《化工原理》全册配套完整教学课件.pptx
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1、化工原理化工原理全册配套全册配套完整教学课件完整教学课件2化工原理化工原理3绪绪 论论一、本课程的研究对象、内容及任务一、本课程的研究对象、内容及任务二、研究本学科的基本方法二、研究本学科的基本方法三、研究单元过程的基本工具三、研究单元过程的基本工具四、单位制及单位换算四、单位制及单位换算4原料原料 (1)预处理预处理 化工过程化工过程:有目的的使原料经过一系列的化学或物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,也称为化工生产过程。过程。 (2) 反反 应应 (3)后处理后处理产品产品图图1-1 基本化工生产过程基本化工生产过程
2、一、本课程的研究对象、内容及任务一、本课程的研究对象、内容及任务1 1 研究对象研究对象例如:例如:甲醇的生产甲醇的生产: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。苯的生产苯的生产:原料油(甲苯、二甲苯)、原料油(甲苯、二甲苯)、H H2 2输送输送加热加热反应器反应器减压蒸减压蒸馏塔馏塔精馏精馏苯(苯(99.99299.99299.999%)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(99.8599.95%) 主:主:CO+2H2 CH3OH(g)+Q+Q 副:副: CO2+3H2
3、CH3OH(g)+H2O(g) 2CO+4H2 (CH3)2O+H2O CO+3H2 CH4+H2O 4CO+8H2 C4H9OH+3H2O CO2+H2 CO+H2O6化工生产过程化工生产过程化学反应过程化学反应过程物理处理过程物理处理过程 化工生产的核心化工生产的核心 原料的预处理原料的预处理 产品的加工产品的加工(单元操作)(单元操作) 化学反应和若干个单元操作串联而成 单元操作单元操作 工艺过程中遵循相同的基本原理、只改变物工艺过程中遵循相同的基本原理、只改变物料状态或物理性质,不改变物料化学性质的过程。料状态或物理性质,不改变物料化学性质的过程。是组成工艺过程的基本单元。是组成工艺过
4、程的基本单元。7单元操作的特点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。 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。 单元操作作用于不同的化工过程时,基本原理基本原理相同,所用的设备也是通用的相同,所用的设备也是通用的。 8原油常压蒸馏原理流程原油常压蒸馏原理流程 9常减压工艺流程常减压工艺流程 原原 油油电脱盐电脱盐脱水脱水换热换热 加热加热 常常 压压 蒸蒸 馏馏冷凝冷凝冷却冷却 油水油水分离分离 水水 直馏汽油直馏汽油 煤油
5、煤油 轻柴油轻柴油 重柴油重柴油 重油重油 10柴油催化加氢工艺流程柴油催化加氢工艺流程柴油柴油加热加热 加氢反应加氢反应 油气分离油气分离 换热换热 气体脱硫气体脱硫 乙醇胺乙醇胺气体压缩气体压缩 氢气氢气吸收液吸收液 蒸馏蒸馏 柴油柴油 冷凝冷却冷凝冷却 含氢气体含氢气体 蒸馏蒸馏 液化气液化气 汽油汽油 循环氢循环氢11过程:单元操作的基本原理、计算方法过程:单元操作的基本原理、计算方法设备:设备的结构、操作、设计和选型等设备:设备的结构、操作、设计和选型等2.2.课程内容:课程内容:单元操作的分类:单元操作的分类:按理论基础分类:按理论基础分类:流体流动过程动量传递流体流动过程动量传递
6、传热过程热量传递传热过程热量传递传质过程质量传递传质过程质量传递12质量传递:由质量传递:由浓度浓度在时空中分布的不均匀性而引起质量在时空中分布的不均匀性而引起质量在时空中的传递过程。在时空中的传递过程。三传三传: :化工原理化工原理的共同规律和联系的共同规律和联系动量传递:由于动量传递:由于动量、密度动量、密度的空间分布不均而引起动量在的空间分布不均而引起动量在时空中的传递过程。时空中的传递过程。热量传递:是由热量传递:是由温度温度在空间的非均匀分布引起内能在时空在空间的非均匀分布引起内能在时空中的传递过程。中的传递过程。13绪论绪论物料的增压、减压和输送:物料的增压、减压和输送: 流体输送
7、、气体压缩、固体流态化等流体输送、气体压缩、固体流态化等物料的混合或分散:搅拌物料的混合或分散:搅拌物料的加热或冷却:物料的加热或冷却:非均相物系的分离:过滤、沉降、筛分等非均相物系的分离:过滤、沉降、筛分等均相物系的分离:吸收、蒸馏、萃取、吸附等均相物系的分离:吸收、蒸馏、萃取、吸附等单元操作按操作目的分类:单元操作按操作目的分类:14流体输送流体输送:流体通过管道的阻力损失,输送设备:流体通过管道的阻力损失,输送设备过滤:液固混合物的分离过滤:液固混合物的分离沉降:液固或气固混合物的分离(重力、离心)沉降:液固或气固混合物的分离(重力、离心)搅拌:液液或液固体系的混合搅拌:液液或液固体系的
