化工原理化学工程课件.ppt

1、几点说明：几点说明：1.1.关于作业关于作业 (1)(1)每周交一次作业，每周第一次上课交作业。每周交一次作业，每周第一次上课交作业。(2)(2)由于班数众多，请学习委员把作业送至敏行楼由于班数众多，请学习委员把作业送至敏行楼202202。(3)(3)两个作业本写上序号，请同学们把作业妥善保存。两个作业本写上序号，请同学们把作业妥善保存。(4)(4)禁止抄袭，否则雷同者将无此次作业成绩。实在禁止抄袭，否则雷同者将无此次作业成绩。实在 没有作完，作业可顺延一次再交。没有作完，作业可顺延一次再交。2.2.教材及参考书目教材及参考书目 (1)(1)教材：高教版教材：高教版 (2)(2)主要参考书目：

2、清华版主要参考书目：清华版 天大版天大版3.3.纪律纪律 (1)(1)到课到课 (2)(2)听课听课 （3 3）到课）到课化工原理化工原理化学工程（单元操作）化学工程（单元操作）绪绪 论论 一、学习对象一、学习对象 化工过程中，化工过程中，除化学反应外除化学反应外的所有的所有物理物理 操作过程操作过程单元操作单元操作。化工过程：化工过程：用化工手段将原料加工成产品的生产过用化工手段将原料加工成产品的生产过程。程。化工生产过程 化学反应 单元操作反应工程化工原理三 传一反玉米玉米粉碎粉碎分离分离蒸蒸煮煮发发酵酵粗粗馏馏精精馏馏乙醇乙醇（加热）（加热）（反应）（反应）(蒸馏蒸馏)其间物料的输送需要

3、泵、管道等。其间物料的输送需要泵、管道等。1 1乙醇的生产流程乙醇的生产流程几个典型的化工过程：几个典型的化工过程：（化学吸收）（化学吸收）以上三流程涉及的单元操作有：以上三流程涉及的单元操作有：输送、过滤、传热、干燥、结晶、输送、过滤、传热、干燥、结晶、吸收、蒸馏、吸附、分离等吸收、蒸馏、吸附、分离等。2洗衣粉的工艺流程洗衣粉的工艺流程旋转混旋转混合器合器燃硫燃硫转化塔转化塔磺化器磺化器液体磺酸液体磺酸静电除雾器静电除雾器碱洗塔碱洗塔气气净气放空净气放空反应器反应器NaOH配料缸配料缸其它液、其它液、固计量固计量喷雾干燥喷雾干燥塔塔包装包装布袋除尘布袋除尘大气大气（干燥）（干燥）（反应）（反

4、应）（分离）（分离）由以上流程可以看出：同一单元操作可在不同的化工由以上流程可以看出：同一单元操作可在不同的化工过程中出现。虽然不同化工过程中的同一操作各有特过程中出现。虽然不同化工过程中的同一操作各有特殊性，但却遵循共同的规律即具有共性殊性，但却遵循共同的规律即具有共性.化工原理化工原理是研究诸单元操作及其共性的课程。限于学时，本课是研究诸单元操作及其共性的课程。限于学时，本课主要涉及主要涉及流体流动流体流动、流体输送流体输送、非均相分离非均相分离、传热、传热、干燥、蒸馏、吸收、萃取干燥、蒸馏、吸收、萃取诸单元操作及相应的设备。诸单元操作及相应的设备。注意一点注意一点：在上面流程中出现化学吸

5、收操作，也归在上面流程中出现化学吸收操作，也归于单元操作，似与定义中的于单元操作，似与定义中的“物理过程物理过程”相违背。相违背。但目前化工原理的单元操作范围已拓宽。许多单元但目前化工原理的单元操作范围已拓宽。许多单元操作中已有化学反应，只是这些反应一般不以生产操作中已有化学反应，只是这些反应一般不以生产产品为目的。产品为目的。流体输送、沉流体输送、沉降、过滤、流降、过滤、流态化态化加 热、冷加 热、冷却、冷凝、却、冷凝、蒸发蒸发蒸馏、吸收、萃取、蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分结晶、干燥、膜分离等离等一一反反三三传传化化学学工工程程动量传递动量传递遵循流体流动遵循流体流动 基本规律。基本规

6、律。热量传递热量传递遵循传热基遵循传热基 本规律。本规律。质量传递质量传递遵循传质基遵循传质基 本规律。本规律。根据单元操作的共性，可将单元操作分为三大类：根据单元操作的共性，可将单元操作分为三大类：反应工程反应工程三、化工原理课程的研究方法1、实验研究方法（经验法）:用量纲分析和相似论为指导，依靠试验来确定过程变量之间的关系，通过量纲为一数群（或称准数）构成的关系式来表达。是一种工程上通用的基本方法。2、数学模型法（半经验半理论方法）在对实际过程的机理深入分析的基础上，在抓住过程本质的前提下，作出某种合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得出数学模型。通过实验确定模型参数。研究工程问题的方法

