化工原理课程

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1、绪论,化工原理课程是化工、制药、生物、环境、过程控制与装备的一门主干课程，是综合运用数学、物理、化学、计算技术等基础知识，分析和解决化工类型生产过程中各种物理操作问题的技术基础课。 学习绪论，掌握五个方面的内容。,一、化工生产过程与单元操作,二、化工原理课程的研究方法,三、化工原理课程学习的要求,四、化工原理课程的五个重要基本概念,五、化工常用量和单位,一、化工生产过程与单元操作,化工生产过程： 用化工的手段将原料加工成产品的生产过程，称为化工生产过程。 化 化 工产品成千上万，每种产品均有它自己特定的生产过程。由于原料、 产品的多样性及生产过程的复杂性，形成了数以万计的化工生产工艺。,例如：

2、乙炔法制取聚氯乙烯的生产是以乙炔和氯化氢为原料进行加成 反应以制取氯乙烯单体，然后单体在0.8MPa、55左右进行聚合反应 获得聚氯乙烯。聚氯乙烯的工艺流程图见图1。,（1）化工生产过程的步骤多； (2)各种不同的化工生产过程差别十分大。 人们通过不断的探索、研究、实践、发现，各种各样复杂 的化工生产过程可以抽象并归纳为这样一种过程框图。 原料前处理化学反应后处理产品 (1)化学反应为主的过程(每种产品特有的化学反应过程) (2)物理操作为主的过程,化工过程中常用单元操作,人们这么做的目的有两个：,对于任一复杂的化工生产过程，都可以认为是若干个单元操作通过 某种适当的组合串联而成的过程。,这样

3、分类有利于将主要精力投入到单元研究中，不具体到某一个工艺上。 单元操作的特点：,均为物理反应的操作；,化工过程虽差别大，但均由单元操作适当组合而成，是化工生产过程中 的共有操作；,基本原理一样，进行过程的设备往往是通用的。,二、化工原理课程研究方法,（1）实验研究方法（经验法） 该方法一般用量纲分析和相似论为指导，依靠实验来确定过程 变量之间的关系，通常用无量纲数群（或称准数群）构成的关系来表达。实验研究方法避免了数学方程的建立，是一种工程上通用的基本方法。 （2）数学模型法（半经验半理论方法） 该方法是在对实际过程的机理深入分析的基础上，在抓住过程本质的前提下，作出某些合理简化，建立物理模型

4、，进行数学描述，得出数学模型。 通过实验确定模型参数，这是一种半经验半理论的方法。,三、化工原理课程学习的要求,（1）单元操作和设备选择的能力 根据生产工艺要求和物性特性，合理地选择单元操作及设备。 （2）工程设计能力 学习进行工艺过程计算和设备设计，当缺乏现代数据时，要能够从资料中查取， 或从生产现场查定或通过实验测取。学习利用计算机辅助设计。 （3）操作和调节生产过程的能力 学习如何操作和调节生产过程。在操作发生故障时，能够查找故障原因，提出排出故障的措施，了解优化生产过程的途径。 （4）过程开发或科学研究的能力,四、化工原理五个重要基本概念,（1）物料衡算,为了弄清化工生产过程中原料、成

5、品以及损失的物料数量，必须要进行物料衡算。,物料衡算,质量守恒定律，即：,输入物料的总和,输出物料的总和,累积的物料量,注意：无化学反应时，混合物中任何一组分服从此通式 当有化学反应时，它只适用于任一元素的衡算 若过程中累积的物料量为零，则,基准选择的原则： （1）对于间歇操作，常用一次投料为基准。 （）对于连续操作，常用单位时间为基准。,例1:含有A、B、C、D四种组分各0.25（摩尔分率，下同）某混合 液，以1000 的流量送入精馏塔内分离，得到塔顶与塔 釜两股产品。进料中全部A组分，96%B组分及4%C组分存在于 塔顶产品中；全部D组分存在于塔釜产品中，试计算塔顶和塔釜 产品的流量及其组

