矿大北京化工原理01绪论

1、1,雷 泽 博士，副教授,中国矿业大学（北京）, 136 8102 3590,化工原理,（上册）,2,绪论,一、学习本课程的目的 二、本课程的内容 三、基本概念 四、物理量与浓度表示 五、本课程的特点与学习方法,3,一、学习本课程的目的,1. 掌握化工单元操作过程的基本原理,学习“各类”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：甲醇的生产： 合成气（CO，H2，CO2）输送反应器粗甲醇冷却精馏精甲醇（99.8599.95%） 一个化工生产过程往往包含几个或几十个基本操作过

2、程。,（单元操作）,化工生产过程 = 单元操作 + 化学反应过程,5,2. 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,3. 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、本课程的内容,单元操作基本原理 典型设备的构造及工艺计算 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 热交换、蒸发 吸收、

3、蒸馏、萃取、干燥、吸附,（三传）,三个人去投宿，服务生说要30元，每人各出10元，凑成30元。后来老板说今天特价，只要25元，于是叫服务生退还他们5元。服务生偷藏2元，把剩下的3元还给他们，那三个人每人拿回1元。10-1=9，表示每人只出了9元投宿。93+服务生的2元=29。那么剩下的1元呢？,1、 物料衡算（质量守恒）,7,三、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(accumulation)的物料质量，kg,8,Gi 1,Gi

4、 2,Gi i,Go 1,Go 2,Go i,Ga,9,无化学反应时，物料衡算式的其它形式：,Vi = Vo + Va,ni = no + na,物质的量(mol)守恒:,体积(m3)守恒(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,稳态过程：系统中，物料的各个物理参数(如:流速、温度、浓度、压强等)仅随物料所处位置变化，不随时间变化的情况。参数= f (x, y, z),10,非稳态过程：各个物理参数既随物料所处的位置变化，又随时间变化的情况。参数= f(x,y,z,t)。,Ga0 Gi = Go+Ga,11,该物料衡算适用

5、于微元时间段(其中 、 为t时刻的瞬时流率，dGa为tt+dt时间内的积累量),例1（非稳态过程）： 已知：水槽直径为D，出水管口直径为d，管子出口处水流速u与液位高度H满足关系 求：液面下降1m所需的时间t=？,dt时间内的输入量：,dt时间内的输出量：,dt时间内的积累量：,dt时间内的体积衡算式：,解：设在dt时间内液面下降了dH，则体积衡算式：,12,2.衡算体系范围的选择 以精馏塔为例：,（1）全塔物料衡算： F=D+W,（2）精馏段物料衡算： V=L+D,13,衡算体系包括待求量,3.衡算组分的选择 以双组份(A+B)精馏为例，其中A的液相摩尔分率为x，气相摩尔分率为y：,（1）全

6、塔A物料衡算： FxF=DxD+WxW,（2）精馏段A物料衡算： Vyn+1=Lxn+DxD,14,三个人去投宿，服务生说要30元，每人各出10元，凑成30元。后来老板说今天特价，只要25元，于是叫服务生退还他们5元。服务生偷藏2元，把剩下的3元还给他们，那三个人每人拿回1元。10-1=9，表示每人只出了9元投宿。93+服务生的2元=29。那么剩下的1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。逻辑错误/衡算范围错误！,16,顾客,3元,30元,旅馆,5元,服务生,衡算体系

7、,收入Gi,付出Go,积累G,=,+,顾 客：,旅 馆：,服 务 生：,（1）衡算基准：质量、体积、摩尔数等 （2）衡算时间范围：微元时间、宏观时间段 （3）衡算体系范围选择：整体、部分 （4）衡算体系要包括待求量 （5）衡算组分：总物料、某一组分,小结：,17,18,2、 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 = 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

8、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。,19,3、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。,20,4、过程速率 何一个不处于平衡状

9、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。,21,四、物理量与浓度表示： 1、单位制度 任何物理量都是用数字和单位联合表达的。 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，称为单位制。,22,

10、2、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。,物理量的基本量的量纲为其本身，7个基本量的量纲：长度L、质量M、时间T、电流I、热力学温度、物质的量N、发光强度J。,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,特点：理论性、工程性均很强，内容多,研究方法：,（1）实验研究方法（经验法）：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系，工程上常用的基本方法。 （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： （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： 化工原理，天津大学出版社， 夏 清主编。 化工原理，化学工业出版社， 陈敏恒主编。 化工原理，化学工业出版社， 谭天恩主编。 化工原理辅导与习题解析，杨嘉谟主编。 考核方式： 课堂练习、考勤、作业、期末考试（闭卷）,70%,30%,6070%