化工原理課件中北大學

1、 本文由creater_貢獻 pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 化工原理 Principles of Chemical Engineering (Unit Operation of Chemical Engineering) 目 錄 上冊 緒論 第一章 流體流動 第二章 流體輸送機械 第三章 流體通過顆粒 層的流動 第四章 顆粒的沉降和 流態(tài)化 第五章 傳熱 下冊 第六章 吸收 第七章 蒸餾 第八章 液液萃取 第九章 其它傳質(zhì)分離 過程 第十章 干燥 中北大學化工與環(huán)境學院 化工原理課程組 袁志國 聯(lián)系電話:3921986 139345348

2、38 聯(lián)系電話:3921986 郵箱: 郵箱: 2008年9月1日 Monday 2008年 0 緒 論 0.1 化學工程學 0.2 化工過程與單元操作 0.3 本課程的性質(zhì),要求,目的及研究方法 0.4 單位及單位換算 0.5 化工單元操作的基本概念 0.1 化學工程學(Chemical Engineering) Engineering) 0.1.1 化學工程的任務 化學工程學的任務: 化學工程師 化學反應 生產(chǎn)過程 一方面,把一個在實驗室內(nèi)證明可行的化學反應發(fā)展成為 經(jīng)濟合理,生產(chǎn)安全,技術(shù)先進和產(chǎn)品質(zhì)量可靠的工業(yè)生產(chǎn)

3、過 程.即是把實驗室的成果放大成為工業(yè)生產(chǎn)過程,這叫新工藝 新工藝 的投產(chǎn)(又稱為工藝過程的設(shè)計開發(fā)). 的投產(chǎn) 另一方面,對原有工藝進行改進 優(yōu)化.比如工藝參數(shù)的 改進或優(yōu)化 優(yōu)化,工藝路線的改進等. 0.1 化學工程學(Chemical Engineering) Engineering) 0.1.2 化學工程學的產(chǎn)生與發(fā)展 化學工程學是研究化學工業(yè)和相關(guān)過程工業(yè)生產(chǎn)中所進 化學工程學 行的化學反應過程和物理過程共同規(guī)律的一門工程學科. 0.1 化學工程學(Chemical Engineering) Engineering) 0.1.2 化學工程學的產(chǎn)生與發(fā)展 單元操作 流體輸送 攪拌 沉降

4、 過濾 固體流態(tài)化 動量傳遞 momentum transfer 速度差 加熱和冷卻 (傳熱) 蒸發(fā) 吸收 蒸餾 萃取 干燥 結(jié)晶 質(zhì)量傳遞 mass transfer 單一產(chǎn)品工藝學 造水泥,陶瓷的硅酸鹽工藝學等. 單 元 操 作 例如硫酸工藝學,酒精工藝學,還有制 流體輸送,加熱和冷卻(傳熱),吸 收,攪拌,蒸發(fā),蒸餾,沉降,萃取 過濾,干燥,固體流態(tài)化,結(jié)晶等 化工傳遞過程(質(zhì)量傳遞,熱量傳遞 動量傳遞)和化學反應工程 下一頁 熱量傳遞 heat transfer 溫度差 "三傳 一反" 一反" 濃度差 返回 1 0.2 化工過程與單元操作 0.2.1 化學

5、工業(yè)(Chemical Industry) 化學工業(yè) 化學工業(yè)是將自然界的各種物質(zhì),經(jīng)過化學反應 物理方 化學反應和物理方 法處理,制造成生產(chǎn)資料 生活資料的工業(yè).一種產(chǎn)品的生產(chǎn) 生產(chǎn)資料和生活資料 過程,從原料到成品,往往需要幾個或幾十個加工過程.其中 除了化學反應過程外,還有大量的物理加工過程,統(tǒng)稱為化工 化工 過程. 過程 0.2 化工過程與單元操作 0.2.2 化工過程(Chemical Process) 化工過程(Chemical Process) 舉例:聚氯乙烯塑料的生產(chǎn)(乙炔法) 方程式: 生產(chǎn)過程: 原料 單元操作 反應過程 單元操作 產(chǎn)品 化工生產(chǎn)過程實例 濕法磷酸生產(chǎn)工藝流

