《化工原理-绪论》PPT课件.ppt

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1、绪绪 论论一、化工原理课程的性质、地位和作用一、化工原理课程的性质、地位和作用 （1 1）重要的专业技术基础课程，是环境工程专业必修的）重要的专业技术基础课程，是环境工程专业必修的一门化工基础技术课程。一门化工基础技术课程。（2 2）承前启后、由理及工的桥梁，又是各种专业课程如）承前启后、由理及工的桥梁，又是各种专业课程如水污染控制工程、大气污染控制工程等的基础。水污染控制工程、大气污染控制工程等的基础。（3 3）化工原理也叫做化工单元操作）化工原理也叫做化工单元操作（Unit Operation of Unit Operation of Chemical engineering Chemic

2、al engineering），它是研究大规模化工生产中物理，它是研究大规模化工生产中物理性质变化规律的工程学科。性质变化规律的工程学科。（4 4）课程具有显著的工程性，要解决的问题是多因素、）课程具有显著的工程性，要解决的问题是多因素、多变量的综合性的工业实际问题。同时，它又是多变量的综合性的工业实际问题。同时，它又是门计算性门计算性较强的课程。较强的课程。二、化工过程与单元操作二、化工过程与单元操作(一一)化工过程的构成与特征化工过程的构成与特征原料预处理原料预处理化学反应化学反应产物后处理产物后处理物理过程物理过程单元操作单元操作化学反应过程化学反应过程 反应器反应器物理过程物理过程单元

3、操作单元操作 化工过程的特点之一是化工过程的特点之一是步骤多步骤多，而且因为不同的，而且因为不同的化学工业所用的原料与所得产品不同，所以各种化化学工业所用的原料与所得产品不同，所以各种化工过程的工过程的差别大差别大。一个化工过程所包含的步骤可分为两大类一个化工过程所包含的步骤可分为两大类化学变化和单元操作化学变化和单元操作，简称为，简称为“三传一反三传一反”：化学反应：化学反应：进行化学反应为主，在反应器中进进行化学反应为主，在反应器中进行；是化工过程的核心，其投资约占化工过程总投行；是化工过程的核心，其投资约占化工过程总投资的资的1020%；单元操作：单元操作：不进行化学反应，是物理变化过程

4、。不进行化学反应，是物理变化过程。如：原料和反应物的前、后处理工序，仅发生压力、如：原料和反应物的前、后处理工序，仅发生压力、温度、组成、相态等物理变化过程，是生产过程必温度、组成、相态等物理变化过程，是生产过程必不可少的操作。它可归纳为动量传递、质量传递和不可少的操作。它可归纳为动量传递、质量传递和热量传递。热量传递。例例1：味精的生产过程：味精的生产过程化学或量化变化化学或量化变化在发酵罐中进行在发酵罐中进行 原料原料发酵发酵预热预热蒸发蒸发味精味精 结晶结晶干燥干燥中和中和生化反应生化反应化学反应化学反应 流体输送流体输送传热传热（物理变化过程）（物理变化过程）传质传质传质、传热传质、传

5、热 单元操作：单元操作：物料在各种各样的前、后处理过程物料在各种各样的前、后处理过程中的物理变化。中的物理变化。任何一个化工任何一个化工生产过程生产过程都是由若干种完成特定任都是由若干种完成特定任务的务的设备设备（包括反应器、完成各单元操作的设备和贮（包括反应器、完成各单元操作的设备和贮料设备）按一定顺序、由各种料设备）按一定顺序、由各种管道管道和和输送装置输送装置连接起连接起来的来的组合体组合体。本课程的主要研究内容是以化工生产中的物理加工本课程的主要研究内容是以化工生产中的物理加工过程为背景，按其操作原理的共性，归纳成的过程为背景，按其操作原理的共性，归纳成的“若干单若干单元操作元操作”。

6、各种单元操作都是依据一定的。各种单元操作都是依据一定的物理或物理化物理或物理化学原理学原理，在某些特定的，在某些特定的设备设备中进行的特定的过程。中进行的特定的过程。单元操作：单元操作：是物理变化过程，如：原料和反应物的是物理变化过程，如：原料和反应物的前、后处理工序，仅发生压力、温度、组成、相态等物前、后处理工序，仅发生压力、温度、组成、相态等物理变化过程，是生产过程必不可少的操作，不进行化学理变化过程，是生产过程必不可少的操作，不进行化学反应。反应。(二二)化工原理中的单元操作化工原理中的单元操作 例例2：聚氯乙烯塑料的生产过程聚氯乙烯塑料的生产过程氯化氢氯化氢 提纯提纯单体合成单体合成单

