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1、学习好资料欢迎下载化工原理电子教案化工学院任课教师：授课班级：课程学分：总学时数：周学时数：钟声材化 20044 绪论一、化工生产过程化工过程 - 对原料进行打规模的加工处理，使其不仅在状态与物理性质上发生变化，而且在化学性质上也发生变化，成为合乎要求的产品，即为化学工业的生产过程，简称例如： H2+N- NH3 化学：反应物 - 生成物化工：原料 - 产品天然气转化CH+ H20 - CO+H2 脱硫有机硫 - 无机硫变换 CO+H20- CO2+H2 甲烷化 COx+H - CH4+H2O 氨合成 H2+N -NH3 其余设备及管道中进行的都是物理过程。化工生产过程的物理加工过程称为单元操
2、作精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 16 页学习好资料欢迎下载 -即为化工原理所要研究的内容。二、单元操作 1. 按操作目的分为以下几类：物料的增压、减压和输送；物料的混合和分散；物料的加热和冷却；混合物的分离。 . 常见单元操作有：流体输送、沉降、过滤、搅拌、换热、蒸发、吸收、精馏、萃取、结晶、干燥、膜分离等每一章讲授一个单元操作，根据各单元操作所遵循的基本规律，可将单元操作化分为三大类：遵循流体动力基本规律的动量传递过程：包括 流体输送、沉降、过滤、搅拌等遵循传热基本规律的热量传递过程：包括 换热、蒸发等遵循传质基本规
3、律的质量传递过程：包括吸收、精馏、萃取、结晶、干燥、膜分离等因此，化工原理又称为“三传过程”。 3. 单元操作的特点：他们都是物理性操作，故只改变状态和物理性质，不该变化学性质。他们都是化工生产中共有的操作，但不同的化工过程所包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异。某单元操作用于不同的化工过程，其原理并无不同，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 16 页学习好资料欢迎下载进行该操作的设备往往也是通用的。因此，单元操作是奠定化学工程学的科学基础，属于专业基础课。在高等学校化工等过程工业专业的教学计划中,起到为自然科学与应用科学
4、的搭桥作用。三、“化工原理”课程的两条主线统一的研究对象-传递过程过程的基本关联式有下列关系得出： a: 传递速率 = 推动力 / 阻力或：传递速率 = 传递系数 3 过程推动力 b: 物料及能量横算 c: 物系的平衡关系研究工程问题的方法论每个单元操作都是在特定的设备中完成的，设备复杂的几何形状和多变的物性及各种不确定因素的干扰。通常不可能对实际过程进行准确的数学描述。两种基本的研究方法：实验研究方法 - 经验的方法数学模型法 - 半理论半经验的方法四、本课程的任务研究单元操作的基本原理、所用典型设备的结构和设备工艺尺寸的计算或设备选型。掌握单元操作通用的学习方法和分析问题的思路，培养理论联
5、系实际的观点方法，提高单元操作设备的设计计算、操作、选型、实验研究方法与技能，学会以经济核算为杠杆, 增加解决工程实际问题的能力。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 16 页学习好资料欢迎下载五、需要加强的基本技能单位换算 a.单位制度 - 对基本量和基本单位的规定基本量-基本单位例: 长度时间导出量 - 可由基本量表示 例: 速度、 加速度工程计算中将出现的单位制：法定计量单位 SI 制、物理单位制、工程制三种单位制的常用基本量及基本单位对照表: cgs制 ：力 = g.cm/s= dyn工程制 : 力是基本量, 并且规定
