化工原理_01概述

化工原理总之,我们的生活离不开化工原理,生活中处处有科学,学好科学是为了更好的生活1．学习目的通过学习，了解《化工原理》课程的研究内容、工程研究方法，课程特点及学习要求。掌握本课程经常使用的单位制及单位换算的方法以及衡算方程。2．本知识点的重点（1）单元操作的分类、理论基础及工程研究方法。（2）单位制度和单位换算。（3）物料衡算和能量衡算3．本知识点的难点本知识点无难点。【学习指导】绪论1.化工生产特点2.本课程的性质，内容及任务3.化学工业与本课程的发展情况4.单位制与单位换算5.物理量的因次问题6.关于系统的守恒定律（衡算方程）【教学内容】化学工业：将原料进行化学加工以获得有用产品的工业多行业性：从石油炼制、基本有机、无机化工到染料、医药、橡胶、塑料乃至冶金及食品等行业，均与化工生产有关。化工产品的多样性：无机产品103－104种有机产品已能人工合成的约200－250万种自然界已知存在的约300－400万种结论：由于这些产品的多样性，因此决定了化工生产的复杂性和特殊性。1.化工生产特点实例A、硝酸生产氨气…过滤…空气氧化…换热…压缩…氧化…吸收I…吸收II…浓硝酸B、硫酸生产硫铁矿…流化焙烧…换热…氧化…吸收I…吸收II…浓硫酸C、盐酸生产液体NaOH食盐…溶解…过滤…电解…………蒸发…结晶…固体烧碱H2Cl2燃烧…换热…吸收I…吸收II…浓盐酸共同性：从每条生产工艺线的纵向看：各工艺均由多种特定的操作步骤并有相应的设备。从各生产工艺的横向看：不同的工艺路线中常存在有相同的操作步骤及单体设备，相似的操作方法及操作条件。化工过程与单元操作化工过程－即化工生产过程。其核心是反应过程及设备。单元操作－指不包括化学反应的、组成化工生产过程或工艺的各个物理操作基本单元。单元操作是保证化工过程能够经济有效地进行的必要前提，其基本特点有三个，即：（Ⅰ）属于物理操作，其中不存在化学反应。（Ⅱ）这些单元在不同的化工生产工艺流程中普遍存在（Ⅲ）同一单元操作原理相同，设备相同或相近。化工过程与单元操作之间的关系多个单元操作与化学反应核心步骤组成一个完整的化工生产工艺流程。基本形式如下：（“……”表示能量、物料或质量总体流向）12…NN＋1…………MN个物理操作单元化学反应核心（M-N）个物理操作单元（物料预处理）（反应合成）（物料后处理或精制）单元操作的分类按操作单元的内在基本原理分类：1.以动量传递（流体力学）理论为基础的单元操作：流体输送、过滤、沉降、搅拌、流态化等；2.以热量传递理论为基础的单元操作：传热、蒸发等；3.以质量传递理论为基础的单元操作：吸收、精馏、萃取等；4.热、质同时传递过程：干燥、增湿等。5.以热力学为理论基础的单元操作：压缩、冷冻等。6.以机械力学为理论基础的单元操作：固体物料的粉碎、分级等。2.课程性质、内容和任务性质：介于基础课与专业课之间的桥梁课程－即技术基础课。内容与任务：主要研究各单元操作的基本原理，所用的典型设备结构，工艺尺寸设计和设备的选型从而达到如下目的：•找出描述过程规律的正确方法；•选择适当的设备来完成指定的单元操作任务；•根据过程规律，正确地设计相应的单元设备；•组织和管理生产，强化、调节或控制过程进行的程度。桥梁课程，是化工技术人员所必须熟练掌握的基本理论知识和专业技能课程的研究方法实验研究方法：如经验（逐步）放大法、因次分析法、相似性理论缺点：属于感性认识，反映的是事物的表象，所得结论不具有普遍的指导意义和推广价值。优点：简单，在内推的情况下保险可靠，故广泛采用。数学模型法：属于半经验、半理论方法，其特点是：•抓住了事物的主要矛盾，认识了过程的本质；•对次要矛盾予以了忽略，使复杂问题得到简化；•所得结论最终需要由实验检验和修正。课程的学习要求•单元操作和设备选择能力•工程设计能力•操作和调节生产过程的能力•过程开发和科学研究能力3.化学工业的发展情况远古时期：陶瓷制造、青铜器、铁器工具制造业出现；古代：火药、造纸、炼丹术、酿酒工艺出现；工业革命（18世纪）前后：染色、燃料工业出现；食盐制取纯碱新工艺出现，由此带动漂白粉及硫酸工业的发展；大规模火法冶金工艺出现，带动了炼焦、焦油蒸馏和染料、医药工业发展；开发了一些新的单元操作：吸收、过滤、结晶、干燥等。•20世纪20－30年代：以电石为原料的乙烯工业出现，有机化工正式形成；•30－40年代：石油、天然气得到开采，石油化工正式形成；•60年代前后：化学工业走向大型化、集团化，使经济性显著提高，促进了化工自动化的发展；•70年代：国外单一功能计算机在化工领域中的应用开始普及；•80年代以来：计算机由单功能向多功能过渡，化工生产及管理现代化，同时，在节能和降耗（成本）方面取得巨大效益。本课程的发展史•国外，在20世纪初首先提出“单元操作（UnitOperation）”概念；•20世纪20年代，国内外相继开设此课程，取名“化工原理”或“单元操作”；（1923年美国麻省理工学院的著名教授W.H.华克尔等人）•中国20世纪50年代后一段时间，改名“化工过程与设备”、“化学工程”或“基础化学工程”；•我国20时间70年代末80年代初，恢复“化工原理”名称，但仍保留了“基础化学工程”等名称。