7、体精制单体精制聚合聚合提纯提纯脱水脱水干燥干燥产品产品 反应热反应热 加成反应加成反应 反应器反应器反应热反应热 聚合反应聚合反应聚合釜聚合釜 乙炔乙炔 压缩、冷凝压缩、冷凝吸收吸收传热传热传热传热过滤过滤离心分离离心分离传热传热传质传质问：为什么要进行提纯？问：为什么要进行提纯？单元操作的特点与分类单元操作的特点与分类 （1 1）特点）特点 都是不进行化学反应的过程，是物理性操作，都是不进行化学反应的过程，是物理性操作，即只改变物料的状态或物理性质，不改变其化学性质。即只改变物料的状态或物理性质，不改变其化学性质。都是化工生产过程中都是化工生产过程中共有共有的操作，但不同的的操作，但不同的化

8、工过程所包含的化工过程所包含的单元数目、名称与排列顺序各异单元数目、名称与排列顺序各异。某个单元操作用于不同的化工过程，其基本某个单元操作用于不同的化工过程，其基本原理并无不同，进行操作的设备往往也是通用的。但原理并无不同，进行操作的设备往往也是通用的。但是反应过程却不一样，不同的反应，反应机理不同，是反应过程却不一样，不同的反应，反应机理不同，设备也不同。设备也不同。单元操作的研究内容：单元操作的研究内容：各种单元操作的各种单元操作的基本原理基本原理与单元操作与单元操作过程计算过程计算、典型单元操作、典型单元操作设备设备的合理结构的合理结构及其工艺尺寸的及其工艺尺寸的设计与计算设计与计算、设

9、备操作性能的分析以、设备操作性能的分析以及组织工程性实验以取得必要的设计数据，找出强化及组织工程性实验以取得必要的设计数据，找出强化过程、改进设备的途径。过程、改进设备的途径。操作方式：操作方式：连续操作和间歇操作；连续操作和间歇操作；定常操作与不定常操作。定常操作与不定常操作。表表0 01 1 单元操作的名称及分类单元操作的名称及分类(三三)单元操作与工程观点单元操作与工程观点1.1.过程影响因素多过程影响因素多 ：物性因素、操作因素和结构因素；物性因素、操作因素和结构因素；2.2.过程制约条件多；过程制约条件多；3.3.效益效益是评价工程合理性的最终判据；是评价工程合理性的最终判据；4.4

10、.理论分析、工业性试验与经验数据并重。理论分析、工业性试验与经验数据并重。需要同学了解工程实际问题的特点，从工程实需要同学了解工程实际问题的特点，从工程实际出发，学会从经济角度去考虑技术问题。际出发，学会从经济角度去考虑技术问题。(四四)单元操作计算的基本内容单元操作计算的基本内容物料衡算（质量守恒定律）、能量衡算（能量守恒定物料衡算（质量守恒定律）、能量衡算（能量守恒定律，即热力学第一定律）；律，即热力学第一定律）；过程的极限以及物性计算。过程的极限以及物性计算。分为设计计算和操作计算两类。分为设计计算和操作计算两类。过程速率：过程速率：三、单位及单位换算三、单位及单位换算 F=ma（1）力

11、的符号力的符号质量的符号质量的符号加速度的符号加速度的符号F=g（cm/s2）=dyn（达因）（达因）方括号表示物方括号表示物理量的单位理量的单位1 1、单位制、单位制 （1 1）cgscgs制（物理单位制）制（物理单位制）基本单位：长度基本单位：长度cm，质量，质量g，时间，时间s 导出单位：如导出单位：如 力力 g cm/s2=dyn（达因）（达因）力力=质量质量 加速度加速度 即即（3 3）SI制（国际单位制）制（国际单位制）基本单位：基本单位：一般先选几个独立的物理量，以使用方便为原则一般先选几个独立的物理量，以使用方便为原则规定出它们的单位。规定出它们的单位。长度长度m，质量，质量k

