化工原理專接本緒論

化工原理

Unitoperations

PrinciplesofChemicalEngineering本課程的內(nèi)容化工原理(PrinciplesofChemicalEngineering)—單元操作(Unitoperations)化工過(guò)程經(jīng)常包括原料預(yù)處置過(guò)程、反響過(guò)程和反響產(chǎn)物后處置過(guò)程等。200°C、150MPa常溫、常壓乙烯緊縮機(jī)預(yù)熱器反應(yīng)器分別器?；鞒?、150MPa高壓聚乙烯廢品化工過(guò)程與單元操作化工消費(fèi)過(guò)程的特點(diǎn)之一是步驟多。可分為：A以化學(xué)反響為主(在反響器中進(jìn)展)。B單元操作。典型化工工業(yè)流程化工過(guò)程與單元操作單元操作的特點(diǎn)：物理性操作(形狀、物理性質(zhì)改動(dòng)，化學(xué)性質(zhì)不變)；化工過(guò)程中共有的操作(單元操作數(shù)目、稱號(hào)、陳列順序各異)；某一單元操作的根本原理一樣(某單元操作的設(shè)備往往是通用的，但有選型的問(wèn)題)。單元操作的分類：動(dòng)量傳送：流體保送、沉降、過(guò)濾、離心分別、攪拌、固體流態(tài)化等。熱量傳送：加熱、冷卻、蒸發(fā)等。質(zhì)量傳送：蒸餾、吸收、吸附、萃取、枯燥、結(jié)晶、膜分別等。這些單元操作的目的普通是將混和物分別，故又稱為分別過(guò)程?；瘜W(xué)工程學(xué)的義務(wù)：尋覓其規(guī)律性的問(wèn)題，使開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、操作減少盲目性，提高經(jīng)濟(jì)效益“化工原理〞課程的兩條主線(1)實(shí)驗(yàn)研討方法(2)數(shù)學(xué)模型方法，即半實(shí)際半閱歷的方法研討工程問(wèn)題的方法論是聯(lián)絡(luò)各單元操作的另一條主線。以單元操作為內(nèi)容，以傳送過(guò)程和研討方法論為主線組成了“化工原理〞這一門課。研討方法的開(kāi)展閱歷放大類似論因次分析數(shù)學(xué)模型法各種化學(xué)工程研討方法的根底是實(shí)驗(yàn)任務(wù)實(shí)驗(yàn)研討方法〔閱歷法〕該方法普通用因次分析和類似論為指點(diǎn)，依托實(shí)驗(yàn)來(lái)確定過(guò)程變量之間的關(guān)系，經(jīng)過(guò)無(wú)因次數(shù)群〔或稱準(zhǔn)數(shù)〕構(gòu)成的關(guān)系式來(lái)表達(dá)。是一種工程上通用的根本方法。數(shù)學(xué)模型法〔半閱歷半實(shí)際方法〕該方法是在對(duì)實(shí)踐過(guò)程的機(jī)理深化分析的根底上，在抓住過(guò)程本質(zhì)的前提下，作出某種合理簡(jiǎn)化，建立物理模型，進(jìn)展數(shù)學(xué)描畫(huà)，得出數(shù)學(xué)模型。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)。假設(shè)一個(gè)物理過(guò)程的影響要素較少，各參數(shù)之間的關(guān)系比較簡(jiǎn)單，可以建立數(shù)學(xué)方程并能直接求解，那么稱為解析法。研討方法：實(shí)驗(yàn)法→數(shù)學(xué)模型〔半實(shí)際半閱歷〕→

研討方法總結(jié)純理論——數(shù)學(xué)分析數(shù)學(xué)模型法——半理論半經(jīng)驗(yàn)因次分析法——經(jīng)驗(yàn)方法化工原理課程所回答的問(wèn)題如何根據(jù)各單元操作在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的特點(diǎn)，進(jìn)行“過(guò)程和設(shè)備”的選擇，以適應(yīng)指定物系的特征，經(jīng)濟(jì)而有效地滿足工藝要求。如何進(jìn)行過(guò)程的計(jì)算和設(shè)備的設(shè)計(jì)。在缺乏數(shù)據(jù)的情況下，如何組織實(shí)驗(yàn)以取得必要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。如何進(jìn)行操作和調(diào)節(jié)以適應(yīng)生產(chǎn)的不同要求。在操作發(fā)生故障時(shí)如何尋找故障的緣由。緒論內(nèi)容概述教學(xué)安排及參考書(shū)▉課程的內(nèi)容▉課程的開(kāi)展▉課程的教學(xué)目的▉根本概念▉單位換算及單位制▉引見(jiàn)化工原理課程的開(kāi)展及與臨近學(xué)科的關(guān)系課程的開(kāi)展及與

