绪论化工原理.

2019/12/17绪论一、化工原理课程简介1.化工原理的研究对象2.化工原理的学科性质与研究方法3.化工原理的学习方法二、化工原理处理问题的方法1.物料衡算2.能量衡算3.平衡与速率三、单位与单位制2019/12/172019/12/17一、化工原理课程简介化学反应和若干个单元操作串联而成化工原理——研究各个独立的单元操作1.化工原理的研究对象——单元操作（UnitOperations）(1)单元操作的概念化工生产过程原料的预处理进行化学反应反应产物的分离与提纯单元操作原料的预处理反应产物的分离与提纯——化工生产中共有的物理操作2019/12/17单元操作的概念每个基本物理性操作都具有共同操作目的和物理原理或者说在通用的典型设备中进行的原理相同的物理性操作过程——单元操作2019/12/172）单元操作的特点①所有的单元操作都是物理性操作，只改变物料的状态或物理性质，并不改变化学性质。②单元操作是化工生产过程中共有的操作，只是不同的化工生产中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。③单元操作作用于不同的化工过程时，基本原理相同，所用的设备也是通用的。2019/12/173）单元操作的分类根据单元操作所遵循的基本规律，分为三类：•流体动力过程——遵循流体动力基本规律，用动量传递理论研究如：流体输送、沉降、过滤、固体流态化•传热过程——遵循传热基本规律，用热量传递理论研究如：传热、冷凝、蒸发等•传质过程——遵循传质基本规律，用质量传递理论研究如：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等2019/12/17•《化工原理》是化学工程与工艺专业学生必修的一门基础技术课程，其主要内容是介绍流体传送，传热、传质的基本原理及主要单元操作的曲型设备构造，操作原理、过程计算、设备设计计算、选型和实验研究方法。•是自上个世纪20年代后期发展起来的一门综合的基础性工程技术学科。2019/12/172.化工原理学科性质与研究方法1）学科性质——工程学科用自然科学的基本原理来分析和处理化工生产中的物理过程2）研究方法——工程方法因次分析法数学模型法参数综合法当量法类比法——直管湍流阻力——双膜模型的建立——过滤常数——当量直径、当量长度等——动量、热量、质量传递的类似律2019/12/173.化工原理的应用发展：如何根据某个物理或物理化学原理开发成为一个单元操作，寻本求源。选择：为了达到或实现某一工程目的，能否对过程和设备作合理的选择和组合。设计：对已掌握了性能的过程和设备作直接的设计计算以及对性能不十分掌握的过程和设备通过必要的试验，测取设计数据，做逐级放大。操作：如何根据基本原理发现操作上可能出现的各种不正常现象，寻找其原因及可能采取的调节措施。2019/12/17二、化工原理处理问题的方法1.物料衡算依据——质量守恒定律输入系统的物料质量等于从系统输出的物料质量和系统中积累的物料质量（以单位时间为基准）。AGGIG0——物料衡算的通式2019/12/17定态过程，积累为零。则：0GGI衡算的系统整个生产过程某一设备（或一部分）系统中的所有物料某一个组分衡算的对象例2019/12/17例：在两个蒸发器中，每小时将5000kg的无机盐水溶液从12％（质量％）浓缩到30%。第二蒸发器比第一蒸发器多蒸出5%的水分。试求：（1）各蒸发器每小时蒸出水分的量；（2）第一蒸发器送出的溶液浓度。解：首先画一个流程图表示进行的过程用方框表示设备，输入输出设备的物流方向用箭头表示，标出已知数椐和待求量。划定衡算的范围（1）为求各蒸发器蒸发的水量，以整个流程为衡算范围，用一圈封闭的虚线画出。2019/12/17选择衡算基准（连续操作以单位时间为基准，间歇操作以一批操作为基准）由于连续操作，以1小时为基准。蒸发器1蒸发器2x1W1W2F0=5000kg/hx0=0.12F1F2x2=0.32019/12/17确定衡算对象此题中有两个未知数，蒸发的水量及送出的NaOH溶液量F2，因此，我们就以不同衡算对象列出两个衡算式。