化工原理-緒論

1、化工(hugng)原理 主講(zhjing)：王固霞 Email：材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院精品資料課程的性質(zhì)課程的性質(zhì)(xngzh)(xngzh)和地位和地位本課程是高分子材料與工程專業(yè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程是高分子材料與工程專業(yè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課。考核辦法考核辦法本課程為考試課程，平時(shí)成績(jī)（包括作業(yè)、出勤等）占本課程為考試課程，平時(shí)成績(jī)（包括作業(yè)、出勤等）占30%30%，期末考試成績(jī)占，期末考試成績(jī)占70%70%。教教 材：化工原理，李鳳華等編著，大連理工大學(xué)出版社，材：化工原理，李鳳華等編著，大連理工大學(xué)出版社，20042004年。年。參考書(shū)：參考書(shū)： 1 1、化工原理、化工原

2、理( (上上) )，王世廣主編，高等教育出版社，王世廣主編，高等教育出版社，20022002年。年。 2 2、化工原理學(xué)習(xí)指南，姚玉英等編著，天津大學(xué)出版社，、化工原理學(xué)習(xí)指南，姚玉英等編著，天津大學(xué)出版社，20032003年。年。 3 3、化工原理（上、下），姚玉英主著，天津科學(xué)技術(shù)出版社，、化工原理（上、下），姚玉英主著，天津科學(xué)技術(shù)出版社，19921992年。年。精品資料精品資料化工化工(hugng)原理原理課程的性質(zhì)及重要性課程的性質(zhì)及重要性 該課程是化工類及相近專業(yè)一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，是理科轉(zhuǎn)向工科的該課程是化工類及相近專業(yè)一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，是理科轉(zhuǎn)向工科的一個(gè)橋梁，為以后專業(yè)

3、課的學(xué)習(xí)一個(gè)橋梁，為以后專業(yè)課的學(xué)習(xí)(xux)打下基礎(chǔ)。兼有打下基礎(chǔ)。兼有“科學(xué)科學(xué)”與與“技術(shù)技術(shù)”的特的特點(diǎn)，它是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)，物理，化學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)。分析和解決化工生產(chǎn)中各種點(diǎn)，它是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)，物理，化學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)。分析和解決化工生產(chǎn)中各種物理過(guò)程的工程問(wèn)題的學(xué)科。本課程強(qiáng)調(diào)工程觀點(diǎn)，定量用算，實(shí)驗(yàn)技能及設(shè)物理過(guò)程的工程問(wèn)題的學(xué)科。本課程強(qiáng)調(diào)工程觀點(diǎn)，定量用算，實(shí)驗(yàn)技能及設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際。計(jì)能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際。 作為一門(mén)綜合性技術(shù)學(xué)科的重要組成部分，主要研究個(gè)單元操作的基本作為一門(mén)綜合性技術(shù)學(xué)科的重要組成部分，主要研究個(gè)單元操作的基本原理，所用的典型設(shè)備結(jié)構(gòu)，工

4、藝尺寸設(shè)計(jì)和設(shè)備的選型的共性問(wèn)題，是一門(mén)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)備的選型的共性問(wèn)題，是一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課重要的專業(yè)基礎(chǔ)課精品資料一、化工原理課程研究一、化工原理課程研究(ynji)內(nèi)容內(nèi)容化工生產(chǎn)過(guò)程化工生產(chǎn)過(guò)程 對(duì)原料進(jìn)行化工加工對(duì)原料進(jìn)行化工加工(ji gng)獲得有用產(chǎn)品的過(guò)程稱為化工生產(chǎn)過(guò)程獲得有用產(chǎn)品的過(guò)程稱為化工生產(chǎn)過(guò)程精品資料精品資料精品資料歸納各種化工歸納各種化工(hugng)過(guò)程如下：過(guò)程如下：產(chǎn)品原料核心 這些物理操作這些物理操作(cozu)統(tǒng)稱單元操作統(tǒng)稱單元操作(cozu)（Unit Operations）化工原理的研究對(duì)象化工原理的研究對(duì)象單元操作

