化工原理 绪论.doc

化工原理 绪论.txt你出生的时候，你哭着，周围的人笑着；你逝去的时候，你笑着，而周围的人在哭！喜欢某些人需要一小时,爱上某些人只需要一天,而忘记一个人得用一生 本文由Magic7046贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 化工原理 Principles of Chemical Engineering 2011-3-11 一、化工原理课程简介 1.课程名称与性质 课程名称与性质 2.课程的发展与研究对象 课程的发展与研究对象 3.化工原理的学科性质与研究方法 化工原理的学科性质与研究方法 4.化工原理的学习方法 化工原理的学习方法 绪论 二、化工原理处理问题的方法 1.物料衡算 物料衡算 2.能量衡算 能量衡算 3.平衡与速率 平衡与速率 三、单位与单位制 2011-3-11 一、化工原理课程简介 1. 课程名称与性质 名称： 化工原理、单元操作、 名称： 化工原理、单元操作、化工过程及设备 性质： 性质： 研究化工生产中公有物理过程的原理及设 备，是一门工程性、 实践性很强的课程。 是一门工程性、 实践性很强的课程。 前修课程： 高等数学、大学物理、物理化学、 前修课程： 高等数学、大学物理、物理化学、 算法语言、 算法语言、计算方法等 教学环节： 课堂教学、实验、实习、 教学环节： 课堂教学、实验、实习、课程设计 化工原理是基础课与专业课之间的桥梁， 2 化工原理是基础课与专业课之间的桥梁，工程训练 是其主要目标。 是其主要目标。 2011-3-11 2. 课程的发展与研究对象 化工原理课程的发展源于化工生产。 化工原理课程的发展源于化工生产。 以 聚氯乙烯 已炔法）的生产过程为例说明之。 （已炔法）的生产过程为例说明之。 化学原理： 化学原理： C2H2+HClC2H3Cl 合成 偶氮二异丁腈 HgCl2 nC2H3Cl ( C2H3Cl ) n 聚合 生产过程： 参见下面流程图） 生产过程：（参见下面流程图） 2011-3-11 2011-3-11 2011-3-11 化工原理的研究对象 单元操作（Unit Operations） 单元操作（ 单元操作 ） 化工生产中共有的物理操作 (1) 单元操作的概念 化工生产中共有的物理操作 原料的预处理 化工生产过程 进行化学反应 反应产物的分离与提纯 由化学反应和若干个单元操作串联而成 化工原理研究各个独立的单元操作 研究各个独立的单元操作 化工原理 单元操作 2011-3-11 2）单元操作的特点 ） 所有的单元操作都是物理性操作， 所有的单元操作都是物理性操作，只改变物料的状态或 物理性质，并不改变化学性质。 物理性质，并不改变化学性质。 化工生产过程中共有的操作， 单元操作是化工生产过程中共有的操作 单元操作是化工生产过程中共有的操作，只是不同的化 工生产中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。 工生产中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。 单元操作作用于不同的化工过程时，基本原理相同， 单元操作作用于不同的化工过程时，基本原理相同，所 用的设备也是通用的。 用的设备也是通用的。 2011-3-11 3）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： 根据单元操作所遵循的基本规律，分为三类： ?流体动力过程 遵循流体动力基本规律，用动量传 流体动力过程 遵循流体动力基本规律， 遵循流体动力基本规律 递理论研究 如：流体输送、沉降、过滤、固体流态化 流体输送、沉降、过滤、 ?热过程 遵循传热基本规律，用热量传递理论研究 热过程 遵循传热基本规律， 热量传递理论研究 遵循传热基本规律 如：传热、冷凝、蒸发等 传热、冷凝、 ?传质过程 传质过程遵循传质基本规律，用质量传递理论研究 遵循传质基本规律， 质量传递理论研究 传质过程 遵循传质基本规律 如：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等 蒸馏、吸收、萃取、结晶、 2011-3-11 3. 课程研究方法 工程学科性质决定了课程的研究方法。 工程学科性质决定了课程的研究方法。 