苏州大学 化工原理 绪论

化工原理CAI课件

苏州大学材料工程学院200６年2月制作人:谢洪德2023/2/1绪论一、化工原理课程简介1.化工原理的研究对象2.化工原理的学科性质与研究方法3.化工原理的学习方法二、单位与单位制三、化工原理处理问题的方法1.物料衡算2.能量衡算3.平衡与速率2023/2/1

一、化工原理课程简介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化工原理的研究对象——单元操作（UnitOperations）(1)单元操作的概念化工生产过程原料的预处理进行化学反应反应产物的分离与提纯单元操作原料的预处理反应产物的分离与提纯——化工生产中共有的物理操作2023/2/12）单元操作的特点

①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。②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。③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。

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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：流体动力过程——遵循流体动力基本规律，用动量传递理论研究如：流体输送、沉降、过滤、固体流态化热过程——遵循传热基本规律，用热量传递理论研究如：传热、冷凝、蒸发等传质过程——遵循传质基本规律，用质量传递理论研究

如：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等2023/2/12.化工原理学科性质与研究方法

1）学科性质——工程学科用自然科学的基本原理来分析和处理化工生产中的物理过程

2）研究方法——工程方法因次分析法数学模型法参数综合法当量法类比法——直管湍流阻力——双膜模型的建立——过滤常数——当量直径、当量长度等——动量、热量、质量传递的类似律2023/2/13.化工原理的学习方法

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。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。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，测取设计数据，做逐级放大。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。2023/2/1二、单位及单位制1.单位及单位制

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。

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，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。

2023/2/1物理单位制：基本单位：长度cm

质量g

时间s工程单位制：基本单位：长度cm

力kgf

时间s

SI单位制：基本单位有7个，化工中常用的有5个：长度m

、质量kg、时间s、温度K、

物质量mol2．单位衡算已知1atm=1.033kgf/cm2,将其换算成N/m2。

按题意需将kgf/cm2中的单位换算成N，cm2换算成m2,查附录1：换算关系为：2023/2/11kgf=9.81N，1cm=0.01m上述关系代入，得：3．单位的正确运用

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。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。

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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。

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，然后加上规定的单位就行了。2023/2/1绪论

（2）重量补充

（3）体积补充

（1）长度补充

1.物理量的单位换算

1码＝3英尺＝0.9144m；1英尺＝12英寸

；

1盎司（oz）=1/12磅＝28.35克；1克拉（Carat）=200mg；

1m3=103升＝220英加仑＝264.2美加仑＝35.315英尺3＝61024英寸31石油桶（bbl）＝35英加仑＝42美加仑＝158.99升1品脱（pint）=8英加仑＝36.365升

（４）温度补充

℃=(℉－32)×5/9℉华氏温度℉=℃×9/5＋32

K=273.3＋℃ºR=460＋℉K=ºR×5/92023/2/1SI制SI制由1962年确定下的，除基本单位外，化工上用得着的单位为

名称因次单位力MLθ－2N能与功ML2θ－2J功率ML2θ－3W压强ML－1θ－2Pａ粘度ML－1θ－1N·S/m2速度Lθ－1m/s

2023/2/1三、化工原理处理问题的方法物料衡算

依据——质量守恒定律

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。——物料衡算的通式2023/2/1定态过程，积累为零。则：衡算的系统整个生产过程某一设备系统中的所有物料某一个组分衡算的对象例2023/2/1

例：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。2023/2/1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）由于连续操作，以1小时为基准。蒸发器1蒸发器2x1W1W2F0=5000kg/hx0=0.12F1F2x2=0.32023/2/1

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：代入已知数据，得：由题意知2023/2/1

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：2023/2/12．热量衡算依据：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。

——热量衡算通式或写成2023/2/1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。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0℃时液态的焓值为零。3.过程的平衡和速率

①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。

例2023/2/1

②速率过程的速率表示为：

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距离，阻力：过程的阻力是各种因素对速率影响的总的体现。过程的速率是指过程由不平衡到平衡进行的快慢。

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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：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/s2023/2/1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：

2023/2/1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=

2023/2/1例题2有一精馏塔，每小时处理5%乙醇溶液１０Ｔ，要求塔顶产品浓度为９５％，塔底废液乙醇浓度不超过０．１％，问：１．塔顶＼塔底每小时的产量；２．每年按３００天计算，一年将排放掉多少吨乙醇．解：（1）确定衡算范围（大虚