《化工原理》绪论.ppt

1 化工原理既不同于自然科学中的基础学科 又有别于专门研究具体化工类产品生产过程的专业工艺课 它是应用基础学科中的一些基本原理 来研究化工类产品生产过程中共同遵循的基本规律和典型设备的一门技术基础课 0 1本课程的性质 内容和任务 2 化学工业是一个多行业 多品种的生产部门 化学工业类产品的生产过程可见其中有若干应用较广而又为数不多的化工基本过程 这些化工基本过程也称化工单元操作 简称单元操作 所谓单元操作是指在各种化工类产品的生产过程中 普遍采用 遵循共同的规律 所用设备相似 具有相同工艺作用的基本操作 3 1 动量传递过程 包括遵循流体力学基本规律的单元操作 如流体输送 沉降 过滤 离心分离等 2 热量传递过程 简称传热过程 包括遵循传热学基本规律的单元操作 如加热 冷却 蒸发和冷凝等 3 质量传递过程 简称传质过程 包括遵循传质基本规律的单元操作 如吸收 精馏 干燥等 各个单元操作并不是彼此孤立 互相没有联系的 经过分析研究 按照各单元操作遵循的基本规律 可把它们归纳为如下几类 4 化工原理的内容主要介绍单元操作的基本原理以及所用典型设备的结构 计算和选用 计算包括设计计算和设备核算两种 前者是指根据给定的生产任务计算出设备的工艺尺寸 然后进行结构设计或选型 后者是指对现有的设备进行核算 看其能否满足工艺要求 学习本课程的任务是掌握各个单元操作的基本规律 能理论联系实际地分析和解决工程技术中所遇到的一些实际问题 了解有关典型设备的构造 工作原理及主要性能 熟悉其操作原理及基本计算方法 5 1 物料衡算根据质量守恒定律 在稳定的化工生产系统中 输入该系统的物料质量必等于从系统中输出的物料质量与其在系统中损失的物料质量之和 即 0 1 式中 输入系统的物料质量 kg 输出系统的物料质量 kg A 在系统中损失的物料质量 kg 0 2化工过程的四个基本概念 6 2 能量衡算根据能量守恒定律 在稳定的化工生产系统中 输入该系统的能量必等于从该系统输出的能量与其在系统中损失的能量之和 在化工系统中所涉及的能量多为热能 因此 通常涉及到的能量衡算是热量衡算 热量衡算的基本关系式可表示为 0 2 式中 输入该系统中各物料带人的总热量 kJ 输出该系统的各物料带出的总热量 kJ q 系统损失的热量 kJ 7 3 平衡关系若组成不同的两相互相接触 则各组分将在两相间进行传递 直到每一组分在两相间相互传递的速率相等 两相的组成才不再发生变化 此时称为平衡 这种平衡是一种动态平衡 物系平衡关系表示了各种自发过程可能进行到的极限程度 对于化工生产过程 可以从物系平衡关系来判断其能否自发进行以及进行到何种程度 平衡关系也为设备的尺寸设计提供理论依据 8 4 过程速率对化工过程来说 为了发挥设备的生产能力 过程进行的速率往往比过程的极限显得更重要 因此 为了帮助分析化工过程 可将物系变化速率表述为推动力与阻力之间的关系 即 推动力的性质取决于过程的内容 过程的内容不同 推动力的性质也不同 如传热过程的推动力是温度差 流体流动的推动力是压强差 物质扩散的推动力是浓度差 但在物系达到平衡时其推动力等于零 至于过程的阻力则较为复杂 具体过程要作具体分析 9 1 单位制由于对基本量选择的不同 或对基本单位规定的不同 便形成了不同的单位制 下面我们将化学工程计算中经常涉及的几种单位制简介如下 1 绝对单位制常用的绝对单位制有两种 厘米 克 秒制 简称CGS制 又称物理单位制 其基本量为长度 质量和时间 它们的单位为基本单位 其长度单位是厘米 质量单位是克 时间单位是秒 力是导出量 力的单位由牛顿第二定律F ma导出 其单位为克 厘米 秒2 称为达因 在过去的科学实验和物理化学数据手册中常用这种单位制 米 千克 秒制 简称MKS制 又称绝对实用单位制 其基本量与CGS制相同 但基本单位不同 长度单位是米 质量单位是千克 时间单位是秒 导出量力的单位是千克 米 秒2 称为牛顿 0 3单位制和单位换算 10 2 工程单位制选用长度 