研究方法工程方法 工程方法 研究方法 实验规划 测试手段与技术 数据处理 过程分析、 过程分析、简化 过程描述 实验检验及测定模参 实验法 经验法） 工程学科 （经验法） 研究方法 数学模型法 (半理论半经验法 半理论半经验法) 半理论半经验法 将在课程中逐步介绍这些方法及其应用 2011-3-11 例如： 例如： 因次分析法 直管湍流阻力 直管湍流阻力 数学模型法双膜模型的建立 双膜模型的建立 数学模型法 参数综合法过滤常数 过滤常数 参数综合法 当量法当量直径、当量长度等 当量法 当量直径、 当量直径 类比法动量、热量、质量传递的类似规律 动量、热量、 类比法 动量 2011-3-11 4. 化工原理的学习方法 发展： 发展 ：如何根据某个物理或物理化学原理开发成为一个 单元操作，寻本求源。 单元操作，寻本求源。 选择：为了达到或实现某一工程目的，能否对过程和设 选择： 为了达到或实现某一工程目的， 备作合理的选择和组合。 备作合理的选择和组合。 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 以及对性能不十分掌握的过程和设备通过必要的试验， 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。 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，寻找其原因及可能采取的调节措施。 正常现象，寻找其原因及可能采取的调节措施。 2011-3-11 通过化工原理课程学习，我们应达到以下目的： 通过化工原理课程学习，我们应达到以下目的： a b c d 过程清楚、原理清楚； 过程清楚、原理清楚； 过程及设备开发的基本方法与原则； 过程及设备开发的基本方法与原则； 分析与解决化工生产中的实际问题； 分析与解决化工生产中的实际问题； 了解强化过程的途径。 了解强化过程的途径。 工 程 训 练 2011-3-11 二、化工原理处理问题的方法 1. 物料衡算 依据质量守恒定律 质量守恒定律 依据 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。 中积累的物料质量。 G 邋 = I G +G 0 A 物料衡算的通式 物料衡算的通式 2011-3-11 整个生产过程 衡算的系统 某一设备 系统中的所有物料 衡算的对象 某一个组分 定态过程，积累为零。 定态过程，积累为零。则： G 邋 = I G0 2011-3-11 例：在两个蒸发器中，每小时将5000kg的无机盐水溶液从 在两个蒸发器中，每小时将 的无机盐水溶液从 12（ 质量 ） 浓缩到 质量 浓缩到30%。第二蒸发器比第一蒸发器多蒸 。 的水分。 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。 W1 F0=5000kg/h x0=0.12 F1 x1 W2 F2 x2=0.3 蒸发器1 蒸发器 蒸发器2 蒸发器 2011-3-11 解：首先画一个流程图表示进行的过程 用方框表示设备，输入输出设备的物流方向用箭头表示。 用方框表示设备，输入输出设备的物流方向用箭头表示。 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， 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。 用一圈封闭的虚线画出。 选择衡算基准（连续操作以单位时间为基准， 选择衡算基准（连续操作以单位时间为基准，间歇操作 以一批操作为基准） 以一批操作为基准） 由于连续操作， 小时为基准。 由于连续操作，以1小时为基准。 小时为基准 2011-3-11 确定衡算对象 此题中有两个未知数，蒸发的水量及送出的 此题中有两个未知数，蒸发的水量及送出的NaOH溶液量 溶液量 B，因此，我们就以不同衡算对象列出两个衡算式。 ，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： 对盐作物料衡算： 对总物料作衡算： 对总物料作衡算： F x0 = F x2 0 2 5000 = F2 + W + W2 1 0.3F2 代入已知数据， 代入已知数据，得： 5000? 0.12 F = 2000kg / h 2 W + W2 = 3000kg / h 1 由题意知 W = 1.05 1 W 2 W = 1463.4kg / h 1 2011-3-11 W = 1536.6kg / h 2 求第一个蒸发器送出的溶液浓度， 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。 算范围。 对盐作物料衡算： 0 对盐作物料衡算： F x0 = Fx 1 1 对总物料作衡算： 0 对总物料作衡算： F = W + F 1 1 代入已知数据， 代入已知数据，得： 5000? 