7、是联系各单元操作的另一条主线。三、化工原理课程的研究方法四化工过程计算的理论基础设计型计算操作型计算质量守恒能量守恒平衡关系速率关系 所用基本关系：化工计算分为 化工原理化工原理研究的重点不是化学反应的条件，但研究的重点不是化学反应的条件，但它所研究的各单元操作却能为化学反应准备必要的反应它所研究的各单元操作却能为化学反应准备必要的反应条件条件(温度、压力等温度、压力等)，并进一步将反应后的粗产品提纯，并进一步将反应后的粗产品提纯和分离和分离(即前、后处理过程即前、后处理过程)。通常这些操作在工厂的设。通常这些操作在工厂的设备投资和操作费用中都占有主要的比例，甚至决定生产备投资和操作费用中都占

8、有主要的比例，甚至决定生产的经济效益。的经济效益。二学习目的要求二学习目的要求本课程针对以下几个方面进行研究本课程针对以下几个方面进行研究：“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；各单元操作的基本原理、典型设备结构和操作特性；各单元操作的基本原理、典型设备结构和操作特性；过程和典型设备的设计计算或设备选型；过程和典型设备的设计计算或设备选型；设备的改进及强化；设备的改进及强化；分析研究问题的方法。分析研究问题的方法。本课程的特点：本课程的特点：是第一门从理论是第一门从理论到到工程的技术基础课工程的技术基础课;实践性强：经验、半经验公式多，各单元操实践性强：经验、半经验公式多

9、，各单元操 作涉及的内容面广量大。作涉及的内容面广量大。对同学们的要求对同学们的要求：注意在学习中逐步建立起注意在学习中逐步建立起“工程观念工程观念”。使自己逐步具备分析、解决单元操作中各种问使自己逐步具备分析、解决单元操作中各种问题的能力，即具有操作管理、设计、强化及过题的能力，即具有操作管理、设计、强化及过程开发的本领，为以后的科学研究和生产实践程开发的本领，为以后的科学研究和生产实践打下扎实的基础。打下扎实的基础。绪 论0.1 化工原理课程的内容和特点0.2 单位制度及单位换算一 单位和单位制度1、基本单位和导出单位基本单位导出单位质量、长度、时间和温度速度、密度、加速度2、绝对单位制和

10、重力单位制绝对单位制重力单位制长度、质量、时间长度、时间和力3、国际单位制（SI制）根据1960年10月国际计量大会通过的一种单位制。4、中华人民共和国法定计量单位在SI制基础上制定的。一 单位和单位制度二、单位换算1、物理量的换算 基本物理量中为1m物理单位制中100cm英制3.2808ft2、经验公式（或数字公式）的单位换算（a）物理方程（b）经验方程换算方法见例02。三物料衡算和能量衡算物料衡算和能量衡算 研究单元操作须熟悉物料衡算、能量衡算、过程研究单元操作须熟悉物料衡算、能量衡算、过程的速率和平衡关系等内容。这是化工原理分析问题的的速率和平衡关系等内容。这是化工原理分析问题的基本方法

11、基本方法。平衡与速率平衡与速率（1 1）平衡）平衡 说明一个传递过程进行的说明一个传递过程进行的方向方向和和极限极限。如：流体如：流体A A 流体流体B (B (T=TT=TA A-T-TB B0)0)传热（传热（TATB）(被冷却被冷却)(被加热被加热)当当 T=0T=0时，传热结束。时，传热结束。(T(TA A=T=TB B达平衡达平衡)（2 2）速率）速率 传递进行的传递进行的快慢快慢。速率的大小受推动力速率的大小受推动力(传递进行时所处的状态与平衡传递进行时所处的状态与平衡时的状态之差时的状态之差)和阻力和阻力(其它的影响因素其它的影响因素)的影响。二的影响。二者关系为：过程的速率者关

12、系为：过程的速率 =推动力推动力 阻力阻力2.2.物料衡算与能量衡算物料衡算与能量衡算以单位时间为基准，以单位时间为基准，如：如：h h，minmin，s s。参数参数=f(x,y,z)=f(x,y,z)以每批生产周期所用以每批生产周期所用的时间为基准。参数的时间为基准。参数=f(x,y,z,=f(x,y,z,)uA恒定uB=0=稳定操作稳定操作 和和 非稳定操作非稳定操作B B衡算衡算微分衡算微分衡算(非稳态非稳态)三维三维一维一维dxdxdzdzdydydzdz (1)(1)物料衡算（质量衡算）物料衡算（质量衡算）物料衡算反映原料、产品、损失等各种物料流股间物料衡算反映原料、产品、损失等各