6、成。 解：依题意画出如本题附图所示的流程图。,在全塔范围内列各组分的衡算式，取h为衡算基准。 组分A：,上三式相加，得：,因,故,由式（a）得：,由式（b）得：,由式（c）得：,在全塔范围内列总物料衡算，得：,再在全塔范围内列组分B及C的衡算，得：,或：,由上二式分别解得：,（2）能量衡算 能量衡算,能量守恒定律,机械能、热能、电能、磁能、化学能、原子能等统称为能量。各种能量之间可以相互转换，但在化工中往往不是能量间的转换问题，而是总能量衡算，有时甚至简化为热能或热量衡算。 热量衡算的本质是焓的计算，对热量衡算：,-随物料进入系统的总能量，,-随物料离开系统的总能量，,-向系统周围散失的热量，

7、,上式也可写成：,式中：W-物料的质量或质量流量,，,或,H-物料的焓,注意点：热量衡算和物料衡算一样，要规定衡算基准和范围； 焓是相对值，要指明基准温度，习惯上选0为基准温度， 规定0时液态物质的焓为零。,（3）平衡关系,化工过程中的每一单元操作或化学反应可称为过程，研究过程的规律，目的是使过程向有利于生产的方向进行。平衡关系，就是研究过程的方向和过程的极限（过程进行的最大限度）。,平衡关系就是指在一定条件下，过程的变化达到了极限，即达到了平衡状态。例如，高温物体自动地向低温物体传热，直至两个物体的温度相等。宏观上热量不再进行传递，即达到了传热的平衡状态。,（4）过程速率,过程速率是指在单位

8、时间内过程的变化，即表明过程进行的快慢。在化工生产中，过程进行的快慢远比过程的平衡更重要。,过程速率=,式中：过程推动力指的是直接导致过程进行的动力，例如温差等。 过程阻力因素较多，与体系物性、过程性质、设备结构类型、 操作条件都有关系。,（5）经济效益 经济效益也称为经济效果，一般指经济活动中，所取得的成果与劳动消耗之比，即 经济效益=,式中，劳动成果是指最终的合格产品的价值；劳动消耗包含操作费用（人力、原材料、水电、维修等），设备折旧费用（设备的造价和使用年限折算）以及占用的固定资产和流动资金。,五、化工常用量和单位,（1）化工常用量 量是指物理量，任何物理量都是用数字和单位联合表达的。

9、物理量分为基本量和导出量 （2）单位制和单位换算 1、基本量与基本单位 一般先选几个独立的物理量，如我们通常所说的长度、时间、质量等，并以使用方便为原则规定出它们的单位。这些物理量称为基本量，其单位称为基本单位。 2、导出单位 如速度、加速度的单位则根据其本身的物理意义，由相关的基本单位组合构成，这种单位称为导出单位。 基本单位+导出单位=单位制 化工原理课程采用国际单位制(简称SI制)。 在国际单位制中，规定了7个基本单位： 长度 单位米（m） 质量 单位千克（kg） 时间 单位秒（s,温度 单位开尔文（K） 物质的量 单位摩尔（mol） 电流强度 单位安培（A） 发光强度 单位坎德拉（cd

10、） 两个辅助量： 平面角 单位弧度（rad） 立体角 单位球面度（sr）,其他单位均由这7个基本单位导出。化工计算中常用前5个基本单位。 在化工生产中，经常使用一些非SI的法定计量单位，如时间单位中的min(分)、h(小时)、d(日)、a(年)；温度单位还常使用(摄氏温度)，旋转速度用rmin(转分)等。由于历史原因，年代久远一点的化工文献、手册、资料中的数据常常是一些非SI或非法定计量单位，如压力单位使用物理大气压(atm)、工程大气压(欢、巴(b3r)、毫米汞桂(mmH2)、毫米水拄(mmH zO)等。,在化工原理使用的数据中，过去常用的非国际单位制有：工程单位制、 厘米克秒制和米千克秒制