6、 1kg 的物质重力为 : 1kgf SI制 : 质量 为1kg 的物质 重 量为 : G=mg=139 。81=9.81N 因此 : 1kgf =.81N b量纲大多物理量都可表示为一致的形式：LaMbTcd 此式称为量纲式或因次式其中 : a .b .c .d 称为因次或量纲指数 , 各物理量的a .b .c .d的值不完全相同例如: 2 长度 L:a=1b=c=d=0 时间 T:a=b=d=0 c=1 -2 加速度 L.T :a=1 b=0 c= -d=0 力 M. L.T-: a=1 b=1 c=-d=0 比热 : J/kg.K = N.m/kg.K=kg.m.s-2.m/kg.K=m
7、2/因次式 L2T-2 -1 : a= b=0 c=-d=-1 特别是： a=b=c=d=0 时 LMT =1 称次量为无因次精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 16 页学习好资料欢迎下载量. c. 单位换算工程计算的基本要求: 1) 计算公式中各项单位必须一致 , 大多每相中各物理量要用同一单位制.) 对经验公式要注意试验指定的单位基本换算方法 : 1)查出需要换算单位之间的基本关系 2)将应换单位连同数值一同带入, 替换被换单位 . 例: 某汽车初速20 公里 / 小时 . 以 2 米/ 秒 2 的加速度加速运行 , 问
8、 5 秒钟後汽车速度为多少公里/ 小时 ? 注意: 工程上常以小时为时间单位物料衡算与能量衡算对一个稳态过程 : 总输入 = 总输出例: ab c d 5000kg/h 12%NaOH 一次蒸发浓度升至20% NaOH送入第二蒸发器进一步浓缩至50% 的溶液排出。试分别求出两个蒸发器每小时蒸发的水量及最终的溶液量？作业： 1.R=82.06atm.cm3/mol.K 换 算 成 :A) 工 程 单 位 : 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 16 页学习好资料欢迎下载kgf.m/kmol.KB)国际单位 : kJ/kmol.
9、K 离心泵 9.吸收 9.1概述利用不同组分在溶剂中溶解度的差异，分离气体混合物的过程，称为吸收；能被溶解的组分溶质A； 不能被溶解的组分惰性组分B；所用溶剂吸收剂S。吸收液。一工业生产中的吸收过程 1工业上的应用原料气的净化：如煤气中的H2S除去。有用组分的回收：如合成氨厂的放空气中用水回收氨。某些产品的制取：将气体中需要的成份以指定的溶剂吸收出来，成为液态的产品或半成品，如：从含HC 气体中盐酸废气的治理：如含SO2 ，NO ，NO2等废气中，要除去这些有害成份。 2吸收的分类按性质划分物理吸收：溶质不发生明显的化学反应，如水吸收 CO2 ，SO2等。化学吸收：溶质与溶剂或溶液中其它物质进
10、行化学反精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 16 页学习好资料欢迎下载应。温度是否变化等温吸收：当溶剂用量很大，温升不明显时非等温吸收：被吸收组分数目分单组分吸收：只吸收一种组分多组分吸收二吸收过程的极限及方向极限：气液两相呈平衡状态；方向或推动力：一相浓度与同另一相浓度呈平衡的该相浓度之差；比如：溶质A 在气相中的分压为PA ，液相中溶质浓度为 cA，与 cA 呈平衡的气相分压为 ? PA ，则推动力为。三吸收的流程流程说明： 1 气液流向：逆流 2 多塔吸收：单塔所需太高时，可分解成几个塔串联使用。 3 加压吸收：提高总
11、压，可以提高传质推动力，同时提高溶解度，有利于吸收。 脱吸过程：吸收的逆过程。油精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 16 页学习好资料欢迎下载水四吸收剂选择及要求具有选择性：对溶质的溶解度应尽可能大不易挥发性：减少溶剂的损失及避免在气体中引入新的杂质腐蚀性小：减少设备费和维修费粘度低：以利于传质及输送毒性小，不易燃，以利于保证安全生产来源丰富，价格低廉，易于再生五本章重点及学习方法本章主要讨论单组分、等温、常压、物理吸收，以掌握基本原理和方法。本章主要涉及设计型问题的计算以及操作型问题的分析，要注意掌握学习方法，活学活用。
