化工原理—緒 論

1、教教 師：師： 張明玨張明玨 電電 話：話： 1380519581913805195819 Email: Unit Operations of Chemical Engineering化化 工工 原原 理理教材及參考書教材及參考書n教材教材 夏清，賈紹義編，化工原理（上冊和下冊），天夏清，賈紹義編，化工原理（上冊和下冊），天津大學出版社，津大學出版社，2012第第2版版. n參考書參考書 姚玉英編，化工原理，天津大學出版社，姚玉英編，化工原理，天津大學出版社，1999. 柴誠敬主編，化工原理，高等教育出版社，柴誠敬主編，化工原理，高等教育出版社，2005. 考核方式：n總評成績=平時+期中考試

2、+期末考試成績 平時：10% 期中：20%（閉卷） 期末：70%（閉卷）作業(yè)n(1) 準備準備A、B兩本作業(yè)本，兩本作業(yè)本，每周一每周一交一次；交一次；n(2) 計算題求解步驟和要求（也適用于考試）：計算題求解步驟和要求（也適用于考試）： a. 要寫出已知條件和求解參數(shù)（要寫出已知條件和求解參數(shù)（10%） b. 一般要畫出解題一般要畫出解題簡圖簡圖（10%） c. 解題步驟層次清晰，解題步驟層次清晰，公式公式要準確要準確 ( 50%) d. 已知已知數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)代入公式求解代入公式求解( 20%) e. 計算結果計算結果 (10%)一、化工原理課程的研究內容和特點一、化工原理課程的研究內容和特點

3、1.化工原理研究內容； 2.單元操作的分類和特點； 3.化工原理課程的研究方法； 4.化工過程計算的理論基礎； 5.本課程的特點及學習要求二、單位及單位換算二、單位及單位換算三、化工過程計算的基本關系三、化工過程計算的基本關系四、工程觀念四、工程觀念緒緒 論論一、化工原理課程的研究內容和特點一、化工原理課程的研究內容和特點1、化工原理研究內容（1）化）化工生產(chǎn)過程：工生產(chǎn)過程：對原料進行化學加工獲得有用對原料進行化學加工獲得有用 產(chǎn)品的過程稱為化工生產(chǎn)過程。產(chǎn)品的過程稱為化工生產(chǎn)過程。乙烯乙烯氯氯提純提純提純提純單體單體合成合成反應熱反應熱分分離離裂裂解解精制精制氯乙烯氯乙烯聚聚合合脫水脫水干

4、燥干燥分離分離氧氯化氧氯化提純提純乙烯乙烯空氣空氣水水反應熱反應熱5503MPa2200.5MPa5500.8MPaCH2=CH2+Cl2CH2ClCH2ClCH2ClCH2ClCHCl=CH2+HCl2CH2=CH2+2HCl+O22CHCl-CH2+2H2OHCl聚氯乙烯生產(chǎn)聚氯乙烯生產(chǎn) 乙烯法乙烯法乙炔法乙炔法基本化工過程基本化工過程原料原料預處理預處理反反 應應后處理后處理產(chǎn)品產(chǎn)品化學反應工程化學反應工程化工原理化工原理(單元操作單元操作) （2）單元操作）單元操作：指在各種化工過程中，：指在各種化工過程中，遵守同一基遵守同一基本原理本原理，所用設備相似所用設備相似，作用相同作用相同，

5、僅發(fā)生物理變僅發(fā)生物理變化化過程的那些操作，稱為單元操作。過程的那些操作，稱為單元操作。盡管用不同原料生產(chǎn)不同的產(chǎn)品的化工過程相差很大，但盡管用不同原料生產(chǎn)不同的產(chǎn)品的化工過程相差很大，但它們都是由若干個簡單過程（單元操作）按一定的順序和它們都是由若干個簡單過程（單元操作）按一定的順序和方式組合而成的。方式組合而成的。 藥物和制藥工業(yè)：藥物和制藥工業(yè)：反應設備投資占反應設備投資占10%,其他單元操其他單元操作的設備投資占作的設備投資占90%。 （3）單元操作在化工及其相近工業(yè)中的重要作用）單元操作在化工及其相近工業(yè)中的重要作用 化學和石油化學工業(yè)：化學和石油化學工業(yè)：反應設備投資占反應設備投資

