大，天空越高气压越低。,等压面：静止的，连续的同一流体内处于同一水平面上的各点压强处处相等,。,1.2.4,流体静力学基本方程式的应用,一、压强与压强差的测量,（一）,U,管压差计,P11,a a,/,为等压面,说明：如,U,管的一侧与大气,相通，则所测的数值为该,截面处流体的表压强,（二）微差压差计（双液柱压差计）,特点：,（,1,）压差计内装有两种密度相近且不互溶的指示液,A,和,C,，而,C,与被测流体,B,亦不互溶。,（,2,）,U,管两侧顶端臂顶端各装有扩大室,二、液位的测量,:,测定液位的仪表叫液位计，大多数液位计的作用原理均遵循流体静力学原理。,三、液封高度的计算,:,化工生产中常遇到设备的液封问题。液封高度的确定是根据流体静力学来计算得出,。,流体静力学方程应用举例（,P10,例题,1-1,、,1-2,）,【,例,1-1】U,型管压差计测量蒸汽锅炉水面上方的蒸汽压，如图,1-15,所示，,U,型管压差计的指示液为水银，两,U,型管的连接管内充满水。已知水银面与基准面的垂直距离分别为：,大气压强,。,试求锅炉上方水蒸汽的压强,第三节 流体在管内的流动,(,Fliud,-Flow Phenomena,),1.3.1,流量与流速,1,、,流量,：,单位时间内流过管道内任一截面,的流体体积；,体积流量,Vs,，,m,3/,s,质量流量,w,s,，,/s,w,s,=Vs,2,、流速：单位时间内流体在流动方向上所流过的距离，,m/s.,实验证明流体流经管道任一截面时，流速沿径向方向各不相同；,管中心：,r=0,，,u,r,=,u,max,；,管壁处：,r=R,，,u,r,=0,；,呈下图所示分布：,管内任一截面处流速的分布情况,u,平均流速,A,与流动方向相垂直的管道横截面积,以后如不特别加以说明，流体的流速指的是平均流速，而不是点流速,。,u=Vs/A m/s,；,3,、质量流速,G,：单位时间内流体流过管道截面积的质量，,/s,平均流速,G=Ws/A=Vs/A=u,通常,管道为圆管时：,此式关联了,Vs,，,u,，,d,三者，,Vs,为生产任务，一般为确定量,(,定值,),。,备注,:d,和,u,的关系如下,：,u,大，,d,小,管材耗量少,(,设备费用小,),操作费用增大,(,流动阻力增大,),u,存在最佳值,气体,液体：,蒸汽,u=0.5,3 m/s,u=10,30 m/s,u=30,50 m/s,1.3.2,稳定流动与不稳定流动,稳态流动,非稳态流动,1,1,/,2,2,/,稳定流动,：在流动系统中，若各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而变，不随时间而变。参数表示为,非稳定流动,：若流体在各截面上的有关物理量既随位置而变，又随时间而变。参数表示为,本章重点讨论稳定流动问题,专题,:,黏度,P15,阅读,PDF,文件,1.3.3,连续性方程式,C.E,(the equation of continuity,),连续性方程建立的,基础：物料的质量衡算,如图所示。取从截面,1-1,到截面,2-2,的范围作流体的质量衡算。,由于液体是不可压缩的，所以,式（,I,）（,II,）称为,不可压缩流体的稳定流动的连续性方程,。,注意：,连续性方程反映了在定态流动系统中，流量一定时，管路各截面上流速的变化规律。,此规律与管路的安排以及管路上是否装有管件、阀门或输送设备等无关。例题,1-4 P22,1.3.4,能量横算,-,柏努利方程式,1,、流动系统的总能量衡算,分析,1,流体进、出系统时输入与输出的能量项：,1),、内能：物质内部能量的总和,(,分子平动能，转动能，振动能,),以,U,1,，,U,2,表示：,内能是一个状态函数，取决于流体本身的状态,。,2),、位能：流体因受重力作用，在不同的高度处具有不同的位能，相当于质量为,m,的流体自基准水平面升举到某高度,Z,所做的功：,3),、动能：流体以一定的速度运动时，便具有一定的动能，质量为,m,，流速为,u,的流体具有的动能为：,E,k,=(1/2)mu,2,，,J,4),、静压强,(,压力能,),：流动着的流体内部任何位置具有一定的静压强，如：,通过截面,11,的流体必定要带有与所需的功相当的能量才能进入系统，流体所具有的这种能量就称为,压力能或流动功。,图,1-13,压强能的表达形式,设质量为,m,体积为,V,1,的流体通过截面,11,，把流体推进到此截面所需的,作用力为,p,1,A,1,，又,位移为,V,1,/A,1,，,则：,5),、热：,Q,e,1,流体接受或放出的能量，,J/,Q,e,可为正可为负；吸热,Q,e,为正值。