力和时间为基本量 其基本单位分别为米 千克力和秒 质量成了导出量 工程单位制中力的单位千克力是这样规定的 它相当于真空中以MKS制量度的1千克质量的物体 在重力加速度为9 807米 秒2下所受的重力 质量的单位相应为千克力 秒2 米 并无专门名称 11 3 国际单位制简称为SI制 国际单位制规定了七个基本量及对应的基本单位 即长度 米 质量 千克 时间 秒 电流强度 安培 热力学温度 开尔文 发光强度 坎德拉及物质的量 摩尔 还有两个辅助单位和大量的导出单位 这些构成了SI制 SI制还规定了一套词冠 单位词头 来表示十进倍数或分数 由于国际单位制 S1制 有其独特的优点 即它的通用性及一贯性 自然科学与工程技术领域里的一切单位都可以由SI制的七个基本单位导出 所以SI制通用于所有科学部门 这就是其通用性 在SI制中任何一个导出单位由基本单位相乘或相除而导出时 都不引入比例常数 或者说其比例常数都等于1 从而使运算简便 不易发生错漏 这就是其一贯性 世界各国都有采用SI制的趋势 我国为了适应现代化建设及对外开放 交流的需要 1977年国务院颁布的计量管理条例规定 我国的基本计量制度是米制 即公制 逐步采用国际单位制 1984年2月国务院又颁布了关于在我国统一实行法定计量单位的命令 我国的法定计量单位是以国际单位制为基础的 能完全体现出国际单位制 SI制 的优越性 12 2 单位换算本书采用国际单位制 SI制 鉴于本课程过去曾有采用工程单位制的历史 现存文献 手册中尚有许多采用非国际单位制的数据 图表 而在进行化工计算之前必须把采用不同单位制表示的有关数据 物理量 换算成统一的单位 因此 熟悉各种不同单位制度 并能熟练地相互换算是学好本课程及将来正确进行化学工程计算的关键技能之一 我们知道 物理量由一种单位制的单位转换成另一种单位制的单位时 量本身并无变化 只是在数值上有所改变 在进行单位换算时要乘以两单位间的换算因数 所谓换算因数 就是彼此相等而各有不同单位的两个物理量的比值 13 譬如1小时的时间和60分的时间是两个相等的物理量 但其所用的单位不同 即 1小时 60分那么 小时和分两种单位的换算因数便是又如lm3体积等于106cm3的体积 则将m3换算成cm3的换算因数就是106 化工中常用的单位间的换算因数可从本书附录中查得 14 单位换算的规则为 1 一定大小的物理量 在进行单位换算时 其数值要跟着改变 即要将原单位的数值乘以换算因数 才可以得到新单位的数值 2 在一个组合形式的单位 简称组合单位 中 任何一个单独的单位要换算成其他单位时 要连同换算因数一起换算 15 化工原理中涉及的物理量很多 要高度重视各物理量的意义及单位 把每个物理量的确切意义弄明白 并注意相近或相似物理量之间的区分和联系 例如 流体的体积流量和质量流量 流体混合物各组分的摩尔分数和比摩尔分数 传热速率与热负荷 等等 这是因为工程上涉及相当多的计算 而计算中又涉及众多物理量 如果对物理量缺乏明确的理解 就容易引起混淆 0 4学习本课程的基本要求 各门学科都有其自身固有的特点 在学习中要注意针对学科的特点总结并改进学习方法 才能取得较好的效果 现对学习本课程提出以下几点要求 供学习时参考 16 化工过程中牵连的影响因素多 化工原理是一门综合性的课程 它以实际化工生产中的有关问题为研究对象 探讨其原理及规律 因此 涉及的面很广 牵连的因素很多 对这些因素不能等量齐观 而应当通过分析 分清主次 抓住主要矛盾 并搞清主 次间的相互关系 只有这样 才可能理解得比较深刻 所获得的知识就不是零碎和孤立的 而是比较系统和完整的 本课程中计算公式多 计算数字比较繁杂 这正体现了工程类课程的特点 要求对基本计算方程式的物理意义及应用条件有清晰的了解 根据以往经验 工程计算中的大部分错误主要来自三个方面 套用公式而不明了公式的物理意义 不掌握公式应用的前提或条件 物理量的运用不严格 单位不统一或单位没有经过必要的换算 计算时没有选用一定的基准 以致前后数据混淆 这三点是