化工原理-緒論.ppt

1、2020/8/23,化工原理,主講：王固霞 Email：,材料科學與工程學院,2020/8/23,課程的性質(zhì)和地位 本課程是高分子材料與工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎課。 考核辦法 本課程為考試課程，平時成績（包括作業(yè)、出勤等）占30%，期末考試成績占70%。 教 材：化工原理，李鳳華等編著，大連理工大學出版社，2004年。 參考書： 1、化工原理(上)，王世廣主編，高等教育出版社，2002年。 2、化工原理學習指南，姚玉英等編著，天津大學出版社，2003年。 3、化工原理（上、下），姚玉英主著，天津科學技術出版社，1992年。,2020/8/23,2020/8/23,化工原理,課程的性質(zhì)及重要性 該

2、課程是化工類及相近專業(yè)一門重要的技術基礎課，是理科轉(zhuǎn)向工科的一個橋梁，為以后專業(yè)課的學習打下基礎。兼有“科學”與“技術”的特點，它是綜合運用數(shù)學，物理，化學等基礎知識。分析和解決化工生產(chǎn)中各種物理過程的工程問題的學科。本課程強調(diào)工程觀點，定量用算，實驗技能及設計能力的培養(yǎng)，強調(diào)理論聯(lián)系實際。 作為一門綜合性技術學科的重要組成部分，主要研究個單元操作的基本原理，所用的典型設備結(jié)構(gòu)，工藝尺寸設計和設備的選型的共性問題，是一門重要的專業(yè)基礎課,2020/8/23,一、化工原理課程研究內(nèi)容,化工生產(chǎn)過程 對原料進行化工加工獲得有用產(chǎn)品的過程稱為化工生產(chǎn)過程,2020/8/23,2020/8/23,20

3、20/8/23,歸納各種化工過程如下：,這些物理操作統(tǒng)稱單元操作（Unit Operations）,化工原理的研究對象單元操作 定義：工藝過程中遵循相同的基本原理，只改變物理性質(zhì)或物料狀態(tài)，不改變物料化學性質(zhì)的過程,2020/8/23,常見的單元操作過程,流體輸送：流體通過管道的阻力損失，輸送設備 過濾：液固混合物的分離 沉降：液固或氣固混合物的分離 顆粒流態(tài)化：強化氣（液）固兩相間的接觸 加熱冷卻：增加或降低特定物質(zhì)的溫度 蒸餾：液體混合物的分離 吸收：氣體混合物的分離,2020/8/23,單元操作的分類 根據(jù)單元操作所遵循的基本規(guī)律，分為三類： 動量傳遞,實際流體內(nèi)部由于動量、密度的空間分

4、布不均勻而引起動量在流體中的傳遞過程,如：流體輸送、沉降、過濾、固體流態(tài)化,熱量傳遞,熱能在空間的傳遞過程，是由溫度在空間的非均勻分布造成的,如：傳熱、冷凝、蒸發(fā)等,質(zhì)量傳遞,某物質(zhì)在混合物中的傳遞過程，是由濃度在混合物中的分布不均造成的,如：蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶、干燥等,2020/8/23,單元操作的特點 1）所有的單元操作都是物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或物理性質(zhì)，并不改變化學性質(zhì)。 2）單元操作是化工生產(chǎn)過程中共有的操作，只是不同的化工生產(chǎn)中所包含的單元操作數(shù)目、名稱與排列順序不同。 3）單元操作作用于不同的化工過程時，基本原理相同，所用的設備也是通用的。 4）對同樣的工程目的，開采用

5、不同的單元操作來實現(xiàn)。 例：液體混合物可以用精餾、萃取、膜分離等等,2020/8/23,二、 化工原理的學習研究方法,研究方法工程方法 1） 實驗研究方法（經(jīng)驗的方法） 依靠實驗來確定過程變量間的關系，得到經(jīng)驗公式，理論基礎為因次分析法和方法論。 2） 數(shù)學模型法（半經(jīng)驗半理論的方法） 在對實際過程的機理深入分析的基礎上，在抓住過程本質(zhì)的前提下，做出某種合理簡化，建立物理模型，進行數(shù)學描述，得出數(shù)學模型。通過實驗確定模型參數(shù)，得到半經(jīng)驗半理論公式。,2020/8/23,三、單位制與單位換算 1.單位及單位制 物理量的大小以數(shù)值加單位表示,單位有基本單位和導出單位之分 單位制：基本單位與由這些基

6、本單位導出的導出單位的集合 常用單位制：國際單位制（SI）、工程單位制、物理單位制等 基本單位：根據(jù)使用方便的原則制定的基本量的單位。 導出單位：導出量的單位稱為導出單位，均由基本單位相乘、除而構(gòu)成的 。,2020/8/23,2單位換算 在生產(chǎn)實踐中存在許多習慣用法，為了計算中單位的統(tǒng)一性，需要對一些單位進行單位換算。 不同單位制中的單位換算 1kg=1000g 1m=100cm 1=1K =1.8+32 1atm=1.033at=760mmHg=10.33mH2O=1.013 105Pa 1=1K,說明開氏溫度和攝氏度的分度是一樣的，但二者在數(shù)值上不一樣， 開氏溫度=攝氏度+273.15,2