8、混合颗粒流态化:强化气(液)固两相间的接触颗粒流态化:强化气(液)固两相间的接触气力输送:固体微粒的管道输送气力输送:固体微粒的管道输送加热冷却加热冷却:增加或降低特定物质的温度:增加或降低特定物质的温度蒸发:对含有固体溶质的溶液进行浓缩制取固体产品蒸发:对含有固体溶质的溶液进行浓缩制取固体产品蒸馏蒸馏:液体混合物的分离(组分挥发度的差异):液体混合物的分离(组分挥发度的差异)吸收:气体混合物的分离(组分在吸收液中的溶解度)吸收:气体混合物的分离(组分在吸收液中的溶解度)吸附:气体混合物的分离(组分在固体表面的吸附能力)吸附:气体混合物的分离(组分在固体表面的吸附能力)萃取:从液体混合物中分离
9、有用组分(湿法冶金)萃取:从液体混合物中分离有用组分(湿法冶金)干燥:从固体产品中去除湿分干燥:从固体产品中去除湿分结晶:从液体混合物中得到纯的固体产品结晶:从液体混合物中得到纯的固体产品绪论绪论常见的单元操作过程:常见的单元操作过程:15单元操作单元操作 目的目的 物态物态 原理原理 传递过程传递过程流体输送流体输送 输送输送 液或气液或气 输入机械能输入机械能 动量传递动量传递 搅拌搅拌 混合或分离混合或分离 气气- -液液 输入机械能输入机械能 动量传递动量传递 液液- -液液, ,固固- -液液 过滤过滤 非均相混合物分离非均相混合物分离 气气- -固固, ,固固- -液液 尺度不同的
10、截留尺度不同的截留 动量传递动量传递 沉降沉降 非均相混合物分离非均相混合物分离 气气- -固固, ,固固- -液液 密度差引起的密度差引起的 动量传递动量传递 沉降运动沉降运动加热加热, ,冷却冷却 升温升温, ,降温降温, ,改变改变 气或液气或液 利用温差传入利用温差传入 热量传递热量传递 相态相态 或移出热量或移出热量 蒸发蒸发 溶剂与不挥发性溶剂与不挥发性 液液 供热汽化溶剂供热汽化溶剂 热量传递热量传递 溶质的分离溶质的分离表表1-1 1-1 单元操作单元操作16续表续表1-1 1-1 单元操作单元操作173.3.工程学和工程观念工程学和工程观念 凡是研究如何有效地将原料变为工业产
11、品凡是研究如何有效地将原料变为工业产品的学科统称的学科统称工程学。工程学。工程观念工程观念理论上的正确性理论上的正确性技术上的可行性技术上的可行性操作上的安全性操作上的安全性经济上的合理性经济上的合理性1822332(92.12)NHNHQkJ【例例1 1】 850-900、450MPa,NH3合成率为合成率为97% 理论上,高压、低温有利于理论上,高压、低温有利于NH3合成合成。 700-800、200MPa,反应速率急剧下降,反应速率急剧下降技术性?技术性?安全性?安全性?经济合理经济合理性?性? 最优条件:最优条件: 450-550、20-30MPa,使用,使用催化剂铁(含少量氧化铝、氧
12、化钾)催化剂铁(含少量氧化铝、氧化钾)19二、研究本学科的基本方法二、研究本学科的基本方法1.1.实验研究方法(经验的方法)实验研究方法(经验的方法) 依靠实验来确定过程变量之间的关系,得到经验公式,依靠实验来确定过程变量之间的关系,得到经验公式,理论基础为因次分析法和相似论。理论基础为因次分析法和相似论。 避免了复杂的数学描述,但应用范围受限。避免了复杂的数学描述,但应用范围受限。2.2.数学模型法(半经验半理论的方法)数学模型法(半经验半理论的方法)保证主要部分准确的基础上进行合理简化保证主要部分准确的基础上进行合理简化建立数学模型建立数学模型实验测定系数或指数实验测定系数或指数应用范围广
13、,一定程度应用范围广,一定程度上反应了过程本质上反应了过程本质20三、研究单元过程的基本工具三、研究单元过程的基本工具1.1.物料衡算物料衡算理论基础:物质守恒定律理论基础:物质守恒定律在一个单元过程中,进入的物料量等于排出的物料量与在一个单元过程中,进入的物料量等于排出的物料量与积累的物料量之和。积累的物料量之和。aoutinmmm例子:一水箱容积为例子:一水箱容积为8m8m3 3,进水管每,进水管每小时注入小时注入5m5m3 3 水,排水管每小时排出水,排水管每小时排出3m3m3 3水,问何时可以将水箱注满。水,问何时可以将水箱注满。5m5m3 3/h/h8m8m3 33m3m3 3/h/
