化工原理实用

化工原理西南科技大学城市学院过控07级第一册主讲：廖义中(助教高等化学教育硕士)时间安排：第四周～十八周内容安排：详细讲解：第一章～第四章阅读内容：第五章答疑时间：随时恭候答疑地点：土木系办公室参考教材：谭天恩《化工原理》无机化学分析化学有机化学物理化学应用化学高分子化学教育化工生产合成氨硫酸制造氯碱工业石油化工制糖业制漆业电镀业水泥、玻璃制造业化学家化工专家化工原理传递过程反应工程（还有：分离工程、化工热力学、系统工程）科学实验天津化工厂川化集团简介川化集团有限责任公司（原四川化工厂）始建于1956年，经过四十多年的发展，已成为一个以生产化肥和化工原料为主的综合性特大型化工企业，是全国18个大型化工基地之一。公司地处四川省成都市青白江区，距成都市区约30公里，距成都双流国际机场约60公里，均高速公路直达。厂区专用铁道与宝成铁路青白江站接轨，厂区公路与成绵高速公路、川陕公路接道。公司拥有川化股份有限公司、川化永达建设工程有限责任公司、川化润嘉置业有限责任公司、成都望江化工厂、深圳荣生化工有限公司等５家全资、控股子公司和中外合资企业川化味之素有限公司、川化青上有限公司。公司现有在册职工7350人（其中各类专业技术人员1020余人），资产总额25亿元，占地220公顷，生产57种100多个型号的产品，是我国目前最大的合成氨、氮肥生产企业之一及最大的三聚氰胺和赖氨酸生产企业。公司以其规模优势、技术优势、管理优势、人才优势和地域优势，在全国化工行业中处于领先水平。＂川化＂（ｓｃｗ）这一企业品牌和＂天府牌＂商标，在国内外享有较好知名度和声誉，产品畅销全国各省、市、自治区，部分产品还远销国外。公司先后荣获＂全国产品质量优秀企业＂、＂全国环保先进企业＂、＂全国五一劳动奖状＂、＂中国企业管理杰出贡献奖＂、＂全国精神文明建设工作先进单位＂、＂全国先进基层党组织＂等称号。川化集团生产场景第一章绪论Introduction一、化工生产过程与单元操作1、化学工业所谓化学工业，是将原料以工业规模用化学方法生产新的物质过程，化学工业包括多种门类的工业，如基本化工原料的制备、染料、医药、油漆、涂料、农药、塑料、化肥、感光材料、化学试剂、洗涤剂、制冷剂等生产，石油工业、冶金工业、食品工业、燃料工业、皮革工业、陶瓷工业、玻璃工业、合成橡胶工业以及铀的浓缩提取等都属于化学工业范畴2、化工生产过程化工产品生产过程是由两大部分组成的，即核心部分和辅助部分。核心为化学反应过程，辅助部分为前、后处理过程。举例：聚氯乙烯塑料的生产（乙炔法）基本原理----化学反应原料预处理化学反应产品分离提纯化工产品的生产过程3、单元操作化工单元操作是化工原理的主要研究领域，是在化学工业生产中具有共同的物理变化特点的基本操作，是由各种化工生产操作概括得来的。专题一：单元操作单元操作的概念单元操作的特点（下页）只改变物料的状态或其物理性质,而不改变其化学性质;都是化工过程中共有的操作,但不同的化工过程包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异某单元操作作用于不同的化工过程，其基本原理并无不同，进行该操作的设备往往也是通用的精馏、吸收、干燥、吸附和膜分离单元操作种类（P2）流体的输送与压缩过滤、沉降加热冷却蒸发动量传递热量传递（传热）质量传递（传质）化工产品生产过程：“三传一反”过程单元操作过程进行的方式间歇操作：不稳定操作连续操作：稳定操作U——操作中物料组成、温度、压强等参数二、本课程的任务、性质和内容1、任务：研究各化工单元操作的基本原理、典型设备的构造及工艺尺寸的计算或造型，并能用以分析和解决工程技术中的一般问题。2、性质：化工原理是化工类、轻工、医药类专业学生的技术基础课，是一门应用性学科。