6、占11%,其他其他單元操作的設備投資占單元操作的設備投資占89%；1、流體動力過程：流體輸送、沉降、過濾、攪拌2、傳熱過程： 換熱、蒸發(fā)3、傳質過程：蒸餾、吸收、萃取、吸附、浸取、吸附、離子交換、膜分離4、熱質同時傳遞過程：增減濕、結晶、干燥分類2、單元操作的分類和特點包括流體輸送、沉降、包括流體輸送、沉降、 過濾、過濾、離心分離、攪拌、固體流態(tài)化離心分離、攪拌、固體流態(tài)化等等動量傳遞動量傳遞熱量傳遞熱量傳遞包括加熱、冷卻、包括加熱、冷卻、 蒸發(fā)等蒸發(fā)等 質量傳遞質量傳遞包括蒸餾、吸收、吸附、萃取、包括蒸餾、吸收、吸附、萃取、干燥、結晶、膜分離等干燥、結晶、膜分離等化工生產(chǎn)過程 化學反應 單元

7、操作反應工程化工原理三傳一反2、單元操作的分類和特點特點 同一單元操作在不同的化工生產(chǎn)中遵循相同的過同一單元操作在不同的化工生產(chǎn)中遵循相同的過程規(guī)律，但在程規(guī)律，但在操作條件及設備類型操作條件及設備類型(或結構或結構)方面會有很方面會有很大差別大差別。 物理物理過程。過程。 對同樣的工程目的，可對同樣的工程目的，可采用不同的單元操作采用不同的單元操作來實來實現(xiàn)?，F(xiàn)。3、化工原理課程的研究方法1 .實驗研究方法實驗研究方法(經(jīng)驗法經(jīng)驗法)因次分析因次分析 直管湍流阻力直管湍流阻力2. 數(shù)學模型法數(shù)學模型法(半經(jīng)驗半理論方法半經(jīng)驗半理論方法) 雙膜模型的建立雙膜模型的建立分析分析過程過程機理機理物

8、理物理模型模型數(shù)學數(shù)學模型模型含模型參含模型參數(shù)的結果數(shù)的結果求得模求得模型參數(shù)型參數(shù)合理合理簡化簡化數(shù)學數(shù)學描述描述求解求解實驗實驗4化工過程計算的理論基礎設計型計算操作型計算質量守恒能量守恒平衡關系速率關系 所用基本關系：化工計算分為5本課程的特點及學習要求1. 本課程特點本課程特點 該課程是化工類及相近專業(yè)一門重要的技術基礎課，該課程是化工類及相近專業(yè)一門重要的技術基礎課，兼有兼有“科學科學”與與“技術技術”的特點的特點,強調強調工程觀點工程觀點，定量定量運算運算，實驗技能實驗技能和和設計能力設計能力的培養(yǎng)。的培養(yǎng)。 研究內容：研究內容：各單元操作的基本原理，所用的典型各單元操作的基本原

9、理，所用的典型設備的結構、工藝尺寸設計、工藝參數(shù)的設定和設備設備的結構、工藝尺寸設計、工藝參數(shù)的設定和設備的選型。的選型。 2. 學習要求學習要求 (4) 過程開發(fā)或科學研究能力過程開發(fā)或科學研究能力(1)單元操作和設備選擇的能力單元操作和設備選擇的能力(2)工程設計能力工程設計能力(3)操作和調節(jié)生產(chǎn)過程的能力操作和調節(jié)生產(chǎn)過程的能力(5)實驗能力實驗能力美國氣象衛(wèi)星的“失足” 計量單位的重要性 1998 年年2月，美國宇航局月，美國宇航局（NASA）發(fā)射探測火星氣象的）發(fā)射探測火星氣象的衛(wèi)星失事。預定于衛(wèi)星失事。預定于1999年年9月月23日抵達火星，然而衛(wèi)星沒有進日抵達火星，然而衛(wèi)星沒有