5、單元操作 定義：定義：工藝過(guò)程中遵循相同的基本原理，只改變物理性質(zhì)或物料狀態(tài)，不改變物料化工藝過(guò)程中遵循相同的基本原理，只改變物理性質(zhì)或物料狀態(tài)，不改變物料化學(xué)性質(zhì)的過(guò)程學(xué)性質(zhì)的過(guò)程精品資料常見(jiàn)常見(jiàn)(chn jin)的單元操作過(guò)程的單元操作過(guò)程流體流體(lit)輸送：流體輸送：流體(lit)通過(guò)管道的阻力損失，輸送設(shè)備通過(guò)管道的阻力損失，輸送設(shè)備過(guò)濾：液固混合物的分離過(guò)濾：液固混合物的分離沉降：液固或氣固混合物的分離沉降：液固或氣固混合物的分離顆粒流態(tài)化：強(qiáng)化氣（液）固兩相間的接觸顆粒流態(tài)化：強(qiáng)化氣（液）固兩相間的接觸加熱冷卻：增加或降低特定物質(zhì)的溫度加熱冷卻：增加或降低特定物質(zhì)的溫度蒸餾：液

6、體混合物的分離蒸餾：液體混合物的分離吸收：氣體混合物的分離吸收：氣體混合物的分離精品資料單元操作的分類單元操作的分類根據(jù)根據(jù)(gnj)單元操作所遵循的基本規(guī)律，分為三類：?jiǎn)卧僮魉裱幕疽?guī)律，分為三類：動(dòng)量傳遞動(dòng)量傳遞實(shí)際流體內(nèi)部由于實(shí)際流體內(nèi)部由于(yuy)動(dòng)量、密度的空間分布不均勻而引起動(dòng)動(dòng)量、密度的空間分布不均勻而引起動(dòng)量在流體中的傳遞過(guò)程量在流體中的傳遞過(guò)程 如：流體輸送、沉降、過(guò)濾、固體流態(tài)化熱量傳遞熱能在空間的傳遞過(guò)程，是由溫度在空間的非均勻分布造成的熱能在空間的傳遞過(guò)程，是由溫度在空間的非均勻分布造成的如：傳熱、冷凝、蒸發(fā)等質(zhì)量傳遞某物質(zhì)在混合物中的傳遞過(guò)程，是由濃度在混合物

7、中的分布不均造成的某物質(zhì)在混合物中的傳遞過(guò)程，是由濃度在混合物中的分布不均造成的 如：蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶、干燥等精品資料單元操作的特點(diǎn)單元操作的特點(diǎn) 1）所有的單元操作都是物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或物）所有的單元操作都是物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或物理性質(zhì)，并不改變化學(xué)性質(zhì)。理性質(zhì)，并不改變化學(xué)性質(zhì)。 2）單元操作是化工生產(chǎn)過(guò)程中共有的操作，只是不同的化工）單元操作是化工生產(chǎn)過(guò)程中共有的操作，只是不同的化工生產(chǎn)中所包含的單元操作數(shù)目、名稱與排列順序不同。生產(chǎn)中所包含的單元操作數(shù)目、名稱與排列順序不同。 3）單元操作作用于不同的化工過(guò)程時(shí)，基本原理相同，所用）單元操作作用于不同的化工過(guò)

8、程時(shí)，基本原理相同，所用的設(shè)備也是通用的。的設(shè)備也是通用的。 4）對(duì)同樣的工程目的，開(kāi)采用不同的單元操作來(lái)實(shí)現(xiàn)）對(duì)同樣的工程目的，開(kāi)采用不同的單元操作來(lái)實(shí)現(xiàn)(shxin)。 例：液體混合物可以用精餾、萃取、膜分離等等例：液體混合物可以用精餾、萃取、膜分離等等精品資料二、二、 化工原理的學(xué)習(xí)化工原理的學(xué)習(xí)(xux)研究方法研究方法 研究方法工程方法 1） 實(shí)驗(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)的方法） 依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)確定過(guò)程變量間的關(guān)系，得到經(jīng)驗(yàn)公式，理論基礎(chǔ)(jch)為因次分析法和方法論。 2） 數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法） 在對(duì)實(shí)際過(guò)程的機(jī)理深入分析的基礎(chǔ)(jch)上，在抓住過(guò)程本質(zhì)的前提下，做出某種合理簡(jiǎn)化，

