作業(yè)課件-化工原理

化工原理UnitOperationofChemicalEngineering化工廠外貌管廊罐區(qū)塔群化工廠夜景0緒論（Introduction）0.1化學(xué)工程學(xué)（ChemicalEngineering）0.2化工生產(chǎn)過程與單元操作（ChemicalprocessandUnitOperation）0.3本課程的任務(wù)、性質(zhì)和內(nèi)容0.4化工過程計(jì)算的理論基礎(chǔ)0.5單位制度及單位換算0.1化學(xué)工程學(xué)（ChemicalEngineering）0.1.1化學(xué)工程的任務(wù)0.1.2化學(xué)工程學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)過程化學(xué)工程師單一產(chǎn)品工藝學(xué)單元操作例如硫酸工藝學(xué)，酒精工藝學(xué)，還有制造水泥、陶瓷的硅酸鹽工藝學(xué)等。流體輸送、加熱和冷卻（傳熱）、吸收、攪拌、蒸發(fā)、蒸餾、沉降、萃取、過濾、干燥、固體流態(tài)化、結(jié)晶等緒論

1.《化工原理》課程的內(nèi)容一、《化工原理》的內(nèi)容、特點(diǎn)及研究方法（2）按傳遞方式分：化工生產(chǎn)中，主要的單元操作按傳遞方式可以歸納為三類：①以流體力學(xué)為基礎(chǔ)，包括流體輸送、沉降、過濾、離心分離、攪拌、固體流態(tài)化等；②以熱量傳遞理論為基礎(chǔ)，包括加熱、冷卻、蒸發(fā)等；③以質(zhì)量傳遞理論為基礎(chǔ)，包括蒸餾、吸收、吸附、萃取、干燥、結(jié)晶、膜分離等。進(jìn)行這些操作的目的一般是將混合物分離，故它們又稱為分離過程。由以上可以看出，《化工原理》課程的主要內(nèi)容，是研究化工單元操作的基本原理，典型化工單元設(shè)備的原則結(jié)構(gòu)、選型以及工藝尺寸的計(jì)算。2、《化工原理》的共同規(guī)律和聯(lián)系質(zhì)量傳遞熱量傳遞動(dòng)量傳遞一、《化工原理》的內(nèi)容、特點(diǎn)及研究方法3、《化工原理》的特點(diǎn)共同的研究對(duì)象——傳遞過程實(shí)際問題的復(fù)雜性——過程、體系、設(shè)備、工程性強(qiáng)、計(jì)算量大流體輸送、流體輸送、沉降、過濾、離心分離、攪拌、固體流態(tài)化加熱、冷卻、蒸發(fā)等蒸餾、吸收、吸附、萃取、干燥、結(jié)晶、膜分離等4、《化工原理》的研究方法經(jīng)驗(yàn)公式數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)研究一、《化工原理》的內(nèi)容、特點(diǎn)及研究方法5、學(xué)習(xí)《化工原理》的目的掌握規(guī)律開發(fā)工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)診斷過程強(qiáng)化操作（1）如何根據(jù)各單元操作在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的特點(diǎn)，進(jìn)行“過程和設(shè)備”的選擇，以適應(yīng)指定物系的特征，經(jīng)濟(jì)而有效地滿足工藝要求。（2）如何進(jìn)行過程的計(jì)算和設(shè)備的設(shè)計(jì)。在缺乏數(shù)據(jù)的情況下，如何組織實(shí)驗(yàn)以取得必要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。（3）如何進(jìn)行操作和調(diào)節(jié)以適應(yīng)生產(chǎn)的不同要求；在操作發(fā)生故障時(shí)如何尋找故障?；ぴ硎腔ぜ跋嚓P(guān)過程工程類專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課，在基礎(chǔ)科學(xué)理論與工程實(shí)際之間起著橋梁作用，著重培養(yǎng)同學(xué)們應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)的能力和工程實(shí)踐的素養(yǎng)。講授化工單元操作的基本原理、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作性能和設(shè)計(jì)計(jì)算,設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究方法等。因此，對(duì)大家學(xué)習(xí)好本課程提出如下三點(diǎn)要求：二、《化工原理》的性質(zhì)和要求1、掌握流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等化工過程的基本原理及典型設(shè)備的構(gòu)造、性能；2、了解和掌握化工中的主要觀點(diǎn)和方法（1）速率與效率的觀點(diǎn)為；（2）最優(yōu)化的觀點(diǎn)；（3）掌握一些研究工程問題的特殊方法：實(shí)驗(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)法）和數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論方法）。二、《化工原理》的性質(zhì)和要求3、掌握化工過程和典型設(shè)備的基本計(jì)算方法、設(shè)備設(shè)計(jì)和選型。除此外，還要學(xué)會(huì)熟練正確使用物性數(shù)據(jù)手冊(cè)、工程手冊(cè)、算圖以及計(jì)算工具?？傊趯W(xué)習(xí)本門課程中，應(yīng)注重以下幾方面能力的培養(yǎng)：（1）單元操作和設(shè)備選擇的能力；（2）工程設(shè)計(jì)能力；（3）操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的能力；（4）過程開發(fā)或科學(xué)研究能力。1單位制度單位制度的不同，在于所采用的基本單位的不同以及對(duì)基本單位大小的規(guī)定不一。（1）國際制（SI）國際制的基本單位共有7個(gè)，化工中常用的有5個(gè)：長度單位米（m），質(zhì)量單位千克（kg），時(shí)間單位秒（s），溫度單位開爾（K），物質(zhì)量單位摩爾（mol）。（2）物理制（cgs）：長度單位厘米(cm)，質(zhì)量單位克(g)，時(shí)間單位秒(s)。國際制和物理制兩種單位都以質(zhì)量基本單位，屬于絕對(duì)單位制系統(tǒng)。（3）工程制：工程制的基本單位是：長度單位米，力或重量單位千克(力)，時(shí)間單位秒。這種單位制的特點(diǎn)是：以力而不以質(zhì)量作為基本單位，屬于重力單位制系統(tǒng)。三、單位及單位換算表1cgs制與工程制的基本單位

