化工原理-绪论.ppt

化工原理 主讲：王固霞 Email：材料科学与工程学院材料科学与工程学院2024/5/10 周五.课程的性质和地位课程的性质和地位本课程是高分子材料与工程专业的一门专业基础课。考核办法考核办法本课程为考试课程，平时成绩（包括作业、出勤等）占30%，期末考试成绩占70%。教教 材：材：化工原理，李凤华等编著，大连理工大学出版社，2004年。参考书：参考书：1、化工原理(上)，王世广主编，高等教育出版社，2002年。2、化工原理学习指南，姚玉英等编著，天津大学出版社，2003年。3、化工原理（上、下），姚玉英主著，天津科学技术出版社，1992年。2024/5/10 周五.2024/5/10 周五.化工原理化工原理课程的性质及重要性课程的性质及重要性 该课程是化工类及相近专业一门重要的技术基础课，是该课程是化工类及相近专业一门重要的技术基础课，是理科转向工理科转向工科的一个桥梁科的一个桥梁，为以后专业课的学习打下基础。兼有，为以后专业课的学习打下基础。兼有“科学科学”与与“技术技术”的特点，它是综合运用数学，物理，化学等基础知识。分析和解决化的特点，它是综合运用数学，物理，化学等基础知识。分析和解决化工生产中各种工生产中各种物理过程物理过程的工程问题的学科。本课程强调的工程问题的学科。本课程强调工程观点，定量工程观点，定量用算，实验技能及设计能力的培养用算，实验技能及设计能力的培养，强调理论联系实际。，强调理论联系实际。作为一门综合性技术学科的重要组成部分，主要研究个单元操作的作为一门综合性技术学科的重要组成部分，主要研究个单元操作的基本原理，所用的典型设备结构，工艺尺寸设计和设备的选型的共性问基本原理，所用的典型设备结构，工艺尺寸设计和设备的选型的共性问题，是一门重要的专业基础课题，是一门重要的专业基础课2024/5/10 周五.一、化工原理课程研究内容一、化工原理课程研究内容化工生产过程化工生产过程 对原料进行化工加工获得有用产品的过程称为化工生产过程对原料进行化工加工获得有用产品的过程称为化工生产过程2024/5/10 周五.2024/5/10 周五.2024/5/10 周五.归纳各种化工过程如下：归纳各种化工过程如下：物理操作物理操作化学操作化学操作物理操作物理操作产品原料核心 这些物理操作统称这些物理操作统称单元操作（单元操作（Unit Operations）化工原理的研究对象化工原理的研究对象单元操作单元操作 定义：定义：工艺过程中遵循相同的基本原理，只改变物理性质或物料状态，工艺过程中遵循相同的基本原理，只改变物理性质或物料状态，不改变物料化学性质的过程不改变物料化学性质的过程2024/5/10 周五.常见的单元操作过程常见的单元操作过程流体输送：流体通过管道的阻力损失，输送设备流体输送：流体通过管道的阻力损失，输送设备过滤：液固混合物的分离过滤：液固混合物的分离沉降：液固或气固混合物的分离沉降：液固或气固混合物的分离颗粒流态化：强化气（液）固两相间的接触颗粒流态化：强化气（液）固两相间的接触加热冷却：增加或降低特定物质的温度加热冷却：增加或降低特定物质的温度蒸馏：液体混合物的分离蒸馏：液体混合物的分离吸收：气体混合物的分离吸收：气体混合物的分离2024/5/10 周五.单元操作的分类单元操作的分类根据单元操作所遵循的基本规律，分为三类：动量传递实实际际流流体体内内部部由由于于动动量量、密密度度的的空空间间分分布布不不均均匀匀而而引引起起动量在流体中的传递过程动量在流体中的传递过程 如：流体输送、沉降、过滤、固体流态化热量传递热热能能在在空空间间的的传传递递过过程程，是是由由温温度度在在空空间间的的非非均均匀匀分分布布造成的造成的如：传热、冷凝、蒸发等质量传递某某物物质质在在混混合合物物中中的的传传递递过过程程，是是由由浓浓度度在在混混合合物物中中的的分分布布不均造成的不均造成的 如：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等2024/5/10 周五.单元操作的特点单元操作的特点 1）所所有有的的单单元元操操作作都都是是物物理理性性操操作作，只只改改变变物物料料的的状状态态或或物物理理性性质，并不改变化学性质。质，并不改变化学性质。2）单单元元操操作作是是化化工工生生产产过过程程中中共共有有的的操操作作，只只是是不不同同的的化化工工生生产产中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。3）单单元元操操作作作作用用于于不不同同的的化化工工过过程程时时，基基本本原原理理相相同同，所所用用的的设设备也是通用的。备也是通用的。