9、建立物理模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，得出數(shù)學(xué)模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)，得到半經(jīng)驗(yàn)半理論公式。精品資料三、單位制與單位換算三、單位制與單位換算1.1.單位及單位制單位及單位制 物理量的大小以數(shù)值物理量的大小以數(shù)值(shz)(shz)加單位表示加單位表示單位有基本單位和導(dǎo)出單位之分單位有基本單位和導(dǎo)出單位之分單位制：基本單位與由這些基本單位導(dǎo)出的導(dǎo)出單位的集合單位制：基本單位與由這些基本單位導(dǎo)出的導(dǎo)出單位的集合常用常用(chn yn)單位制：國(guó)際單位制（單位制：國(guó)際單位制（SI）、工程單位制、物理單位制等）、工程單位制、物理單位制等基本單位：根據(jù)使用方便的原則制定的基本量的單位?；締挝唬焊鶕?jù)使用方便的

10、原則制定的基本量的單位。導(dǎo)出單位：導(dǎo)出量的單位稱為導(dǎo)出單位，均由基本單位相乘、除而構(gòu)成的導(dǎo)出單位：導(dǎo)出量的單位稱為導(dǎo)出單位，均由基本單位相乘、除而構(gòu)成的 。單位單位數(shù)值數(shù)值壓力：壓力：p=100KPa精品資料2 2單位換算單位換算 在生產(chǎn)實(shí)踐中存在許多習(xí)慣用法，為了計(jì)算中單位的統(tǒng)一性，需要在生產(chǎn)實(shí)踐中存在許多習(xí)慣用法，為了計(jì)算中單位的統(tǒng)一性，需要對(duì)一些單位進(jìn)行單位換算。對(duì)一些單位進(jìn)行單位換算。不同單位制中的單位換算不同單位制中的單位換算 1kg=1000g 1m=100cm 1 1kg=1000g 1m=100cm 1=1=1K =K =1.8+321.8+32 1atm=1.033at=76

11、0mmHg=10.33mH2O=1.013 1atm=1.033at=760mmHg=10.33mH2O=1.013 105Pa105Pa 1 1=1=1K,K,說(shuō)明開(kāi)氏溫度說(shuō)明開(kāi)氏溫度(wnd)(wnd)和攝氏度的分度是一樣的，但二和攝氏度的分度是一樣的，但二者在數(shù)值上不一樣，者在數(shù)值上不一樣， 開(kāi)氏溫度開(kāi)氏溫度(wnd)=(wnd)=攝氏度攝氏度+273.15+273.15質(zhì)量時(shí)間溫度長(zhǎng)度物質(zhì)的量電流強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度千克kg秒S開(kāi)爾文K米m摩爾mol安培A坎德拉candela精品資料2522/10013.101.081.9033.1033.1mNmNcmkgf例：已知例：已知1atm=1.03

12、3kgf/cm2,將其換算成將其換算成N/m2。 解：按題意需將解：按題意需將kgf/cm2中的中的kgf單位換算成單位換算成N，cm2換算成換算成m2,查附錄查附錄1：換算關(guān)系換算關(guān)系(gun x)為：為： 1kgf=9.81N， 1cm=0.01m 上述關(guān)系上述關(guān)系(gun x)代入代入 ，得：，得：精品資料四、化工過(guò)程計(jì)算的理論四、化工過(guò)程計(jì)算的理論(lln)(lln)基礎(chǔ)基礎(chǔ)物料衡算物料衡算 依據(jù)依據(jù)質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律 輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量等于從系統(tǒng)輸出輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量等于從系統(tǒng)輸出(shch)(shch)的物料質(zhì)量和系的物料質(zhì)量和系統(tǒng)中積累的物料質(zhì)量。統(tǒng)中積累的物料質(zhì)量。AGG