cgs制工程制量的名稱長度質(zhì)量時(shí)間溫度長度力時(shí)間溫度單位符號(hào)cmgs℃mkgfs℃1單位制度三、單位及單位換算例如，速度可用

、加速度用

、力用

表示。若某物理量以

表示，則稱它為該物理量的因次稱為該物理量的因次式或量綱式。它表示該物理量的單位與基本量的單位之間的關(guān)系。當(dāng)a＝b＝c＝0時(shí)，稱為無因次（dimensionless)2因次法定計(jì)量單位中，基本量如：長度、質(zhì)量、時(shí)間、溫度可分別用符號(hào)L、M、T、θ表示，則導(dǎo)出量可由這些基本量的符號(hào)組合而成。三、單位及單位換算或量綱(dimension)，嚴(yán)格地說，指數(shù)a、b、c稱為因次。

三者的意義及其單位?？梢詫?dǎo)出不同單位制下力的單位（以[f]表示）如下：cgs制：[f]=[ma]=g.cm/s2=dyn(達(dá)因)SI制：[f]=[ma]=kg.m/s2=N(牛頓)工程制以力的單位千克(力)作基本單位，可導(dǎo)出質(zhì)量的單位如下：工程制：[m]=[f/a]=千克(力)/(米/秒2)=kgf·s2/m

(工程單位質(zhì)量)3質(zhì)量、重量、力

要在化工計(jì)算中正確運(yùn)用單位，并弄清楚SI單位與工程單位的關(guān)系，首先應(yīng)了解質(zhì)量、重量、力。三、單位及單位換算4單位的正確應(yīng)用化工計(jì)算中所用的公式可分為兩類。一類是根據(jù)物理規(guī)律建立的理論公式采用同一單位制計(jì)算；另一類是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理出來的經(jīng)驗(yàn)公式按指定單位代入即可(不存在單位一致性)；同一物理量若用不同單位度量時(shí)，其數(shù)值需相應(yīng)地改變，這種換算稱為單位換算。單位換算時(shí)，需要換算因數(shù)。化工中常用單位的換算因數(shù)，可從本教材附錄中查得。三、單位及單位換算（1）常用單位換算關(guān)系要牢記；（2）復(fù)雜單位逐個(gè)分解代入換算。5單位換算對(duì)于經(jīng)驗(yàn)公式，應(yīng)牢記公式所要求使用的物理量單位。對(duì)于理論公式，除比例常數(shù)外，要求使用同一單位制物料衡算－質(zhì)量守恒

能量衡算－能量守恒平衡關(guān)系－過程方向及程度過程速率－過程難易四、化工單元操作的基本概念穩(wěn)定狀態(tài)和非穩(wěn)定狀態(tài)