0.12 解得： 解得： Fx1 1 5000 = 1463.4+ F 1 F = 3536.6kg / h 1 x1 = 0.1697 = 16.97% 2011-3-11 2 热量衡算 依据： 依据：能量守恒定律 即任何时间内输入系统的总热量等于系统输出的总热 量与损失的热量之和。 量与损失的热量之和。 Q 邋 = I Q +Q 0 L 热量衡算通式 热量衡算通式 或写成 ( 邋wH) 2011-3-11 = I (wH)0 + QL 热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同， 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算基准。 先划定衡算范围及衡算基准。 此外应注意焓是相对值，因此必须指明基准温度， 此外应注意焓是相对值 ， 因此必须指明基准温度 ， 习惯 上选0为基准温度，并规定 时液态的焓值为零。 上选 为基准温度，并规定0时液态的焓值为零。 3.过程的平衡和速率 平衡问题 例 过程的平衡问题是说明过程进行的方向和所能达到的 极限。 极限。 平衡是一个动态的过程。 平衡是一个动态的过程。 2011-3-11 速率 过程的速率是指过程由不平衡到平衡进行的快慢。 过程的速率是指过程由不平衡到平衡进行的快慢。 过程的速率表示为： 过程的速率表示为： 过程的速率推动力阻力 过程的速率推动力 推动力：过程所处的状态与平衡状态的距离， 推动力：过程所处的状态与平衡状态的距离， 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。 2011-3-11 在换热器里将平均比热为3.56kJ/（kg）的某溶液自 例：在换热器里将平均比热为 （ 25加热到80，溶液流量为 加热到 溶液流量为1.0kg/s，加热介质为 ，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 和水蒸气， 其消耗量为 ， 水排出。 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。 分数。 解：根据题意画出流程图 120饱和水蒸气 0.095kg/s 25溶液 1.0kg/s 换热器 80溶液 1.0kg/s 120饱和水 0.095kg/s 2011-3-11 基准： 基准：1s 在图中虚线范围内作热量衡算 从附录查出120饱和水蒸气的焓值为278.9kJ/kg，120饱 从附录查出 饱和水蒸气的焓值为 ， 和水的焓值为503.67kJ/kg。 。 和水的焓值为 在此系统中输入的热量： 在此系统中输入的热量： ? QI = Q + Q2 1 蒸气带入的热量： 蒸气带入的热量： Q = 0.095? 2708.9 1 257.3kw 溶液带入的热量： 溶液带入的热量： Q2 = 1.0创 3.56 (25- 0)= 89kw ? Q = 257.3+ 89 = 346.3kw I 输出的热量： 输出的热量： 2011-3-11 Q = Q + Q4 O 3 冷凝水带出的热量： 冷凝水带出的热量： Q = 0.095? 503.67 3 47.8kw 3.56 (80- 0)= 284.8kw 溶液带出的热量： 溶液带出的热量： Q4 = 1.0创 Q0 = Q + Q4 = 47.8+ 284.8 = 332.6kw 3 根据能量衡算式， 根据能量衡算式，有： Q 邋 = I Q0 + QL QL = 邋 I Q 热量损失的百分数= 热量损失的百分数 Q0 = 346.3- 332.6kw= 13.7kw 13.7 = 6.54% 257.3- 47.8 2011-3-11 三、单位及单位制 1.单位及单位 基本量：任意选定的几个独立的物理量(如长度,时间等) 基本量：任意选定的几个独立的物理量(如长度,时间等)。 基本单位：根据使用方便的原则制定的基本量的单位。 基本单位：根据使用方便的原则制定的基本量的单位。 导出量：根据物理量与基本量之间的关系来确定的量。 导出量：根据物理量与基本量之间的关系来确定的量。 导出单位：导出量的单位称为导出单位， 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 。 单位制：基本单位与导出单位的总和。 单位制：基本单位与导出单位的总和。 2011-3-11 物理单位制：基本单位：长度 质量g 物理单位制：基本单位：长度cm 质量 时间s 时间 工程单位制：基本单位：长度 时间s 工程单位制：基本单位：长度cm 力 kgf 时间 SI单位制：基本单位有7个，化工中常用的有 个： 单位制 基本单位有 个 化工中常用的有5个 单位 长度cm 质量kg 时间s 温度K、 物质量mol 长度 、质量 、时间 、温度 、 物质量 2单位衡算 已知1 将其换算成N/m2。 