化工原理绪论PPT.ppt

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1、绪论绪论 INTRODUCTION一、化工过程与单元操作一、化工过程与单元操作1.化工过程（化学工业过程）：化工过程（化学工业过程）：由若干物理过程和若干化学过由若干物理过程和若干化学过程组成的工业过程，或将原料改变或分离成有用产品的工业程组成的工业过程，或将原料改变或分离成有用产品的工业过程。过程。2单元操作：单元操作：化工过程中不含化学反应物理过程。化工过程中不含化学反应物理过程。3化学过程：化学过程：含有化学反应的过程。含有化学反应的过程。4化工原理：化工原理：以单元操作为研究对象的一门技术科学。以单元操作为研究对象的一门技术科学。15.化学反应工程化学反应工程：以化工过程中化学过程作为

2、研究对象的一：以化工过程中化学过程作为研究对象的一门技术科学。门技术科学。6.化学工程化学工程：研究化工过程共性规律的一门技术科学。主要：研究化工过程共性规律的一门技术科学。主要由化工原理和化学反应工程两个分支组成。由化工原理和化学反应工程两个分支组成。（另外还有化工传递过程原理和化工热力学及（另外还有化工传递过程原理和化工热力学及化工系统工程三个分支）化工系统工程三个分支）7.（过程）过程）：物系状态发生变化的经过：物系状态发生变化的经过。8.（物系）物系）：作为研究对象的物质：作为研究对象的物质。2二、本课程的内容、性质及任务二、本课程的内容、性质及任务1.1.内容：内容：流体流动过程流体

3、流动过程(传动过程传动过程)：流体输送、沉降、过滤、流体输送、沉降、过滤、(流态化流态化)等。等。单元操作单元操作 传热过程：传热过程：(热交换热交换)、(蒸发蒸发)等。等。传质过程：传质过程：蒸馏、吸收、蒸馏、吸收、(萃取萃取)、(干燥干燥)、(结晶结晶)等。等。2 2性质：性质：（技术基础课或专业基础课或技术科学）（技术基础课或专业基础课或技术科学）基础课基础课专业基础课专业基础课专业课专业课基础科学基础科学技术科学技术科学工程技术工程技术基础课基础课技术基础课技术基础课应用技术应用技术3 3任务：任务：培养学生发现、分析、解决单元操作中各种问题的能力。培养学生发现、分析、解决单元操作中各

4、种问题的能力。(1)介绍三传的基本原理。介绍三传的基本原理。(2)介绍主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型、设计及介绍主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型、设计及实验研究方法。实验研究方法。（3）培养学生发现、分析、解决单元操作中各种问题的能力。）培养学生发现、分析、解决单元操作中各种问题的能力。3单单元操作元操作目的目的物物态态原理原理传递过传递过程程液体液体输输送送输输送送液或气液或气输输入机械能入机械能动动量量传递传递搅搅拌拌混合或分散混合或分散气气-液；液液；液-液；固液；固-液液输输入机械能入机械能动动量量传递传递过滤过滤非均相混合物分离非均相混合物分离液液-

5、固；气固；气-固固尺度不同的截留尺度不同的截留动动量量传递传递沉降沉降非均相混合物分离非均相混合物分离液液-固；气固；气-固固密度差引起的沉降运密度差引起的沉降运动动动动量量传递传递加加热热、冷、冷却却升温、降温，改升温、降温，改变变相相态态气或液气或液利用温度差利用温度差传传入或移出入或移出热热量量热热量量传递传递蒸蒸发发溶溶剂剂与不与不挥发挥发性溶性溶质质的分离的分离液液供供热热以汽化溶以汽化溶剂剂热热量量传递传递气体吸收气体吸收均相混合物分离均相混合物分离气气各各组组分在溶分在溶剂剂中溶解度中溶解度的不同的不同热热量量传递传递液体精液体精馏馏均相混合物分离均相混合物分离液液各各组组分分间