4.单位制与单位换算单位：描述某物理因素或物理量大小的度量衡。不同单位制产生的原因历史的原因：市制与公制；地域的原因：美制与英制；科学领域的原因：天文制与一般学科单制。如光年、秒、毫微秒等SI制（国际单位制）基本单位单位制长度[L]时间[T]质量[M]温度[t]电流[I]光强[B]绝对制（物理制）cmmssgkg℃℃工程制（重力制）ms力[F]kgf国际制(公制SI制)mskg物质量molKACd使用SI制的优点通用性：各学科领域的一切其他物理量均可由其导出单位；比例系数的归一性：由此单位制所导出的其他任一物理量其比例系数均为1；例如：1kg×1m/s2=1N1N×1m=1J1J/1s=1W本课程及相应计算建议并推荐使用SI制。单位换算及计算中的一般方法、注意点•计算中应先确定所采用的单位制；•将公式中各物理量先换算成所选用的单位制表示；•将换算后的物理量代入公式计算；•计算结果用所采取的单位制表示。5.物理量的因次问题因次的概念：因：即（影响某个过程的）物理因素，亦称因子。次：因子的幂次。例如：在公式s=at2/2中，t即为影响s的因素，其幂次为2，[θ]2。因子的用途：1.检验计算中公式的正确性－因次一致性原则；2.在采用一定的单位制计算时，确定计算结果的单位制；3.分析整理实验数据，归纳经验公式－因次分析法总结关联公式。6.关于系统的守恒定律（衡算方程）衡算总原则：质量守恒、能量守恒及动量守恒定律适用于任何考察体系，其一般表达式为：进入系统的量I＝离开系统的量E＋系统自身生成、累积（或损失）量A对于有多股物料进入和输出系统时，则：ΣI＝ΣE＋ΣA当系统处于稳定状态时，这种衡算一般可用常量代数方程求解；当系统处于非稳态过程时，衡算一般需要采用微分方程进行－即进行dt微分时间间隔中的守恒计算。IEA衡算基准常选用：单位时间、单位体积、单位质量、单位面积等作为基准。【质量衡算例题】•在生产KNO3的过程中，质量分数为0.2的纯KNO3水溶液以1000kg/h的流量进入蒸发器，在422K下蒸发出部分水而得50％的浓KNO3溶液，然后送入冷却结晶器，在311K下结晶，得到含水0.04的KNO3结晶和含KNO30.375的饱和溶液。前者作为产品取出，然后回到蒸发器。过程为稳态操作。试计算结晶产品量、水蒸发量和循环的饱和溶液量。【解题思路】1.首先根据题意画出过程的物料流程图，并用数字和符号说明物料的数量和单位。PW20%KNO31000kg/h蒸发器冷却结晶器SRIII2.圈出衡算范围3.确定衡算基准：本题选1h为衡算基准。对于连续操作常以单位时间为基准；对间歇操作，常以一批物料为衡算基准。4.选取衡算对象，利用物料衡算式对所选择的系统进行衡算。【解答过程】1）求KNO3结晶产品量P取包括蒸发器和冷却结晶器的整个过程为系统，取1h为衡算基准，以KNO3为衡算对象，因系稳态操作，输入系统的KNO3量等于从系统输出的量，即:1000×0.2＝0.96P所以hkghkgP/3.208/96.02.010002）求蒸发水量W仍取系统I，衡算基准为1h，以总物料为衡算对象，则:1000＝W+P所以:W＝791.7kg/h3）求循环的饱和溶液量R设进入冷却结晶器的质量分数为0.50的KNO3溶液量为Skg/h。取冷却结晶器为系统，衡算基准为1h，以总物料为衡算对象，做总物料的衡算，得：S＝208.3＋R以KNO3为衡算对象，做KNO3的衡算，得S×0.5＝208.3×0.96＋R×0.375联立解上述二式，可得R＝766.6kg/h【能量衡算例题】在换热器里讲平均比热容为3.56kJ/（kg.℃）的某种溶液自25℃加热到80℃，溶液流量为1.0kg/s。加热介质为120℃的饱和蒸汽，其消耗量为0.095kg/s，蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。试计算此换热器的热损失占水蒸气所提供热量的百分数。【解题思路与过程】•首先根据题意画出过程示意图；•选1s作为计算基准；•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；•在图中所选范围内利用能量衡算式作热量衡算。120℃饱和水蒸气0.095kg/s25℃溶液1.0kg/s80℃溶液120℃饱和水1.0kg/s0.095kg/s•蒸汽带入系统的热量Q1＝0.095×2708.9＝257.3kW•溶液带入系统的热量Q2＝1×3.56（25－0）＝89kW•进入换热器的总热量∑QI＝Q1＋Q2＝346.3kW•冷凝水带出系统的热量Q3＝0.095×503.67＝47.8kW•溶液带出系统的热量Q4＝1×3.56（80-0）＝284.8kW•随物流带出系统的总热量∑Q0＝Q3+Q4＝332.6kW•由能量衡算式得到热损失量QL＝∑QI－∑Q0＝13.7kW•故热损失百分数＝QL/(Q1-Q3)＝13.7/（257.3－47.8)=6.54％