已知1atm=1.033kgf/cm2,将其换算成 = 按题意需将kgf/cm2 中的单位换算成 ，cm2 换算成 2, 查 中的单位换算成N， 换算成m 按题意需将 附录1：换算关系为： 附录1 换算关系为： 2011-3-11 1kgf=9.81 ， 1cm=0.01 = 81N， = 01m 上述关系代入 ，得： kgf 9.81N 1.033 2 = 1.033? 2 cm 0.01m) ( 1.013 5 N / m2 10 3 3单位的正确运用 理论公式：根据物理规律建立的， 理论公式：根据物理规律建立的，反映各有关物理量之间 的关系，又叫物理方程。 的关系，又叫物理方程。 具有单位一致性， 具有单位一致性，只要采用同一单位制的单位 来表示各物理量即可。 来表示各物理量即可。 2011-3-11 经验公式：根据试验结果整理出来的， 经验公式：根据试验结果整理出来的，反映各有关物理量 的数字之间的关系，又叫数字公式 的数字之间的关系，又叫数字公式 。 公式中所用的单位一般都是指定的， 公式中所用的单位一般都是指定的，在计算 中只要将数字代入，算出结果， 中只要将数字代入，算出结果，然后加上规 定的单位就行了。 定的单位就行了。 2011-3-11 1本文由颜世雄贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 化工原理 湖北大学化学化工学院杨世芳 e-mail: 学习要求： 学习要求 认真听讲 独立思考 按时完成作业 考核方式： 考核方式 平时作业、考勤、期中考试 50 期末考试 （闭卷） 50 教材及参考书目： 教材及参考书目 教材: 教材 王志魁：化工原理，第三版，北京： 化学工业出版社，2005年1月； 参考书目: 参考书目 陈敏恒等：化工原理，第三版，北 京：化学工业出版社，2006年5月； 夏清、陈常贵 ：化工原理，天 津大学出版社，2005年1月第一版 ； 1 绪论 1.1课程概述 课程概述 化工过程：有目的的使原料经过一系列的化学或物 化工过程 有目的的使原料经过一系列的化学或物 理变化，以获得产品的工业过程，也称为化工生产， 理变化，以获得产品的工业过程，也称为化工生产， 或化工生产过程。 或化工生产过程。 （1） ） （2） ） （3） ） 原料 预处理 反 应 后处理 产品 图1-1 基本化工生产过程 例如： 例如： 甲醇的生产： 甲醇的生产： 主：CO+2H2 CH3OH（g）+Q （ ） 副：CO2+3H2 CH3OH（g）+H2O（g） 2CO+4H2 （CH3）2O+H2O CO+3H2 CH4+H2O 4CO+8H2 C4H9OH+3H2O CO2+H2 CO+H2O 合成气（CO，H2，CO2）输送管式反应器粗甲醇冷却 输送管式反应器粗甲醇 合成气（ ， 精馏精甲醇（ 精馏精甲醇（99.8599.95%） ） 苯的生产： 苯的生产： 加热 原料油（甲苯、二甲苯）、H 输送加热 反应器 原料油（甲苯、二甲苯）、H2输送 加热反应器减压蒸 ）、 馏塔精馏 99.99299.999%） 馏塔精馏苯（99.992 ） 可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。 可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。 化学反应过程 化工生产的核心 化工生产过程 物理处理过程 （单元操作） 单元操作） 原料的预处理 产品的加工 化学反应和若干个单元操作串联而成 化工原理的研究对象 单元操作（Unit Operations） 单元操作（ 单元操作 ） (1) 单元操作的概念 单元操作：化工生产中除化学反应单元以外的 单元操作 所有物理性操作。 在当今化工及其相近工业生产中应用的单 元操作有几十种之多，而且随着生产的发展和 科技的进步还会不断地开发出一些新型的单元 操作。 （2）单元操作的特点 ） 所有的单元操作都是物理性操作，只改变物料的状态或 物理性质，并不改变化学性质。 单元操作是化工生产过程中共有的操作，只是不同的化 工生产中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。 单元操作作用于不同的化工过程时，基本原理相同，所 用的设备也是通用的。 （3）单元操作的分类 ）单元操作的分类： 按操作目的分： 按操作目的分 流体输送 气体和液体的输送 流体输送： 物料的混合 主要指通过搅拌达到物料混合 物料的混合： 或分散的目的 物料的加热或冷却： 利用物料和环境之间的 物料的加热或冷却 温度差输入或输出热量 均相混合物的分离 气体吸收、液体蒸馏、萃取等 均相混合物的分离： 非均相混合物的分离 过滤和沉降 非均相混合物的分离： 按单元操作遵循的基本规律分： 按单元操作遵循的基本规律分 动量传递过程： 遵循流体力学基本规律的单元操作： 流体输送、沉降、过滤和离心分离等 热量传递过程： 遵循热交换基本规律的单元操作： 如传热、蒸发等 质量传递过程： 遵循通过扩散，从一相转移到另一相的过程： 吸收、吸附、蒸馏、萃取、离子交换、膜分离等 表1-1 单元操作 单元操作 流体输送 搅拌 目的 输送 混合或分离 物态 液或气 气- 液 液- 液, 固- 液 原理 输入机械能 输入机械能 传递过程 动量传递 动量传递 过滤 沉降 非均相混合物分离 气-固,固-液 非均相混合物分离 气-固,固-液 尺度不同的截留 密度差引起的 沉降运动 动量传递 动量传递 加热, 升温,降温, 加热,冷却 升温,降温,改变 相态 蒸发 溶剂与不挥发性 溶质的分离 气或液 利用温差传入 或移出热量 热量传递 液 供热汽化溶剂 热量传递 续表1-1 单元操作 续表1 1.2 化工原理处理问题的方法 （1）物料衡算： ）物料衡算： 物料衡算也称为质量衡算， 物料衡算也称为质量衡算，其依据是质量守 恒定律。它反映一个过程中原料、产物、副产物 恒定律。它反映一个过程中原料、产物、 等之间的关系， 等之间的关系，即进入的物料量必等于排出的物 料量和过程中的积累量。 料量和过程中的积累量。 排出物料的总量 输入物料的总量 排出物料的总量过程积累的总量 系 统 M入 积累 M M出 图1-2 物料衡算示意图 物料衡算式： 物料衡算式 M入 M出 M 连续稳定流动：M入 M出 连续稳定流动 (1-1) (1-2) 进行物料衡算时，必须明确下面几点： 进行物料衡算时，必须明确下面几点 首先要确定衡算的系统，即衡算对象包 括的范围。 其次要确定衡算的基准。 然后确定衡算的对象。 最后还要确定衡算对象的物理量及单位。 每小时有10 例1-1 每小时有 吨 5 的乙醇水溶液进入精馏塔， 的乙醇水溶液进入精馏塔， ，塔底排出的废水中含 塔顶馏出的产品中含乙醇 95，塔底排出的废水中含 ， 。求每小时可得产品多少吨 乙醇 0.1。求每小时可得产品多少吨？若废水全部排 。求每小时可得产品多少吨？ 每年（ 损失的乙醇多少吨？ 放，每年（按操作 7200小时 计）损失的乙醇多少吨？ 小时 乙醇产品 解： 已知： 原料液流量及其中乙醇含量 产品和废水中乙醇含量 精 原料液 含乙醇5 10吨/时 含乙醇95 馏 塔 废水 含乙醇0.1 求： 产品和废水流量 ： 知量， 求解 出 料 例1-1 确定： 确定： 衡算范围： 衡算范围： 包含精馏塔在内的虚线框 衡算对象： 衡算对象： a. 物流的流量 衡算基准： 衡算基准： 单位时间：小时 b. 物流中乙醇的量 设：产品流量为 X 吨/时、废水流量为 Y 吨/时。 由物料衡算式： M入 M出 对物流的量进行衡算： 10 X + Y 对乙醇的量进行衡算： 10 5 X 95 + Y 0.1 X 0.516 吨/时 Y 9.484 吨/时 每年损失乙醇： 9.484 0.1 7200 68.28 吨/年 (2) (1) 例12 在两个蒸发器中，每小时将5000kg的无机盐水溶 液从12（质量）浓缩到30%。第二蒸发器比第一蒸发器 多蒸出5%的水分。试求： （1）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。 解：首先画一个流程图表示进行的过程 用方框表示设备，输入输出设备的物流方向用箭头表示。 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， 用一圈封闭的虚线画出。 W1 F0=5000kg/h x0=0.12 F1 x1 例1-2 附图 W2 F2 x2=0.3 蒸发器1 蒸发器2 选择衡算基准（连续操作以单位时间为基准， 选择衡算基准（连续操作以单位时间为基准，间歇操作 以一批操作为基准） 以一批操作为基准） 由于连续操作，以1小时为基准。 