13、IG0物料衡算的通式物料衡算的通式作物料衡算應(yīng)注意的問(wèn)題：作物料衡算應(yīng)注意的問(wèn)題：1、確定衡算范圍、確定衡算范圍 2、明確衡算對(duì)象、明確衡算對(duì)象3、統(tǒng)一計(jì)算單位、統(tǒng)一計(jì)算單位 4、選定計(jì)算基準(zhǔn)、選定計(jì)算基準(zhǔn)精品資料 例：在兩個(gè)例：在兩個(gè)(lin )蒸發(fā)器中，每小時(shí)將蒸發(fā)器中，每小時(shí)將5000kg的無(wú)機(jī)鹽水溶液從的無(wú)機(jī)鹽水溶液從12濃縮到濃縮到30%。第。第二蒸發(fā)器比第一蒸發(fā)器多蒸出二蒸發(fā)器比第一蒸發(fā)器多蒸出5%的水分。試求：的水分。試求：（1）各蒸發(fā)器每小時(shí)蒸出水分的量；）各蒸發(fā)器每小時(shí)蒸出水分的量；（2） 第一蒸發(fā)器送出的溶液濃度。第一蒸發(fā)器送出的溶液濃度。 解：首先畫(huà)一個(gè)流程圖表示進(jìn)行的過(guò)

14、程，用方框表示設(shè)備，輸入輸出設(shè)備的物流方向用箭頭表解：首先畫(huà)一個(gè)流程圖表示進(jìn)行的過(guò)程，用方框表示設(shè)備，輸入輸出設(shè)備的物流方向用箭頭表示。示。 劃定衡算的范圍為求各蒸發(fā)器蒸發(fā)的水量，以整個(gè)流程為衡算范圍，用一圈封閉劃定衡算的范圍為求各蒸發(fā)器蒸發(fā)的水量，以整個(gè)流程為衡算范圍，用一圈封閉(fngb)的的虛線畫(huà)出。虛線畫(huà)出。x1W1W2F0=5000kg/hx0=0.12F1F2x2=0.3蒸發(fā)器1蒸發(fā)器2精品資料 確定衡算對(duì)象 此題中有兩個(gè)未知數(shù)，蒸發(fā)的水量及送出的溶液濃度(nngd)，因此，我們就以不同衡算對(duì)象列出兩個(gè)衡算式。 對(duì)鹽作物料衡算：2200 xFxF對(duì)總物料(w lio)作衡算：212

15、5000WWF代入已知數(shù)據(jù)，得：23.012.05000FhkgF/20002hkgWW/300021由題意知1205.1WWhkgWhkgW/6.1536 /4.146321精品資料 求第一個(gè)蒸發(fā)器送出的溶液濃度，選擇(xunz)第一個(gè)蒸發(fā)器為衡算范圍。對(duì)鹽作物料(w lio)衡算：1100 xFxF 對(duì)總物料作衡算：110FWF 代入已知數(shù)據(jù)，得：1112.05000 xF14 .14635000F解得：hkgF/6.35361%97.161697. 01x精品資料2 能量能量(nngling)衡算衡算依據(jù)依據(jù)(yj)：能量守恒定律：能量守恒定律 即輸入系統(tǒng)的總能量等于系統(tǒng)輸出的總能量與損

16、失的能量之和。即輸入系統(tǒng)的總能量等于系統(tǒng)輸出的總能量與損失的能量之和。LQQIQ0 熱量衡算通式熱量衡算通式或?qū)懗蒐IQwHwH0)()( 注注： 熱量衡算的基本方法與物料衡算的方法相同，也必須首先熱量衡算的基本方法與物料衡算的方法相同，也必須首先劃定衡算范圍及衡算基準(zhǔn)。劃定衡算范圍及衡算基準(zhǔn)。但衡算對(duì)象只能是物料的總體，而不是單個(gè)組分。但衡算對(duì)象只能是物料的總體，而不是單個(gè)組分。 此外應(yīng)注意焓是相對(duì)值，因此必須此外應(yīng)注意焓是相對(duì)值，因此必須指明基準(zhǔn)溫度指明基準(zhǔn)溫度，習(xí)慣上選，習(xí)慣上選0為基準(zhǔn)溫度，并規(guī)定為基準(zhǔn)溫度，并規(guī)定0時(shí)液時(shí)液態(tài)的焓值為零。態(tài)的焓值為零。精品資料 例：在換熱器里將平均比熱