4）对同样的工程目的，开采用不同的单元操作来实现。）对同样的工程目的，开采用不同的单元操作来实现。例：液体混合物可以用精馏、萃取、膜分离等等2024/5/10 周五.二、二、化工原理的学习研究方法化工原理的学习研究方法 研究方法研究方法工程方法工程方法 1）实验研究方法（经验的方法）实验研究方法（经验的方法）依依靠靠实实验验来来确确定定过过程程变变量量间间的的关关系系，得得到到经经验验公公式式，理理论论基基础础为为因因次次分分析析法法和和方法论。方法论。2）数学模型法（半经验半理论的方法）数学模型法（半经验半理论的方法）在在对对实实际际过过程程的的机机理理深深入入分分析析的的基基础础上上，在在抓抓住住过过程程本本质质的的前前提提下下，做做出出某某种种合合理理简简化化，建建立立物物理理模模型型，进进行行数数学学描描述述，得得出出数数学学模模型型。通通过过实实验验确确定定模模型型参参数数，得到半经验半理论公式。得到半经验半理论公式。2024/5/10 周五.三、单位制与单位换算三、单位制与单位换算1.1.单位及单位制单位及单位制 物理量的大小以数值加单位表示物理量的大小以数值加单位表示单位有基本单位和导出单位之分单位有基本单位和导出单位之分单位制：单位制：基本单位与由这些基本单位导出的导出单位的集合常用单位制常用单位制：国际单位制（SI）、工程单位制、物理单位制等基本单位基本单位：根据使用方便的原则制定的基本量的单位。导出单位导出单位：导出量的单位称为导出单位，均由基本单位相乘、除而构成的。单位单位数值数值压力：压力：p=100KPa2024/5/10 周五.2 2单位换算单位换算 在在生生产产实实践践中中存存在在许许多多习习惯惯用用法法，为为了了计计算算中中单单位位的的统统一一性性，需需要要对对一一些些单单位进行单位换算。位进行单位换算。不同单位制中的单位换算不同单位制中的单位换算 1kg=1000g 1m=100cm 1 1kg=1000g 1m=100cm 1=1K =1.8+32 1atm=1.033at=760mmHg=10.33mH2O=1.013 105Pa 1=1K,说明开氏温度和摄氏度的分度是一样的，但二者在数值上不一样，说明开氏温度和摄氏度的分度是一样的，但二者在数值上不一样，开氏温度开氏温度=摄氏度摄氏度+273.15质量时间温度长度物质的量电流强度发光强度千克kg秒S开尔文K米m摩尔mol安培A坎德拉candela2024/5/10 周五.例：已知例：已知1atm=1.033kgf/cm2,将其换算成将其换算成N/m2。解：按题意需将解：按题意需将kgf/cm2中的中的kgf单位换算成单位换算成N，cm2换算成换算成m2,查附录查附录1：换算关系为：换算关系为：1kgf=9.81N，1cm=0.01m 上述关系代入上述关系代入，得：，得：2024/5/10 周五.四、化工过程计算的理论基础四、化工过程计算的理论基础1.1.物料衡算物料衡算2.2.依据依据质量守恒定律质量守恒定律 3.3.输入系统的物料质量等于从系统输出的物料质量和系统中积累的输入系统的物料质量等于从系统输出的物料质量和系统中积累的物料质量。物料质量。物料衡算的通式物料衡算的通式作物料衡算应注意的问题：作物料衡算应注意的问题：1、确定衡算范围、确定衡算范围 2、明确衡算对象、明确衡算对象3、统一计算单位、统一计算单位 4、选定计算基准、选定计算基准2024/5/10 周五.例例：在在两两个个蒸蒸发发器器中中，每每小小时时将将5000kg的的无无机机盐盐水水溶溶液液从从12浓浓缩缩到到30%。第第二二蒸蒸发发器比第一蒸发器多蒸出器比第一蒸发器多蒸出5%的水分。试求：的水分。试求：（1）各蒸发器每小时蒸出水分的量；）各蒸发器每小时蒸出水分的量；（2）第一蒸发器送出的溶液浓度。第一蒸发器送出的溶液浓度。解解：首首先先画画一一个个流流程程图图表表示示进进行行的的过过程程，用用方方框框表表示示设设备备，输输入入输输出出设设备备的的物物流方向用箭头表示。流方向用箭头表示。划定衡算的范围为求各蒸发器蒸发的水量，以整个流程为衡算范围，用一圈划定衡算的范围为求各蒸发器蒸发的水量，以整个流程为衡算范围，用一圈封闭的虚线画出。封闭的虚线画出。x1W1W2F0=5000kg/hx0=0.12F1F2x2=0.3蒸发器1蒸发器22024/5/10 周五.确定衡算对象确定衡算对象 此题中有两个未知数，蒸发的水量及送出的溶液浓度，因此，我们就以不同衡算对象列出两个衡算式。对盐作物料衡算：对总物料作衡算：代入已知数据，得：由题意知2024/5/10 周五.求第一个蒸发器送出的溶液浓度，选择第一个蒸发器为衡算范围。