确定衡算对象 此题中有两个未知数，蒸发的水量及送出的NaOH溶液量 B，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： F x0 = F x2 0 2 5000 = F2 +W +W2 1 代入已知数据，得： 5000 0.12 = 0.3F2 F2 = 2000 kg / h W1 +W2 = 3000kg / h 由题意知 W2 = 1.05W 1 W =1463.4kg / h 1 W2 =1536.6kg / h 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： F x0 = F x1 0 1 F =W + F 0 1 1 5000 0.12 = F x1 1 解得： 5000 =1463.4 + F 1 F = 3536.6kg / h 1 x1 = 0.1697 =16.97% 可参阅教材P5例0-3 (2)热量衡算： 热量衡算： 热量衡算 热量衡算的依据是能量守恒定律。 热量衡算的目的是： 计算单位产品的能耗 了解过程中能量的利用和损失情况 确定生产过程中需要输入、输出的热量 设计换热设备 热量衡算示意图 系 统 Q入 积累 Q Q出 热量衡算式： Q入 Q出 Q 稳定的连续性操作：Q入 Q出 (1-3) (1-4) 物料进入系统中，除带入一部分质量以 外，还带入一部分热量。热量的多少，与物 料所处的热状态 热状态有关。 热状态 在热力学上，用 “焓”表示物料所处 焓 的热状态。式 (1-3) 改写为： (wH)入 (wH)出 Q w 物料的质量或质量流量 H焓 * 热量衡算基准： 数量基准、温度基准、相态基准 例1-3 在一列管式热交换器中用压强为 136 kPa 的饱和 的冷空气， 蒸汽加热 298 K 的冷空气，蒸汽的流量为 0.01 kg/s，空 ， 下排出。 气的流量为 1 kg/s。冷凝水在饱和温度 381 K下排出。 。 下排出 若取空气的平均比热为 1.005 kJ/(kgK)，试计算空气的 ， 出口温度（热损失忽略不计）。 出口温度（热损失忽略不计）。 加热蒸汽 381 K 0.01 kg/s 冷空气 298 K 1 kg/s 解： 分析： 分析： 热交换器 冷凝水 381K 热空气 T 该题只有一个未知变量， 只需列一个热量衡算方 程即可求解。关键问题 是确定热量衡算的基准！ 例1-3 附图 热量衡算基准： 热量衡算基准： 数量基准： 数量基准： 以单位时间内物流量为基准 加热蒸汽： 0.01 kg/s ； 冷空气： 1 kg/s 温度基准： 温度基准：以进口冷空气的温度为基准：298K 取 H冷空气 0 由热量衡算式 (*式)得： w冷空气H冷空气w蒸汽H蒸汽 w冷空气H热空气w蒸汽H冷凝水 进入系统热量 离开系统热量 整理得： w蒸汽 ( H蒸汽 H冷凝水 ) w冷空气 ( H热空气 H冷空气) 查饱和水蒸汽表，得到 136 kPa、381K 条 件下的物性数据： H蒸汽 2690 kJ/kg H冷空气 0 H冷凝水 452.9 kJ/kg H热空气 Cp t = Cp (T-298) 将数据代入上式得： 0.01 ( 2690- 452.9 ) 1 1.005 (T-298) T = 320.3 K (3)过程的平衡和速率 平衡问题 过程的平衡问题是说明过程进行的方向和所能达到的极 限。 平衡是一个动态的过程。 速率 过程的速率是指过程由不平衡到平衡进行的快慢。 过程的速率表示为： 过程的速率推动力阻力 过程的速率推动力 推动力：过程所处的状态与平衡状态的距离， 阻力：过程的阻力是各种因素对速率影响的总的体现。 1.3 化工数据 化工数据的分类 单位制与单位换算 (1)化工数据的分类： 化工数据的分类： 化工数据的分类 基础数据 过程参数 结构参数 无量纲量 (2)单位制： 单位制： 单位制 英国： 英国： 英制单位： 质量： “磅” 1 b 0.4536 kg 长度： “英尺” ft 0.3048 m 1 “英寸” ft 12 in 1 表1-2 我国几种旧单位制的基本量和基本单位 基本量 中国： 中国： 单位制 长 度 cm (厘米) m (米) m (米) 质 量 g (克) kg (千克) 时 间 s (秒) s (秒) s (秒) 力 kgf (千克力) 厘米克秒制 CGS 米千克秒制 MKS 米千克力秒制 MKfS 国际单位制： 国际单位制： 在1960年10月的第11届国际计量大 会上通过了一种新的单位制度，称为国 际单位制度，代号为 “SI”，也称为 SI 单位制。SI 单位制是目前国际上最先进 的一种单位制，被许多国家广泛使用。 我国的法定计量单位也是以 SI单位制为 基础的。 国际单位制的构成： 国际单位制的构成： SI 单位 SI 词头 SI 基本单位 SI 辅助单位 SI 导出单位 国际单位制 （SI） ） SI 单位的十进倍数和分数单位 表1-3 SI 基本单位和辅助单位 量的名称 长 质 基 本 单 位 时 电 度 量 间 流 单 位 名 称 米 千克 (公斤) 秒 安 培 开 尔文 坎 德拉 摩 尔 弧 度 metre kilogram second Ampere Kelvin Candela mole radian steradian 国际符号 m kg s A K Cd mol rad sr 备 注 （1） 圆括号中 的名称与前面的 名称是同义词； （2）去掉方括 号后为全称，去 掉方括号和其中 的字后为简称。 