对盐作物料衡算：2200xFxF对总物料作衡算：2125000WWF代入已知数据，得：23.012.05000FhkgF/20002hkgWW/300021由题意知1205.1WWhkgWhkgW/6.1536/4.1463212019/12/17（2）求第一个蒸发器送出的溶液浓度，选择第一个蒸发器为衡算范围。对盐作物料衡算：1100xFxF对总物料作衡算：110FWF代入已知数据，得：1112.05000xF14.14635000F解得：hkgF/6.35361%97.161697.01x2019/12/172．热量衡算依据：能量守恒定律即任何时间内输入系统的总热量等于系统输出的总热量与损失的热量之和。LQQIQ0——热量衡算通式或写成LIQwHwH0)()(2019/12/17热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，也必须首先划定衡算范围及衡算基准。此外应注意焓是相对值，因此必须指明基准温度，习惯上选0℃为基准温度，并规定0℃时液态的焓值为零。3.过程的平衡和速率①平衡问题过程的平衡问题是说明过程进行的方向和所能达到的极限。平衡是一个动态的平衡。例2019/12/17②速率过程的速率表示为：过程的速率＝推动力／阻力推动力：过程所处的状态与平衡状态的距离，阻力：过程的阻力是各种因素对速率影响的总的体现。过程的速率是指过程由不平衡到平衡进行的快慢。2019/12/17例：在换热器里将平均比热为3.56kJ/（kg·℃）的某溶液自25℃加热到80℃，溶液流量为1.0kg/s，加热介质为120℃的饱和水蒸气，其消耗量为0.095kg/s，蒸气冷凝成同温度的饱和水排出。试计算此换热器的热损失占水蒸气所提供热量的百分数。解：根据题意画出流程图换热器120℃饱和水蒸气0.095kg/s120℃饱和水0.095kg/s1.0kg/s25℃溶液80℃溶液1.0kg/s2019/12/17基准：1s在图中虚线范围内作热量衡算从附录查出120℃饱和水蒸气的焓值为2708.9kJ/kg，120℃饱和水的焓值为503.67kJ/kg。在此系统中输入的热量：21QQIQ蒸气带入的热量：kwQ3.2579.2708095.01溶液带入的热量：kwQ8902556.30.12kwIQ3.346893.257输出的热量：43QQQO2019/12/17冷凝水带出的热量：kwQ8.4767.503095.03溶液带出的热量：kwQ8.28408056.30.14kwQQQ6.3328.2848.47430根据能量衡算式，有：LIQQQ0kw.kw..QQQIL713633233460热量损失的百分数=%54.68.473.2577.132019/12/17三、单位及单位制1.单位及单位制基本量：任意选定的几个独立的物理量(如长度,时间等)。基本单位：基本物理量的单位。导出量：根据物理量与基本量物理之间的关系导出的量。导出单位：导出量的单位称为导出单位，均由基本单位相乘、除而构成的。单位制：基本单位与导出单位的总和。2019/12/17物理单位制：基本单位：长度cm质量g时间s工程单位制：基本单位：长度cm力kgf时间sSI单位制：基本单位有7个，化工中常用的有5个：长度m、质量kg、时间s、温度K、物质量mol2．单位衡算已知1atm=1.033kgf/cm2,将其换算成N/m2。按题意需将kgf/cm2中的kgf单位换算成N，cm2换算成m2,查附录：换算关系为：2019/12/171kgf=9.81N，1cm=0.01m上述关系代入，得：2522/10013.101.081.9033.1033.1mNmNcmkgf3．单位的正确运用理论公式：根据物理规律建立的，反映各有关物理量之间的关系，又叫物理方程。具有单位一致性，只要采用同一单位制的单位来表示各物理量即可。2019/12/17经验公式：根据试验结果整理出来的，反映各有关物理量的数字之间的关系，又叫数字公式。公式中所用的单位一般都是指定的，在计算中只要将数字代入，算出结果，然后加上规定的单位就行了。如安托尼公式。2019/12/174、量纲（因次）式也简称量纲或因次表示物理量的单位与基本量单位之间的关系基本量量纲：为其本身，用单一符号表示。导出量的量纲：为表达式。量纲一致性方程：任何一物理方程，等号两边不仅数值相等且各项的量纲也必定相等。量纲为一的量：量纲表达式中所有指数为零的量，即量纲为1的量，其单位名称为一，符号为1。