化工原理_01

《化工原理_01》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工原理_01（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、化工原理,总之,我们的生活离不开化工原理,生活中处处有科学,学好科学是为了更好的生活,1学习目的 通过学习，了解化工原理课程的研究内容、工程研究方法，课程特点及学习要求。掌握本课程经常使用的单位制及单位换算的方法以及衡算方程。 2本知识点的重点 （1）单元操作的分类、理论基础及工程研究方法。 （2）单位制度和单位换算。 （3）物料衡算和能量衡算 3本知识点的难点 本知识点无难点。,【学习指导】,绪 论,化工生产特点 本课程的性质，内容及任务 化学工业与本课程的发展情况 单位制与单位换算 物理量的因次问题 关于系统的守恒定律（衡算方程）,【教学内容】,化学工业：将原料进行化学加工以获得有用产品的

2、工业,多行业性：从石油炼制、基本有机、无机化工到染料、医药、橡胶、塑料乃至冶金及食品等行业，均与化工生产有关。 化工产品的多样性： 无机产品 103104种 有机产品 已能人工合成的约200250万种 自然界已知存在的约300400万种 结论：由于这些产品的多样性，因此决定了化工生产的复杂性和特殊性。,1.化工生产特点,实例,A、硝酸生产 氨气 过滤空气氧化换热压缩氧化吸收I吸收II浓硝酸 B、硫酸生产 硫铁矿流化焙烧换热氧化吸收I吸收II浓硫酸 C、盐酸生产 液体NaOH 食盐溶解过滤电解蒸发结晶固体烧碱 H2 Cl2 燃烧换热吸收I吸收II浓盐酸,共同性： 从每条生产工艺线的纵向看：各工艺

3、均由多种特定的操作步骤 并有相应的设备。 从各生产工艺的横向看：不同的工艺路线中常存在有相同的操 作步骤及单体设备，相似的操作方法及操作条件。,化工过程与单元操作,化工过程即化工生产过程。其核心是反应过程及设备。 单元操作指不包括化学反应的、组成化工生产过程或工 艺的各个物理操作基本单元。 单元操作是保证化工过程能够经济有效地进行的必要前 提，其基本特点有三个，即： （）属于物理操作，其中不存在化学反应。 （）这些单元在不同的化工生产工艺流程中普遍存在 （）同一单元操作原理相同，设备相同或相近。,化工过程与单元操作之间的关系,多个单元操作与化学反应核心步骤组成一个完整的化工 生产工艺流程。基本

4、形式如下：（“”表示能量、物 料或质量总体流向）,1 2 N N1 M,N个物理操作单元 化学反应核心 （M-N）个物理操作单元 （物料预处理） （反应合成） （物料后处理或精制）,单元操作的分类,按操作单元的内在基本原理分类： 以动量传递（流体力学）理论为基础的单元操作：流体输送、过滤、沉降、搅拌、流态化等； 以热量传递理论为基础的单元操作：传热、蒸发等； 以质量传递理论为基础的单元操作：吸收、精馏、萃取等； 热、质同时传递过程：干燥、增湿等。 以热力学为理论基础的单元操作：压缩、冷冻等。 以机械力学为理论基础的单元操作：固体物料的粉碎、分级等。,2.课程性质、内容和任务,性质：介于基础课与

5、专业课之间的桥梁课程即技术基础课。 内容与任务：主要研究各单元操作的基本原理，所用的典型设备结构，工艺尺寸设计和设备的选型从而达到如下目的： 找出描述过程规律的正确方法； 选择适当的设备来完成指定的单元操作任务； 根据过程规律，正确地设计相应的单元设备； 组织和管理生产，强化、调节或控制过程进行的程度。,桥梁课程，是化工技术人员所必须熟练掌握的基本理论知识和专业技能,课程的研究方法,实验研究方法：如经验（逐步）放大法、因次分析法、相似 性理论 缺点：属于感性认识，反映的是事物的表象，所得结论不具有普遍的指导意义和推广价值。 优点：简单，在内推的情况下保险可靠，故广泛采用。 数学模型法：属于半经

6、验、半理论方法，其特点是： 抓住了事物的主要矛盾，认识了过程的本质； 对次要矛盾予以了忽略，使复杂问题得到简化； 所得结论最终需要由实验检验和修正。,课程的学习要求,单元操作和设备选择能力 工程设计能力 操作和调节生产过程的能力 过程开发和科学研究能力,3.化学工业的发展情况,远古时期：陶瓷制造、青铜器、铁器工具制造业出现； 古 代：火药、造纸、炼丹术、酿酒工艺出现； 工业革命（18世纪）前后： 染色、燃料工业出现； 食盐制取纯碱新工艺出现，由此带动漂白粉及硫酸工业的发展； 大规模火法冶金工艺出现，带动了炼焦、焦油蒸馏和染料、医药工业发展； 开发了一些新的单元操作：吸收、过滤、结晶、干燥等。,

7、20世纪2030年代：以电石为原料的乙烯工业出现，有机化工正式形成； 3040年代：石油、天然气得到开采，石油化工正式形成； 60年代前后：化学工业走向大型化、集团化，使经济性显著提高，促进了化工自动化的发展； 70年代：国外单一功能计算机在化工领域中的应用开始普及； 80年代以来：计算机由单功能向多功能过渡，化工生产及管理现代化，同时，在节能和降耗（成本）方面取得巨大效益。,本课程的发展史,国外，在20世纪初首先提出“单元操作（Unit Operation）”概念； 20世纪20年代，国内外相继开设此课程，取名“化工原理”或“单元操作”； （1923年美国麻省理工学院的著名教授W. H. 华