6、程 磷礦石 硫酸 化工生產(chǎn)過程實例 檸檬酸生產(chǎn)工藝流程 白薯干 石灰乳 CaCO3 破碎 球磨 HF氣體 (回收) 加工成鹽 磷酸(化肥, 飼料用) 粉碎 酸解反應 過濾 水 洗液 發(fā)酵反應 菌體,殘渣 過濾 中和過濾 廢糖液 H2SO4 濃縮 精制 磷酸(醫(yī)藥, 食品用) 干燥 產(chǎn)品 離心 結(jié)晶 濃縮 凈化 粗鹽液 酸解過濾 過濾 濾渣石膏 化工生產(chǎn)過程實例 氨基比林生產(chǎn)工藝流程 吡唑酮 硫酸二甲酯 水 H2SO4 亞硝酸鈉 化工生產(chǎn)過程實例 氨基比林生產(chǎn)工藝流程 4-氨基安替 比林晶體 水 氫氣 甲醛 觸媒 吸附后的 活性炭 NaOH 活性炭 甲基化 堿處理 安替比林 配料 硫酸安替 比林

7、 亞硝化 還原劑 液氨 硫酸 溶解 氫化 脫色 蒸餾水 壓濾 4-氨基安替比林晶體 制氨基比林 離心 脫水 結(jié)晶 還原 氨基比林 成品 氣流 干燥 氨基比林濕品 洗滌 脫水 成品結(jié)晶 4-氨基安替比林母液 制安乃近 母液濃縮回收 2 化工生產(chǎn)裝置實例 化工生產(chǎn)裝置實例 甲醇回收裝置 化工生產(chǎn)裝置實例 化工生產(chǎn)裝置實例 大芳烴裝置 合成氨裝置 化工生產(chǎn)裝置實例 0.2 化工過程與單元操作 0.2.3 單元操作(Unit Operation) 單元操作(Unit Operation) (1)按傳遞方式 傳遞方式可以歸納為三類: 以流體動力學(動量傳遞)為基礎(chǔ),包括流體輸送, 沉降過濾,離心分離,攪

8、拌,固體流態(tài)化等; 以熱量傳遞理論為基礎(chǔ),包括加熱,冷卻,蒸發(fā)等; 以質(zhì)量傳遞理論為基礎(chǔ),包括蒸餾,吸收,吸附,萃 取,干燥,結(jié)晶,膜分離等.進行這些操作的目的一般是將 混合物分離,故它們又稱之為分離操作 分離操作. 尿素裝置 3 0.2 化工過程與單元操作 0.2.3 單元操作(Unit Operation) 單元操作(Unit Operation) (2)按其操作的功能 功能可以分為: 物料的增壓,減壓和輸送(流體輸送等); 物料的混合和分散(攪拌等); 物料的加熱和冷卻(傳熱等); 均相混合物的分離(蒸發(fā),蒸餾,結(jié)晶等) 多相混合物的分離(沉降,過濾,干燥等). 0.3 本課程的性質(zhì),要

9、求,目的及研究方法 0.3.1 化工原理的任務 化工原理 化學工程學科 熱力學和反應工程 在什么條件下所期望的化 學反應才能發(fā)生? 反應的速率將會是多大? 不期望的反應(副反應) 速率又會是多大? 轉(zhuǎn)化率為多少? "化工原理"課程的內(nèi)容 化工原理" 通過什么樣 的工程方法和 設(shè)備來實現(xiàn)其工藝過程? 反應物如何 供給,產(chǎn)物又 如何分離? 如何提供反 應所需的熱量 及使用反應放出的熱量? 怎樣才能從 工業(yè)規(guī)模生產(chǎn) 中獲得最佳的經(jīng)濟效益? 0.3 本課程的性質(zhì),要求,目的及研究方法 0.3.2化工原理的性質(zhì) 0.3.2 化工原理 化工原理是化工及相關(guān)過程工程類專業(yè)的重要

