化工原理-緒論

1、化工(hugng)原理 主講(zhjing)：王固霞 Email：材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院精品資料課程的性質(zhì)課程的性質(zhì)(xngzh)(xngzh)和地位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。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?？己宿k法考核辦法本課程為考試課程，平時成績（包括作業(yè)、出勤等）占本課程為考試課程，平時成績（包括作業(yè)、出勤等）占30%30%，期末考試成績占，期末考試成績占70%70%。教教 材：化工原理，李鳳華等編著，大連理工大學(xué)出版社，材：化工原理，李鳳華等編著，大連理工大學(xué)出版社，20042004年。年。參考書：參考書： 1 1、化工原理、化工原

2、理( (上上) )，王世廣主編，高等教育出版社，王世廣主編，高等教育出版社，20022002年。年。 2 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，、化工原理學(xué)習(xí)指南，姚玉英等編著，天津大學(xué)出版社，20032003年。年。 3 3、化工原理（上、下），姚玉英主著，天津科學(xué)技術(shù)出版社，、化工原理（上、下），姚玉英主著，天津科學(xué)技術(shù)出版社，19921992年。年。精品資料精品資料化工化工(hugng)原理原理課程的性質(zhì)及重要性課程的性質(zhì)及重要性 該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)向工科的該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)向工科的一個橋梁，為以后專業(yè)

3、課的學(xué)習(xí)一個橋梁，為以后專業(yè)課的學(xué)習(xí)(xux)打下基礎(chǔ)。兼有打下基礎(chǔ)。兼有“科學(xué)科學(xué)”與與“技術(shù)技術(shù)”的特的特點(diǎn)，它是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)，物理，化學(xué)等基礎(chǔ)知識。分析和解決化工生產(chǎn)中各種點(diǎn)，它是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)，物理，化學(xué)等基礎(chǔ)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(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)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)計能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際。計能力的培養(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，主要研究個單元操作的基本作為一門綜合性技術(shù)學(xué)科的重要組成部分，主要研究個單元操作的基本原理，所用的典型設(shè)備結(jié)構(gòu)，工

4、藝尺寸設(shè)計和設(shè)備的選型的共性問題，是一門原理，所用的典型設(shè)備結(jié)構(gòu)，工藝尺寸設(shè)計和設(shè)備的選型的共性問題，是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課重要的專業(yè)基礎(chǔ)課精品資料一、化工原理課程研究一、化工原理課程研究(ynji)內(nèi)容內(nèi)容化工生產(chǎn)過程化工生產(chǎn)過程 對原料進(jìn)行化工加工對原料進(jìn)行化工加工(ji gng)獲得有用產(chǎn)品的過程稱為化工生產(chǎn)過程獲得有用產(chǎn)品的過程稱為化工生產(chǎn)過程精品資料精品資料精品資料歸納各種化工歸納各種化工(hugng)過程如下：過程如下：產(chǎn)品原料核心 這些物理操作這些物理操作(cozu)統(tǒng)稱單元操作統(tǒng)稱單元操作(cozu)（Unit Operations）化工原理的研究對象化工原理的研究對象單元操作

5、單元操作 定義：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)的過程學(xué)性質(zhì)的過程精品資料常見常見(chn jin)的單元操作過程的單元操作過程流體流體(lit)輸送：流體輸送：流體(lit)通過管道的阻力損失，輸送設(shè)備通過管道的阻力損失，輸送設(shè)備過濾：液固混合物的分離過濾：液固混合物的分離沉降：液固或氣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)的溫度加熱冷卻：增加或降低特定物質(zhì)的溫度蒸餾：液

6、體混合物的分離蒸餾：液體混合物的分離吸收：氣體混合物的分離吸收：氣體混合物的分離精品資料單元操作的分類單元操作的分類根據(jù)根據(jù)(gnj)單元操作所遵循的基本規(guī)律，分為三類：單元操作所遵循的基本規(guī)律，分為三類：動量傳遞動量傳遞實(shí)際流體內(nèi)部由于實(shí)際流體內(nèi)部由于(yuy)動量、密度的空間分布不均勻而引起動動量、密度的空間分布不均勻而引起動量在流體中的傳遞過程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

7、中的分布不均造成的某物質(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、干燥等精品資料單元操作的特點(diǎn)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）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)。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）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。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）單元操作作用于不同的化工過