經(jīng)濟(jì)核算－最優(yōu)觀點(diǎn)化工中基本關(guān)系式四、化工單元操作的基本概念1穩(wěn)定過程和不穩(wěn)定過程間歇操作、連續(xù)操作中的開車、波動(dòng)及故障等。不穩(wěn)定過程：某一固定位置上物料組成、溫度、壓強(qiáng)、流速等參數(shù)不隨時(shí)間變化。穩(wěn)定過程：動(dòng)畫演示動(dòng)畫演示依據(jù)質(zhì)量守恒定律，進(jìn)入與離開某一化工過程的物料質(zhì)量之差，等于該過程中累積的物料質(zhì)量，即

∑輸入量＝∑輸出量+累積量+反應(yīng)量2物料衡算（materialbalance）對(duì)于連續(xù)操作的過程，若各物理量不隨時(shí)間改變，即穩(wěn)定操作狀態(tài)時(shí)，過程中不應(yīng)有物料的積累。則物料衡算關(guān)系為：

∑輸入量＝∑輸出量對(duì)于某一體系、某一組分j、某一(微元時(shí)間dt內(nèi))基準(zhǔn):wjidt=wjodt+dmj+dm’j(反應(yīng))對(duì)于無反應(yīng)、穩(wěn)定過程：dmj=0,dm’j(反應(yīng))=0四、化工單元操作的基本概念用物料衡算式可由過程的已知量求出未知量。物料衡算可按下列步驟進(jìn)行：（1）首先根據(jù)題意畫出各物流的流程示意圖，物料的流向用箭頭表示，并標(biāo)上已知數(shù)據(jù)與待求量。（2）在寫衡算式之前，要選擇計(jì)算基準(zhǔn)，一般選用單位進(jìn)料量或排料量、時(shí)間及設(shè)備的單位體積等作為計(jì)算的基準(zhǔn)。在較復(fù)雜的流程示意圖上應(yīng)圈出衡算的范圍，列出衡算式，求解未知量。2物料衡算（materialbalance）四、化工單元操作的基本概念2物料衡算（materialbalance）例1采用兩個(gè)連續(xù)操作的串聯(lián)的蒸發(fā)器濃縮NaOH溶液。每小時(shí)有5噸12%（質(zhì)量%），NaOH溶液進(jìn)入第一個(gè)蒸發(fā)器，濃縮到20%后輸送到第二個(gè)蒸發(fā)器，進(jìn)一步濃縮成50%的溶液而排出。試分別求出兩個(gè)蒸發(fā)器每小時(shí)蒸發(fā)的水量及從第二個(gè)蒸發(fā)器送出的濃溶液量。四、化工單元操作的基本概念

蒸發(fā)器1蒸發(fā)器2500kg/h12%NaOHAC’abD50%NaOHB20%NaOHC

蒸發(fā)器1蒸發(fā)器2500kg/h12%NaOHAC’abD50%NaOHB20%NaOHC2物料衡算（materialbalance）四、化工單元操作的基本概念解題步驟：a

求第一蒸發(fā)器蒸發(fā)水量。衡算范圍：a范圍基準(zhǔn)：1h衡算式：解之得：A=2000kg/hB=3000kg/h2物料衡算（materialbalance）四、化工單元操作的基本概念

蒸發(fā)器1蒸發(fā)器2500kg/h12%NaOHACabD50%NaOHB20%NaOHc解題步驟：b

求第二蒸發(fā)器蒸發(fā)水量C及產(chǎn)品量D，衡算范圍：b范圍基準(zhǔn)同上c選C范圍2物料衡算（materialbalance）例2濕木材含水40%，經(jīng)干燥后含水20%，試求100kg濕木材干燥掉的總水分。四、化工單元操作的基本概念干燥器100kg濕含水40%水干含水20%2物料衡算（materialbalance）A熱風(fēng)含水1％含水15％100kg/hC風(fēng)，含水10％B，含水5％E，含水3％例3已知某含水15%（以濕物料為基準(zhǔn)）的物100kg/h用含水1%的熱空氣和干燥后排出含水為10%的空氣混合成含水3%的混合氣進(jìn)行干燥，干燥后物料的水分為5%。求所需新鮮空氣A的用量。四、化工單元操作的基本概念2物料衡算（materialbalance）物料衡算步驟及要點(diǎn)（1）物流圖；（2）確定衡算體系；（3）確定衡算基準(zhǔn)；（4）確定著眼物料；（5）列衡算方程；（6）求解方程；（7）列出物料衡算表。四、化工單元操作的基本概念