13、种物料流股间量量(质量质量/摩尔流量摩尔流量)的关系。的关系。总体衡算总体衡算(稳态稳态)其范围可以是某设备的大部分、其范围可以是某设备的大部分、全部，或是由几个设备组成的一段生产流程、一全部，或是由几个设备组成的一段生产流程、一个车间甚至整个工厂。个车间甚至整个工厂。物料衡算可以表示为：物料衡算可以表示为：G GI I =G GO O +G GA A (0-2)(0-2)输 入 的 各输 入 的 各种物料种物料输 出 的 各输 出 的 各种物料种物料设备内积累设备内积累的各种物料的各种物料 此式为总物料衡算式，也适用此式为总物料衡算式，也适用于物料中的某个组分。如精馏：于物料中的某个组分。如

14、精馏：W,xW,xw wD,xD,xD DF,xF,xF F总流量物料衡算：总流量物料衡算：F=D+WF=D+W(因稳定操作，故无积累因稳定操作，故无积累一项。一项。)A A组分物料衡算：组分物料衡算：FxFxF F=Dx=DxD D+Wx+WxW W注意：注意：在有化学反应的情况下，物在有化学反应的情况下，物料衡算式只适用于任一料衡算式只适用于任一元素元素的衡算。的衡算。例例1(清华版，清华版，P6)：稳态时的总物料衡算及组分物料衡算稳态时的总物料衡算及组分物料衡算解：解：首先根据题意画出过程的物料流程图首先根据题意画出过程的物料流程图 生产生产KNOKNO3 3的过程中，质量分率为的过程中

15、，质量分率为0.20.2的的KNOKNO3 3水溶液，水溶液，以以 F=1000 kg/h F=1000 kg/h 的流量送入蒸发器，在的流量送入蒸发器，在422K422K下蒸发下蒸发出部分水得到出部分水得到50%50%的浓的浓KNOKNO3 3溶液。然后送入冷却结晶器，溶液。然后送入冷却结晶器，在在311K311K下结晶，得到含水下结晶，得到含水0.04 0.04 的的KNOKNO3 3结晶和含结晶和含KNOKNO3 3 0.3750.375的饱和溶液。前者作为产品取出的饱和溶液。前者作为产品取出,后者循环回到后者循环回到蒸发器。过程为稳定操作，试计算蒸发器。过程为稳定操作，试计算KNOKN

16、O3 3结晶产品量结晶产品量P P、水分蒸发量水分蒸发量W W和循环的饱和溶液量和循环的饱和溶液量R R。蒸发器蒸发器 422K冷却结晶器冷却结晶器 311KF=100020%S 50%R,37.5%W,0.0%P1-0.04解题思路：题求三个量，如何列物料衡算式。解题思路：题求三个量，如何列物料衡算式。首先考虑划定适宜的物衡范围以利于解题。首先考虑划定适宜的物衡范围以利于解题。1 1求求KNOKNO3 3结晶产品量结晶产品量P P按虚线框作为物料衡算范围，只涉及两个未知量。按虚线框作为物料衡算范围，只涉及两个未知量。G GI I=G GO O+G GA A KNOKNO3 3 组分的物料衡算

17、：组分的物料衡算：F F 20%=W 20%=W 0%+P 0%+P (100(100 4)%4)%1000 1000 20%=0+P 20%=0+P 96%96%则：则：P=208.3 kg/hP=208.3 kg/h2 2水分蒸发量水分蒸发量W(W(物衡范围同物衡范围同1.)1.)总物料衡算式：总物料衡算式：F=W+PF=W+P 则：则：W=FW=FP=1000P=1000208.3=791.7 kg/h208.3=791.7 kg/h3 3循环的饱和溶液量循环的饱和溶液量R R 此时以蒸发器或冷却结晶器划定为物衡范围均此时以蒸发器或冷却结晶器划定为物衡范围均可，但前者涉及可，但前者涉及4

18、 4个量，后者仅个量，后者仅3 3个量个量1 1个已知，因此宜个已知，因此宜以结晶器为衡算范围。以结晶器为衡算范围。总物衡式：总物衡式：S=R+PS=R+P 即：即：S=R+208.3S=R+208.3KNOKNO3 3组分物衡：组分物衡：0.5S=0.375R+0.96P0.5S=0.375R+0.96P两式联立解得：两式联立解得：R=766.6 kg/hR=766.6 kg/h例例2 2：非稳态时的物料衡算：非稳态时的物料衡算 （P6P6例例 0-40-4）用用1.5m1.5m3 3/s/s送送风量将罐内有机气体由风量将罐内有机气体由6%6%吹扫至吹扫至0.1%(0.1%(体积体积)，求所