12、9.2有关吸收的基本理论一平衡溶解度在一定温度下气液两相长期或充分接触后，两相趋于平衡。此时溶质组分在两相中的浓度服从某种确定的关系，即相平衡关系。气相溶质分压称平衡分压PA ；液相溶质浓度称平衡浓度 cA，又称溶解度或极限浓度。对单组分吸收， 组分数 C?3，包括 A、B 和 S，相数 ? ?2， 气液两相， 故自由度 F?C?2=3 ， 即平衡时 c?A?F，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 16 页学习好资料欢迎下载P 不太高时 ? c?FP?f?。 c?FAAAAA 影响小，可以忽略。因此，T 一定，或者通常用溶解
13、度曲线表示相平衡关系。 cO2 PA PO2 cA ? c?c?c?cPNHSOCOO3222 ； 从以上溶解度曲线可以看出：在相同压力A 下随着温度T 的升高，氧气的溶解度下降，由此可见，加压、降温有利于吸收；升温、减压有利于解析。二亨利定律 1当总压不高，在一定温度下，稀溶液上方溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在如下关系： ?PA?ExA ? 式中： PA溶质气体在溶液面上方的平衡分压；单位 kpa；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 16 页学习好资料欢迎下载 x溶质在液相中的摩尔分率 E亨利系数；单位kpa E
14、越大，说明在相同的液相摩尔分率下，气相的饱和分压越大，即气体的溶解度越小，所以有：易溶气体的E能溶气体的E难溶气体的E。另外，因为气体的溶解度随温度的升高而降低，所以E随温度的升高而升高。 2亨利定律还有另一种表达形式： cA c?H A?HPA 或者 3? 其中： H 溶解度系数， cA/PA，kmol/m.kpa 。H 越大，说明在相同的气相分 ?PA? 压下，液相的饱和浓度越大，即气体的溶解度越大，所以有：难溶气体的H能溶气体的 H易溶气体的H。另外，因为气体的溶解度随温度的升高而降低，所以H随温度的升高而降低。 PA和 c?A：气相溶质的分压和与之平衡的液相饱和浓度； ?cA和 PA
15、：液相溶质的摩尔浓度和与之平衡的气相饱和分压。因为式中精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 16 页学习好资料欢迎下载 xA? cA c，将其代入可以得到： cxcc? PA?A?A?xA HHH ?溶液 cc?c?c?ASLE?M溶液 H 式中所以 3 对于稀溶液： M可以取溶剂S 的分子量， 如对稀 NH3溶液， ?1000kg/m， c? ? 18 ? 3气液浓度均用摩尔分率表示 ? 1000 ?55.5kmol/m3 18 yA?mxA或者由 ? 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - -
16、 - - - - -第 11 页，共 16 页学习好资料欢迎下载 PA? x?A? yA mm相平衡常数 cA ?ExAH等式两边同时除以总压P，可以得到： ?PAEEE?xAy?xm?AAPP 即 P 令 P，则有 yA?mxA y?A和 xA：气相溶质的摩尔分率和与之平衡的液相饱和摩尔分率； x?A 和 yA：溶质的液相摩尔分率和与之平衡的气相饱和摩尔分率。 m越大，说明在相同的液相摩尔分率下，气相的饱和摩尔分率越大，即气体的溶解度越小，所以有：易溶气体的m能溶气体的m 难溶气体的m 。另外，因为气体的溶解度随温度的升高而降低，所以m随温度的升高而升高。三. 相平衡关系的应用： 1判别过程