10、技術(shù)基礎(chǔ) 技術(shù)基礎(chǔ) 課,在基礎(chǔ)科學理論與工程實際之間起著橋梁作用 橋梁作用,著重培 養(yǎng)同學們應用 應用基礎(chǔ)知識的能力和工程實踐 工程實踐的素養(yǎng).講授化工 單元操作的基本原理 典型設(shè)備的結(jié)構(gòu),操作性能 設(shè)計計 基本原理,典型設(shè)備 操作性能和設(shè)計計 算, 設(shè)備的選型 設(shè)計及實驗研究方法 選型和設(shè)計 實驗研究方法等. 0.3 本課程的性質(zhì),要求,目的及研究方法 0.3.3化工原理的共同規(guī)律和聯(lián)系 0.3.3 化工原理 動量傳遞 熱量傳遞 流體輸送,流體輸送,沉降,過濾,離心 分離,攪拌,固體流態(tài)化 加熱,冷卻,蒸發(fā)等 質(zhì)量傳遞 蒸餾,吸收,吸附,萃取,干燥,結(jié)晶, 膜分離等 0.3.4化工原理的研究

11、方法 0.3.4 化工原理 實驗研究方法(經(jīng) 驗 法) 實驗研究方法( 數(shù)學模型法(半經(jīng)驗半理論方法) 數(shù)學模型法 0.3 本課程的性質(zhì),要求,目的及研究方法 0.3.5 學習化工原理的目的 學習 化工原理 ( 1 ) 如何根據(jù)各單元操作在技術(shù)上和經(jīng)濟 上的特點, 進行"過程和設(shè)備"的選擇,以適應指 定物系的特征, 經(jīng)濟而有效地滿足工藝要求. ( 2 ) 如何進行過程的計算和設(shè)備的設(shè)計. 在缺乏數(shù)據(jù)的情況下,如何組織實驗以取得必要 的設(shè)計數(shù)據(jù). ( 3 ) 如何進行操作和調(diào)節(jié)以適應生產(chǎn)的不 同要求;在操作發(fā)生故障時如何尋找故障. 強化操作 診斷過程 開發(fā)工藝 創(chuàng)新設(shè)計 掌握

12、規(guī)律 0.3 本課程的性質(zhì),要求,目的及研究方法 0.3.6 學習化工原理課程的要求 學習 化工原理 對大家學習好本課程提出如下三點要求: 1,掌握流體流動,傳熱,傳質(zhì)等化工過程的基本原理及 典型設(shè)備的構(gòu)造,性能; 2,了解和掌握化工中的主要觀點和方法 (1)速率與效率的觀點為; (2)最優(yōu)化的觀點; (3)掌握一些研究工程問題的特殊方法:實驗研究方法 (經(jīng)驗法)和數(shù)學模型法(半經(jīng)驗半理論方法). 4 0.3 本課程的性質(zhì),要求,目的及研究方法 0.3.6 學習化工原理課程的要求 學習 化工原理 3,掌握化工過程和典型設(shè)備的基本計算方法,設(shè)備設(shè)計 和選型. 除此外,還要學會熟練正確使用物性數(shù)據(jù)

13、手冊,工程手 冊,算圖以及計算工具. 總之在學習本課程中,應注重以下幾方面能力的培養(yǎng): (1)單元操作和設(shè)備選擇的能力; (2)工程設(shè)計能力; (3)操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的能力; (4)過程開發(fā)或科學研究能力. 0.4 單位及單位換算 0.4.1 單位制度 (1)國際制(SI) )國際制 國際制的基本單位共有7個,化工中常用的有5個:長度單 7 位米(m),質(zhì)量單位千克(kg),時間單位秒(s),溫度 單位開爾文(K),物質(zhì)量單位摩爾(mol). (2)物理制(cgs): )物理制 長度單位厘米(cm),質(zhì)量單位克(g),時間單位秒(s).國際 制和物理制兩種單位都以質(zhì)量基本單位,屬于絕對單位制