臨近學(xué)科的關(guān)系化工原理是化學(xué)工程學(xué)的一個(gè)重要分支，與化學(xué)工程學(xué)的開(kāi)展親密相關(guān)。工程學(xué)科的構(gòu)成源于工業(yè)消費(fèi)。19世紀(jì)末，逐漸構(gòu)成以產(chǎn)品劃分的各種化工產(chǎn)品的工藝學(xué)。1915年，化學(xué)工程的先驅(qū)A.D.Lihle在向MIT提交的一份報(bào)告中提出“單元操作〞的概念。1922年，在美國(guó)化學(xué)工程師年會(huì)上，“單元操作〞的概念被法定認(rèn)可。1923年，MIT教授W.H.Walker等人寫(xiě)了第一部關(guān)于單元操作的書(shū)——Principlesofchemicalengineering。從化工消費(fèi)工藝中籠統(tǒng)出各種單元操作，即從特殊性中總結(jié)出普遍性，是認(rèn)識(shí)上的一個(gè)飛躍。對(duì)化學(xué)工程學(xué)的構(gòu)成和開(kāi)展起了重要推進(jìn)作用，并促進(jìn)了化學(xué)工業(yè)的開(kāi)展。課程的開(kāi)展及與

臨近學(xué)科的關(guān)系1960年，威斯康星大學(xué)的Bird等人將動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳送過(guò)程合并，編寫(xiě)了Transportphenomena一書(shū)，是工程學(xué)科的根底。與此同時(shí)，化學(xué)反響工程學(xué)構(gòu)成與開(kāi)展。至此，化學(xué)工程學(xué)學(xué)科開(kāi)展到了“三傳一反〞的較完好階段。20世紀(jì)60年代末，構(gòu)成了化工系統(tǒng)工程學(xué)，同時(shí)開(kāi)展了過(guò)程動(dòng)態(tài)學(xué)與控制論。豐富與開(kāi)展了化學(xué)工程學(xué)的內(nèi)容?；瘜W(xué)工程學(xué)的開(kāi)展緒論內(nèi)容概述教學(xué)安排及參考書(shū)▉課程的內(nèi)容▉課程的開(kāi)展▉課程的教學(xué)目的▉根本概念▉單位換算及單位制▉引見(jiàn)化工原理課程的性質(zhì)及教學(xué)目的課程的性質(zhì)和目的化工原理課程是化學(xué)工程、化工工藝類及相近專業(yè)必修的主干技術(shù)根底課。本課程以傳送過(guò)程實(shí)際為根底，以化工消費(fèi)中的物理加工過(guò)程為背景，按其操作原理的共性歸納成的假設(shè)干“單元操作〞為對(duì)象，研討和調(diào)查化工消費(fèi)過(guò)程中被處置物料的質(zhì)量、動(dòng)量和能量傳送的根本規(guī)律，調(diào)查、解釋和處置工程實(shí)踐問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)際解析和在實(shí)際指點(diǎn)下的實(shí)驗(yàn)研討方法，培育學(xué)生運(yùn)用化學(xué)工程的根本原理去分析和處理化工消費(fèi)過(guò)程中出現(xiàn)的各種實(shí)踐問(wèn)題的才干、動(dòng)手操作才干與工程觀念。本課程強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新認(rèn)識(shí)與創(chuàng)新才干的培育，強(qiáng)調(diào)定量計(jì)算和工程設(shè)計(jì)才干的訓(xùn)練，強(qiáng)調(diào)實(shí)際和實(shí)踐相結(jié)合與實(shí)事求是的任務(wù)作風(fēng)。經(jīng)過(guò)本課程學(xué)習(xí)，促使學(xué)生到達(dá)能獨(dú)立運(yùn)用本課程所學(xué)知識(shí)分析和處理化工消費(fèi)過(guò)程中出現(xiàn)的各種工程實(shí)踐問(wèn)題，能獨(dú)立完成化工單元操作與設(shè)備的工藝計(jì)算、設(shè)計(jì)與選型任務(wù)，能獨(dú)立完成化工單元過(guò)程的實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下良好的根底。選算過(guò)程與設(shè)備的選擇過(guò)程的計(jì)算和設(shè)備的設(shè)計(jì)用如何操作和調(diào)理以順應(yīng)消費(fèi)的要求化工原理課的教學(xué)目的他們是德、智、體全面開(kāi)展，據(jù)有良好的學(xué)科素養(yǎng)，掌握了化學(xué)根本實(shí)際、根本知識(shí)和根本技藝，并遭到根底研討和運(yùn)用研討初步訓(xùn)練的化學(xué)專門人才。他們將從事的任務(wù)：科研部門、高校、廠礦企業(yè)、事業(yè)單位、行政部門等。由此可知不論他們從事根底研討還是運(yùn)用研討或開(kāi)發(fā)性任務(wù)，都需求具備化學(xué)工程的根本知識(shí)和概念。學(xué)習(xí)該課程的目的是使他們獲得一定的化學(xué)工程概念、知識(shí)和方法，了解化學(xué)工業(yè)的實(shí)際與開(kāi)展等慨況，提高工程技術(shù)方面的素養(yǎng)，開(kāi)辟他們以后本身任務(wù)領(lǐng)域的思緒，并使他們具有更強(qiáng)的適宜才干和任務(wù)才干。緒論內(nèi)容概述教學(xué)安排及參考書(shū)▉課程的內(nèi)容▉課程的開(kāi)展▉課程的教學(xué)目的▉根本概念▉單位換算及單位制▉三種衡算平衡關(guān)系過(guò)程速率三種衡算動(dòng)量衡算——牛頓第二定律熱量衡算——能量守恒(焦耳Joule)質(zhì)量衡算——物質(zhì)不滅(拉瓦錫Lavoisier)1、