8、程時，基本原理相同，所用的設(shè)備也是通用的。的設(shè)備也是通用的。 4）對同樣的工程目的，開采用不同的單元操作來實(shí)現(xiàn)）對同樣的工程目的，開采用不同的單元操作來實(shí)現(xiàn)(shxin)。 例：液體混合物可以用精餾、萃取、膜分離等等例：液體混合物可以用精餾、萃取、膜分離等等精品資料二、二、 化工原理的學(xué)習(xí)化工原理的學(xué)習(xí)(xux)研究方法研究方法 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)(jch)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） 在對實(shí)際過程的機(jī)理深入分析的基礎(chǔ)(jch)上，在抓住過程本質(zhì)的前提下，做出某種合理簡化，

9、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。精品資料三、單位制與單位換算三、單位制與單位換算1.1.單位及單位制單位及單位制 物理量的大小以數(shù)值物理量的大小以數(shù)值(shz)(shz)加單位表示加單位表示單位有基本單位和導(dǎo)出單位之分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本單位導(dǎo)出的導(dǎo)出單位的集合單位制：基本單位與由這些基本單位導(dǎo)出的導(dǎo)出單位的集合常用常用(chn yn)單位制：國際單位制（單位制：國際單位制（SI）、工程單位制、物理單位制等）、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。基本單位：根據(jù)使用方便的

10、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 。單位單位數(shù)值數(shù)值壓力：壓力：p=100KPa精品資料2 2單位換算單位換算 在生產(chǎn)實(shí)踐中存在許多習(xí)慣用法，為了計算中單位的統(tǒng)一性，需要在生產(chǎn)實(shí)踐中存在許多習(xí)慣用法，為了計算中單位的統(tǒng)一性，需要對一些單位進(jìn)行單位換算。對一些單位進(jìn)行單位換算。不同單位制中的單位換算不同單位制中的單位換算 1kg=1000g 1m=100cm 1 1kg=1000g 1m=100cm 1=1=1K =K =1.8+321.8+32 1atm=1.033at=76

11、0mmHg=10.33mH2O=1.013 1atm=1.033at=760mmHg=10.33mH2O=1.013 105Pa105Pa 1 1=1=1K,K,說明開氏溫度說明開氏溫度(wnd)(wnd)和攝氏度的分度是一樣的，但二和攝氏度的分度是一樣的，但二者在數(shù)值上不一樣，者在數(shù)值上不一樣， 開氏溫度開氏溫度(wnd)=(wnd)=攝氏度攝氏度+273.15+273.15質(zhì)量時間溫度長度物質(zhì)的量電流強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度千克kg秒S開爾文K米m摩爾mol安培A坎德拉candela精品資料2522/10013.101.081.9033.1033.1mNmNcmkgf例：已知例：已知1atm=1.03

12、3kgf/cm2,將其換算成將其換算成N/m2。 解：按題意需將解：按題意需將kgf/cm2中的中的kgf單位換算成單位換算成N，cm2換算成換算成m2,查附錄查附錄1：換算關(guān)系換算關(guān)系(gun x)為：為： 1kgf=9.81N， 1cm=0.01m 上述關(guān)系上述關(guān)系(gun x)代入代入 ，得：，得：精品資料四、化工過程計算的理論四、化工過程計算的理論(lln)(lln)基礎(chǔ)基礎(chǔ)物料衡算物料衡算 依據(jù)依據(jù)質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律 輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量等于從系統(tǒng)輸出輸入系統(tǒng)的物料質(zhì)量等于從系統(tǒng)輸出(shch)(shch)的物料質(zhì)量和系的物料質(zhì)量和系統(tǒng)中積累的物料質(zhì)量。統(tǒng)中積累的物料質(zhì)量。AGG

13、IG0物料衡算的通式物料衡算的通式作物料衡算應(yīng)注意的問題：作物料衡算應(yīng)注意的問題：1、確定衡算范圍、確定衡算范圍 2、明確衡算對象、明確衡算對象3、統(tǒng)一計算單位、統(tǒng)一計算單位 4、選定計算基準(zhǔn)、選定計算基準(zhǔn)精品資料 例：在兩個例：在兩個(lin )蒸發(fā)器中，每小時將蒸發(fā)器中，每小時將5000kg的無機(jī)鹽水溶液從的無機(jī)鹽水溶液從12濃縮到濃縮到30%。第。第二蒸發(fā)器比第一蒸發(fā)器多蒸出二蒸發(fā)器比第一蒸發(fā)器多蒸出5%的水分。試求：的水分。試求：（1）各蒸發(fā)器每小時蒸出水分的量；）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。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(jìn)行的過