14、系統(tǒng). (3)工程制: )工程制 工程制的基本單位是:長度單位米,力或重量單位千克 (力),時間單位秒.這種單位制的特點是:以力而不以質(zhì)量作為 基本單位,屬于重力單位制系統(tǒng). 0.4 單位及單位換算 0.4.1 單位制度 表1 cgs制與工程制的基本單位 cgs制 量的 名稱 單位 符號 長度 cm 質(zhì)量 g 時間 s 溫度 長度 m 工程制 力 kgf 時間 s 溫 度 0.4 單位及單位換算 0.4.2 因次 法定計量單位中,基本量如:長度,質(zhì)量,時間,溫度可 分別用符號L,M,T,表示,則導出量可由這些基本量的符 號組合而成. 例如,速度可用 LT 1 ,加速度用 LT 2 ,力用 ML

15、T 2 表示.若某物理量以 M a LbT c 表示, 則稱它為該物理量的因次 或量綱(dimension),嚴格地說,指數(shù)a,b,c稱為因次 因次. M a LbT c 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a=b=c=0時, M 0 L0T 0 = 10 稱為無因次 無因次(dimensionless) 0.4 單位及單位換算 0.4.3 質(zhì)量,重量,力 可以導出不同單位制下力的單位(以f表示),如下: cgs制:f=ma=g.cm/s2 =dyn(達因) SI制: f=ma=kg.m/s2 =N (牛頓) 工程制以力的單位千克(力)作基本單位,可

16、導出質(zhì)量的 單位如下: 工程制:m=f/a=千克(力)/(米/秒2)=kgfs2/m (工程單位質(zhì)量) 工程制: 0.4 單位及單位換算 0.4.4 單位的正確應用 化工計算中所用的公式可分為兩類. 對于理論公式,除比例常數(shù)外,要求使用同一單位制 對于經(jīng)驗公式,應牢記公式所要求使用的物理量單位. 對于經(jīng)驗公式,應牢記公式所要求使用的物理量單位. 0.4.5 單位換算 同一物理量若用不同單位度量時,其數(shù)值需相應地改 變,這種換算稱為單位換算 單位換算.單位換算時,需要換算因數(shù). 化工中常用單位的換算因數(shù),可從本教材附錄中查得. (1)常用單位換算關(guān)系要牢記; (2)復雜單位逐個分解代入換算. 5

17、 0.5 化工單元操作的基本概念 穩(wěn)定過程和非穩(wěn)定過程 物料衡算 - 質(zhì)量守恒 能量衡算 - 能量守恒 平衡關(guān)系 - 過程方向及程度 過程速率 - 過程難易 經(jīng)濟核算 - 最優(yōu)觀點 化 工 中 基 本 關(guān) 系 式 0.5 化工單元操作的基本概念 0.5.1 穩(wěn)定過程和非穩(wěn)定過程 穩(wěn)定過程: 某一固定位置上物料組成, 溫度, 壓 (動畫) 強,流速等參數(shù)不隨時間變化. p = p( x , y , z ) 不穩(wěn)定過程: 間歇操作,連續(xù)操作中的開車,波動及 故障等. (動畫) p = p( x , y , z , ) 0.5 化工單元操作的基本概念 0.5.2 物料衡算(material bala

18、nce) 物料衡算 依據(jù)質(zhì)量守恒定律,進入與離開某一化工過程的物料質(zhì) 量之差,等于該過程中累積的物料質(zhì)量,即 輸入量= 輸出量+累積量+反應量 輸出量+累積量+ 對于某一體系,某一組分j,某一(微元時間dt內(nèi))基準: wjidt = wjodt + dmj + 對于無反應,穩(wěn)定過程: dmj = 0, dm'j(反應) = 0 dm 反應) dm'j(反應) dm 反應) 0.5 化工單元操作的基本概念 0.5.2 物料衡算(material balance) 物料衡算 用物料衡算式可由過程的已知量求出未知量.物料衡算 可按下列步驟進行: (1)首先根據(jù)題意畫出各物流的流程示意