7、020/8/23,例：已知1atm=1.033kgf/cm2,將其換算成N/m2。 解：按題意需將kgf/cm2中的kgf單位換算成N，cm2換算成m2,查附錄1： 換算關系為： 1kgf=9.81N， 1cm=0.01m 上述關系代入 ，得：,2020/8/23,四、化工過程計算的理論基礎,物料衡算 依據(jù)質(zhì)量守恒定律 輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量等于從系統(tǒng)輸出的物料質(zhì)量和系統(tǒng)中積累的物料質(zhì)量。,物料衡算的通式,作物料衡算應注意的問題： 1、確定衡算范圍 2、明確衡算對象 3、統(tǒng)一計算單位 4、選定計算基準,2020/8/23,例：在兩個蒸發(fā)器中，每小時將5000kg的無機鹽水溶液從12濃縮到30%。第

8、二蒸發(fā)器比第一蒸發(fā)器多蒸出5%的水分。試求： （1）各蒸發(fā)器每小時蒸出水分的量； （2） 第一蒸發(fā)器送出的溶液濃度。,解：首先畫一個流程圖表示進行的過程，用方框表示設備，輸入輸出設備的物流方向用箭頭表示。 劃定衡算的范圍為求各蒸發(fā)器蒸發(fā)的水量，以整個流程為衡算范圍，用一圈封閉的虛線畫出。,x1,W1,W2,蒸發(fā)器1,蒸發(fā)器2,2020/8/23,確定衡算對象 此題中有兩個未知數(shù)，蒸發(fā)的水量及送出的溶液濃度，因此，我們就以不同衡算對象列出兩個衡算式。 對鹽作物料衡算：,對總物料作衡算：,代入已知數(shù)據(jù)，得：,由題意知,2020/8/23,求第一個蒸發(fā)器送出的溶液濃度，選擇第一個蒸發(fā)器為衡算范圍。,

9、對鹽作物料衡算：,對總物料作衡算：,代入已知數(shù)據(jù)，得：,解得：,2020/8/23,2 能量衡算,依據(jù)：能量守恒定律,即輸入系統(tǒng)的總能量等于系統(tǒng)輸出的總能量與損失的能量之和。,熱量衡算通式,或?qū)懗?注： 熱量衡算的基本方法與物料衡算的方法相同，也必須首先劃定衡算范圍及衡算基準。但衡算對象只能是物料的總體，而不是單個組分。 此外應注意焓是相對值，因此必須指明基準溫度，習慣上選0為基準溫度，并規(guī)定0時液態(tài)的焓值為零。,2020/8/23,例：在換熱器里將平均比熱為3.56kJ/（kg）的某溶液自25加熱到80，溶液流量為1.0kg/s，加熱介質(zhì)為120的飽和水蒸氣，其消耗量為0.095kg/s，蒸

10、氣冷凝成同溫度的飽和水排出。試計算此換熱器的熱損失占水蒸氣所提供熱量的百分數(shù)。,解：根據(jù)題意畫出流程圖,2020/8/23,基準：1s 在圖中虛線范圍內(nèi)作熱量衡算 從附錄7查出120飽和水蒸氣的焓值為2708.9kJ/kg，120飽和水的焓值為 503.67kJ/kg。,在此系統(tǒng)中輸入的熱量：,蒸氣帶入的熱量：,溶液帶入的熱量：,輸出的熱量：,2020/8/23,冷凝水帶出的熱量：,溶液帶出的熱量：,根據(jù)能量衡算式，有：,熱量損失的百分數(shù)=,2020/8/23,3.過程的相平衡關系和過程速率,任何過程都是由不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)進行的 平衡狀態(tài)是自然過程所能達到的極限程度 用來判斷過程進行的方向

11、和所能達到的極限。,過程速率：是指過程由不平衡狀態(tài)到平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化的快慢。 過程的速率推動力阻力 推動力：過程所處的狀態(tài)與平衡狀態(tài)的差距。 阻力：過程的阻力是各種因素對速率影響的總的體現(xiàn)。 過程速率是計算設備尺寸的基本工具。,2020/8/23,五. 化工原理的基本要求 發(fā)展：如何根據(jù)某個物理或物理化學原理開發(fā)成為一個單元操作，尋本求源。 選擇：為了達到或?qū)崿F(xiàn)某一工程目的，能否對過程和設備作合理的選擇和組合。 設計：對已掌握了性能的過程和設備作直接的設計計算以及對性能不十分掌握的過程和設備通過必要的試驗，測取設計數(shù)據(jù)，做逐級放大。 操作：如何根據(jù)基本原理發(fā)現(xiàn)操作上可能出現(xiàn)的各種不正?，F(xiàn)象，尋找其原因及可能采取的調(diào)節(jié)措施,2020/8/23,本章思考題,本課程的研究對象是什么？ 什么是單元操作？ “三傳一反”指的是什么？ 什么是單位制，目前最常用的是什么單位制？,2020/8/23,課堂習