化工原理专接本绪论new

化工原理UnitoperationsPrinciplesofChemicalEngineering本课程的内容化工原理(PrinciplesofChemicalEngineering)—单元操作(Unitoperations)化工过程常常包括原料预处理过程、反应过程和反应产物后处理过程等。200°C、150MPa常温、常压乙烯压缩机预热器反应器分离器粒化器常温、150MPa高压聚乙烯成品化工过程与单元操作化工生产过程的特点之一是步骤多。可分为：A以化学反应为主(在反应器中进行)。B单元操作。典型化工工业流程化工过程与单元操作单元操作的特点：物理性操作(状态、物理性质改变，化学性质不变)；化工过程中共有的操作(单元操作数目、名称、排列顺序各异)；某一单元操作的基本原理相同(某单元操作的设备往往是通用的，但有选型的问题)。单元操作的分类：动量传递：流体输送、沉降、过滤、离心分离、搅拌、固体流态化等。热量传递：加热、冷却、蒸发等。质量传递：蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等。这些单元操作的目的一般是将混和物分离，故又称为分离过程。化学工程学的任务：寻找其规律性的问题，使开发、设计、操作减少盲目性，提高经济效益“化工原理”课程的两条主线(1)实验研究方法(2)数学模型方法，即半理论半经验的方法研究工程问题的方法论是联系各单元操作的另一条主线。以单元操作为内容，以传递过程和研究方法论为主线组成了“化工原理”这一门课。研究方法的发展经验放大相似论因次分析数学模型法各种化学工程研究方法的基础是实验工作实验研究方法（经验法）该方法一般用因次分析和相似论为指导，依靠实验来确定过程变量之间的关系，通过无因次数群（或称准数）构成的关系式来表达。是一种工程上通用的基本方法。数学模型法（半经验半理论方法）该方法是在对实际过程的机理深入分析的基础上，在抓住过程本质的前提下，作出某种合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得出数学模型。通过实验确定模型参数。如果一个物理过程的影响因素较少，各参数之间的关系比较简单，能够建立数学方程并能直接求解，则称为解析法。实验设计测试数据分析与处理过程分析简化过程数学描述参数测定及实验的验证研究方法：实验法→数学模型（半理论半经验）→研究方法总结纯理论——数学分析数学模型法——半理论半经验因次分析法——经验方法化工原理课程所回答的问题如何根据各单元操作在技术上和经济上的特点，进行“过程和设备”的选择，以适应指定物系的特征，经济而有效地满足工艺要求。如何进行过程的计算和设备的设计。在缺乏数据的情况下，如何组织实验以取得必要的设计数据。如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。绪论内容概述教学安排及参考书▉课程的内容▉课程的发展▉课程的教学目的▉基本概念▉单位换算及单位制▉介绍化工原理课程的发展及与邻近学科的关系课程的发展及与邻近学科的关系化工原理是化学工程学的一个重要分支，与化学工程学的发展密切相关。工程学科的形成源于工业生产。19世纪末，逐步形成以产品划分的各种化工产品的工艺学。1915年，化学工程的先驱A.D.Lihle在向MIT提交的一份报告中提出“单元操作”的概念。1922年，在美国化学工程师年会上，“单元操作”的概念被法定认可。1923年，MIT教授W.H.Walker等人写了第一部关于单元操作的书——Principlesofchemicalengineering。从化工生产工艺中抽象出各种单元操作，即从特殊性中总结出普遍性，是认识上的一个飞跃。对化学工程学的形成和发展起了重要推动作用，并促进了化学工业的发展。