放热为负,6),、外功,(,净功,),：,W,e,1,流体通过输送设备,(,泵或风机,),所获得或输出的能量，,J/,；,W,e,可为正可为负；,U,1,+gZ,1,+p,1,v,1,+(1/2)u,1,2,+Q,e,+W,e,=U,2,+gZ,2,+p,2,v,2,+(1/2)u,2,2,亦即：,令,U=U,2,-U,1,Z=Z,2,-Z,1,u,2,/2=(1/2)u,2,2,-(1/2)u,1,2,(pv,)=p,2,v,2,-p,1,v,1,对于定态流动系统，则能量衡算式为：,上式为,稳流系统中流体总能量衡算式。,(,亦叫流动系热力学第一定律,),U+gZ+(pv)+(1/2)u,2,=,Q,e,+W,e,小结,1,、流体静力学方程,2、等压面的概念,静止的，连续的 同一流体内处于同一水,平面上的 各点压强处处相等,。,a,a,/,P,3、流量和流速的概念,4、连续性方程,注意：,连续性方程反映了在定态流动系统中，流量一定时，管路各截面上流速的变化规律。,此规律与管路的安排以及管路上是否装有管件、阀门或输送设备等无关。,5,、流动系统的总能量衡算,U+gZ+(pv)+(1/2)u,2,=,Q,e,+W,e,3,、机械能衡算,-,柏努利,(,Bernonlli,),方程式,1,）、柏努利方程式,对于稳流、不可压缩流体、,理想流体,(,hf,=0),和无外功输入,(W,e,=0),则有：,流体定态流动时的机械能衡算式,柏努利方程式,P11 1-21,1,/,2,/,1,1,/,2,2,/,而对于非理想流体,(,实际流体,),，有外功输入：,广义的柏努利方程式,2,）、柏努利方程的讨论：,a),、柏努利方程适用条件,稳态流动；,不可压缩流体；,理想流体；,无外功输入；,b,、物理意义：,在任一流动截面上单位质量流体的总机械能守恒；而每一截面上各种形式的机械能不一定相等，但可以相互转换,。,理想流体,c,、广义柏努利方程的三种表达形式,（,J/kg,）,1）,单位：,Pa,Z,位头；,u,2,/2g,动压头,(,速度头,),；,p/g,静压头；,H,f,=,h,f,/g,压头损失；,H,e,=W,e,/g,有效压头（外加压头）；,（,m(,流体柱,),e),、对于可压缩流体，若,d),、若流体为静止不动，则,u,1,=u,2,=0,(4),式为,静力学基本方程式,，它是柏努利方程的特例,。,则柏努利方程仍成立，,只是,要以,m,替代。,m,平均压强下的密度,。,f),、不稳定流动的任一瞬间，柏努利方程仍成立。,1.3.5,柏努利方程的应用,(P38,例,1-6),流体流动及输送问题的计算，都是根据流体的柏努利方程来进行。,如 一、确定管道中流体的流量,(,流速,),；,二、确定输送设备的有效功率；,三、确定容器间的相对位置；,四、确定管路中流体的压强。,【,例,2】,用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽和反应器均与大气连通，要求料液在管内以 1,m/s,的速度流动。设料液在管内流动时的能量损失为 （不包括出口的能量损失），试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少？,解：,取高位槽液面为,1-1,截面，虹吸管,出口内侧截面,为,2-2,截面，并以,2-2,为基准面。列柏氏方程得：,式中：,（表压），,1-1,截面比,2-2,截面面积大得多，,而,注意,:,本题下游截面,2-2,必定要选在管子出口内侧，,这样才能与题给的不包括出口损失的总能量相适应,。,小结,1,、流量、流速,2,、,稳态流动,和非稳态流动,3,、连续性方程：,可压缩流体,不可压缩流体,了解其使用条件,4,、定态系统总能量衡算式,U+gZ+(pv)+(1/2)u,2,=,Q,e,+W,e,（,1,）,5,、定态系统机械能衡算式,6,、柏努利方程,单位：,m,（流体柱）,单位：,Pa,单位：,J/kg,3,、用柏努利方程解题要点：,1,）,选取截面，实际是确定衡算范围。截面可以有许多，选取已知条件最多的截面，是选取截面的原则,。从数学角度讲，选取截面就是选边界条件。,2,）确定基准面。主要是计算截面处的相对位能。一般是选位能较底的那个截面为基准面。此时这个截面的位能为零。,3,）,压强的单位要统一。要么都用表压，要么都用绝压等,。如有通大气的截面，以表压为单位时，该处截面表压为零。,4,）,、大口截面的流速为零。,【,例,1-3】,中的,1-1,截面，其流速为零,5,）,、,上游截面与下游截面的确定。柏努利方程更确切的表达式为：,上游截面的三项能量,+,从输送机械获得的能量,=,下游截面的三项能量,+,管道中的摩擦损失能量,6,）,、,水平管截面确定基准面时，一般是取通过管中心的水平面为基准面。,