本门课程讲解的思路化工各单元操作基本原理遵循规律数学关联式工艺计算工艺尺寸三、单位及单位换算1、单位与单位制⑴物理量=数字×单位导出单位：由基本单位派生出的单位，如速度单位m/s，加速度单位m/s2等。基本单位：基本物理量的单位，例长度m，质量㎏等单位绝对单位制（物理单位制）C.G.S.科学实验cmsg基本单位长度时间质量力M.K.S.工程实际mskg工程单位制mskgfSI制（国际单位制)：七个基本单位：长度m，时间s，质量kg，热力学温度（Kelvin温度）K，电流单位A，发光单位cd（烛光），物质的量mol2、单位换算*理论公式（物理量方程）——是根据物理规律建立的公式，例如牛顿第二定律**经验公式（数字公式）——根据实验数据整理得来的公式3、物理量单位方程的换算化工中常用的单位间的换算因数可从本书附录中查得。以压强为例：四、物料衡算及能量衡算1、物料衡算（质量衡算）进料出料累积输入物料质量的总和（kg）＝输出物料质量总和（kg）＋积累在该过程的物料质量（kg）2、能量衡算在物料衡算的基础上进行能量衡算输入能量输出能量热损失随物料进入系统的总热量＝随物料离开系统的总热量＋散失热量第一章流体流动§1.1.1、概述1、流体—液体和气体的总称流体特点流动性，即抗剪抗张能力都很小无固定形状，随容器的形状而变化在外力作用下流体内部发生相对运动2、流体研究方法1）提出“流体质点”概念：含有大量分子的流体微团。流体质点成为研究流体宏观运动规律的对象。2）提出“流体连续性假设”：假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质。可从宏观的角度研究流体的流动规律，摆脱了复杂的分子运动。（即连续介质模型）3、流体流动规律是本门课程的重要基础，这是因为：（1）流体的输送管路的设计、输送机械选择及所需功率的计算。（2）压强、流速及流量的测量了解和控制生产过程，压强、流量及流速等一系列的参数进行测量（3）为强化设备提供适宜的流动条件强化传热、传质过程*本章讨论重点流体流动过程的基本原理流体在管内的流动规律分析和计算流体的输送问题第一节流体静力学及其应用流体静力学研究内容：研究流体在外力作用下处于平衡的规律。本节内容：流体在重力和压力作用下的平衡规律。（实际上就是受力分析）§1.1.1、流体的密度和比容1、流体的密度：单位体积的流体所具有的质量。定义：单位：流体中某点密度：流体中根据密度随压强变化情况流体不可压缩流体:液体被视为不可压缩流体，其密度只与温度有关。可压缩流体：气体是可压缩流体。一般在压强不太高，温度不太低的情况下，可以按理想气体处理。专题：混合物密度的确定原则液体混合物：按理想溶液各组分混合前后体积不变气体混合物：理想气体各组分混合前后质量不变对于液体，混合物组成常用组分的质量分数表示(xi)，对于气体，混合物组成常用体积分数(yi)表示。混合液密度：xi—组分i的质量分数ρi—组分i的密度理想混合气体密度：其中yi—组分i的体积分数2、流体的比容密度的倒数，即单位质量流体所具有的体积。定义：单位：3、比重定义：§1.1.2、流体的静压强与方程1、定义：流体垂直作用于单位面积上的静压力。（法向力）单位某点的静压强2、压强的单位SI制：Pa习惯使用单位：液柱高度换算关系：３、液体压强的表示方法基准：绝对真空(零压)和大气压强绝对压强：以绝对真空(零压)为基准量得的压强相对压强：以大气压强为基准量得的压强，表示为表压或真空度。