矿大北京化工原理01绪论

1、1雷雷 泽泽 博士，副教授博士，副教授中国矿业大学（北京）中国矿业大学（北京） 136 8102 3590（上册）（上册）2l一、学习本课程的目的l二、本课程的内容l三、基本概念l四、物理量与浓度表示l五、本课程的特点与学习方法3l1. 掌握化工单元操作过程的基本原理学习学习“各类各类”单元操作的共同理论基础；单元操作的共同理论基础；各个单元操作的基本原理、典型设备的结构和操作特性；4原料 物理加工 化学加工 物理加工 产品 化工原理 化工原理 化学反应工程例如：例如：甲醇的生产：甲醇的生产：合成气（合成气（CO，H2，CO2）输送输送反应器反应器粗甲醇粗甲醇冷却冷却精精馏馏精甲醇（精甲醇（9

2、9.8599.95%） 一个化工生产过程往往包含几个或几十个一个化工生产过程往往包含几个或几十个基本操作过程基本操作过程。 （单元操作）（单元操作）化工生产过程化工生产过程 = = 单元操作单元操作 + + 化学反应过程化学反应过程5l2. 指导生产，进行过程和设备设计工艺操作和工艺、设备设计计算设备的改进和强化： 分析、解决问题和技术改进分析研究问题的方法 l3. 为从事相关领域的研究打基础化学工程所研究的操作原理在工程领域具有普遍意义 其中有不少经验、半经验公式，学习中要逐步建立起工程观念、培养环保意识和经济理念。达到具有分析、解决单元操作中的各种问题能力的目的。6传递过程理论单元操作二、

3、本课程的内容二、本课程的内容单元操作基本原理单元操作基本原理典型设备的构造及工艺计算典型设备的构造及工艺计算设备选型设备选型动量传递：热量传递：质量传递：流体输送、搅拌、沉降、过滤流体输送、搅拌、沉降、过滤热交换、蒸发热交换、蒸发吸收、蒸馏、萃取、干燥、吸附吸收、蒸馏、萃取、干燥、吸附（三传）（三传） 三个人去投宿，服务生说要三个人去投宿，服务生说要30元，元，每人各出每人各出10元，凑成元，凑成30元。后来老板说元。后来老板说今天特价，只要今天特价，只要25元，于是叫服务生退元，于是叫服务生退还他们还他们5元。服务生偷藏元。服务生偷藏2元，把剩下的元，把剩下的3元还给他们，那三个人每人拿回元

4、还给他们，那三个人每人拿回1元。元。10-1=9，表示每人只出了，表示每人只出了9元投宿。元投宿。93+服服务生的务生的2元元=29。那么剩下的。那么剩下的1元呢？元呢？ 1、 物料衡算（质量守恒）物料衡算（质量守恒）7三、基本概念三、基本概念 根据质量守恒定律，任何一个化工生产过程存在物料衡算通式： Gi = Go + Ga Gi 输入物料(input)质量的总和，kg Go 输出物料(output)质量的总和，kg Ga 过程中积累过程中积累(accumulation)的的物料质量，kg8Gi 1Gi 2Gi iGo 1Go 2Go iGa9无化学反应时，物料衡算式的其它形式：无化学反应时

5、，物料衡算式的其它形式： Vi = Vo + Va ni = no + na物质的量物质的量(mol)守恒守恒: 体积体积(m3)守恒守恒(密度不变的流体密度不变的流体)：讨论：1.衡算时间段的选择 Ga=0 Gi = Go 物料衡算可以在任意宏观时间段进行物料衡算可以在任意宏观时间段进行稳态过程稳态过程：系统中，物料的各个物：系统中，物料的各个物理参数理参数(如如:流速、温度、浓度、压流速、温度、浓度、压强等强等)仅随物料所处位置变化，不仅随物料所处位置变化，不随时间变化的情况。参数随时间变化的情况。参数= f (x, y, z)10非稳态过程非稳态过程：各个物理参数既随物：各个物理参数既随