12、g，时间，时间s，温度，温度K，物质量单位物质量单位mol，电流，电流A，光强度，光强度cd（坎德拉）（坎德拉）1 =（273.15+1）K导出单位：导出单位：根据物理本身的物理意义，由有关基本单位组合根据物理本身的物理意义，由有关基本单位组合构成的。构成的。如如 比热容（比热容（cp）kJ/(mol K)或或kJ/(kg K)温度差温度差1K=1 （2 2）工程制）工程制 基本单位：长度基本单位：长度m，重量（重力），重量（重力）kgf，时间，时间s 导出单位：如导出单位：如 质量质量质量的符号质量的符号 2 2、单位换算、单位换算 （1 1）理论公式）理论公式 根据物理规律推导的根据物理规

13、律推导的 （k=1）（2 2）经验公式）经验公式 根据实验结果整理出的根据实验结果整理出的对流给热系数对流给热系数气体速度气体速度 cm/s(cgs制制)（3 3）物理量的单位换算）物理量的单位换算质量质量m=1kg的物体在地面附近的重量为的物体在地面附近的重量为1kgf（工程制）（工程制）1kgf=9.81N换算因数换算因数 换算因数彼此是属于两个不同单位制的物理换算因数彼此是属于两个不同单位制的物理量，它们是等量关系，它们之间的比值为纯数量，它们是等量关系，它们之间的比值为纯数1。三、单元操作的物料衡算与热量衡算三、单元操作的物料衡算与热量衡算2.2.衡算式：衡算式：输入质量输入质量=输出

14、质量输出质量+积累质量（积累质量（可为正值或负值可为正值或负值）对于连续稳定的过程：对于连续稳定的过程：积累的量积累的量=0=0 输入质量输入质量=输出质量输出质量(一一)物料衡算物料衡算1.1.依据：质量守恒定律（依据：质量守恒定律（Conservation law of mass）3.3.衡算步骤：衡算步骤：（1 1）针对提出的实际问题，首先弄清楚衡算目）针对提出的实际问题，首先弄清楚衡算目的、已和量和末知量。的、已和量和末知量。（2 2）根据问题的类型和性质，确定需要补充哪些数据，并）根据问题的类型和性质，确定需要补充哪些数据，并设法从各渠道去得到这些数据。设法从各渠道去得到这些数据。（

15、3 3）选定适宜的衡算系统；用流程示意图表示衡算对象，）选定适宜的衡算系统；用流程示意图表示衡算对象，即将问题的文字描述转化为图形描述。即将问题的文字描述转化为图形描述。（4 4）选定物料衡算基准；是物料衡算的出发点，其目的是）选定物料衡算基准；是物料衡算的出发点，其目的是为了保证物料衡算计算的一致性。间歇操作：常取一批原料为了保证物料衡算计算的一致性。间歇操作：常取一批原料或单位质量（或物质的量）原料为基准；对于连续操作，通或单位质量（或物质的量）原料为基准；对于连续操作，通常取单位时间内处理的物料量为基准。在有些情况下，也可常取单位时间内处理的物料量为基准。在有些情况下，也可选用选用100

16、100或或1 1个单位量作基准。原则是使计算尽量简化。个单位量作基准。原则是使计算尽量简化。（5 5）列物料衡算式求解。分为按进、出衡算系统的各物流）列物料衡算式求解。分为按进、出衡算系统的各物流的总物料量列出的总物料量列出总衡算式；总衡算式；按各物流中的各组分量分别列出按各物流中的各组分量分别列出组分衡算式组分衡算式。例例0-1 两股物流两股物流A和和B混合得到产品混合得到产品C。每股物流均由。每股物流均由两个组分（代号两个组分（代号1、2）组成。物流）组成。物流A的质量流量为的质量流量为GA=6160kg/h,其中组分其中组分1的质量百分数的质量百分数WA1=80%;物流物流B中组分中组分

17、1的质量百分数的质量百分数WB1=20%;要求混合后产品要求混合后产品C中组分中组分1的质量百分数的质量百分数WB1=40%。试求：需要加入物。试求：需要加入物流流B的量的量GB，kg/h；产品量；产品量GC，kg/h；图图1 1 例例0-10-1流程图流程图GA=6160kg/hWA1=80%;GB=?kg/hWB1=20%;GC=？kg/hWC1=40%;混合器混合器AB解解（1）按题意，画出混合过程示意图，标出各物流的箭头、）按题意，画出混合过程示意图，标出各物流的箭头、已知量与末知量，用闭合虚线框出衡算系统（见图已知量与末知量，用闭合虚线框出衡算系统（见图1)（2）过程为连续定常，故取