6、挥发间挥发度的不同度的不同质质量量传递传递萃取萃取均相混合物分离均相混合物分离液液各各组组分在溶分在溶剂剂中溶解度中溶解度的不同的不同质质量量传递传递干燥干燥去湿去湿固体固体供供热热汽化汽化热热、质质同同时时传递传递吸附吸附均相混合物分离均相混合物分离液或气液或气各各组组分在吸附分在吸附剂剂中的吸中的吸附能力不同附能力不同质质量量传递传递表表1 1 化工常用单元操作化工常用单元操作4单元操作共同特点：单元操作共同特点：1、是化工生产过程中的共有操作，但不同的化工生、是化工生产过程中的共有操作，但不同的化工生产过程中，单元操作的数量、类型、顺序各异。产过程中，单元操作的数量、类型、顺序各异。2、

7、都是物理操作。、都是物理操作。3、对于不同化工产品生产时，基本原理相同。、对于不同化工产品生产时，基本原理相同。4、均以三传理论为基础，有时会涵盖两种以上的传、均以三传理论为基础，有时会涵盖两种以上的传递理论。递理论。5三、物理量的单位与量纲三、物理量的单位与量纲1 1单位：单位：计量中作为记数单元所规定的标准量。2 2单位单位(计量计量)制度：制度：由基本单位和导出单位组成的一系列计量单位的总称。3.3.单位制分类及简史单位制分类及简史 英单位制(FPS)单位制 物理单位制(CGS)国际单位制(SI)（含我国的法定单位制）工程单位制（重力制）6 世界上普遍使用的计量（单位）制度有两个。一个是

8、世界上普遍使用的计量（单位）制度有两个。一个是10世纪初由英国世纪初由英国人创立的人创立的Foot-Pound-Second Measurement System，简称简称英制英制(FPS)；另另一个是一个是18世纪末由法国人发展的世纪末由法国人发展的Centimeter-Gram-Second Measurement System，简称简称物理制物理制(CGS)。后来工程界将物理制发展为后来工程界将物理制发展为Meter-Kilogram-Second Measurement System，简称简称米制米制(MKS)。1960年第十一届国际计量大会对米制进行了规范化，建立了年第十一届国际计量

9、大会对米制进行了规范化，建立了International System of Units，简称简称国际制国际制(SI)。工程制是工程界在米制工程制是工程界在米制基础上发展起来的。基础上发展起来的。国际制以长度、质量、时间为基本量，以米、千克质国际制以长度、质量、时间为基本量，以米、千克质量、秒为相应的基本单位，而工程制以长度、力、时间为基本量，以米、量、秒为相应的基本单位，而工程制以长度、力、时间为基本量，以米、千克力、秒为相应的基本单位千克力、秒为相应的基本单位。一千克力定义为一千克质量的物体在北纬一千克力定义为一千克质量的物体在北纬45o海平面上所受的重力，根据牛顿第二定律，可知一千克力等

10、于海平面上所受的重力，根据牛顿第二定律，可知一千克力等于9.80665牛顿。我国目前市场上使用的市制牛顿。我国目前市场上使用的市制(MS,Market System)是在米制基础上对是在米制基础上对我国旧市制进行修改而形成的。我国旧市制进行修改而形成的。7 1959年我国政府正式确定米制为我国的基本计量制度，年我国政府正式确定米制为我国的基本计量制度，1977年国务院计量管理条例规定：年国务院计量管理条例规定：“我国的基本计量制度我国的基本计量制度是米制，逐步采用国际制是米制，逐步采用国际制”。1984年又发布命令，确定我年又发布命令，确定我国统一实行以国际制为基础，并包括由我国指定的若干非国

11、统一实行以国际制为基础，并包括由我国指定的若干非国际制单位在内的中华人民共和国法定计量单位制度，国际制单位在内的中华人民共和国法定计量单位制度，简称简称法定制法定制。84 4单位换算：单位换算：将换算关系代入原单位中即可进行单位换算将换算关系代入原单位中即可进行单位换算同一物理量用不同单位计量时，其数值是不同的，又由同一物理量用不同单位计量时，其数值是不同的，又由于目前常用的物理、化学数据和工程图表仍有许多使用物理于目前常用的物理、化学数据和工程图表仍有许多使用物理制和工程制，所以单位换算在化工计算中是非常重要的。制和工程制，所以单位换算在化工计算中是非常重要的。实践证明，单位换算时，不仅初学