课程的发展及与邻近学科的关系1960年，威斯康星大学的Bird等人将动量、热量和质量传递过程合并，编写了Transportphenomena一书，是工程学科的基础。与此同时，化学反应工程学形成与发展。至此，化学工程学学科发展到了“三传一反”的较完整阶段。20世纪60年代末，形成了化工系统工程学，同时发展了过程动态学与控制论。丰富与发展了化学工程学的内容。化学工程学的发展自19世纪下半叶至本世纪初G.E.Davis和W.H.Walker等人奠定化学工程学科的百年来。化学工程学：单元操作的提出→“三传、一反”的产生→化工热力学、传递工程、反应工程、化工系统工程→高分子化工、生物化工、材料化工、能源化工、环境化工、精细化工等。绪论内容概述教学安排及参考书▉课程的内容▉课程的发展▉课程的教学目的▉基本概念▉单位换算及单位制▉介绍化工原理课程的性质及教学目的课程的性质和目的化工原理课程是化学工程、化工工艺类及相近专业必修的主干技术基础课。本课程以传递过程理论为基础，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若干“单元操作”为对象，研究和考察化工生产过程中被处理物料的质量、动量和能量传递的基本规律，考察、解释和处理工程实际问题，通过理论解析和在理论指导下的实验研究方法，培养学生运用化学工程的基本原理去分析和解决化工生产过程中出现的各种实际问题的能力、动手操作能力与工程观念。本课程强调创新意识与创新能力的培养，强调定量计算和工程设计能力的训练，强调理论和实际相结合与实事求是的工作作风。通过本课程学习，促使学生达到能独立运用本课程所学知识分析和解决化工生产过程中出现的各种工程实际问题，能独立完成化工单元操作与设备的工艺计算、设计与选型工作，能独立完成化工单元过程的实验操作与实验设计，并为后续专业课程的学习打下良好的基础。选算过程与设备的选择过程的计算和设备的设计用如何操作和调节以适应生产的要求化工原理课的教学目的你们是德、智、体全面发展，据有良好的学科素养，掌握了化学基本理论、基本知识和基本技能，并受到基础研究和应用研究初步训练的化学专门人才。你们将从事的工作：科研部门、高校、厂矿企业、事业单位、行政部门等。由此可知不论你们从事基础研究还是应用研究或开发性工作，都需要具备化学工程的基本知识和概念。学习该课程的目的是使你们获得一定的化学工程概念、知识和方法，了解化学工业的实践与发展等慨况，提高工程技术方面的素养，开拓你们以后自身工作领域的思路，并使你们具有更强的适宜能力和工作能力。绪论内容概述教学安排及参考书▉课程的内容▉课程的发展▉课程的教学目的▉基本概念▉单位换算及单位制▉三种衡算平衡关系过程速率三种衡算动量衡算——牛顿第二定律热量衡算——能量守恒(焦耳Joule)质量衡算——物质不灭(拉瓦锡Lavoisier)1、物料衡算根据质量守恒定律，任何一个化工生产过程F=d+AF──输入物料质量的总和，kgd──输出物料质量的总和，kgA──积累在过程中的物料质量，kg此式是物料衡算的通式，可对总物料或其中某一组成列出物料衡算式，进行求解。基本概念例1解：各股物系的流程图如附图所示，计算基准取1，由于是连续稳定操作，总物料衡算式为F＝V＋W溶质衡算式为FxF=Wxw由此两式解得W=（xF/xw）F，V=（1-xF/xw）F例1附图用连续操作的蒸发器把含盐浓度为（质量分率）的衡盐水溶液蒸发到浓度为（质量分率）的浓盐水溶液，每小时衡盐水溶液的进料量为Fkg。试求每小时所得浓盐水溶液量W及水分蒸发量V各为多少。2、能量衡算根据能量守恒定律，在任何一个化工生产过程中，凡向该过程输入的能量必等于该过程输出的能量。