6、物料所处的位置变化，又随时间变化料所处的位置变化，又随时间变化的情况。参数的情况。参数= f(x,y,z,t)。 Ga0 Gi = Go+Ga11aoidGdtdtdGdtdtdG该该物料衡算适用于微元时间段物料衡算适用于微元时间段(其中其中 、 为为t时刻时刻的瞬时流率，的瞬时流率，dGa为为tt+dt时间内的积累量时间内的积累量)dtdGidtdGo例1（非稳态过程）：已知：水槽直径为已知：水槽直径为D，出水管口，出水管口直径为直径为d，管子出口处水流速，管子出口处水流速u与与液位高度液位高度H满足关系满足关系求：液面下降1m所需的时间t=？Hu5 . 00dtVidtuddtVo24dH

7、DdVa24dt时间内的输入量：时间内的输入量：dt时间内的输出量：时间内的输出量：dt时间内的积累量：时间内的积累量：dt时间内的体积衡算式：时间内的体积衡算式：dHDdtud22440解解：设在：设在dt时间内液面下降了时间内液面下降了dH，则体积衡算式：，则体积衡算式：aoidVdtVdtVHu5 . 012uH2.衡算体系范围的选择 以精馏塔为例以精馏塔为例：（1）全塔物料衡算：）全塔物料衡算： F=D+W（2）精馏段物料衡算：）精馏段物料衡算： V=L+D13u衡算体系包括待求量衡算体系包括待求量原料液原料液釜残液釜残液馏出液馏出液LD,xD F,xFVLVW,xWV,yn+1L,x

8、n3.衡算组分组分的选择 以双组份以双组份(A+B)精馏为例，精馏为例，其中其中A的液相摩尔分率为的液相摩尔分率为x，气，气相摩尔分率为相摩尔分率为y：（1）全塔）全塔A物料衡算：物料衡算： FxF=DxD+WxW（2）精馏段）精馏段A物料衡算：物料衡算： Vyn+1=Lxn+DxD14 三个人去投宿，服务生说要三个人去投宿，服务生说要30元，每人各出元，每人各出10元，凑成元，凑成30元。后来老板说今天特价，只要元。后来老板说今天特价，只要25元，于是叫服务生退还他们元，于是叫服务生退还他们5元。服务生偷藏元。服务生偷藏2元，元，把剩下的把剩下的3元还给他们，那三个人每人拿回元还给他们，那三

9、个人每人拿回1元。元。10-1=9，表示每人只出了，表示每人只出了9元投宿。元投宿。93+服务生服务生的的2元元=29。那么剩下的。那么剩下的1元呢？元呢？ 15从物料衡算的角度解释：三个顾客花费的钱数中，包括被服务生藏起来的那部分，所以要是求三个顾客花费的钱数中，包括被服务生藏起来的那部分，所以要是求总金额的话，不是加服务生藏起来的钱，而应该加顾客最后收到的总金额的话，不是加服务生藏起来的钱，而应该加顾客最后收到的3元退款。元退款。逻辑错误逻辑错误/衡算范围错误！衡算范围错误！ 16 顾客顾客 3元元30元元 旅馆旅馆5元元 服务生服务生衡算体系衡算体系收入收入Gi付出付出Go积累积累G=+

10、顾顾 客：客：330-27=+旅旅 馆：馆：服服 务务 生：生：30525=+532=+（1 1）衡算基准：质量、体积、摩尔数等）衡算基准：质量、体积、摩尔数等（2 2）衡算时间范围：微元时间、宏观时间段）衡算时间范围：微元时间、宏观时间段（3 3）衡算体系范围选择：整体、部分）衡算体系范围选择：整体、部分（4 4）衡算体系要包括待求量）衡算体系要包括待求量（5 5）衡算组分：总物料、某一组分）衡算组分：总物料、某一组分小结小结：17182 2、 能量衡算能量衡算 根据能量守恒定律，在任何一个化工生产过程中，凡向该过程输入的能量必等于该过程输出的能量。与物料衡算类似，能量衡算可表示为：QI =