輸入（kg）輸出（kg）1

2

總計(jì)

本教材中所用到的能量主要有機(jī)械能和熱能。能量衡算的依據(jù)是能量守恒定律。熱量衡算的步驟與物料衡算的基本相同。2能量衡算(energybalance)對(duì)于某一體系、某一基準(zhǔn)Qidt=Qo

dt+dq(積累)對(duì)于穩(wěn)定過程dq(積累)=0熱量衡算步驟及要點(diǎn)（1）物流圖（標(biāo)明溫度、比熱）（2）確定衡算體系（3）確定衡算基準(zhǔn)（4）確定著眼物料（5）確定基準(zhǔn)溫度（焓值:相對(duì)值）（6）列衡算方程（7）注意熱損失輸入量＝輸出量+累積量四、化工單元操作的基本概念

例4如圖所示蒸發(fā)器，每小時(shí)將2000kg水溶液從含固體5%濃縮至30%。已知在操作條件下，溶液的沸點(diǎn)為78℃，水的汽化熱為2319.5kJ/kg，水蒸氣的焓為2633.5kJ/kg。原料也溫度為20℃，比熱為4，濃縮液的比熱為4.19，加熱蒸氣的壓強(qiáng)為200kPa，冷凝水于蒸氣飽和溫度下排出，熱損失為10000W，忽略溶液的稀釋熱，試求水分蒸發(fā)量及蒸發(fā)消耗量。2能量衡算(energybalance)四、化工單元操作的基本概念水蒸氣，QW原料液F5000kg/h,12%冷凝水B20%溶液，QDQFQ2QS加熱蒸氣B，Q1水蒸氣W，QW原料液F5000kg/h,12%冷凝水B20%溶液D，QDQFQ2QS加熱蒸氣B，Q1（1）輸入熱量QF=FCFΔT=5000×3.8×20=3.8×105KJ?h-1查附錄九P433頁飽和水蒸汽表（以壓力為準(zhǔn)），0.18MPa的飽和水蒸汽即P=180Kpa的飽和水蒸汽：t=116.6℃，Il=489.32kJ?kg-1，Ig=2703.7kJ?kg-1Q1=2703.7BkJ?h-12.能量衡算(energybalance)四、化工單元操作的基本概念解：基準(zhǔn)：0℃液態(tài)物料衡算F＝W＋D12%F＝20%D＋0·W∴W＝2000kg/hD＝3000kg/h解：基準(zhǔn)：0℃液態(tài)（2）輸出熱量查附錄七P430頁飽和水蒸汽（以溫度為準(zhǔn)）t=70℃,Ig=2624.3kJ?kg-1QW=IgW=2000×2624.3=5.2486×106kJ?h-1QD=DCDΔT=3000×3.8×70=7.98×105kJ?h-1Q2=BIl=B?483.32kJ?h-1Qπ=3×105kJ?h-12.能量衡算(energybalance)四、化工單元操作的基本概念水蒸氣，QW原料液F5000kg/h,12%冷凝水B20%溶液，QDQFQ2QS加熱蒸氣B，Q1解：基準(zhǔn)：0℃液態(tài)(3)

熱量衡算式QF+Q1=Q2+QW+QD+Qπ3.8×105.7B=483.32B+52.486×105+7.98×105+483.32B+3×105所以可求得：F2=F5=2694.5kJ?h-12.能量衡算(energybalance)四、化工單元操作的基本概念水蒸氣，QW原料液F5000kg/h,12%冷凝水B20%溶液，QDQFQ2QS加熱蒸氣B，Q1平衡狀態(tài)是自然界中廣泛存在的現(xiàn)象。對(duì)于傳熱過程，達(dá)到熱平衡時(shí)溫差為零；對(duì)于傳質(zhì)過程，達(dá)到相平衡時(shí)濃度差為零；對(duì)于動(dòng)量傳遞過程，達(dá)到動(dòng)量平衡速度梯度為零；平衡關(guān)系可以用來判斷過程能否進(jìn)行，以及進(jìn)行的方向和能達(dá)到的限度。四、化工單元操作的基本概念3物系的平衡關(guān)系（e