10、進入預定的軌道。入預定的軌道。 問題出在有些資料的計量單問題出在有些資料的計量單位位沒有把英制轉換成公制沒有把英制轉換成公制，錯，錯誤起自承包工程的洛克希德馬誤起自承包工程的洛克希德馬丁航天公司。丁航天公司。 這個這個 “小錯誤小錯誤”造成的損造成的損失失:僅衛(wèi)星的造價就高達僅衛(wèi)星的造價就高達 1.25 億億美元。美元。二、單位及單位換算二、單位及單位換算1.單位和單位制度1、基本單位和導出單位基本單位：導出單位：質量、長度、時間和溫度速度、密度、加速度2、國際單位制（SI制）根據(jù)1960年10月國際計量大會通過的一種單位制。 3、中華人民共和國法定計量單位在SI制基礎上制定的。國際單位制與法

11、定計量單位（國際單位制與法定計量單位（SI）量的名稱單位名稱單位符號長度米 m質量千克(公斤) kg時間秒 s熱力學溫度開爾文 K物質的量摩爾 mol電流安培 A發(fā)光強度坎德拉 cd1.單位和單位制度2、單位換算1、物理量的換算2、經(jīng)驗公式（或數(shù)字公式）的單位換算（a）物理方程（b）經(jīng)驗方程物理量的換算：物理量 = 數(shù)值單位換算因子：彼此相等而單位不同的兩個同名 物理量（包括單位在內）的比值。例，長度物理量中：1m100cm英制3.2808ft壓力的單位壓力的單位（最多，一定要清楚）1atm= 101300 N/m2 = 101.3 kPa = 1.033 kgf/cm2 = 10.33 mH

12、2O = 760 mmHg1at = 1 kgf / cm2 = 10 mH2O = 735.6 mmHg = 0.9807 bar = 9.807104 Pa常溫下水的密度常溫下水的密度: r r = 1000 kg / m3 = 1 g /cm3 = 62.4 lb / ft3 = 102kgf / m3 n單位換算的方法（連接單位法）單位換算的方法（連接單位法） 1.先查出同一因次不同單位制的換算系數(shù)，寫先查出同一因次不同單位制的換算系數(shù)，寫成成比例比例形式形式(換算因子換算因子)。 2. 將換算因次與各基本量進行相乘和相除，進將換算因次與各基本量進行相乘和相除，進行運算消去原單位，引入

13、新單位。行運算消去原單位，引入新單位。2、單位換算2、單位換算化工原理化工原理 緒論緒論【例【例 0-10-1】某物質的比熱容某物質的比熱容 cp =1.00 BTU / (lbF)，試從基，試從基本單位換算入手，將其換算為本單位換算入手，將其換算為 SI 單位，即單位，即 kJ / (kg) 解：查表：解：查表： 1.00 BTU = 1.055 kJ 1 lb = 0.4536 kg 1 F = 5/9 cp BTU = 1.00 () IbF = 4.1865 kJ / (kg ) / 1 Ib 1.055 kJ 1 F () () () 0.4536 kg BTU 5 9 1=1.05

14、5 kj/BTU1=1 lb/0.4536kg1=1 F/(5/9) 1、物料衡算、物料衡算 質量守恒定律質量守恒定律在化工過程中的應用在化工過程中的應用 穩(wěn)定過程中：穩(wěn)定過程中：進入的能量進入的能量 = = 排出的能量排出的能量2、熱量衡算、熱量衡算 能量守恒定律能量守恒定律在化工過程中的應用在化工過程中的應用穩(wěn)定過程中：穩(wěn)定過程中：進入的物料量進入的物料量 = = 排出的物料量排出的物料量3、平衡關系、平衡關系 說明過程進行的說明過程進行的方向方向和所能達到的和所能達到的極限極限4、過程速率、過程速率快慢程度，關系到生產(chǎn)過程設備的大小快慢程度，關系到生產(chǎn)過程設備的大小三、化工過程計算的基本

15、關系三、化工過程計算的基本關系1、物料衡算、物料衡算設計設備尺寸之前，要確定所處理的物料量設計設備尺寸之前，要確定所處理的物料量非穩(wěn)態(tài)過程非穩(wěn)態(tài)過程輸入輸出積累輸入輸出積累系統(tǒng)系統(tǒng)輸出輸出輸入輸入積累積累系統(tǒng)系統(tǒng)輸出輸出輸入輸入穩(wěn)態(tài)過程穩(wěn)態(tài)過程積累積累 0輸入輸出輸入輸出根據(jù)質量守恒定律，任何一個化工生產(chǎn)過程GI = GO +GA GI 輸入物料質量的總和，kg，kg/h GO 輸出物料質量的總和，kg，kg/h GA 積累在過程中的物料質量，kg此式是物料衡算的通式，可對總物料或其中某一組成列出物料衡算式，進行求解。1、物料衡算、物料衡算1、畫出流程示意圖，標出、畫出流程示意圖，標出物料流向