19、圖 示意圖,物料的流 向用箭頭表示,并標上已知數(shù)據(jù)與待求量. (2)在寫衡算式之前,要選擇計算基準 基準,一般選用單位 進料量或排料量,時間及設(shè)備的單位體積等作為計算的基準. 在較復雜的流程示意圖上應圈出衡算的范圍,列出衡算式, 求解未知量. 對于連續(xù)操作的過程,若各物理量不隨時間改變,即穩(wěn)定 操作狀態(tài)時,過程中不應有物料的積累.則物料衡算關(guān)系為: 輸入量=輸出量 6 0.5 化工單元操作的基本概念 0.5.2 物料衡算(material balance) 物料衡算 例1 采用兩個連續(xù)操作的串聯(lián)的蒸發(fā)器濃縮NaOH溶液. 每小時有5噸12%(質(zhì)量%)NaOH溶液進入第一個蒸發(fā)器, 濃縮到20%

20、后輸送到第二個蒸發(fā)器,進一步濃縮成50%的溶液 而排出.試分別求出兩個蒸發(fā)器每小時蒸發(fā)的水量及從第二個 蒸發(fā)器送出的濃溶液量. A a 5000kg/h 蒸發(fā)器1 12%NaOH 20%NaOH B 蒸發(fā)器2 C C' 0.5 化工單元操作的基本概念 0.5.2 物料衡算(material balance) 物料衡算 A a 5000kg/h 12%NaOH 蒸發(fā)器1 B 20%NaOH 蒸發(fā)器2 c C b D 50%NaOH 解題步驟: a 求第一蒸發(fā)器蒸發(fā)水量. 衡算范圍:a范圍 基準:1h b D 50%NaOH 衡算式: 對總物料作衡算: = A + B 5000 對NaOH

21、作衡算: × 12% = A × 0 + B × 20% 5000 解之得:A=2000kg/h 解之得 B=3000kg/h 0.5 化工單元操作的基本概念 0.5.2 物料衡算(material balance) 物料衡算 A a 5000kg/h 12%NaOH 蒸發(fā)器1 B 20%NaOH 蒸發(fā)器2 c C b D 50%NaOH 0.5 化工單元操作的基本概念 0.5.2 物料衡算(material balance) 物料衡算 例2 濕木材含水40%,經(jīng)干燥后含水20%,試求100kg濕 木材干燥掉的總水分. 100kg濕 含水40% 水 含水20% 解

22、題步驟: b 求第二蒸發(fā)器蒸發(fā)水量C及產(chǎn)品量D, 衡算范圍:b范圍 基準同上 作總物料衡算: 3000 = C + D 對 NaOH 作衡算: 3000 × 20 % = C × 0 + D × 50 % 干燥器 C =1800 kg/h D =1200 kg/h c 選C范圍 5000 = 2000 + C + D 5000 × 12% = A × 0 + C × 0 + D × 50% C =1800 kg/h D =1200 kg/h 0.5 化工單元操作的基本概念 0.5.2 物料衡算(material balanc

23、e) 物料衡算 例3 已知某含水 的物100kg/h用含水1% 的熱空氣和干燥后排出 含水為10%的空氣混合 成含水3%的混合氣進 行干燥,干燥后物料的 水分為5%.求所需新 鮮空氣A的用量. E,含水3% A 熱風 含水1% B ,含水5% C風,含水10% 含水15% 0.5 化工單元操作的基本概念 0.5.2 物料衡算(material balance) 物料衡算 例4 有一爆炸反應的混合物,含氧21%,加入反應器之前 必須使其中氧的濃度降低到1%,為此,以2m3/min的速率向容 器中通入含氧0.15%的N2 ,然后以2m3/min的速率流出,問需 要多少時間才能使容積為200m3的容