对盐作物料衡算：对总物料作衡算：代入已知数据，得：解得：2024/5/10 周五.2 能量衡算能量衡算依据：能量守恒定律依据：能量守恒定律 即输入系统的总能量等于系统输出的总能量与损失的能量之和。即输入系统的总能量等于系统输出的总能量与损失的能量之和。热量衡算通式热量衡算通式或写成 注注：热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，也必须首先热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，也必须首先划定衡算范围及衡划定衡算范围及衡算基准。但衡算对象只能是物料的总体，而不是单个组分。算基准。但衡算对象只能是物料的总体，而不是单个组分。此外应注意焓是相对值，因此必须此外应注意焓是相对值，因此必须指明基准温度指明基准温度，习惯上选，习惯上选0为基准温度，并为基准温度，并规定规定0时液态的焓值为零。时液态的焓值为零。2024/5/10 周五.例例：在换热器里将平均比热为3.56kJ/（kg）的某溶液自25加热到80，溶液流量为1.0kg/s，加热介质为120的饱和水蒸气，其消耗量为0.095kg/s，蒸气冷凝成同温度的饱和水排出。试计算此换热器的热损失占水蒸气所提供热量的百分数。解：解：根据题意画出流程图 换热器120饱 和 水 蒸气0.095kg/s120饱 和水0.095kg/s1.0kg/s25溶液80溶液1.0kg/s2024/5/10 周五.基准：1s 在图中虚线范围内作热量衡算 从附录7查出120饱和水蒸气的焓值为2708.9kJ/kg，120饱和水的焓值为 503.67kJ/kg。在此系统中输入的热量：蒸气带入的热量：溶液带入的热量：输出的热量：2024/5/10 周五.冷凝水带出的热量：溶液带出的热量：根据能量衡算式，有：热量损失的百分数=2024/5/10 周五.3.过程的相平衡关系和过程速率过程的相平衡关系和过程速率 任何过程都是由不平衡状态向平衡状态进行的任何过程都是由不平衡状态向平衡状态进行的 平衡状态是自然过程所能达到的极限程度平衡状态是自然过程所能达到的极限程度 用来判断过程进行的方向和所能达到的极限。用来判断过程进行的方向和所能达到的极限。过程速率：是指过程由不平衡状态到平衡状态转化的快慢。过程速率：是指过程由不平衡状态到平衡状态转化的快慢。过程的速率推动力阻力过程的速率推动力阻力 推动力：过程所处的状态与平衡状态的差距。推动力：过程所处的状态与平衡状态的差距。阻力：过程的阻力是各种因素对速率影响的总的体现。阻力：过程的阻力是各种因素对速率影响的总的体现。过程速率是计算设备尺寸的基本工具。过程速率是计算设备尺寸的基本工具。2024/5/10 周五.五五.化工原理的基本要求化工原理的基本要求 发发展展：如如何何根根据据某某个个物物理理或或物物理理化化学学原原理理开开发发成成为为一一个个单单元元操操作作，寻寻本本求源求源。选择：选择：为了达到或实现某一工程目的，能否对过程和设备作合理的选择为了达到或实现某一工程目的，能否对过程和设备作合理的选择和组合和组合。设计：设计：对已掌握了性能的过程和设备作直接的设计计算以及对性能不十对已掌握了性能的过程和设备作直接的设计计算以及对性能不十分掌握的过程和设备通过必要的试验，测取设计数据，做逐级放大。分掌握的过程和设备通过必要的试验，测取设计数据，做逐级放大。操作：操作：如何根据基本原理发现操作上可能出现的各种不正常现象，寻找如何根据基本原理发现操作上可能出现的各种不正常现象，寻找其原因及可能采取的调节措施其原因及可能采取的调节措施2024/5/10 周五.本章思考题本章思考题1.本课程的研究对象是什么？本课程的研究对象是什么？2.什么是单元操作？什么是单元操作？3.“三传一反三传一反”指的是什么？指的是什么？4.什么是单位制，目前最常用的是什么单位制？什么是单位制，目前最常用的是什么单位制？2024/5/10 周五.课堂习题在生产在生产KNO3的过程中，质量分数为的过程中，质量分数为0.2的的KNO3水溶液以水溶液以1000kg/h的流量送的流量送人蒸发器，在人蒸发器，在422K下蒸发出部分水而得到下蒸发出部分水而得到50%的的KNO3浓溶液，然后送人冷浓溶液，然后送人冷却结晶器，在却结晶器，在311K下结晶，得到含水下结晶，得到含水0.04的的KNO3晶体和含晶体和含KNO3 0.375的饱的饱和溶液，前者作为产品取出，后者循环回到蒸发器。过程为稳态操作，试计和溶液，前者作为产品取出，后者循环回到蒸发器。过程为稳态操作，试计算结晶产品量、水蒸发量和循环的饱和溶液量。算结晶产品量、水蒸发量和循环的饱和溶液量。2024/5/10 周五.