化工原理_01概述

1、總之,我們的生活離不開(kāi)化工原理,生活中處處有科學(xué),學(xué)好科學(xué)是為了更好的生活1 1學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的 通過(guò)學(xué)習(xí)，了解通過(guò)學(xué)習(xí)，了解化工原理化工原理課程的研究?jī)?nèi)容、工程課程的研究?jī)?nèi)容、工程研究方法，課程特點(diǎn)及學(xué)習(xí)要求。掌握本課程經(jīng)常使用研究方法，課程特點(diǎn)及學(xué)習(xí)要求。掌握本課程經(jīng)常使用的單位制及的單位制及單位換算單位換算的方法以及的方法以及衡算方程衡算方程。2 2本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn)本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn)（1 1）單元操作的分類、理論基礎(chǔ)及工程研究方法。）單元操作的分類、理論基礎(chǔ)及工程研究方法。（2 2）單位制度和單位換算。）單位制度和單位換算。（3 3）物料衡算和能量衡算）物料衡算和能量衡算3 3本知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn)本

2、知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn) 本知識(shí)點(diǎn)無(wú)難點(diǎn)。本知識(shí)點(diǎn)無(wú)難點(diǎn)?！緦W(xué)習(xí)指導(dǎo)】緒 論1.化工生產(chǎn)特點(diǎn)化工生產(chǎn)特點(diǎn)2.本課程的性質(zhì)，內(nèi)容及任務(wù)本課程的性質(zhì)，內(nèi)容及任務(wù)3.化學(xué)工業(yè)與本課程的發(fā)展情況化學(xué)工業(yè)與本課程的發(fā)展情況4.單位制與單位換算單位制與單位換算5.物理量的因次問(wèn)題物理量的因次問(wèn)題6.關(guān)于系統(tǒng)的守恒定律（衡算方程）關(guān)于系統(tǒng)的守恒定律（衡算方程）【教學(xué)內(nèi)容】化學(xué)工業(yè)：將原料進(jìn)行化學(xué)加工以獲得有用產(chǎn)品的工業(yè)多行業(yè)性多行業(yè)性：從石油煉制、基本有機(jī)、無(wú)機(jī)化工：從石油煉制、基本有機(jī)、無(wú)機(jī)化工到染料、醫(yī)藥、橡膠、塑料乃至冶到染料、醫(yī)藥、橡膠、塑料乃至冶金及食品等行業(yè)，均與化工生產(chǎn)有金及食品等行業(yè)，均與化工生產(chǎn)有關(guān)。

3、關(guān)?；ぎa(chǎn)品的多樣性化工產(chǎn)品的多樣性： 無(wú)機(jī)產(chǎn)品無(wú)機(jī)產(chǎn)品 103104種種 有機(jī)產(chǎn)品有機(jī)產(chǎn)品 已能人工合成的約已能人工合成的約200250萬(wàn)種萬(wàn)種 自然界已知存在的約自然界已知存在的約300400萬(wàn)種萬(wàn)種結(jié)論：由于這些產(chǎn)品的多樣性，因此決定了化結(jié)論：由于這些產(chǎn)品的多樣性，因此決定了化工生產(chǎn)的復(fù)雜性和特殊性。工生產(chǎn)的復(fù)雜性和特殊性。1.化工生產(chǎn)特點(diǎn)化工生產(chǎn)特點(diǎn)實(shí)例A、硝酸生產(chǎn) 氨氣 過(guò)濾空氣氧化換熱壓縮氧化吸收I吸收II濃硝酸B、硫酸生產(chǎn) 硫鐵礦流化焙燒換熱氧化吸收I吸收II濃硫酸C、鹽酸生產(chǎn) 液體NaOH 食鹽溶解過(guò)濾電解蒸發(fā)結(jié)晶固體燒堿 H2 Cl2 燃燒換熱吸收I吸收II濃鹽酸共同性：共同

4、性：從每條生產(chǎn)工藝線的從每條生產(chǎn)工藝線的縱向看縱向看：各工藝均由多：各工藝均由多種特定的操作步驟種特定的操作步驟 并有相應(yīng)的設(shè)備。并有相應(yīng)的設(shè)備。從各生產(chǎn)工藝的從各生產(chǎn)工藝的橫向看橫向看：不同的工藝路線中：不同的工藝路線中常存在有相同的操常存在有相同的操 作步驟及單體設(shè)備，相似作步驟及單體設(shè)備，相似的操作方法及操作條件。的操作方法及操作條件?；み^(guò)程與單元操作 化工過(guò)程即化工生產(chǎn)過(guò)程。其核心是反應(yīng)過(guò)程及設(shè)備。化工過(guò)程即化工生產(chǎn)過(guò)程。其核心是反應(yīng)過(guò)程及設(shè)備。單元操作指不包括化學(xué)反應(yīng)的、組成化工生產(chǎn)過(guò)程或工單元操作指不包括化學(xué)反應(yīng)的、組成化工生產(chǎn)過(guò)程或工 藝的各個(gè)物理操作基本單元。藝的各個(gè)物理操作