12、者常常造成混乱，就实践证明，单位换算时，不仅初学者常常造成混乱，就是很有经验的人，如不遵守一定的规则，也会发生错误。是很有经验的人，如不遵守一定的规则，也会发生错误。n单位换算时，先从附录中查出换算关系，后将换算关单位换算时，先从附录中查出换算关系，后将换算关系代入原单位中即可进行单位换算。在化工计算中，系代入原单位中即可进行单位换算。在化工计算中，先用换先用换算关系将各物理量不同单位制的数值换算成同一种单位制的算关系将各物理量不同单位制的数值换算成同一种单位制的数值，然后再进行计算，就能避免差错数值，然后再进行计算，就能避免差错。95经验方程的换算经验方程的换算若已知物理量的单位与经验方程中

13、规定的单位不相符，若已知物理量的单位与经验方程中规定的单位不相符，则要将已知物理量的单位换算成经验方程中规定的单位后才则要将已知物理量的单位换算成经验方程中规定的单位后才能进行运算；若经验方程要经常使用，则可以将经验方程加能进行运算；若经验方程要经常使用，则可以将经验方程加以变换，使经验方程中各物理量采用计算者所希望的单位，以变换，使经验方程中各物理量采用计算者所希望的单位，这就是经验方程的换算。这就是经验方程的换算。由于经验方程中的符号只代表物理量的数值部分，所以由于经验方程中的符号只代表物理量的数值部分，所以只要只要让经验方程中的符号只代表数值部分，即可进行经验方让经验方程中的符号只代表数

14、值部分，即可进行经验方程换算程换算，例如：，例如：10如如Antoine蒸汽压方程蒸汽压方程：（物理量（物理量=数值数值 单位）单位）（数值转换关系）（数值转换关系）理论方程理论方程：以定义、定律为基础，经逻辑（演绎）推理而得的某些物：以定义、定律为基础，经逻辑（演绎）推理而得的某些物理量之间的关系。理量之间的关系。其重要意义在于其广泛的适用性，可以指导实践。其重要意义在于其广泛的适用性，可以指导实践。如如流体静力学基本方程：可以适用于任何静止流体。流体静力学基本方程：可以适用于任何静止流体。经验方程经验方程：以实验结果为基础，经数学拟合而得的某些物理量之间的：以实验结果为基础，经数学拟合而得

15、的某些物理量之间的关系。关系。其特点在于其专用性，可作为理论方程的补充。其特点在于其专用性，可作为理论方程的补充。当理论方程较复当理论方程较复杂时，可用经验方程简化计算；当没有理论方程时，可通过实验建立经杂时，可用经验方程简化计算；当没有理论方程时，可通过实验建立经验方程以满足工程应用的需要。验方程以满足工程应用的需要。如如Antoine蒸汽压方程：蒸汽压方程：只适用于特定的物质。只适用于特定的物质。115混合物浓度的表示方法混合物浓度的表示方法（1）物质的量浓度）物质的量浓度定义：物质的量浓度定义：物质的量浓度(amount concentration)是组分是组分i的物质的量的物质的量ni

16、除以混合除以混合 物的体积物的体积Vi，以符号，以符号Ci表示，即表示，即Ci=ni/Vi，简称：物质的浓度，简称：物质的浓度.单位：单位：Kmol/m3。（2）物质的量分数（摩尔分数）物质的量分数（摩尔分数）定义：定义：物质的量摩尔分数（物质的量摩尔分数（amount fraction）是组分）是组分i的物质的量的物质的量ni与混与混 合物的物质的量合物的物质的量n之比值。对于液体混合物，以之比值。对于液体混合物，以xi表示，即表示，即xi=ni/n。式中：式中：n混合物中各组分物质的量之总和，即混合物中各组分物质的量之总和，即n=n1+n2+=n。显然，混合物中各组分的摩尔分数之和等于显然

