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1、化工原理,原料,（1） 预处理,化工过程：有目的的使原料经过一系列的化学或物理变化，以获得产品的工业过程，也称为化工生产，或化工生产过程。,（2）反 应,（3） 后处理,产品,图1-1 基本化工生产过程,1 绪论,1.1课程概述,例如： 甲醇的生产：,可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。,苯的生产： 原料油（甲苯、二甲苯）、H2输送加热反应器减压蒸馏塔精馏苯（99.99299.999%）,合成气（CO，H2，CO2）输送管式反应器粗甲醇冷却精馏精甲醇（99.8599.95%）,主：CO+2H2 CH3OH（g）+Q副：CO2+3H2 CH3OH（g）+H2O（g）2CO+4H2 （
2、CH3）2O+H2OCO+3H2 CH4+H2O 4CO+8H2 C4H9OH+3H2OCO2+H2 CO+H2O,化工生产过程,化学反应过程,物理处理过程,化工生产的核心,原料的预处理,产品的加工,（单元操作）,化学反应和若干个单元操作串联而成,单元操作：化工生产中除化学反应单元以外的所有物理性操作。,在当今化工及其相近工业生产中应用的单元操作有几十种之多，而且随着生产的发展和科技的进步还会不断地开发出一些新型的单元操作。,化工原理的研究对象单元操作（Unit Operations） (1) 单元操作的概念,（2）单元操作的特点所有的单元操作都是物理性操作，只改变物料的状态或物理性质，并不改
3、变化学性质。单元操作是化工生产过程中共有的操作，只是不同的化工生产中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。单元操作作用于不同的化工过程时，基本原理相同，所用的设备也是通用的。,（3）单元操作的分类：,按操作目的分：,流体输送：,物料的混合：,气体和液体的输送,主要指通过搅拌达到物料混合 或分散的目的,物料的加热或冷却：,利用物料和环境之间的 温度差输入或输出热量,均相混合物的分离：,气体吸收、液体蒸馏、萃取等,非均相混合物的分离：,过滤和沉降,按单元操作遵循的基本规律分：,动量传递过程：,热量传递过程：,遵循流体力学基本规律的单元操作： 流体输送、沉降、过滤和离心分离等,遵循热交换基本规律
4、的单元操作： 如传热、蒸发等,质量传递过程：,遵循通过扩散，从一相转移到另一相的过程： 吸收、吸附、蒸馏、萃取、离子交换、膜分离等,单元操作 目的 物态 原理 传递过程 流体输送 输送 液或气 输入机械能 动量传递搅拌 混合或分离 气-液 输入机械能 动量传递液-液,固-液过滤 非均相混合物分离 气-固,固-液 尺度不同的截留 动量传递沉降 非均相混合物分离 气-固,固-液 密度差引起的 动量传递沉降运动 加热,冷却 升温,降温,改变 气或液 利用温差传入 热量传递相态 或移出热量蒸发 溶剂与不挥发性 液 供热汽化溶剂 热量传递溶质的分离,表1-1 单元操作,续表1-1 单元操作,（1）物料衡
5、算：,物料衡算也称为质量衡算，其依据是质量守恒定律。它反映一个过程中原料、产物、副产物等之间的关系，即进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的积累量。,输入物料的总量 排出物料的总量过程积累的总量,1.2 化工原理处理问题的方法,图1-2 物料衡算示意图,物料衡算式： M入 M出 M,(1-1),连续稳定流动：M入 M出,(1-2),进行物料衡算时，必须明确下面几点：,首先要确定衡算的系统，即衡算对象包括的范围。,其次要确定衡算的基准。,然后确定衡算的对象。,最后还要确定衡算对象的物理量及单位。,例1-1 每小时有10 吨 5 的乙醇水溶液进入精馏塔，塔顶馏出的产品中含乙醇 95，塔底排出的废
6、水中含乙醇 0.1。求每小时可得产品多少吨？若废水全部排放，每年（按操作 7200小时 计）损失的乙醇多少吨？,解：,已知：,原料液流量及其中乙醇含量,产品和废水中乙醇含量,求：,产品和废水流量,分析：,两个未知量，需列出两个物料衡算方程求解！,确定：,衡算范围：,包含精馏塔在内的虚线框,衡算对象：,a. 物流的流量 b. 物流中乙醇的量,衡算基准：,单位时间：小时,设：产品流量为 X 吨/时、废水流量为 Y 吨/时。,由物料衡算式：,M入 M出,对物流的量进行衡算：,10 X + Y (1),对乙醇的量进行衡算：,10 5 X 95 + Y 0.1 (2),X 0.516 吨/时 Y 9.4
7、84 吨/时,每年损失乙醇：,9.484 0.1 7200 68.28 吨/年,例12 在两个蒸发器中，每小时将5000kg的无机盐水溶液从12（质量）浓缩到30%。第二蒸发器比第一蒸发器多蒸出5%的水分。试求： （1）各蒸发器每小时蒸出水分的量； （2） 第一蒸发器送出的溶液浓度。,解：首先画一个流程图表示进行的过程用方框表示设备，输入输出设备的物流方向用箭头表示。,划定衡算的范围为求各蒸发器蒸发的水量，以整个流程为衡算范围，用一圈封闭的虚线画出。,选择衡算基准（连续操作以单位时间为基准，间歇操作以一批操作为基准）由于连续操作，以1小时为基准。,例1-2 附图,确定衡算对象此题中有两个未知数
