化工原理緒論(單位、衡算)

1、Principles of Chemical Engineering 化學(xué)工業(yè)是將自然界中的各種物質(zhì)資源通過(guò)物理和化學(xué)工業(yè)是將自然界中的各種物質(zhì)資源通過(guò)物理和 化學(xué)的方法加工成具有規(guī)定質(zhì)量的物質(zhì)的工業(yè)?；瘜W(xué)的方法加工成具有規(guī)定質(zhì)量的物質(zhì)的工業(yè)。 化學(xué)工程是一門(mén)工程技術(shù)學(xué)科，它研究化工產(chǎn)品生化學(xué)工程是一門(mén)工程技術(shù)學(xué)科，它研究化工產(chǎn)品生 產(chǎn)過(guò)程的基本規(guī)律，并運(yùn)用這些規(guī)律解決化工生產(chǎn)中的產(chǎn)過(guò)程的基本規(guī)律，并運(yùn)用這些規(guī)律解決化工生產(chǎn)中的 問(wèn)題。問(wèn)題。 化工原理化工原理課程的內(nèi)容和性質(zhì)課程的內(nèi)容和性質(zhì) 化工原理化工原理是在高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、物理化學(xué)等課程是在高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)、物理化學(xué)等課程 的基礎(chǔ)上，研

2、究化工單元操作基本原理的一門(mén)基礎(chǔ)技術(shù)課。的基礎(chǔ)上，研究化工單元操作基本原理的一門(mén)基礎(chǔ)技術(shù)課。 它的發(fā)展與化工單元操作概念的形成是密切相關(guān)的。它的發(fā)展與化工單元操作概念的形成是密切相關(guān)的。 一、概述一、概述 按其操作的功能可以分為：按其操作的功能可以分為： （1）物料的增壓、減壓和輸送）物料的增壓、減壓和輸送 （2）物料的混合和分散）物料的混合和分散 （3）物料的加熱和冷卻）物料的加熱和冷卻 （4）均相混合物的分離（蒸發(fā)、蒸餾、結(jié)晶等）均相混合物的分離（蒸發(fā)、蒸餾、結(jié)晶等） （5）多相混合物的分離（沉降、過(guò)濾、干燥等）多相混合物的分離（沉降、過(guò)濾、干燥等） Unit Operation) Pre

3、treatment of materials Chemistry reaction Treatment of products Physical process Unit Operation Chemical process Reactor Physical process Unit Operation They almost cover with all unit operations! 包括流體輸送、沉降、包括流體輸送、沉降、 過(guò)濾、過(guò)濾、 離心分離、攪拌、固體流態(tài)化離心分離、攪拌、固體流態(tài)化 等等 以流體力學(xué)為基礎(chǔ)以流體力學(xué)為基礎(chǔ) 以熱量傳遞理論為基礎(chǔ)以熱量傳遞理論為基礎(chǔ)包括加熱、冷卻、

4、包括加熱、冷卻、 蒸發(fā)等蒸發(fā)等 以質(zhì)量傳遞理論為基礎(chǔ)以質(zhì)量傳遞理論為基礎(chǔ) 包括蒸餾、吸收、吸附、萃取、包括蒸餾、吸收、吸附、萃取、 干燥、結(jié)晶、膜分離等干燥、結(jié)晶、膜分離等 5 化化 工工 原原 理理 避免了方程的建立，直接用避免了方程的建立，直接用 實(shí)驗(yàn)測(cè)取各變量之間的聯(lián)系實(shí)驗(yàn)測(cè)取各變量之間的聯(lián)系 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 解決解決 1998年年2月，美國(guó)宇航局月，美國(guó)宇航局 （NASA）發(fā)射探測(cè)火星氣）發(fā)射探測(cè)火星氣 象的衛(wèi)星失事。預(yù)定于象的衛(wèi)星失事。預(yù)定于1999 年年9月月23日抵達(dá)火星，然而衛(wèi)日抵達(dá)火星，然而衛(wèi) 星沒(méi)有進(jìn)入預(yù)定的軌道。星沒(méi)有進(jìn)入預(yù)定的軌道。 問(wèn)題出在有些資料的計(jì)量問(wèn)題出在有

5、些資料的計(jì)量 單位沒(méi)有把英制轉(zhuǎn)換成公制，單位沒(méi)有把英制轉(zhuǎn)換成公制， 錯(cuò)誤起自承包工程的洛克希錯(cuò)誤起自承包工程的洛克希 德馬丁航天公司。德馬丁航天公司。 這個(gè)這個(gè) “小錯(cuò)誤小錯(cuò)誤”造成的造成的 損失：?jiǎn)涡l(wèi)星的造價(jià)就高達(dá)損失：?jiǎn)涡l(wèi)星的造價(jià)就高達(dá) 1.25億美元。億美元。 (1)因次(dimension):也稱量綱,是指表示物料性質(zhì)和狀 態(tài)的基本量。由因次組成的表示物理量特性的式子 稱為因次式或量綱式(dimensional expression) 。 因次：長(zhǎng)度(L),質(zhì)量(M)、時(shí)間（t）和溫度（T）等 因次式：體積（L3）、密度（M/L3） 若某物理量以 MaLbTc表示，則稱它為該物理量的因