17、，混合物中各组分的摩尔分数之和等于1，即，即x1+x2+=xi=112（3）物质的质量浓度（）物质的质量浓度（mass concentration），），又称质量密度（又称质量密度（mass density）。）。定义：组分定义：组分i的质量的质量mi除以混合物的体积除以混合物的体积V，以符号，以符号i表示，即表示，即 i=mi/V。单位：单位：kg/m3。（4）物质的质量分数（）物质的质量分数（mass fraction）定义：组分i的质量mi与混合物的总质量m之比值，用符号i表示，即 i=mi/m。显然，混合物中各组分的质量分数之和等于1，即 i=1各种组成（浓度）之间的换算关系，列于教材

18、P6表0-5。13（5）摩）摩尔尔比比 定定义义表达式：表达式：摩摩尔尔比比X与摩与摩尔尔分数分数x之之间间的关系的关系为为：（6）质质量比量比定定义义表达式：表达式：X=mA/mB质质量比量比X与与质质量分数量分数的关系的关系为为：（删去下标（删去下标A）（删去下标A）146.气体混合物气体混合物组组成的表示方法成的表示方法（1）摩尔分数yi：yi=ni/n（2）压力分数：pi/p=ni/n（3）体积分数：i=Vi/V=ni/n对理想气体混合物中各组分有下列关系：摩尔分数摩尔分数=压力分数压力分数=体积分数体积分数理想气体理想气体：指分子本身没有体积，分子间没有作用力的气体。它在任何：指分子

19、本身没有体积，分子间没有作用力的气体。它在任何温度和压力下，均能服从气体状态方程温度和压力下，均能服从气体状态方程 PV=nRT，适合对低压气体进行计算。（4）气体混合物中组分i的浓度ci：（5）双组分气体混合物中组分的摩尔比Y：摩尔比摩尔比=分压力比分压力比=分体积比分体积比15量纲Dimension（1）定义：）定义：某类物理量B（可以相互比较的一类物理量）的量纲是该类物理量不同单位的统称，记为dimB。性质：若用符号L、M、T、I、N、J分别表示长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量、发光强度7个基本量的量纲，则导出量Q的量纲可用基本量量纲的组合来表示，即式中量纲指数（因次）。16

20、例如：若 ，则所以Q称为量纲为1的量，或称为无量纲量 量纲一致性原理：任何一个理论（物理）方程两边的量纲 必相等。17五、单元操作中常用的基本概念与研究方法五、单元操作中常用的基本概念与研究方法1.物料衡算（物料衡算（materialbanlance）依据质量守恒定律:输入量输入量-输出量输出量=累积量累积量对于连续操作的过程：输入量输入量=输出量输出量物料衡算可按下列步骤进行：物料衡算可按下列步骤进行：（1）首先根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表）首先根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。示，并标上已知数据与待求量。（2）在写衡算式之前

21、，要计算基准，一般选用单位进料量或排料量、）在写衡算式之前，要计算基准，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在较复杂的流程示意图上应时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。182.能量衡算能量衡算主要有机械能和热能。主要有机械能和热能。能量衡算的依据是能量守恒定律。能量衡算的依据是能量守恒定律。机械能衡算将在第一章流体流动中说明；机械能衡算将在第一章流体流动中说明；热量衡算也将在传热、蒸馏、干燥等章中结合具体单元操作有详细说明。热量衡算也将在传热、蒸馏、干燥等章中

22、结合具体单元操作有详细说明。热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。3.物系的平衡关系物系的平衡关系过程的平衡问题说明过程进行的方向和所能达到的极限。当过程不是处过程的平衡问题说明过程进行的方向和所能达到的极限。当过程不是处于平衡态时，则此过程必将以一定的速率进行。于平衡态时，则此过程必将以一定的速率进行。194.传递速率传递速率传递过程的速率和传递过程所处的状态与平衡状态的距离及其它很多因素有关。传递过程所处的状态与平衡状态之间的距离通常称为过程的推动力。通常存在以下关系式：过程速率过程速率=过程推动力过程推动力/过程阻力过程阻力5.经济核算经济核算效益是企业的命脉，经济核算是企业的核心工作。为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作费。费。因此，要用经济核算确定最经济的设计方案。20研究方法：研究方法：1、实验研究法、实验研究法2、数学模型法、数学模型法2122