物料衡算根據(jù)質(zhì)量守恒定律，任何一個(gè)化工消費(fèi)過(guò)程F=d+AF──輸入物料質(zhì)量的總和，kgd──輸出物料質(zhì)量的總和，kgA──積累在過(guò)程中的物料質(zhì)量，kg此式是物料衡算的通式，可對(duì)總物料或其中某一組成列出物料衡算式，進(jìn)展求解。根本概念例1

解：各股物系的流程圖如附圖所示，計(jì)算基準(zhǔn)取1，由于是延續(xù)穩(wěn)定操作，總物料衡算式為

F＝V＋W溶質(zhì)衡算式為

FxF=Wxw由此兩式解得

W=〔xF/xw〕F，V=〔1-xF/xw〕F

例1

附圖用延續(xù)操作的蒸發(fā)器把含鹽濃度為〔質(zhì)量分率〕的衡鹽水溶液蒸發(fā)到濃度為〔質(zhì)量分率〕的濃鹽水溶液，每小時(shí)衡鹽水溶液的進(jìn)料量為Fkg。試求每小時(shí)所得濃鹽水溶液量W及水分蒸發(fā)量V各為多少。2、

能量衡算根據(jù)能量守恒定律，在任何一個(gè)化工消費(fèi)過(guò)程中，凡向該過(guò)程輸入的能量必等于該過(guò)程輸出的能量。在許多化工消費(fèi)中所涉及的能量?jī)H為熱能，所以本課程中能量衡算簡(jiǎn)化為熱量衡算：QF=QD+qQF––輸入該過(guò)程的各物料帶入的總熱量,JQD––輸出該過(guò)程的各物料帶出的總熱量,Jq––該過(guò)程與環(huán)境交換的總熱量，當(dāng)系統(tǒng)向環(huán)境散熱時(shí)為正，稱為熱損,J經(jīng)過(guò)熱量衡算，可以了解在消費(fèi)操作中熱量的利用和損失情況，而在消費(fèi)過(guò)程與設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，利用熱量衡算可以確定是需求從外界引入熱量或向外界輸出熱量的問(wèn)題。根本概念物料衡算計(jì)算步驟及要點(diǎn)：1、物流圖2、確定衡算體系〔某設(shè)備、車間、整個(gè)工廠〕3、確定衡算基準(zhǔn)；4、確定著眼物料；5、列衡算方程能量守衡關(guān)鍵：1、物流圖2、劃定系統(tǒng)3、確定衡算基準(zhǔn)4、確定著眼物料5、選定基準(zhǔn)溫度：0℃基準(zhǔn)溫度〔焓值是相對(duì)值〕6、列衡算方程7、有反響發(fā)生的要思索反響熱。例一、每小時(shí)將1000kg含20％〔質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同〕某種鹽水溶液送至蒸發(fā)器內(nèi)，用水蒸氣加熱使之氣化，蒸出一部分水汽，由蒸發(fā)器頂部排出。溶液被濃縮到50％后，由結(jié)晶器底部取出產(chǎn)品P，結(jié)晶器內(nèi)含無(wú)機(jī)鹽37.5％的母液R送回蒸發(fā)器與原料液合并進(jìn)入蒸發(fā)器再蒸發(fā)，試求：1、每小時(shí)由蒸發(fā)器蒸出的水氣量W及由結(jié)晶器排出的產(chǎn)品P?？梢圆凰妓鹘Y(jié)晶產(chǎn)品外表附著的母液：2、每小時(shí)由結(jié)晶器排出的母液量R由蒸發(fā)器排出的濃溶液量B；3、進(jìn)入蒸發(fā)器的混合液〔原料液與母液〕中的濃度。例題解答：一、解：F=1000kg/hr,a=20％求：(1)w,P(2)R,B(3)M(1)、求W、P大體系物料衡算：