14、h21精馏塔精馏塔原料液原料液含乙醇含乙醇510吨吨/时时乙醇产品乙醇产品含乙醇含乙醇95含乙醇含乙醇0.1 废水废水每小时有每小时有10 吨吨 5 的乙醇水溶液进入精馏塔,塔顶馏的乙醇水溶液进入精馏塔,塔顶馏出的产品中含乙醇出的产品中含乙醇 95,塔底排出的废水中含乙醇,塔底排出的废水中含乙醇 0.1。求每小时可得产品多少吨?若废水全部排放,。求每小时可得产品多少吨?若废水全部排放,每年(按操作每年(按操作 7200小时小时 计)损失的乙醇多少吨?计)损失的乙醇多少吨?解:解:已知:已知:原料液流量及其中乙醇含量原料液流量及其中乙醇含量产品和废水中乙醇含量产品和废水中乙醇含量 求:求:产品和
15、废水流量产品和废水流量分析:分析:两个未知量,需列出两个物料衡两个未知量,需列出两个物料衡算方程求解!算方程求解!精馏塔精馏塔原料液原料液含乙醇含乙醇510吨吨/时时乙醇产品乙醇产品含乙醇含乙醇95含乙醇含乙醇0.1 废水废水【例例2 2】22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 b. 物流中乙醇的量衡算基准:衡算基准:单位时间:小时设:产品流量为 X 吨/时、废水流量为 Y 吨/时。由物料衡算式:M入入 M出出对物流的量进行衡算:10 X + Y (1)对乙醇的量进行衡算:10 5 X 95 + Y 0.1 (2)X 0.516 吨/时
16、Y 9.484 吨/时 每年损失乙醇:9.484 0.1 7200 68.28 吨/年23【例例3 3】浓缩浓缩NaOHNaOH水溶液的流程如图,水溶液的流程如图,F F、G G、E E 皆为皆为NaOHNaOH水溶水溶液的质量流量,液的质量流量,x x 表示溶液中含表示溶液中含NaOHNaOH的质量分数,的质量分数,W W 表示表示各蒸发器产生水蒸汽的质量流量。各蒸发器产生水蒸汽的质量流量。试根据图示的各已知量,计算试根据图示的各已知量,计算W W1 1、W W2 2、G G、E E 之值。之值。A AB B24说明:说明:稳定过程稳定过程:物料积累量等于:物料积累量等于0 0; outin
17、mm不稳定过程不稳定过程:物料积累量不等于:物料积累量不等于0 0; aoutinmmm可列总物平,也可列任意组分物平可列总物平,也可列任意组分物平;必须确定衡算范围,明确衡算对象,选定计算基必须确定衡算范围,明确衡算对象,选定计算基准准(单位时间或单位质量物料)。(单位时间或单位质量物料)。单位时间:单位时间: dtdmmmoutin25能量衡算:能量衡算:理论基础:能量守恒定律理论基础:能量守恒定律通式:输入能量输出能量能量积累通式:输入能量输出能量能量积累输入:物料带入、外界传入的热量输入:物料带入、外界传入的热量输出:物料带出、对外界作功输出:物料带出、对外界作功连续、稳定的过程:输入
18、输出连续、稳定的过程:输入输出机械能机械能热能热能26说明:说明:只能进行总物料的能量平衡计算只能进行总物料的能量平衡计算;要确定衡算范围,明确衡算对象,选定要确定衡算范围,明确衡算对象,选定计算基准(单位时间或单位质量、单位体计算基准(单位时间或单位质量、单位体积物料);积物料);计算之前要规定焓值及位能的计算基准计算之前要规定焓值及位能的计算基准。27在一列管式热交换器中用压强为在一列管式热交换器中用压强为 136 kPa 的饱和蒸汽的饱和蒸汽加热加热 298 K 的冷空气,蒸汽的流量为的冷空气,蒸汽的流量为 0.01 kg/s,空气,空气的流量为的流量为 1 kg/s。冷凝水在饱和温度。
19、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若取空气的平均比热为 1.005 kJ/(kgK),试计算空气,试计算空气的出口温度(热损失忽略不计)。的出口温度(热损失忽略不计)。解:解:热空气热空气 T冷空气冷空气298 K1 kg/s加热蒸汽加热蒸汽 381K 冷凝水冷凝水热交换器热交换器381 K0.01 kg/s分析:分析: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!【例例4 4】28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以单位时间内物流量为基准温度基准:温度基准:以进口冷空气的温度为基准:以
20、进口冷空气的温度为基准:298Kw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冷凝水加热蒸汽:加热蒸汽: 0.01 kg/s ; 冷空气:冷空气: 1 kg/s 取取 H冷空气冷空气 0由热量衡算式 得: 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)29 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冷凝水 452.9 kJ/kg H冷空气 0 H热空气 Cp t = Cp (T-298)0.01 ( 2690- 452.9 ) 1 1.005 (T-298) T = 320.