16、與流量、組成等；物料流向與流量、組成等；2、用虛線劃出衡算范圍；、用虛線劃出衡算范圍；3、定出衡算基準；、定出衡算基準；4、列出衡算式并求解。、列出衡算式并求解。VDFVxDxFxVDF【例【例 0-20-2】n雙效并流蒸發(fā)器是將待濃縮的原料液加入第一效中濃縮到某組成后由底部排出送至第二效，再繼續(xù)濃縮到指定的組成，完成液由第二效底部排出。加熱蒸汽也送入第一效，在其中放出熱量后冷凝水排至器外。由第一效溶液中蒸出的蒸汽送至第二效作為加熱蒸汽，冷凝水也排至器外。由第二效溶液中蒸出的蒸汽送至冷凝器中。 在兩個蒸發(fā)器中，每小時將5000kg的無機鹽水溶液從12（質量）濃縮到30%。第二蒸發(fā)器比第一蒸發(fā)器

17、多蒸出5%的水分。試求：（1）各蒸發(fā)器每小時蒸出水分的量；（2） 第一蒸發(fā)器送出的溶液濃度。 解：解：首先畫一個流程圖表示進行的過程首先畫一個流程圖表示進行的過程 用方框表示設備，輸入輸出設備的物流方向用箭頭表示。 劃定衡算的范圍劃定衡算的范圍 為求各蒸發(fā)器蒸發(fā)的水量，以整個流程為衡算范圍，用一圈封閉的虛線畫出。 選擇衡算基準（連續(xù)操作以單位時間為基準，間歇操作選擇衡算基準（連續(xù)操作以單位時間為基準，間歇操作以一批操作為基準）以一批操作為基準） 由于連續(xù)操作，以1小時為基準。蒸發(fā)器1蒸發(fā)器2x1W1W2F0=5000kg/hx0=0.12F1F2x2=0.3 確定衡算對象確定衡算對象 此題中有

18、兩個未知數(shù)，蒸發(fā)的水量及送出的鹽溶液量B，因此，我們就以不同衡算對象列出兩個衡算式。 對鹽作物料衡算：2200 xFxF對總物料作衡算：2125000WWF代入已知數(shù)據(jù)，得：23 . 012. 05000Fkg/h20002Fkg/h300021WW由題意知1205. 1WW kg/h6 .1536 kg/h 4 .146321WW 求第一個蒸發(fā)器送出的溶液濃度，選擇第一個蒸發(fā)器為衡算范圍。對鹽作物料衡算：1100 xFxF 對總物料作衡算：110FWF 代入已知數(shù)據(jù)，得：1112. 05000 xF14 .14635000F解得：kg/h6 .35361F%97.161697. 01x（1

19、1）劃定衡算范圍（確定研究系統(tǒng)）；）劃定衡算范圍（確定研究系統(tǒng)）；（2 2）定出衡算基準：物料基準、溫度基準。）定出衡算基準：物料基準、溫度基準。2、能量衡算、能量衡算研究方法：研究方法：非穩(wěn)態(tài)過程非穩(wěn)態(tài)過程輸入輸出積累輸入輸出積累系統(tǒng)系統(tǒng)輸出輸出輸入輸入積累積累系統(tǒng)系統(tǒng)輸出輸出輸入輸入穩(wěn)態(tài)過程穩(wěn)態(tài)過程積累積累0輸入輸出輸入輸出41根據(jù)能量守恒定律，在任何一個化工生產(chǎn)過程中，凡向該過程輸入的能量必等于該過程輸出的能量。與物料衡算類似，能量衡算可表示為： QI = QO + QL QI 輸入該過程的各物料帶入的總熱量，J，W QO輸出該過程的各物料帶出的總熱量，J，W QL該過程與環(huán)境交換的總熱量，當系統(tǒng)向環(huán)境散熱時為