具体换算见P8表压=绝对压强—大气压强真空度=大气压强—绝对压强=-表压需要记住以下常用数据：34.10101330][1Paatm=1.033工程大气压＝760[mmHg][SI单位]m水柱小结：（1）《化工原理》的主要内容（2）单元操作（3）流体的物性参数：密度、比重、比容§1.1.3流体静力学基本方程式Z1Z212静止液体内的压强分布研究的目的：了解流体在重力和压力下的平衡规律，讨论静止流体内部压力的变化规律ZyxdZZppPdxdydz微元流体的静力学平衡（1）重力；（2）作用于上底面积的压力：（3）作用于下底面积的压力：由于液柱静止，故：gdxdydzdxdydzzpp)(pdxdyoFzZyxdZZppPdxdydz分析：在Z轴上，作用于该立方体上的力0)(gdxdydzdxdydzxpppdxdy0gzpZ轴方向力的平衡式：X轴方向力的平衡式：0xpy轴方向力的平衡式：0yp流体平衡微分方程同理，仅考虑重力得：将上式分别乘以dz、dx、dy，并相加各式gdzdzzpdyypdxxp0gdzdp不可压缩流体.const.constgzp分析见P9，1-2式的由来流体静力学的基本方程式，表示重力作用下静止液体内部压强的变化规律。(该方程亦适用于气体）推论：静止流体中任意两点间的压强为：2211gzpgzp如液面压强为P0,则静止液体内任一点压强为：ghpp0Ｐ0即为表压说明：(1)上式仅适用于重力场中静止的不可压缩流体。但对于气体若压强变化不大，密度可近似取平均值而视为常数，则上式亦可使用(2)静止流体内部静压强仅与垂直位置有关，而与水平位置无关。水越深压强越大，天空越高气压越低。(3)等压面：静止的，连续的同一流体内处于同一水平面上的各点压强处处相等。ghpp0§1.2.4流体静力学基本方程式的应用一、压强与压强差的测量（一）U管压差计P11a–a/为等压面/aapp)(1RmgppBagRmZgppABa)(2/gRppBA)(21说明：如U管的一侧与大气相通，则所测的数值为该截面处流体的表压强（二）微差压差计（双液柱压差计）特点：（1）压差计内装有两种密度相近且不互溶的指示液A和C，而C与被测流体B亦不互溶。（2）U管两侧顶端臂顶端各装有扩大室gRppcA)(21二、液位的测量:测定液位的仪表叫液位计，大多数液位计的作用原理均遵循流体静力学原理。三、液封高度的计算:化工生产中常遇到设备的液封问题。液封高度的确定是根据流体静力学来计算得出。21pp流体静力学方程应用举例（P10例题1-1、1-2）【例1-1】U型管压差计测量蒸汽锅炉水面上方的蒸汽压，如图1-15所示，U型管压差计的指示液为水银，两U型管的连接管内充满水。已知水银面与基准面的垂直距离分别为：mhmhmhmhmh3,4.1,5.2,2.1,3.254321大气压强mmHgPa7450P。试求锅炉上方水蒸汽的压强)()()()()4()3()2()1()4()()3()()2()()1()()4()()3()()2()()()1()(45234321'''''45'43'23'214543232321'hhhhghhhhgpphhgpphhgpphhgpphhgpphhgpphhgpphhgPhhgpphhgppHgaoAoHgBACBHgacoAHgBABgcHgac水水水水水水得：式][1064.3)]4.13()2.15.2[(81.91000)]4.15.2()2.13.2[(81.9136001013307607455Pa第三节流体在管内的流动(Fliud-FlowPhenomena)1.3.1流量与流速1、流量：单位时间内流过管道内任一截面的流体体积；体积流量Vs，m3/s质量流量ws，㎏/sws=Vs·ρ2、流速：单位时间内流体在流动方向上所流过的距离，m/s.实验证明流体流经管道任一截面时，流速沿径向方向各不相同；管中心：r=0，ur=umax；管壁处：r=R，ur=0；呈下图所示分布：管内任一截面处流速的分布情况u——平均流速A—与流动方向相垂直的管道横截面积㎡以后如不特别加以说明，流体的流速指的是平均流速，而不是点流速。u=Vs/Am/s；3、质量流速G：单位时间内流体流过管道截面积的质量，㎏/㎡·s平均流速G=Ws/A=Vs·ρ/A=u·ρ通常,管道为圆管时：此式关联了Vs，u，d三者，