在许多化工生产中所涉及的能量仅为热能，所以本课程中能量衡算简化为热量衡算：QF=QD+qQF––输入该过程的各物料带入的总热量,JQD––输出该过程的各物料带出的总热量,Jq––该过程与环境交换的总热量，当系统向环境散热时为正，称为热损,J通过热量衡算，可以了解在生产操作中热量的利用和损失情况，而在生产过程与设备设计时，利用热量衡算可以确定是需要从外界引入热量或向外界输出热量的问题。基本概念物料衡算计算步骤及要点：1、物流图2、确定衡算体系（某设备、车间、整个工厂）3、确定衡算基准；4、确定着眼物料；5、列衡算方程能量守衡关键：1、物流图2、划定系统3、确定衡算基准4、确定着眼物料5、选定基准温度：0℃基准温度（焓值是相对值）6、列衡算方程7、有反应发生的要考虑反应热。例一、每小时将1000kg含20％（质量分数，下同）某种盐水溶液送至蒸发器内，用水蒸气加热使之气化，蒸出一部分水汽，由蒸发器顶部排出。溶液被浓缩到50％后，由结晶器底部取出产品P，结晶器内含无机盐37.5％的母液R送回蒸发器与原料液合并进入蒸发器再蒸发，试求：1、每小时由蒸发器蒸出的水气量W及由结晶器排出的产品P。可以不考虑结晶产品表面附着的母液：2、每小时由结晶器排出的母液量R由蒸发器排出的浓溶液量B；3、进入蒸发器的混合液（原料液与母液）中的浓度。蒸发器结晶器原料液浓溶液B结晶产品P冷水循环液水气W加热蒸气例题解答：一、解：F=1000kg/hr,a=20％求：(1)w,P(2)R,B(3)M(1)、求W、P大体系物料衡算：P=208.3kg/hw=791.7kg/h(2)以局部为着眼点，划定衡算范围：以右为基准：R＝766.5kg/hB=766.5+208.3=974.8kg/h或以左部分为衡算范围：（3）以局部点为衡算范围：1000＋R＝M＝1000＋766.5=1766.51000·20%+766.53·7.5%=M·x%x%=200+287.4/1766.5=27.6%1000=W+P100020%=W0+P96%总物料盐份物料水，WB，50%1000kg/h96%37.5%,R例二、系统能量衡算：采用本题附图所示的蒸发器，每小时将2000kg水溶液，从含固体5％（质量分数，下同）浓缩至30％。已知在操作条件下溶液在蒸发器内的沸点为78℃，水的汽化热为2319.5KJ/kg.原料液温度为20℃，比热容为4KJ/(kg·℃)。加热蒸汽压强为200kPa,冷凝水于热蒸汽的饱和，温度下排除，热损失为1000W，忽略溶液的稀释热，浓溶液在蒸发器操作沸点下排出，水蒸气于75℃时离开蒸发器，试求每小时加热蒸汽消耗量。加热蒸汽水蒸汽原料液2000kg/h冷凝水30％溶液例2、热量衡算：已知溶液沸点：78℃γ＝2319.5kg/kgH=2633.5kg/kg进料：T0＝20%CP0＝4kJ/kg·℃浓缩液：CP1＝4.19kJ/kg·℃加热蒸汽：P＝200Pa,冷凝水：饱和温度Q损＝10000W。(1)先求物流量：（流量，1hr）2000=w+R，2000×5%=w×0+30%×R则w=1666.7kg/h，R=333.3kg/h(2)热量衡算：QF＋QD＝Qw+QR+QP+Q损以0℃为基态，求焓值：①QF＝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损：＝(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过程的平衡与速率过程的平衡问题过程进行的方向和所能达到的极限化工热力学研究的领域过程的速率过程进行的快慢阻力推动力过程的速率流动阻力压差流动速率传热阻力温度传热速率传质阻力浓度差吸收速率3、平衡关系物系在自然界发生变化时，其变化必趋于一定方向，如果任其发展，结果必达到平衡关系为止。平衡状态表示的就是各种自然发生的过程可能达到的极限程度，除非影响物系的情况有变化，否则其变化的极限是不会改变的。一般平衡关系则为各种定律所表明，如热力学第二定律，拉乌尔定律等。在