19、需，求所需时间。时间。4mH=10m1.5 m3/s，v=v%1.5m3/sv=0%解：解：罐内气体浓度随时罐内气体浓度随时间变化，间变化，用微分衡算。用微分衡算。在在d d 时间内，对有机气体的时间内，对有机气体的“体积体积”作衡算：作衡算：根据根据 G GI I=G GO O+G GA A，有，有1.5 m1.5 m3 3/s/s 空气空气 0 0 d d =1.5 m=1.5 m3 3/s/s有机气有机气 vdvd +HdvD24d 内排出的有内排出的有机气体量机气体量d 内罐内浓度内罐内浓度改变量改变量d 内加入的有内加入的有机气体量机气体量整理并积分：整理并积分：s.ln.)v(ln

20、.vdv.|.8342001006073837383104514001006000100602 0010060251421.vdvHD.d (2)能量衡算 能量有很多种，如机械能、热能、电能、磁能、化学能、原子能、声能、光能等。化工过程中主要涉及物料的温度与热量的变化，因此：热量衡算是化工中最常用的能量衡算。质量衡算与能量衡算的异同点：同：都须划定衡算的范围和时间基准。异：1)热量衡算须选择物态和温度基准，这是因为物料所含热量（焓）是温度和物态的函数。液态物质的温度基准常取 273K。2)对于有化学反应的系统，须考虑反应物、生成物的差异，因为既使同温，若浓度不同，则它们的焓值及反应热亦不同。3

21、)热量除随物料输入/出外，还可通过热量传递的方式输入/出系统。热量衡算的依据是热量衡算的依据是能量守恒能量守恒定律，即：定律，即：Q QI I =Q QO O +Q QL L +Q QA A式中下标符号的意义式中下标符号的意义:I:I:进入进入 O:O:离开离开 L:L:散失散失 A:A:积累积累 例例溶液的平均比热为溶液的平均比热为3.56kJ/(kg.)3.56kJ/(kg.)求：换热器热损失求：换热器热损失Q QL L占水蒸气提供热量的百分数占水蒸气提供热量的百分数?120饱和水蒸气饱和水蒸气0.095kg/s120饱和水饱和水0.095kg/s25溶液溶液1.0kg/s80溶液溶液1.

22、0kg/sQL=?解：解：查查P357P357附录九：附录九：120120水蒸气焓值为水蒸气焓值为2708.9kJ/kg2708.9kJ/kg，120120饱和水焓值为饱和水焓值为503.6kJ/kg503.6kJ/kg。稳定操作无积累稳定操作无积累 Q QA A=0=0，则有，则有 Q QI I=Q QO O+Q QL L 即蒸汽带入即蒸汽带入Q Q1 1+溶液带入溶液带入Q Q2 2 =凝液带出凝液带出Q Q3 3+溶液带出溶液带出Q Q4 4+Q+QL L如图虚线为衡算范围如图虚线为衡算范围Q Q1 1=0.095=0.0952708.9=257.3 kw2708.9=257.3 kwQ

23、 Q2 2=1 =1 3.56 3.56(25(25 0)=89 kw0)=89 kwQ Q3 3=0.095 =0.095 503.67=47.8 kw503.67=47.8 kwQ Q4 4=1 =1 3.56 3.56(80(80 0)=284.8 kw0)=284.8 kwLQ.4284847893257即：即：kW.QL713%.%.5461008473257713 热损失：热损失：例例4 4 非稳定热量衡算举例非稳定热量衡算举例W=8t/hT3=100水蒸气冷凝水G=20t罐内盛有罐内盛有20t20t重油，初温重油，初温T T1 1=20=20，用外循环加热法，用外循环加热法进行加

24、热，重油循环量进行加热，重油循环量W=8t/hW=8t/h。循环重油经加热。循环重油经加热器升温至恒定的器升温至恒定的100100后又后又送回罐内，罐内的油均匀混合。问：重油从送回罐内，罐内的油均匀混合。问：重油从T T1 1升至升至T T2 2=80=80需要多少时间，假设罐与外界绝热（需要多少时间，假设罐与外界绝热（Q QL L=0=0）。）。解：解：非稳态，非稳态，有有 Q QA A项，以罐为物衡范围，项，以罐为物衡范围，h h为为时间基准，时间基准，00为温度基准。为温度基准。在在d d 时间内：时间内：输入系统重油的焓输入系统重油的焓 =WCpT=WCpT3 3 d d 输出系统重油的焓输出系统重油的焓 =WCpTd=WCpTd 系统内积累的焓系统内积累的焓 =GCpdT=GCpdT则：热衡式：则：热衡式：WCpTWCpT3 3 d d =WCpTd=WCpTd+GCpdT+GCpdT化简得：化简得：W(TW(T3 3T)dT)d =GdT=GdT积分有：积分有：h.lnTTdTWGd47380100201008208020321 四、单位制和单位换算四、单位制和单位换算(自学自学P2)P2)