5、基本單元。單元操作是保證化工過(guò)程能夠經(jīng)濟(jì)有效地進(jìn)行的必要前單元操作是保證化工過(guò)程能夠經(jīng)濟(jì)有效地進(jìn)行的必要前提，其基本特點(diǎn)有三個(gè)，即：提，其基本特點(diǎn)有三個(gè)，即： （）屬于物理操作，其中不存在化學(xué)反應(yīng)。）屬于物理操作，其中不存在化學(xué)反應(yīng)。 （）這些單元在不同的化工生產(chǎn)工藝流程中普遍存在）這些單元在不同的化工生產(chǎn)工藝流程中普遍存在 （）同一單元操作原理相同，設(shè)備相同或相近。）同一單元操作原理相同，設(shè)備相同或相近?；み^(guò)程與單元操作之間的關(guān)系多個(gè)單元操作與化學(xué)反應(yīng)核心步驟組成一個(gè)完整的化工生產(chǎn)工藝流程?；拘问饺缦拢海ā啊北硎灸芰?、物料或質(zhì)量總體流向） 1 2 N N1 M N個(gè)物理操作單元 化學(xué)反應(yīng)

6、核心 （M-N）個(gè)物理操作單元 （物料預(yù)處理） （反應(yīng)合成） （物料后處理或精制） 單元操作的分類按操作單元的內(nèi)在基本原理分類：1.以動(dòng)量傳遞（流體力學(xué)）理論為基礎(chǔ)的單元操作：流體輸送、過(guò)濾、沉降、攪拌、流態(tài)化等；2.以熱量傳遞理論為基礎(chǔ)的單元操作：傳熱、蒸發(fā)等；3.以質(zhì)量傳遞理論為基礎(chǔ)的單元操作：吸收、精餾、萃取等；4.熱、質(zhì)同時(shí)傳遞過(guò)程：干燥、增濕等。5.以熱力學(xué)為理論基礎(chǔ)的單元操作：壓縮、冷凍等。6.以機(jī)械力學(xué)為理論基礎(chǔ)的單元操作：固體物料的粉碎、分級(jí)等。2.課程性質(zhì)、內(nèi)容和任務(wù)性質(zhì)性質(zhì)：介于基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的橋梁課程即技術(shù)基礎(chǔ)課。：介于基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的橋梁課程即技術(shù)基礎(chǔ)課。 內(nèi)容

7、與任務(wù)內(nèi)容與任務(wù)：主要研究各單元操作的基本原理，所用的典型設(shè)主要研究各單元操作的基本原理，所用的典型設(shè)備結(jié)構(gòu)，工藝尺寸設(shè)計(jì)和設(shè)備的選型備結(jié)構(gòu)，工藝尺寸設(shè)計(jì)和設(shè)備的選型從而達(dá)到如下目的：從而達(dá)到如下目的： 找出描述過(guò)程規(guī)律的正確方法；找出描述過(guò)程規(guī)律的正確方法； 選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備來(lái)完成指定的單元操作任務(wù)；選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備來(lái)完成指定的單元操作任務(wù)； 根據(jù)過(guò)程規(guī)律，正確地設(shè)計(jì)相應(yīng)的單元設(shè)備；根據(jù)過(guò)程規(guī)律，正確地設(shè)計(jì)相應(yīng)的單元設(shè)備； 組織和管理生產(chǎn)，強(qiáng)化、調(diào)節(jié)或控制過(guò)程進(jìn)行的程度。組織和管理生產(chǎn)，強(qiáng)化、調(diào)節(jié)或控制過(guò)程進(jìn)行的程度。橋梁課程，是化工技術(shù)人員所必須熟練掌握的基本理論知識(shí)和專業(yè)技能 課程的研究方法