17、為3.56kJ/（kg）的某溶液自25加熱到80，溶液流量為1.0kg/s，加熱介質(zhì)為120的飽和水蒸氣，其消耗量為0.095kg/s，蒸氣冷凝成同溫度(wnd)的飽和水排出。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)。解：根據(jù)解：根據(jù)(gnj)題意畫(huà)出流程圖題意畫(huà)出流程圖 換熱器120飽和水蒸氣0.095kg/s120飽和水0.095kg/s1.0kg/s25溶液80溶液1.0kg/s精品資料 基準(zhǔn)：1s 在圖中虛線(xxin)范圍內(nèi)作熱量衡算 從附錄7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。在此系統(tǒng)中輸入(shr)的熱量： 2

18、1QQIQ蒸氣帶入的熱量： kwQ3.2579.2708095.01溶液帶入的熱量：kwQ8902556.30 .12kwIQ3.346893.257輸出的熱量： 43QQQO精品資料冷 凝 水 帶 出 的 熱 量(rling)： kwQ8.4767.503095.03溶液(rngy)帶出的熱量： kwQ8.28408056.30.14kwQQQ6.3328.2848.47430根據(jù)能量衡算式，有： LIQQQ0kw.kw.QQQIL713633233460熱量損失的百分?jǐn)?shù)= %54.68 .473 .2577 .13精品資料3.過(guò)程的相平衡關(guān)系過(guò)程的相平衡關(guān)系(gun x)和過(guò)程速率和過(guò)程速

19、率 任何過(guò)程都是由不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)進(jìn)行的任何過(guò)程都是由不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)進(jìn)行的 平衡狀態(tài)是自然過(guò)程所能達(dá)到的極限平衡狀態(tài)是自然過(guò)程所能達(dá)到的極限(jxin)程度程度 用來(lái)判斷過(guò)程進(jìn)行的方向和所能達(dá)到的極限用來(lái)判斷過(guò)程進(jìn)行的方向和所能達(dá)到的極限(jxin)。 過(guò)程速率：是指過(guò)程由不平衡狀態(tài)到平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化的快慢。過(guò)程速率：是指過(guò)程由不平衡狀態(tài)到平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化的快慢。過(guò)程的速率推動(dòng)力阻力過(guò)程的速率推動(dòng)力阻力 推動(dòng)力：過(guò)程所處的狀態(tài)與平衡狀態(tài)的差距。推動(dòng)力：過(guò)程所處的狀態(tài)與平衡狀態(tài)的差距。 阻力：過(guò)程的阻力是各種因素對(duì)速率影響的總的體現(xiàn)。阻力：過(guò)程的阻力是各種因素對(duì)速率影響的總的體現(xiàn)。 過(guò)程速率是計(jì)算設(shè)備尺寸的基本工具。過(guò)程速率是計(jì)算設(shè)備尺寸的基本工具。精品資料五五. 化工原理的基本要求化工原理的基本要求 發(fā)展：如何根據(jù)某個(gè)物理或物理化學(xué)原理開(kāi)發(fā)發(fā)展：如何根據(jù)某個(gè)物理或物理化學(xué)原理開(kāi)發(fā)成為一個(gè)單元操作，尋本求源。成為一個(gè)單元操作，尋本求源。 選擇：為了選擇：為了(wi le)達(dá)到或?qū)崿F(xiàn)某一工程目的，達(dá)到或?qū)崿F(xiàn)某一工程目的，能否對(duì)過(guò)程和設(shè)備作合理的選擇和組合。能否對(duì)過(guò)程和設(shè)備作合理的選擇和組合。 設(shè)計(jì)：對(duì)已掌握了性能的過(guò)程和設(shè)備作直接的設(shè)計(jì)：對(duì)已掌握了性能的過(guò)程和設(shè)備