6、 次或量綱，指數(shù)a、b、c稱為因次，MaLbTc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)abc0時(shí)， M0L0T0= 10，稱為無(wú)因次. (2)單位(unit)：是因次的具體表示。 如：厘米和米表示長(zhǎng)度的單位，克和千克表示質(zhì)量 的單位。長(zhǎng)度、質(zhì)量是因次，而厘米、米、克和千 克是單位。 (3)單位制度(system of units)：選定一些彼此獨(dú)立的 物理量及單位作為基本單位(basic uint)。再利用這些 基本單位和其它物理量之間的聯(lián)系，用基本單位表 示其它物理量，成為導(dǎo)出單位(derived unit)。 長(zhǎng)度長(zhǎng)度(米，米，m) 質(zhì)量質(zhì)量(

7、千克，千克，kg) 時(shí)間時(shí)間(秒秒,s) 溫度（開(kāi)，溫度（開(kāi)，K） 物質(zhì)的量（摩，物質(zhì)的量（摩，mol） 力、重力（牛，力、重力（牛，N） 壓力（帕，壓力（帕，Pa） 能量（焦，能量（焦，J） 功率（瓦，功率（瓦，W） 攝氏溫度（攝氏度，攝氏溫度（攝氏度，） 熱容（焦熱容（焦摩摩-1 開(kāi)開(kāi)-1，J mol-1 K-1） 比能（焦比能（焦 千克千克-1，J kg-1） 導(dǎo)出單位是用基本單位以代數(shù)形式表示的單位。這種單位導(dǎo)出單位是用基本單位以代數(shù)形式表示的單位。這種單位 符號(hào)中的乘或除采用數(shù)學(xué)符號(hào)。符號(hào)中的乘或除采用數(shù)學(xué)符號(hào)。 速度：每秒（速度：每秒（m/s）（組合單位）（組合單位） 有專門(mén)的名稱

8、和符號(hào)的有專門(mén)的名稱和符號(hào)的SI導(dǎo)出單位。導(dǎo)出單位。 熱和能量：焦耳（熱和能量：焦耳（J）代替牛頓米（）代替牛頓米（N.m） 電阻率：歐姆米電阻率：歐姆米(.m.m）代替伏米每安培（）代替伏米每安培（ V.m/A）. ： 弧度和球面度（具有專門(mén)名稱和符號(hào)的量綱）?；《群颓蛎娑龋ň哂袑ｉT(mén)名稱和符號(hào)的量綱）。 用專門(mén)名稱弧度（用專門(mén)名稱弧度（rad）和球面度（）和球面度（sr）代替。如角速度的）代替。如角速度的SI單位可寫(xiě)單位可寫(xiě) 成弧度每秒（成弧度每秒（rad/s）. 4. SI導(dǎo)出單位導(dǎo)出單位(SI ) 絕對(duì)單位制絕對(duì)單位制(absolute system of units)：以長(zhǎng)度、：以長(zhǎng)度

9、、 質(zhì)量及時(shí)間為基本單位。質(zhì)量及時(shí)間為基本單位。 工程單位制工程單位制(engineering system of units)：以長(zhǎng)度、：以長(zhǎng)度、 力及時(shí)間為基本單位力及時(shí)間為基本單位 米千克秒（米千克秒（MKS）制）制: SI 長(zhǎng)度長(zhǎng)度(m), 質(zhì)量質(zhì)量(kg), 時(shí)間時(shí)間(s) 絕對(duì)單位制絕對(duì)單位制 kg sm smkg sm kgf 81.9 /1 /.81.9 /1 1 2 2 2 1質(zhì)量工程單位質(zhì)量工程單位= 1質(zhì)量工程單位的數(shù)值相當(dāng)于質(zhì)量工程單位的數(shù)值相當(dāng)于SI質(zhì)量的質(zhì)量的9.81倍倍 英國(guó)工程制英國(guó)工程制 長(zhǎng)度長(zhǎng)度(ft), 力（力（lbf), 時(shí)間時(shí)間(s). 斯勒斯勒(Sl

10、g)：質(zhì)量工程單位，磅力：質(zhì)量工程單位，磅力. 秒秒2/英尺英尺 lb sft sftlb sft lbf 17.32 /1 /.17.32 /1 1 2 2 2 1 Slg= 1 lbf=32.17 Pdl=32.17 lb.ft/s2 lbfs lbmft g g sftlbm lbf e e . . 17.32 /17.321 1 2 2 h s hs m cm mcm g kg kgg 1 3600 , 3600 1 1 1 100 , 100 1 1 1000 1 , 1000 1 1 即 即 即 )./(2173. 3 1 3600 1 100 1000 1 2 108937. 0

11、 hmkg h s m cm g kg scm g 例例2 R=82.06atm.cm3/(mol.K),換算為工程單位換算為工程單位: 千千 克克(力力).米米/(千摩爾千摩爾.開(kāi)開(kāi)); Kkmol mol cm m m kgf Kmol cmatm R 1 10 1 10 11033006.82 36 3 2 3 )/(848Kkmolmkgf 36 1010 1033006.82 解：解： 三、物料衡算及能量衡算三、物料衡算及能量衡算 1、畫(huà)出流程示意圖，標(biāo)出、畫(huà)出流程示意圖，標(biāo)出 物料流向與流量、組成等；物料流向與流量、組成等； 2、用虛線劃出衡算范圍；、用虛線劃出衡算范圍； 3、定出衡算基準(zhǔn)；、定出衡算基準(zhǔn)； 4、列出衡算式并求解。、列出衡算式并求解。 VDF VxDxFx VDF 在化工生產(chǎn)中，能量的消耗是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)在化工生產(chǎn)中，能量的消耗是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì) 指標(biāo)，它是衡量工藝過(guò)程、設(shè)備設(shè)計(jì)、