8、 實(shí)驗(yàn)研究方法：如經(jīng)驗(yàn)（逐步）放大法、因次分析法、相似 性理論 缺點(diǎn)：屬于感性認(rèn)識(shí)，反映的是事物的表象，所得結(jié)論不具有普遍的指導(dǎo)意義和推廣價(jià)值。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，在內(nèi)推的情況下保險(xiǎn)可靠，故廣泛采用。數(shù)學(xué)模型法：屬于半經(jīng)驗(yàn)、半理論方法，其特點(diǎn)是：抓住了事物的主要矛盾，認(rèn)識(shí)了過(guò)程的本質(zhì)；對(duì)次要矛盾予以了忽略，使復(fù)雜問(wèn)題得到簡(jiǎn)化；所得結(jié)論最終需要由實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和修正。課程的學(xué)習(xí)要求 單元操作和設(shè)備選擇能力 工程設(shè)計(jì)能力 操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過(guò)程的能力 過(guò)程開(kāi)發(fā)和科學(xué)研究能力3.3.化學(xué)工業(yè)的發(fā)展情況化學(xué)工業(yè)的發(fā)展情況遠(yuǎn)古時(shí)期：陶瓷制造、青銅器、鐵器工具制造業(yè)出現(xiàn)；古 代：火藥、造紙、煉丹術(shù)、釀酒工藝出現(xiàn)；工業(yè)革命

9、（18世紀(jì)）前后： 染色、燃料工業(yè)出現(xiàn)； 食鹽制取純堿新工藝出現(xiàn)，由此帶動(dòng)漂白粉及硫酸工業(yè)的發(fā)展； 大規(guī)?；鸱ㄒ苯鸸に嚦霈F(xiàn)，帶動(dòng)了煉焦、焦油蒸餾和染料、醫(yī)藥工業(yè)發(fā)展； 開(kāi)發(fā)了一些新的單元操作：吸收、過(guò)濾、結(jié)晶、干燥等。 20世紀(jì)2030年代：以電石為原料的乙烯工業(yè)出現(xiàn)，有機(jī)化工正式形成； 3040年代：石油、天然氣得到開(kāi)采，石油化工正式形成； 60年代前后：化學(xué)工業(yè)走向大型化、集團(tuán)化，使經(jīng)濟(jì)性顯著提高，促進(jìn)了化工自動(dòng)化的發(fā)展； 70年代：國(guó)外單一功能計(jì)算機(jī)在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用開(kāi)始普及； 80年代以來(lái)：計(jì)算機(jī)由單功能向多功能過(guò)渡，化工生產(chǎn)及管理現(xiàn)代化，同時(shí)，在節(jié)能和降耗（成本）方面取得巨大效益。本

10、課程的發(fā)展史 國(guó)外，在20世紀(jì)初首先提出“單元操作（Unit Operation）”概念； 20世紀(jì)20年代，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)設(shè)此課程，取名“化工原理”或“單元操作”； （1923年美國(guó)麻省理工學(xué)院的著名教授W. H. 華克爾等人） 中國(guó)20世紀(jì)50年代后一段時(shí)間，改名“化工過(guò)程與設(shè)備”、“化學(xué)工程”或“基礎(chǔ)化學(xué)工程”； 我國(guó)20時(shí)間70年代末80年代初，恢復(fù)“化工原理”名稱，但仍保留了“基礎(chǔ)化學(xué)工程”等名稱。4.4.單位制與單位換算單位制與單位換算單位單位：描述某物理因素或物理量大小的度量衡。 不同單位制產(chǎn)生的原因 歷史的原因：市制與公制； 地域的原因：美制與英制； 科學(xué)領(lǐng)域的原因：天文制與一般

11、學(xué)科單制。 如光年、秒、毫微秒等 SI制（國(guó)際單位制） 基本單位單位制長(zhǎng)度L時(shí)間T質(zhì)量M溫度t電流I光強(qiáng)B絕對(duì)制（物理制）cmmssgkg工程制（重力制）ms力Fkgf國(guó)際制(公制SI制)mskg物質(zhì)量molKACd使用SI制的優(yōu)點(diǎn) 通用性：各學(xué)科領(lǐng)域的一切其他物理量均可由其導(dǎo) 出單位；比例系數(shù)的歸一性：由此單位制所導(dǎo)出的其他任一 物理量其比例系數(shù)均為1；例如： 1 kg1 m/s2 = 1 N 1 N1 m = 1 J 1 J/1 s = 1 W本課程及相應(yīng)計(jì)算建議并推薦使用SI制。單位換算及計(jì)算中的一般方法、注意點(diǎn)單位換算及計(jì)算中的一般方法、注意點(diǎn) 計(jì)算中應(yīng)先確定所采用的單位制； 將公式中

12、各物理量先換算成所選用的單位制表示； 將換算后的物理量代入公式計(jì)算； 計(jì)算結(jié)果用所采取的單位制表示。5.5.物理量的因次問(wèn)題物理量的因次問(wèn)題因次的概念：因：即（影響某個(gè)過(guò)程的）物理因素 ，亦稱因子。次：因子的冪次。例如：在公式s= at2/2 中， t 即為影響s的因素，其冪次為2， 2。因子的用途：1.檢驗(yàn)計(jì)算中公式的正確性因次一致性原則；2.在采用一定的單位制計(jì)算時(shí)，確定計(jì)算結(jié)果的單位制；3.分析整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，歸納經(jīng)驗(yàn)公式因次分析法總結(jié)關(guān)聯(lián)公式。6.6.關(guān)于系統(tǒng)的守恒定律（衡算方程）關(guān)于系統(tǒng)的守恒定律（衡算方程）衡算總原則：質(zhì)量守恒、能量守恒及動(dòng)量守恒定律適用于任何考察體系，其一般表達(dá)式為

