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(xué)與工程學(xué)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(chǔ)課。 考核辦法 本課程為考試課程，平時(shí)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(xué)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(xué)習(xí)指南，姚玉英等編著，天津大學(xué)出版社，2003年。 3、化工原理（上、下），姚玉英主著，天津科學(xué)技術(shù)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(shù)基礎(chǔ)課，是理科轉(zhuǎn)向工科的一個(gè)橋梁，為以后專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。兼有“科學(xué)”與“技術(shù)”的特點(diǎn)，它是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)，物理，化學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)。分析和解決化工生產(chǎn)中各種物理過程的工程問題的學(xué)科。本課程強(qiáng)調(diào)工程觀點(diǎn)，定量用算，實(shí)驗(yàn)技能及設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際。 作為一門綜合性技術(shù)學(xué)科的重要組成部分，主要研究個(gè)單元操作的基本原理，所用的典型設(shè)備結(jié)構(gòu)，工藝尺寸設(shè)計(jì)和設(shè)備的選型的共性問題，是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,2020/8/23,一、化工原理課程研究內(nèi)容,化工生產(chǎn)過程 對(duì)原料進(jìn)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(duì)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(xué)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(shè)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(qiáng)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(dòng)量傳遞,實(shí)際流體內(nèi)部由于動(dòng)量、密度的空間分

4、布不均勻而引起動(dòng)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(diǎn) 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(xué)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(shí)，基本原理相同，所用的設(shè)備也是通用的。 4）對(duì)同樣的工程目的，開采用

5、不同的單元操作來實(shí)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(xué)習(xí)研究方法,研究方法工程方法 1） 實(shí)驗(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)的方法） 依靠實(shí)驗(yàn)來確定過程變量間的關(guān)系，得到經(jīng)驗(yàn)公式，理論基礎(chǔ)為因次分析法和方法論。 2） 數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法） 在對(duì)實(shí)際過程的機(jī)理深入分析的基礎(chǔ)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(jìn)行數(shù)學(xué)描述，得出數(shù)學(xué)模型。通過實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)，得到半經(jīng)驗(yàn)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(dǎo)出單位之分 單位制：基本單位與由這些基

6、本單位導(dǎo)出的導(dǎo)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(dǎo)出單位：導(dǎo)出量的單位稱為導(dǎo)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(shí)踐中存在許多習(xí)慣用法，為了計(jì)算中單位的統(tǒng)一性，需要對(duì)一些單位進(jìn)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(guān)系為： 1kgf=9.81N， 1cm=0.01m 上述關(guān)系代入 ，得：,2020/8/23,四、化工過程計(jì)算的理論基礎(chǔ),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(yīng)注意的問題： 1、確定衡算范圍 2、明確衡算對(duì)象 3、統(tǒng)一計(jì)算單位 4、選定計(jì)算基準(zhǔn),2020/8/23,例：在兩個(gè)蒸發(fā)器中，每小時(shí)將5000kg的無機(jī)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(shí)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(gè)流程圖表示進(jìn)行的過程，用方框表示設(shè)備，輸入輸出設(shè)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(gè)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(duì)象 此題中有兩個(gè)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(duì)象列出兩個(gè)衡算式。 對(duì)鹽作物料衡算：,對(duì)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(gè)蒸發(fā)器送出的溶液濃度，選擇第一個(gè)蒸發(fā)器為衡算范圍。,

9、對(duì)鹽作物料衡算：,對(duì)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(zhǔn)。但衡算對(duì)象只能是物料的總體，而不是單個(gè)組分。 此外應(yīng)注意焓是相對(duì)值，因此必須指明基準(zhǔn)溫度，習(xí)慣上選0為基準(zhǔn)溫度，并規(guī)定0時(shí)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(jì)算此換熱器的熱損失占水蒸氣所提供熱量的百分?jǐn)?shù)。,解：根據(jù)題意畫出流程圖,2020/8/23,基準(zhǔn)：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?jǐn)?shù)=,2020/8/23,3.過程的相平衡關(guān)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(jìn)行的 平衡狀態(tài)是自然過程所能達(dá)到的極限程度 用來判斷過程進(jìn)行的方向

11、和所能達(dá)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(dòng)力阻力 推動(dòng)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(duì)速率影響的總的體現(xiàn)。 過程速率是計(jì)算設(shè)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(gè)物理或物理化學(xué)原理開發(fā)成為一個(gè)單元操作，尋本求源。 選擇：為了達(dá)到或?qū)崿F(xiàn)某一工程目的，能否對(duì)過程和設(shè)備作合理的選擇和組合。 設(shè)計(jì)：對(duì)已掌握了性能的過程和設(shè)備作直接的設(shè)計(jì)計(jì)算以及對(duì)性能不十分掌握的過程和設(shè)備通過必要的試驗(yàn)，測(cè)取設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，做逐級(jí)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(duì)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(xí)