11、 QO + QL QI 输入该过程的各物料带入的总热量，J，W QO输出该过程的各物料带出的总热量，J，W QL该过程与环境交换的总热量，当系统向环境散热时为 正，称为热损，J，W 通过能量衡算，可以了解在生产操作中热量的利用和损失情况，而在生产过程与设备设计时，利用能量衡算可以确定是需要从外界引入能量或向外界输出能量。193 3、 物系平衡关系物系平衡关系 物系在自然界发生变化时，其变化必趋于一定方向，如果任其发展，结果必达到平衡关系为止。 平衡状态表示的就是各种自然发生的过程可能达到的极限程度，除非影响物系的情况有变化，否则其变化的极限是不会改变的。一般平衡关系则为各种定律所表明，如热力学

12、第二定律（传热），拉乌尔定律（精馏）等。 在化工生产过程中，可以从物系平衡关系来推知其能否进行以及进行到何种程度。平衡关系也为设备尺寸的设计提供了理论依据。204 4、过程速率、过程速率 何一个不处于平衡状态的物系，必然发生使物系趋向平衡的过程，但过程以什么速率趋向平衡，这不决定于平衡关系，而是由多方面的因素影响的，由于对这些因素有些还不清楚，目前过程速率是近似的采用除以阻力表示。 这里的过程推动力，可依据具体过程而有不同的理解，但必要的条件是物系在平衡状态时推动力必须等于零。 至于过程的阻力则较为复杂，要具体情况具体分析。过程阻力过程推动力过程速率21四、物理量与浓度表示：四、物理量与浓度表

13、示：1 1、单位制度、单位制度任何物理量都是用任何物理量都是用数字数字和和单位单位联合表达的联合表达的。基本单位：一般先选几个独立的物理量，以使用方基本单位：一般先选几个独立的物理量，以使用方便为原则规定出它们的单位。便为原则规定出它们的单位。导出单位：根据物理本身的物理意义，由有关基本导出单位：根据物理本身的物理意义，由有关基本单位组合构成的单位组合构成的基本单位和导出单位构成一个完整的体系，称为单基本单位和导出单位构成一个完整的体系，称为单位制。位制。222 2、量纲一致性方程、量纲一致性方程任何一个物理量方程等号两边各项的量纲必须相等。任何一个物理量方程等号两边各项的量纲必须相等。 物理

14、量的基本量的量纲为其本身，物理量的基本量的量纲为其本身，7个基本量的量个基本量的量纲：长度纲：长度L、质量、质量M、时间、时间T、电流、电流I、热力学温度、热力学温度、物质的量物质的量N、发光强度、发光强度J。物理方程的单位一致性物理方程的单位一致性23五、本课程的特点、研究方法和学习方法五、本课程的特点、研究方法和学习方法特点特点：理论性、工程性均很强，内容多研究方法研究方法：（1 1）实验研究方法（经验法）实验研究方法（经验法）：以量纲分析和：以量纲分析和相似论为指导，依靠实验确定过程变量之间的关相似论为指导，依靠实验确定过程变量之间的关系，工程上常用的基本方法。系，工程上常用的基本方法。

15、（2）数学模型法（半经验半理论法）：在对实际过程的机理分析基础上，做某些合理简化，建立物理模型，进行数学描述，获取数学模型。实验确定模型参数。24学习方法：学习方法：（1）理论学习基本原理、概念、专用名称（2）具体问题分析与计算（3）实际操作方法（实验学习、课程设计）（4）工业实践（认识实习、生产实习）25参考书参考书： 化工原理化工原理，天津大学出版社，天津大学出版社， 夏夏 清主编。清主编。 化工原理化工原理，化学工业出版社，化学工业出版社， 陈敏恒主编。陈敏恒主编。 化工原理化工原理，化学工业出版社，化学工业出版社， 谭天恩主编。谭天恩主编。 化工原理辅导与习题解析化工原理辅导与习题解析，杨嘉谟主编。，杨嘉谟主编。考核方式考核方式： 课堂练习、考勤、作业、期末考试（闭卷）课堂练习、考勤、作业、期末考试（闭卷） 70%30%6070%=8626u 独立完成作业独立完成作业据初步统计，不及格的据初步统计，不及格的同学均没有独立作业。同学均没有独立作业。u 不要存在任何