热力学温度 发光强度 物质的量 辅 助 单 位 平 面 角 立 体 角 球面角 化工中常用的SI 表1-4 化工中常用的 导出单位举例 量的名称 面 体 速 密 浓 力 压强，应力 积 积 度 度 度 单 位 名 称 平方米 立方米 米每秒 千克每立方米 摩尔每立方米 牛顿 帕 斯卡 单位符号 m2 m3 m/s kg/m3 mol/m3 N Pa (=N/m2) 用SI 基本单位表示的单位 m2 m3 m/s kg/m3 mol/m3 kgm/s2 kg/(ms2) 续表1-4 化工中常用的 导出单位举例 化工中常用的SI 续表 量的名称 能，功，热量 功 粘 率 度 单 位 名 称 焦 耳 瓦 特 帕 斯卡秒 平方米/秒 焦 耳每开尔文 瓦 特每米开尔文 瓦 特每平方米开 尔文 单位符号 J (=Nm) W (=J/s) Pas m2/s J/K W/(mK) W/(m2K) 用SI 基本单位表示的单位 kgm2/s2 kgm2/s3 kg/(ms) m2/s kgm2/(s2K) kgm/(s3K) kg/(s3K) 扩散系数 热容，熵 导热系数 传热系数 表1-5 SI 词头 表示的因数 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 词头名称 艾 可萨 拍 它 太 拉 吉 咖 兆 千 百 十 词头符号 E P T G M k h da 表示的因数 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 词头名称 分 厘 毫 微 纳 诺 皮 可 飞 母托 阿 托 词头符号 d c m n P f a SI 单位的十进倍数和分数单位： 单位的十进倍数和分数单位： 把 SI 词头加在 SI单位前就构成了 SI单位的十进倍数和分数单位。 如，压强单位 MPa，力的单位 kN。 原则： 词头不可重叠使用 m m (毫微米) n m (纳米)：10-9m 词头使用方法要点： 计量单位和 SI 词头使用方法要点： 1. 由 SI 基本单位相除构成的单位，若分 基本单位相除构成的单位， 母中有两个以上的单位符号时， 母中有两个以上的单位符号时，要给分 母加上圆括号，避免混淆。 母加上圆括号，避免混淆。 如，传热系数单位： W/(m2K) 传热系数单位： 2. 由 SI 基本单位通过乘或除构成的组合 单位， 词头时， 单位，在使用 SI 词头时，词头应加在 整个单位之前，分母一般不用词头。 整个单位之前，分母一般不用词头。 如，摩尔内能单位： kJ/mol 摩尔内能单位： 而不用 J /(mmol) 单位换算： 单位换算： 例1-4 一标准大气压 (1atm) 的压力等于1.033 kgf/cm2 ，将其换算成 SI单位。 解： kgf 换算关系： 1 千克力 质量为1千克的物体在北纬45度海平面上所受 的重力。该处的重力加速度为 9.81 m/s2 。 N cm2 m2 1 kgf 1 kg g 9.81 N 1 cm 1/100 m 由题给条件： kgf 1 atm = 1.033 cm 2 kgf = 1.033 cm 2 9.81N 100 cm 1 kgf 1 m 2 N = 1.033 9.81 100 m2 5 N = 1.013 10 m2 = 1.013 10 5 Pa 2 方法1：将单位之间的换算关系引入等式中进行计算， 方法 ：将单位之间的换算关系引入等式中进行计算， 使分子、分母的单位相消后， 使分子、分母的单位相消后，剩下的单位与所求单位 一致。 一致。 例1-5 通用气体常数 R82.06 atmcm3/(molK)，将 其换算成国际单位：kJ/(kmolK) 表示。 解： atm cm3 R = 82.06 mol K 1.013 105 N 1 1 3 (0.01m) = 82.06 2 m 0.001kmol K = 8314 N m/(kmol K) = 8.314 kJ/(kmol K) 方法2： 方法 ：将复合单位所包含的简单单位逐一按要求替 最后化成所要求的单位形式。 换，最后化成所要求的单位形式。 