P=208.3kg/hw=791.7kg/h(2)以部分為著眼點(diǎn)，劃定衡算范圍：以右為基準(zhǔn)：R＝766.5kg/hB=766.5+208.3=974.8kg/h或以左部分為衡算范圍：〔3〕以部分點(diǎn)為衡算范圍：1000＋R＝M＝1000＋766.5=1766.51000·20%+766.53·7.5%=M·x%x%=200+287.4/1766.5=27.6%例二、系統(tǒng)能量衡算：

采用此題附圖所示的蒸發(fā)器，每小時(shí)將2000kg水溶液，從含固體5％〔質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同〕濃縮至30％。知在操作條件下溶液在蒸發(fā)器內(nèi)的沸點(diǎn)為78℃，水的汽化熱為2319.5KJ/kg.原料液溫度為20℃，比熱容為4KJ/(kg·℃)。加熱蒸汽壓強(qiáng)為200kPa,冷凝水于熱蒸汽的飽和，溫度下排除，熱損失為1000W，忽略溶液的稀釋熱，濃溶液在蒸發(fā)器操作沸點(diǎn)下排出，水蒸氣于75℃時(shí)分開(kāi)蒸發(fā)器，試求每小時(shí)加熱蒸汽耗費(fèi)量。例2、熱量衡算：知溶液沸點(diǎn)：78℃γ＝2319.5kg/kgH=2633.5kg/kg進(jìn)料：T0＝20%CP0＝4kJ/kg·℃濃縮液：CP1＝4.19kJ/kg·℃加熱蒸汽：P＝200Pa,冷凝水：飽和溫度Q損＝10000W。(1)先求物流量：〔流量，1hr〕2000=w+R，2000×5%=w×0+30%×R那么w=1666.7kg/h，R=333.3kg/h(2)熱量衡算：QF＋QD＝Qw+QR+QP+Q損以0℃為基態(tài)，求焓值：①Q(mào)F＝F·CP·△T＝2000×4×〔20－0〕＝1.6×105kJ/h②QD：200kPa查表，T＝120.2℃h=2709.2kJ/kgQD=2709.2DkJ/h③Qw：查75℃蒸汽，焓值H=2633.5kJ/kgQw=1666.72633.5=43.89105④QR：＝R·CP·△T＝333.3×4.19×〔78－0〕＝1.09×105kJ/h⑤QP：冷凝水：120℃排放，水焓：493.71kJ/kgQP=493.71×D⑥Q損：＝(10000w/1000)3600=0.36×105kJ/h衡算：1.6×105＋2709.2×D＝493.71＋1.09×105＋43.89×105＋0.36×105D＝1794.3kg/h過(guò)程的平衡與速率過(guò)程的平衡問(wèn)題過(guò)程進(jìn)展的方向和所能到達(dá)的極限化工熱力學(xué)研討的領(lǐng)域過(guò)程的速率過(guò)程進(jìn)展的快慢3、

平衡關(guān)系物系在自然界發(fā)生變化時(shí)，其變化必趨于一定方向，假設(shè)任其開(kāi)展，結(jié)果必到達(dá)平衡關(guān)系為止。平衡形狀表示的就是各種自然發(fā)生的過(guò)程能夠到達(dá)的極限程度，除非影響物系的情況有變化，否那么其變化的極限是不會(huì)改動(dòng)的。普通平衡關(guān)系那么為各種定律所闡明，如熱力學(xué)第二定律，拉烏爾定律等。在化工消費(fèi)過(guò)程中，可以從物系平衡關(guān)系來(lái)推知其能否進(jìn)展以及進(jìn)展到何種程度。平衡關(guān)系也為設(shè)備尺寸的設(shè)計(jì)提供了實(shí)際根據(jù)。根本概念4、過(guò)程速率：何一個(gè)不處于平衡形狀的物系，必然發(fā)生使物系趨向平衡的過(guò)程，但過(guò)程以什么速率趨向平衡，這不決議于平衡關(guān)系，而是由多方面的要素影響的，由于對(duì)這些要素有些還不清楚，目前過(guò)程速率是近似的采用除以阻力表示。這里的過(guò)程推進(jìn)力，可根據(jù)詳細(xì)過(guò)程而有不同的了解，但必要的條件是物系在平衡形狀時(shí)推進(jìn)力必需等于零。至于過(guò)程的阻力那么較為復(fù)雜，要詳細(xì)情況詳細(xì)分析。