17、的方向将气相的浓度与液相的浓度换算成同一种浓度的表示方法，再比较一下大小。若气相浓度液相的平衡浓度，则发生解吸；反之，则发生吸收。 ? yxPcxycPAAAAAAAA如比较和、和、和、和的大小。 2指明过程的极限精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 16 页学习好资料欢迎下载当某一相的浓度 = 另一相的平衡浓度时，两相达到平衡，即为传质过程达到了极限。在实际操作中，相平衡限制了溶剂离塔时的最高浓度和气体离塔时的最低浓度。计算过程的推动力只有不平衡的两相接触后才会发生传质，过程的推动力可用实际浓度与平衡浓度的偏离程度来表示，
18、如吸收的推动力可用、 、来表示，而解吸的推动力则用其相反数来表示。值得注意的是：浓度在相内或相间是连续变化的，所以不同的起始点，浓度差值也不同，所以推动力的大小要与传质的距离或范围一一对应，是某相内的推动力，还是相内某一段的推动力，还是相间的总推动力，要标明范围。 ? ? ? ? 四传质速率方程在设计设备时，计算执行指定的吸收任务所需的设备尺寸，要计算传质速率；在核算混合气体通过指定设备所达到的吸收程度时，也要计算传质速率；所以传质速率的计算对吸收过程是十分重要的。吸收速率：单位时间、单位相际传质面积上吸收的溶质的量。它反映出吸收过程进行的快慢或强度。吸收速率 = 精选学习资料 - - - -
19、 - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 16 页学习好资料欢迎下载推动力 / 阻力 = 传质系数推动力， 其中传质系数 = 1/ 阻力，推动力 = 浓度差。要注意的是： 由于浓度的表示方法很多，所以推动力的形式也很多，对应的传质系数的形式也很多； 推动力的大小与起始范围有关，一般指相内，也有指相际间的；则对应的传质系数也是在对应范围内的值，两者从形式上、范围上是一一对应的。 1. 吸收过程的简化描述双膜理论这个理论是惠特曼于1923 年提出的，是最早的传质模型。它作了以下的简化：两相相接触时，存在有稳定的相界面，界面两侧各有一很薄的停滞膜，溶质 A在两膜
20、层内的传质只能以分子扩散的形式进行。每相的传质阻力集中在这两侧假设的膜层内，推动力也集中在其中，湍流主体的阻力相对而言可忽略不计，流体的强烈湍动使各处的浓度趋于一致，也无推动力，这样，复杂的相际间的传质可简化为两停滞膜内的分子扩散。气液界面的阻力可以忽略，所以界面上的两相浓度成平衡。根据以上假设，等摩尔相互扩散时，液相分传质系数kL?D/?L，气相分传质系数精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 16 页学习好资料欢迎下载 kG?D/RT?G；单向扩散时，液相分传质系数kL?，气相分传质系数 0.67kG?。k?D，其计算很简
21、便，但从式中可得出，与实际中 k?D 不符。此模型为传质模型奠定了初步的基础，描述与有固定相界面的系统及低速的两流体间的传质大致符合。用此理论确定的传质速率方程，仍是设计的主要依据，缺点是过于简单，与高效高速设备不符。 2. 单相传质速率方程稳态操作时，吸收设备内任一部位上，界面两侧膜内的吸收速率NA 相等。单独根据气膜或液膜内的阻力及推动力写出的速率方程式叫气膜或液膜的吸收速率方程，也叫分吸收速率方程，相应的传质系数叫膜系数或分传质系数，用k 表示。以单向扩散为例： 气膜分吸收速率方程推动力 = 气相主体浓度 界面浓度。当浓度用气相分压P 表示时： NA? PG?Pi 令 kG?，则有： 2
22、 式中： kG推动力为分压差时对应的气相分传质系精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 16 页学习好资料欢迎下载数， kmol/m.s.kpa。当浓度用气相摩尔分率y 表示时： NA?kG? PGPi ?)?kGP?kyPP 2k推动力为气相摩尔分率差时对应的气相分传质系数， ky?kGP。kmol/ ，式中 y： NA?kG?kGP( 液膜分吸收速率方程：推动力 =界面浓度液相主体浓度。当浓度用液相摩尔浓度c 表示时：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 16 页