11、。 在工程单位制中(又称重力单位制)选长度单位米、时间单位秒、力的单位千克作为基本单位，质量是导出单位。在厘米克“秒制(简称cGs制，又称物理单位制)中，选长度单位厘米、质量单位克、时间单位秒作为基本单位，其他物理量的单位可以通过物理或力学的定律导出。在米千克”秒制中f简称MKs制)，选长度单位米、质量单位千克、时间单位秒作为基本单位，其他单位均由这三个基本单位导出。 在化工计算中，计算前必须把不同的单位换算成统一的单位进行计算。,第1章 流体流动,概述 1.1 流体的物理性质 1.2 流体静力学基本方程式 1.3 流体流动的基本方程 1.4 流体流动现象 1.5 流体在管内的流动阻力 1.6

12、 管路计算 1.7 流量测量,概述,流体是一种物质，主要指气体和液体。化工生产中处理的物料多数是流体。 连续介质 在研究流体流动时，常将流体视为由无数流体微团组成的连续介质。所谓流体微团或流体质点是指这样的小块流体：它的大小与容器或管道相比是微不足道的，但是比起分子自由程长度却要大得多，它包含足够多的分子，能够用统计平均的方法来求出宏观的参数(如压力、温度)，从而可以观察这些参数的变化情况。连续性的假设首先意味着流体介质是由连续的液体质点组成的；其次还意味着质点运动过程的连续性。但是，高度真空下的气体就不再视为连续性介质了。 不可压缩性流体 流体的体积如果不随压力及温度变化，这种流体称为不可压

13、缩性流体 。 可压缩性流体 如果流体的体积随压力及温度变化，则称为可压缩性流体。 本章流体流动解决两个中心问题。 1、确定流体输送所用的动力，并由此决定输送机械的大小和功率。 2、测定流量的各种方法，来确保输送的可靠与正常。,1.1流体的物理性质,1.1.1流体的密度 流体的密度：单位体积流体具有的质量 。其表达式为 当 时， 的极限值即为流体某点的密度。 通常用的是平均密度。 -流体的质量， -流体的体积， 流体的密度一般可在物理化学手册或有关资料中查得。 实际上，某状态下理想气体的密度可按下式进行计算：,或,式中：,-气体的摩尔质量；,R-气体常数，其值为,下标“0”表示标准状态。 对于液

14、体混合物，各组分的组成常用质量分数表示。现以混合液体为基准，若各组分在混合前后其体积不变，则混合物的体积等于各组分单独存在时的体积之和，即,式中 -液体混合物中各纯组分的密度， ； -液体混合物中各组分的质量分数。 对于气体混合物，各组分的组成常用体积分数来表示。现以 混合气 体为基准，若各组分混合前后其质量不变，则 混合气体的质量等 于各组分的质量之和，即,式中：,-气体混合物中各组分的体积分数。,112 流体的黏度 流动中的流体受到的作用力可分为体积力和表面力两种。 体积力-作用在体积V内所有质点，与V以外的流体无关，例如重力、离心力、惯性力。 表面力-流体是连续介质， V的流体微元与周围

15、流体表面接触的相互作用力，只与接触表面有关，与质量体积无关。 表面力,1牛顿粘性定律 粘性：当流体运动时，在其内部产生内摩擦力的性质叫粘性。 或当流体运动时，流体还有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘性，粘性是流动性的反面。 例如：设有上下两块平行放置而相距很近的平板。两板间充满了静止的液体，如下图所示。,运动快的流体推动运动慢的流体向前流动。 运动慢的流体将产生一个大小相等，方向相反的力，阻碍运动快的流体层向前流动。这种运动着的流体内部相邻两流体层之间的相互作用力，称为流体的内摩擦力或粘滞力。 实验证明，内摩擦力与下列因素有关,引入比例系数 ，则,式中:,为单位面积上的内摩擦力，通常称为内摩擦应力或剪应力。,-速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率； -比例系数，其值随流体的不同而异，流体的粘性愈大，其值愈大，所以称为粘滞系数或动力粘度，简称为粘度。上式称为牛顿粘性定律。 2.流体的粘度,粘度的物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度总是与速度梯度相联系，只有在运动时才显现出来。分析静止流体的规律时就不用考虑粘度这个因素。 粘度的单位：,（SI制）,（物理单位制）,定义,式中,-