本章作业 P11：2、3 、 1本文由我真的就是七七贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 化工原理与设备 Principle of Chemical Engineering 主讲教师:赵业军 化工原理电子教案/绪论 化工原理电子教案/ 课时安排 绪论 流体流动与输送机械 非均相物质分离 传热 液体精馏与传质设备 期末复习 2 14 8 12 16 2 化工原理电子教案/绪论 化工原理电子教案/ 主要参考书目 y 化工原理(上,下),谭天恩等,化学工 业出版社 辅助教学资料: 辅助教学资料: 1.化工原理学习指南问题与习题解析, 化工原理学习指南 问题与习题解析 问题与习题解析 姚玉英等 ,天津大学出版社 2.化工原理教与学,陈敏恒等,化学工业出版社 化工原理教与学 陈敏恒等, 3.化工原理例题详解,陈敏恒等,化学工业出版社 化工原理例题详解 陈敏恒等, 4.化工原理习题精解 ( 上 , 下 ) , 何潮洪等 , 科学出 化工原理习题精解 何潮洪等, 版社 化工原理电子教案/绪论 化工原理电子教案/ 绪 论 化工原理电子教案/绪论 化工原理电子教案/ 一,化工原理课程的任务 化工原理 1,化学工程和单元操作 , 化学工程 :是研究大规模地改变物料的化学组成和 物理性质而得到合乎要求的产品的工程技术学科. 物理性质而得到合乎要求的产品的工程技术学科. 一个化工产品生产要经过很多步骤 化工原理电子教案/绪论 化工原理电子教案/ 乙炔法制聚氯乙烯 C2H2 + HCl C2H3Cl (C2H3Cl )n 合成 聚合 乙炔 氯化氢 原料提纯 反应热 单体合成 单体精制 压缩冷凝 产品 脱水干燥 聚合 反应热 化工原理电子教案/绪论 化工原理电子教案/ 高压聚乙烯生产过程示意图 化工原理电子教案/绪论 化工原理电子教案/ 化工生产的两大部分 核心部分 化学反应过程 辅助部分 前,后处理过程 化工生产所不可缺少 单元操作( 单元操作(Unit Operations) ) 一切化工生产过程不论其生产规模大小,除化学反应外, 一切化工生产过程不论其生产规模大小,除化学反应外, 其它均可分解为一系列的物理加工过程. 其它均可分解为一系列的物理加工过程.这些物理加工过程 称为单元操作 称为单元操作. 蒸发:制糖工业 糖水的浓缩; 蒸发:制糖工业糖水的浓缩; 糖水的浓缩 制碱工业苛性钠溶液的浓缩; 苛性钠溶液的浓缩; 制碱工业 苛性钠溶液的浓缩 甘油和生物胶水溶液的浓缩; 甘油和生物胶水溶液的浓缩; 牛奶和橘汁的浓缩. 牛奶和橘汁的浓缩. 精馏:酿酒,石油精制. 精馏:酿酒,石油精制. 膜分离:海水淡化,血液透析,食盐电解,水的净化. 膜分离:海水淡化,血液透析,食盐电解,水的净化. 化工原理电子教案/绪论 化工原理电子教案/ 化工常见单元操作见下表: 化工常见单元操作见下表: 单元操作 流体输送 搅拌 沉降 过滤 换热 蒸发 气体吸收 液体精馏 萃取 干燥 吸附 目的 输送 混合, 混合,分散 非均相混合物分离 同上 升,降T,or改变相态 or改变相态 溶剂与不挥发性溶质分离 均相混合物分离 均相混合物分离 均相混合物分离 去湿 均相混合物分离 物态 l ,g g ,l , sl 原理 输入机械能 输入机械能 引起沉降 引起沉降 尺度不同的截留 利用T传入,移出热量 利用T传入, T传入 传递 动量 传递 g,ls g,ls g,l l g l l s g,l 供热汽化溶剂 溶解度不同 挥发度不同 溶解度不同 供热汽化 吸附能力不同 热量 传递 质量 传递 化工原理电子教案/绪论 化工原理电子教案/ 单元操作分类 : (1)遵循流体动力学基本规律的单元操作,包括 )遵循流体动力学基本规律的单元操作, 流体输送,沉降,过滤,物料混合(搅拌). 流体输送,沉降,过滤,物料混合(搅拌). (2)遵循热量传递基本规律的单元操作,包括 )遵循热量传递基本规律的单元操作, 加热,冷却,冷凝,蒸发等. 加热,冷却,冷凝,蒸发等. 化工原理电子教案/绪论 化工原理电子教案/ (3)遵循质量传递基本规律的单元操作,包括蒸馏, )遵循质量传递基本规律的单元操作,包括蒸馏, 吸收,萃取,吸附,膜分离等.从工程目的来看, 吸收,萃取,吸附,膜分离等.从工程目的来看,这 些操作都可将混合物进行分离,故又称之为分离操作. 些操作都可将混合物进行分离,故又称之为分离操作. (4)同时遵循热质传递规律的单元操作,包括气体的 )同时遵循热质传递规律的单元操作, 增湿与减湿,结晶,干燥等. 增湿与减湿,结晶,干燥等. 另外,还有热力过程(制冷),粉体工程(粉碎, 另外,还有热力过程(制冷),粉体工程(粉碎,颗 ),粉体工程 粒分级,流态化)等单元操作. 粒分级,流态化)等单元操作. 化工原理电子教案/绪论 化工原理电子教案/ 单元操作之特点 共同的研究对象传递过程 传递过程 共同的研究对象 1,物理性操作,即只改变物料的状态或物性,并不 ,物理性操作