24、器中氧的濃度低于1%? 15%(以濕物料為基準)100 kg/h 2m3/min 含氧0.15% 容器200m3 2m3/min 7 0.5 化工單元操作的基本概念 0.5.2 物料衡算(material balance) 物料衡算 物料衡算步驟及要點 (1)畫出流程示意圖,物料的流向用箭頭表示; (2)確定衡算范圍,列出穿越邊界的各股物料(選定的 范圍應包括所求未知數(shù)和盡量多的已知參數(shù)); (3)確定衡算基準,間歇過程以一批料(1kg,1000kg, 1m3 ,100m3 )為基準,連續(xù)過程以單位時間(1h,1s等)為 基準; (4)確定衡算物料; (5)列衡算方程并求解; (6)列出物料衡

25、算結(jié)果表. 1 2 總計 輸入(kg) 輸出(kg) 0.5 化工單元操作的基本概念 0.5.3 能量衡算(energy balance) 本教材中所用到的能量主要有機械能和熱能.能量衡算的 依據(jù)是能量守恒定律.熱量衡算的步驟與物料衡算的基本相同. 輸入量= 輸出量+累積量 輸出量+ 對于某一體系,某一基準 熱量衡算步驟及要點 (1)物流圖(標明溫度,比熱) (2)確定衡算體系 (3)確定衡算基準 (4)確定衡算物料 (5)確定基準溫度(焓值:相對值) (6)列衡算方程 (7)注意熱損失 Qi dt = Qo dt + dq(積累) 積累) 對于穩(wěn)定過程 dq(積累) = 0 積累) 0.5

26、化工單元操作的基本概念 0.5.3 能量衡算(energy balance) 例5 如圖所示蒸發(fā)器,用180kPa的飽和水蒸氣加熱,冷凝 水于飽和溫度下排出,原料液入口溫度為20,沸點為70, 溶液比熱為3.8kJ/kg/,熱損失為3×105kJ/h,忽略溶液的稀 釋熱,試求所需要的水蒸汽量B及蒸發(fā)的水量W. 水蒸氣,QW 0.5 化工單元操作的基本概念 0.5.3 能量衡算(energy balance) 解:物料衡算 物料衡算,基準:1h F=W+D 原料液F QF 5000kg/h,12% 12%F=20%D+0W W=2000kg/h Q2 冷凝水 D=3000kg/h B

27、熱量衡算,基準:0液態(tài) 熱量衡算 (1)輸入熱量 QF=FcFT=5000×3.8×(20-0)=3.8×105kJh-1 查附錄九P433 頁飽和水蒸汽表(以壓力為準),180kPa的飽和 水蒸汽的溫度和焓: t=116.6, Il=489.32kJkg-1, Ig=2703.7 kJkg-1 Q1=2703.7B kJh-1 水蒸氣W,QW 加熱蒸氣B,Q1 QS 20%溶液D,QD QF 原料液F 5000kg/h,12% Q2 加熱蒸氣B,Q1 QS 20%溶液,QD 冷凝水 B 0.5 化工單元操作的基本概念 0.5.3 能量衡算(energy bala

28、nce) QF 原料液F 5000kg/h,12% 加熱蒸氣B,Q1 QS 20%溶液,QD 水蒸氣,QW 0.5 化工單元操作的基本概念 0.5.3 能量衡算(energy balance) QF 原料液F 5000kg/h,12% Q2 加熱蒸氣B,Q1 QS 20%溶液,QD 水蒸氣,QW 解:基準:0液態(tài) (2)輸出熱量 Q2 冷凝水 B 查附錄七P430頁飽和水蒸汽表(以溫度為準): QW=Iw,gW=2000×2624.3=5.2486×106kJh-1 QD=DcDT=3000×3.8×70=7.98×105kJh-1 Q2=B Il = B489.32kJh-1 QS=3×105kJh-1 解:基準:0液態(tài) (3)熱量衡算式 QF +Q1= Q2 +QW +QD + QS 冷凝水 B Iw,g=2624.3kJ/kg,Iw,l=293.8kJ/kg,r=2331.2kJ/kg 3.8×105+2703.7B=48