8、克尔等人） 中国20世纪50年代后一段时间，改名“化工过程与设备”、“化学工程”或“基础化学工程”； 我国20时间70年代末80年代初，恢复“化工原理”名称，但仍保留了“基础化学工程”等名称。,4.单位制与单位换算,单位：描述某物理因素或物理量大小的度量衡。 不同单位制产生的原因 历史的原因：市制与公制； 地域的原因：美制与英制； 科学领域的原因：天文制与一般学科单制。 如光年、秒、毫微秒等,SI制（国际单位制）,使用SI制的优点,通用性：各学科领域的一切其他物理量均可由其导 出单位； 比例系数的归一性：由此单位制所导出的其他任一 物理量其比例系数均为1； 例如： 1 kg1 m/s2 = 1

9、 N 1 N1 m = 1 J 1 J/1 s = 1 W 本课程及相应计算建议并推荐使用SI制。,单位换算及计算中的一般方法、注意点,计算中应先确定所采用的单位制； 将公式中各物理量先换算成所选用的单位制表示； 将换算后的物理量代入公式计算； 计算结果用所采取的单位制表示。,5.物理量的因次问题,因次的概念： 因：即（影响某个过程的）物理因素 ，亦称因子。 次：因子的幂次。 例如：在公式s= at2/2 中， t 即为影响s的因素，其幂次为2， 2。 因子的用途： 检验计算中公式的正确性因次一致性原则； 在采用一定的单位制计算时，确定计算结果的单位制； 分析整理实验数据，归纳经验公式因次分析

10、法总结关联公式。,6.关于系统的守恒定律（衡算方程）,衡算总原则： 质量守恒、能量守恒及动量守恒定 律适用于任何考察体系，其一般表 达式为： 进入系统的量I离开系统的量E系 统自身生成、累积（或损失）量A 对于有多股物料进入和输出系统时， 则： IEA,当系统处于稳定状态时，这种衡算一般可用常量代数方程求解；当系统处于非稳态过程时，衡算一般需要采用微分方程进行即进行dt微分时间间隔中的守恒计算。,衡算基准 常选用：单位时间、单位体积、单位质量、单位面积等作为基准。,【质量衡算例题】,在生产KNO3的过程中，质量分数为0.2的纯KNO3水溶液以1000kg/h的流量进入蒸发器，在422K下蒸发出

11、部分水而得50的浓KNO3溶液，然后送入冷却结晶器，在311K下结晶，得到含水0.04的KNO3结晶和含KNO3 0.375的饱和溶液。前者作为产品取出，然后回到蒸发器。过程为稳态操作。试计算结晶产品量、水蒸发量和循环的饱和溶液量。,【解题思路】,1.首先根据题意画出过程的物料流程图，并用数字和符号说明物料的数量和单位。,P,W,20% KNO3,1000kg/h,S,R,2.圈出衡算范围,3.确定衡算基准：本题选1h为衡算基准。对于连续操作常以单位时间为基准；对间歇操作，常以一批物料为衡算基准。 4.选取衡算对象，利用物料衡算式对所选择的系统进行衡算。,【解答过程】,1）求KNO3结晶产品量

12、P 取包括蒸发器和冷却结晶器的整个过程为系统，取1h为衡算基准，以KNO3为衡算对象，因系稳态操作，输入系统的KNO3量等于从系统输出的量，即: 10000.20.96P 所以,2）求蒸发水量W 仍取系统I，衡算基准为1h，以总物料为衡算对象，则: 1000W+P 所以: W791.7kg/h,3）求循环的饱和溶液量R 设进入冷却结晶器的质量分数为0.50的KNO3溶液量为 Skg/h。取冷却结晶器为系统，衡算基准为1h，以总 物料为衡算对象，做总物料的衡算，得： S208.3R 以KNO3为衡算对象，做KNO3的衡算，得 S0.5208.30.96R0.375 联立解上述二式，可得 R766

13、.6kg/h,【能量衡算例题】,在换热器里讲平均比热容为3.56kJ/（kg. ）的某种溶液自25 加热到80 ，溶液流量为1.0kg/s。加热介质为120 的饱和蒸汽，其消耗量为0.095kg/s，蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。试计算此换热器的热损失占水蒸气所提供热量的百分数。,【解题思路与过程】,首先根据题意画出过程示意图； 选1s作为计算基准； 从附录查出120 饱和水蒸气的焓值为2708.9kJ/kg，120 饱和水的焓值为503.67kJ/kg； 在图中所选范围内利用能量衡算式作热量衡算。,蒸汽带入系统的热量 Q10.0952708.9257.3kW 溶液带入系统的热量 Q213.56（250）89kW 进入换热器的总热量 QIQ1Q2346.3kW 冷凝水带出系统的热量 Q30.095503.6747.8kW 溶液带出系统的热量 Q413.56（80-0）284.8kW 随物流带出系统的总热量 Q0Q3+Q4332.6kW 由能量衡算式得到热损失量 QL QI Q013.7kW 故热损失百分数 QL/(Q1-Q3) 13.7/（257.347.8)=6.54,