13、：進(jìn)入系統(tǒng)的量I離開(kāi)系統(tǒng)的量E系 統(tǒng)自身生成、累積（或損失）量A 對(duì)于有多股物料進(jìn)入和輸出系統(tǒng)時(shí)，則： IEA 當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，這種衡算一般可用常量代數(shù)方程求解；當(dāng)系統(tǒng)處于非穩(wěn)態(tài)過(guò)程時(shí)，衡算一般需要采用微分方程進(jìn)行即進(jìn)行dt微分時(shí)間間隔中的守恒計(jì)算。IEA衡算基準(zhǔn) 常選用：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位體積、單位質(zhì)量、單位面積等作為基準(zhǔn)?！举|(zhì)量衡算例題】 在生產(chǎn)KNO3的過(guò)程中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2的純KNO3水溶液以1000kg/h的流量進(jìn)入蒸發(fā)器，在422K下蒸發(fā)出部分水而得50的濃KNO3溶液，然后送入冷卻結(jié)晶器，在311K下結(jié)晶，得到含水0.04的KNO3結(jié)晶和含KNO3 0.375的飽和溶液。前者

14、作為產(chǎn)品取出，然后回到蒸發(fā)器。過(guò)程為穩(wěn)態(tài)操作。試計(jì)算結(jié)晶產(chǎn)品量、水蒸發(fā)量和循環(huán)的飽和溶液量。【解題思路】1.首先根據(jù)題意畫(huà)出過(guò)程的物料流程圖，并用數(shù)字和符號(hào)說(shuō)明物料的數(shù)量和單位。PW20% KNO31000kg/h蒸發(fā)器冷卻結(jié)晶器SRIII2.圈出衡算范圍3.確定衡算基準(zhǔn)：本題選1h為衡算基準(zhǔn)。對(duì)于連續(xù)操作常以單位時(shí)間為基準(zhǔn)；對(duì)間歇操作，常以一批物料為衡算基準(zhǔn)。4.選取衡算對(duì)象，利用物料衡算式對(duì)所選擇的系統(tǒng)進(jìn)行衡算。【解答過(guò)程】1）求KNO3結(jié)晶產(chǎn)品量P 取包括蒸發(fā)器和冷卻結(jié)晶器的整個(gè)過(guò)程為系統(tǒng)，取1h為衡算基準(zhǔn)，以KNO3為衡算對(duì)象，因系穩(wěn)態(tài)操作，輸入系統(tǒng)的KNO3量等于從系統(tǒng)輸出的量，即:

15、 10000.20.96P 所以 hkghkgP/3 .208/96. 02 . 010002）求蒸發(fā)水量W 仍取系統(tǒng)I，衡算基準(zhǔn)為1h，以總物料為衡算對(duì)象，則: 1000W+P 所以: W791.7kg/h3）求循環(huán)的飽和溶液量R設(shè)進(jìn)入冷卻結(jié)晶器的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50的KNO3溶液量為Skg/h。取冷卻結(jié)晶器為系統(tǒng)，衡算基準(zhǔn)為1h，以總物料為衡算對(duì)象，做總物料的衡算，得： S208.3R以KNO3為衡算對(duì)象，做KNO3的衡算，得 S0.5208.30.96R0.375聯(lián)立解上述二式，可得 R766.6kg/h【能量衡算例題】在換熱器里講平均比熱容為3.56kJ/（kg. ）的某種溶液自25 加熱到80 ，溶液流量為1.0kg/s。加熱介質(zhì)為120 的飽和蒸汽，其消耗量為0.095kg/s，蒸汽冷凝成同溫度的飽和水后排出。試計(jì)算此換熱器的熱損失占水蒸氣所提供熱量的百分?jǐn)?shù)?！窘忸}思路與過(guò)程】 首先根據(jù)題意畫(huà)出過(guò)程示意圖； 選1s作為計(jì)算基準(zhǔn)； 從附錄查出120 飽和水蒸氣的焓值為2708.9kJ/kg，120 飽和水的焓值為503.67kJ/kg； 在圖中所選范圍內(nèi)利用能量衡算式作熱量衡算。120 飽和水蒸氣0.095kg/s25溶液1.0kg/s80溶液120 飽和水1.0kg/s