8、，蒸发的水量及送出的NaOH溶液量B，因此，我们就以不同衡算对象列出两个衡算式。对盐作物料衡算：,对总物料作衡算：,代入已知数据，得：,由题意知,求第一个蒸发器送出的溶液浓度，选择第一个蒸发器为衡算范围。,对盐作物料衡算：,对总物料作衡算：,代入已知数据，得：,解得：,可参阅教材P5例0-3,(2)热量衡算：,热量衡算的依据是能量守恒定律。,热量衡算的目的是：,计算单位产品的能耗,了解过程中能量的利用和损失情况,确定生产过程中需要输入、输出的热量,设计换热设备,热量衡算示意图,热量衡算式： Q入 Q出 Q,稳定的连续性操作：Q入 Q出,(1-3),(1-4),物料进入系统中，除带入一部分质量以
9、外，还带入一部分热量。热量的多少，与物料所处的热状态有关。,在热力学上，用 “焓”表示物料所处的热状态。式 (1-3) 改写为：,(wH)入 (wH)出 Q,*,w 物料的质量或质量流量,H 焓,热量衡算基准：,数量基准、温度基准、相态基准,例1-3 在一列管式热交换器中用压强为 136 kPa 的饱和蒸汽加热 298 K 的冷空气，蒸汽的流量为 0.01 kg/s，空气的流量为 1 kg/s。冷凝水在饱和温度 381 K下排出。若取空气的平均比热为 1.005 kJ/(kgK)，试计算空气的出口温度（热损失忽略不计）。,解：,分析：,该题只有一个未知变量，只需列一个热量衡算方程即可求解。关键
10、问题是确定热量衡算的基准！,热量衡算基准：,数量基准：,以单位时间内物流量为基准,温度基准：,以进口冷空气的温度为基准：298K,w冷空气H冷空气w蒸汽H蒸汽 w冷空气H热空气w蒸汽H冷凝水,加热蒸汽： 0.01 kg/s ； 冷空气： 1 kg/s,取 H冷空气 0,由热量衡算式 (*式)得：,进入系统热量,离开系统热量,整理得：,w蒸汽 ( H蒸汽 H冷凝水 ) w冷空气 ( H热空气 H冷空气),查饱和水蒸汽表，得到 136 kPa、381K 条件下的物性数据：,H蒸汽 2690 kJ/kg H冷凝水 452.9 kJ/kg H冷空气 0 H热空气 Cp t = Cp (T-298),0
11、.01 ( 2690- 452.9 ) 1 1.005 (T-298) ,T = 320.3 K,将数据代入上式得：, 速率,过程的速率表示为： 过程的速率推动力阻力 推动力：过程所处的状态与平衡状态的距离， 阻力：过程的阻力是各种因素对速率影响的总的体现。,过程的速率是指过程由不平衡到平衡进行的快慢。,(3)过程的平衡和速率,平衡问题过程的平衡问题是说明过程进行的方向和所能达到的极限。平衡是一个动态的过程。,1.3 化工数据,化工数据的分类,单位制与单位换算,(1)化工数据的分类：,基础数据,过程参数,结构参数,无量纲量,(2)单位制：,英国：,英制单位：,质量：,“磅”,1 b 0.453
12、6 kg,长度：,“英尺”,1 ft 0.3048 m,“英寸”,1 ft 12 in,中国：,表1-2 我国几种旧单位制的基本量和基本单位,单位制,基本量,国际单位制：,在1960年10月的第11届国际计量大会上通过了一种新的单位制度，称为国际单位制度，代号为 “SI”，也称为 SI单位制。SI 单位制是目前国际上最先进的一种单位制，被许多国家广泛使用。我国的法定计量单位也是以 SI单位制为基础的。,国际单位制的构成：,国际单位制 （SI）,SI 单位,SI 单位的十进倍数和分数单位,SI 基本单位,SI 导出单位,SI 词头,SI 辅助单位,表1-3 SI 基本单位和辅助单位,表1-4 化
13、工中常用的SI 导出单位举例,续表1-4 化工中常用的SI 导出单位举例,表1-5 SI 词头,SI 单位的十进倍数和分数单位：,把 SI 词头加在 SI单位前就构成了 SI单位的十进倍数和分数单位。,如，压强单位 MPa，力的单位 kN。,原则：,词头不可重叠使用,n m (纳米)：10-9m,计量单位和 SI 词头使用方法要点：,由 SI 基本单位相除构成的单位，若分母中有两个以上的单位符号时，要给分母加上圆括号，避免混淆。,如，传热系数单位： W/(m2K),2. 由 SI 基本单位通过乘或除构成的组合单位，在使用 SI 词头时，词头应加在整个单位之前，分母一般不用词头。,如，摩尔内能单
14、位： kJ/mol,而不用 J /(mmol),单位换算：,例1-4 一标准大气压 (1atm) 的压力等于1.033 kgf/cm2 ，将其换算成 SI单位。,解：,kgf,N,cm2,m2,换算关系：,1 千克力 质量为1千克的物体在北纬45度海平面上所受的重力。该处的重力加速度为 9.81 m/s2 。,1 kgf 1 kg g 9.81 N,1 cm 1/100 m,由题给条件：,方法1：将单位之间的换算关系引入等式中进行计算，使分子、分母的单位相消后，剩下的单位与所求单位一致。,例1-5 通用气体常数 R82.06 atmcm3/(molK)，将其换算成国际单位：kJ/(kmolK) 表示。,解：,方法2：将复合单位所包含的简单单位逐一按要求替换，最后化成所要求的单位形式。,本章作业,P11：2、3,