14、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解：首先畫一個流程圖表示進(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。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(fngb)的的虛線畫出。虛線畫出。x1W1W2F0=5000kg/hx0=0.12F1F2x2=0.3蒸發(fā)器1蒸發(fā)器2精品資料 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(nngd)，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：2200 xFxF對總物料(w lio)作衡算：212

15、5000WWF代入已知數(shù)據(jù)，得：23.012.05000FhkgF/20002hkgWW/300021由題意知1205.1WWhkgWhkgW/6.1536 /4.146321精品資料 求第一個蒸發(fā)器送出的溶液濃度，選擇(xunz)第一個蒸發(fā)器為衡算范圍。對鹽作物料(w lio)衡算：1100 xFxF 對總物料作衡算：110FWF 代入已知數(shù)據(jù)，得：1112.05000 xF14 .14635000F解得：hkgF/6.35361%97.161697. 01x精品資料2 能量能量(nngling)衡算衡算依據(jù)依據(jù)(yj)：能量守恒定律：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

16、失的能量之和。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。LQQIQ0 熱量衡算通式熱量衡算通式或?qū)懗蒐IQwHwH0)()( 注注： 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)。劃定衡算范圍及衡算基準(zhǔn)。但衡算對象只能是物料的總體，而不是單個組分。但衡算對象只能是物料的總體，而不是單個組分。 此外應(yīng)注意焓是相對值，因此必須此外應(yīng)注意焓是相對值，因此必須指明基準(zhǔn)溫度指明基準(zhǔn)溫度，習(xí)慣上選，習(xí)慣上選0為基準(zhǔn)溫度，并規(guī)定為基準(zhǔn)溫度，并規(guī)定0時液時液態(tài)的焓值為零。態(tài)的焓值為零。精品資料 例：在換熱器里將平均比熱

17、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，蒸氣冷凝成同溫度(wnd)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?jǐn)?shù)。解：根據(jù)解：根據(jù)(gnj)題意畫出流程圖題意畫出流程圖 換熱器120飽和水蒸氣0.095kg/s120飽和水0.095kg/s1.0kg/s25溶液80溶液1.0kg/s精品資料 基準(zhǔn)：1s 在圖中虛線(xxin)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(shr)的熱量： 2

18、1QQIQ蒸氣帶入的熱量： kwQ3.2579.2708095.01溶液帶入的熱量：kwQ8902556.30 .12kwIQ3.346893.257輸出的熱量： 43QQQO精品資料冷 凝 水 帶 出 的 熱 量(rling)： kwQ8.4767.503095.03溶液(rngy)帶出的熱量： kwQ8.28408056.30.14kwQQQ6.3328.2848.47430根據(jù)能量衡算式，有： LIQQQ0kw.kw.QQQIL713633233460熱量損失的百分?jǐn)?shù)= %54.68 .473 .2577 .13精品資料3.過程的相平衡關(guān)系過程的相平衡關(guān)系(gun x)和過程速率和過程速

19、率 任何過程都是由不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)進(jìn)行的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)到的極限平衡狀態(tài)是自然過程所能達(dá)到的極限(jxin)程度程度 用來判斷過程進(jìn)行的方向和所能達(dá)到的極限用來判斷過程進(jìn)行的方向和所能達(dá)到的極限(jxin)。 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。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)。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(shè)備尺寸的基本工具。過程速率是計算設(shè)備尺寸的基本工具。精品資料五五. 化工原理的基本要求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(xué)原理開發(fā)發(fā)展：如何根據(jù)某個物理或物理化學(xué)原理開發(fā)成為一個單元操作，尋本求源。成為一個單元操作，尋本求源。 選擇：為了選擇：為了(wi le)達(dá)到或?qū)崿F(xiàn)某一工程目的，達(dá)到或?qū)崿F(xiàn)某一工程目的，能否對過程和設(shè)備作合理的選擇和組合。能否對過程和設(shè)備作合理的選擇和組合。 設(shè)計：對已掌握了性能的過程和設(shè)備作直接的設(shè)計：對已掌握了性能的過程和設(shè)備