21、3 K将数据代入上式得:303.3.系统的平衡关系:系统的平衡关系:两大平衡:相平衡与化学平衡两大平衡:相平衡与化学平衡任何过程都是由不平衡状态向平衡状态进行任何过程都是由不平衡状态向平衡状态进行平衡态:自然过程所能达到的极限程度,平衡态:自然过程所能达到的极限程度,用用来判断过程进行的方向及限度来判断过程进行的方向及限度。动态平衡动态平衡如传热过程、密闭容器中的乙醇水混合溶如传热过程、密闭容器中的乙醇水混合溶 液、用水吸收含氨的混合空气等液、用水吸收含氨的混合空气等314.4.过程速率:过程速率:过程阻力过程阻力过程推动力过程推动力过程速率过程速率 过程推动力:系统与平衡态相差的程度;过程推
22、动力:系统与平衡态相差的程度; 相差程度越大,推动力越大;相差程度越大,推动力越大; 当过程达到平衡时,推动力为当过程达到平衡时,推动力为0 0。过程阻力:比较复杂,影响因素很多。过程阻力:比较复杂,影响因素很多。过程平衡关系是过程设备尺寸设计计算的理论依据;过程平衡关系是过程设备尺寸设计计算的理论依据;过程速率是计算设备尺寸的基本工具。过程速率是计算设备尺寸的基本工具。绪论绪论32四、单位制及单位换算四、单位制及单位换算1.1.单位与单位制:单位与单位制:计量中计数单元所规定的基本量计量中计数单元所规定的基本量压力压力p=100kPap=100kPa数值数值单位单位单位单位基本单位基本量基本
23、单位基本量导出单位导出量导出单位导出量物理量物理量= =数字数字单位单位单位单位= =物理量数字物理量数字单位:单位:33绪论绪论基本单位与导出单位的总和。基本单位与导出单位的总和。常用单位制:国际单位制(常用单位制:国际单位制(SISI)、工程单位制、物理)、工程单位制、物理单位制、英制单位制、英制单位制:单位制:绝对单位制:绝对单位制:物理单位制,科学手册和数据手册中常用物理单位制,科学手册和数据手册中常用CGS CGS 制:长度制:长度cmcm,质量,质量g g,时间,时间s s;MKS MKS 制:制:m m,kgkg,s s34质量质量时间时间温度温度长度长度物质的量物质的量电流强度
24、电流强度发光强度发光强度千克千克kgkg秒秒s s开尔文开尔文K K米米m m摩尔摩尔molmol安培安培A A坎德拉坎德拉candelacandela基本单位基本单位: :工程单位制:工程单位制:基本单位:长度基本单位:长度m m,力,力kgfkgf,时间,时间s s国际单位制:国际单位制:SISI制制 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。352.2.单位换算单位换算: :K Kkgkgs sm m
25、国际国际单位制单位制kgfkgf重量重量(F)F)s sm m米制米制工程工程单位制单位制kgkgs sm mmksmks制制g gs scmcmCgsCgs制制物理物理单位制单位制温度温度(T T)质量质量(M M)时间时间(t)t)长度长度(L)L) 基本物理基本物理单位制单位制其中:其中:1m=100cm1m=100cm,1kg=1000g1kg=1000g,t t=1K=1=1K=136 一管路内空气的流量为一管路内空气的流量为3600m3/h,将此流量用国际单位制,将此流量用国际单位制表示。表示。 一设备内部压强为一设备内部压强为1kgf/cm2,试用国际单位制表示。,试用国际单位制
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