18、）过程为连续定常，故取1h为衡算基准。为衡算基准。（3）列出衡算式：总物料衡算）列出衡算式：总物料衡算 GA+GB=GC，代入已知数据，代入已知数据得得 6160+GB=GC （A）组分组分1的衡算式的衡算式GAWA1+GBWB1=GCWC1，代入已知数据得，代入已知数据得 61600.80+GB0.20=GC0.40 （B）联解式（联解式（A）、（）、（B）得）得 GB=12320 kg/h，Gc=18480 kg/h 作业：作业：在连续干燥器中，用热空气将含水在连续干燥器中，用热空气将含水10%的湿固体物料干燥到含水的湿固体物料干燥到含水1%（均为质量分数）（均为质量分数）。进口热空气中含

19、水汽量为。进口热空气中含水汽量为0.01kg水汽水汽/kg干干空气，若要求出口废气中的水汽量不超过空气，若要求出口废气中的水汽量不超过0.12 kg水汽水汽/kg干空气，求空气的单耗，干空气，求空气的单耗，kg空气空气/kg湿物料。湿物料。(二二)热量衡算热量衡算 1.1.依据：能量守恒定律依据：能量守恒定律（Conservation law of energyConservation law of energy）2.2.衡算式：衡算式：物流带入的焓输入热量物流带入的焓输入热量=离开物流焓输出热量离开物流焓输出热量+系统内物料焓的积累量系统内物料焓的积累量对于稳定过程：对于稳定过程：系统内物料

20、焓的积累量系统内物料焓的积累量0 0 输入总热量输入总热量=输出总热量输出总热量 注：由于焓是相对值，与物料衡算不同的是，衡算注：由于焓是相对值，与物料衡算不同的是，衡算基准除了选取时间基准或物料量基准外，还需选取物流焓基准除了选取时间基准或物料量基准外，还需选取物流焓的基准态。的基准态。3.物流焓的基准态：物流焓的基准态：包括物流的基准压强包括物流的基准压强p0、基准温度、基准温度t0和基准相状态和基准相状态0：(1)基准压强：通常取基准压强：通常取p0 100kPa，一般在压强不高的，一般在压强不高的情况下，常可忽略，情况下，常可忽略，(2)基准温度：可取基准温度：可取0。(3)基准相态：

21、选择可视具体情况而定基准相态：选择可视具体情况而定。由于焓是相对值，基准态的选择有一定任意性，由于焓是相对值，基准态的选择有一定任意性，在压强不高时，主要是确定基准温度和基准相态。各组在压强不高时，主要是确定基准温度和基准相态。各组分的基准态可以不同，但分的基准态可以不同，但同一组分必须在同一基准念下同一组分必须在同一基准念下进行计算。进行计算。物料衡算与热量衡算共同的解题步骤：物料衡算与热量衡算共同的解题步骤：画出流程示意图，用箭头表示物料或热量的传递方向；画出流程示意图，用箭头表示物料或热量的传递方向；确定衡算范围；确定衡算范围；确定衡算基准，对稳定的连续过程，一般以单位时间为确定衡算基准

22、，对稳定的连续过程，一般以单位时间为衡算基准，对间歇过程一般以一批操作作为衡算基准；衡算基准，对间歇过程一般以一批操作作为衡算基准；注：对于热量衡算，由于焓值大小与从哪一温度算起有关，注：对于热量衡算，由于焓值大小与从哪一温度算起有关，因而热量衡算还要指明基准温度。物料的焓值常从因而热量衡算还要指明基准温度。物料的焓值常从0算起，算起，若以若以0为基准，则可不再指明；有时为方便计，以进料温为基准，则可不再指明；有时为方便计，以进料温度或环境温度作为基准温度，或采用数据资料的基准温度，度或环境温度作为基准温度，或采用数据资料的基准温度，这时就一定要指明。这时就一定要指明。列出衡算式并求解。列出衡算式并求解。说明：按照基本步骤，养成说明：按照基本步骤，养成规范化规范化的解题习惯，有助的解题习惯，有助于使解题思路清晰，避免出错。于使解题思路清晰，避免出错。