化工原理教案

化工原理电子教案-1-《化工原理》教案化工学院任课教师：钟声授课班级：材化2004课程学分：3总学时数：64周学时数：4化工原理电子教案-2-绪论一、化工生产过程化工过程---对原料进行打规模的加工处理，使其不仅在状态与物理性质上发生变化，而且在化学性质上也发生变化，成为合乎要求的产品，即为化学工业的生产过程，简称—例如：H2+N2------NH3化学：反应物--------生成物化工：原料--------产品天然气转化(转化炉)CH4+H20--------CO+H2脱硫(钴钼加氢反应器)有机硫--------无机硫变换(高、低温变换炉)CO+H20--------CO2+H2甲烷化(甲烷化变换炉)COx+H2--------CH4+H2O氨合成（氨合成塔）H2+N2--------NH3其余设备及管道中进行的都是物理过程。化工生产过程的物理加工过程称为单元操作(unitoperation)------即为化工原理(PrinciplesofChemicalEngineering)所要研究的内容。二、单元操作1.按操作目的分为以下几类：（1）物料的增压、减压和输送；（2）物料的混合和分散；（3）物料的加热和冷却；（4）混合物（均相与非均相混合物）的分离。2.常见单元操作有：流体输送、沉降、过滤、搅拌、换热、蒸发、吸收、精馏、萃取、结晶、化工原理电子教案-3-干燥、膜分离等每一章讲授一个单元操作，根据各单元操作所遵循的基本规律，可将单元操作化分为三大类：(1)遵循流体动力基本规律的动量传递过程(momentumtransferprocess)：包括流体输送、沉降、过滤、搅拌等(2)遵循传热基本规律的热量传递过程(heattransferprocess)：包括换热、蒸发等(3)遵循传质基本规律的质量传递过程(masstransferprocess)：包括吸收、精馏、萃取、结晶、干燥、膜分离等因此，化工原理又称为“三传过程”。3.单元操作的特点：（1）他们都是物理性操作，故只改变状态和物理性质，不该变化学性质。（2）他们都是化工生产中共有的操作，但不同的化工过程所包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异。（3）某单元操作用于不同的化工过程，其原理并无不同，进行该操作的设备往往也是通用的。因此，单元操作是奠定化学工程学的科学基础，属于专业基础课。在高等学校化工等过程工业专业的教学计划中,起到为自然科学与应用科学的搭桥作用。三、“化工原理”课程的两条主线（1）统一的研究对象-------传递过程过程的基本关联式有下列关系得出：a:传递速率=推动力/阻力或：传递速率=传递系数×过程推动力b:物料及能量横算c:物系的平衡关系（传质）（2）研究工程问题的方法论每个单元操作都是在特定的设备中完成的，设备复杂的几何形状和多变的物性及各种不确定因素的干扰。通常不可能对实际过程进行准确的数学描述。两种基本的研究方法：实验研究方法------经验的方法数学模型法------半理论半经验的方法四、本课程的任务化工原理电子教案-4-研究单元操作的基本原理、所用典型设备的结构和设备工艺尺寸的计算或设备选型。掌握单元操作通用的学习方法和分析问题的思路，培养理论联系实际的观点方法，提高单元操作设备的设计计算、操作、选型、实验研究方法与技能，学会以经济核算为杠杆,增加解决工程实际问题的能力。五、需要加强的基本技能（1）单位换算a.单位制度---对基本量和基本单位的规定基本量-----基本单位例:长度(L)时间(T)导出量---可由基本量表示例:速度(L/T)、加速度(L/T2)工程计算中将出现的单位制：法定计量单位—SI制、物理单位制（cgs）、工程制三种单位制的常用基本量及基本单位对照表:长度时间质量力（重量）温度LTMθSI制米(m)秒(s)千克(kg)牛顿(N=kg.m/s2)开尔文(K)cgs制厘米(cm)秒(s)克(g)达因(dyn=g.cm/s2)℃工程制米(m)秒(s)kgf.s2/m千克力(kgf)℃SI制与cgs制力是导出量：SI制：「力」=kg.m/s2=Ncgs制：「力」=g.cm/s2=dyn工程制:力是基本量,并且规定1kg(SI)的物质重力为:1kgfSI制:质量为1kg的物质重量（力）为:G=mg=1×9。81=9.81N因此:1kgf=9.81Nb．量纲（因次）大多物理量都可表示为一致的形式：[LaMbTcθd]此式称为量纲式或因次式其中:a.b.c.d称为因次或量纲指数,各物理量的a.b.c.d的值不完全相同例如:化工原理电子教案-5-长度L:a=1b=c=d=0时间T:a=b=d=0c=1加速度L.T-2:a=1b=0c=-2d=0力M.L.T-2:a=1b=1c=-2d=0比热:J/kg.K=N.m/kg.K=kg.m.s-2.m/kg.K=m2/(S2K)因次式L2T-2θ-1:a=2b=0c=-2d=-1特别是：a=b=c=d=0时[LaMbTcθd]=1称次量为无因次量.c.单位换算工程计算(对单位)的基本要求:1)计算公式中各项单位必须一致,大多每相中各物理量要用同一单位制.2)对经验公式要注意试验指定的单位基本换算方法:1)查出需要换算单位之间的基本关系2)将应换单位连同数值一同带入,替换被换单位.例:某汽车初速20公里/小时.以2米/秒2的加速度加速运行,问5秒钟後汽车速度为多少公里/小时?注意:工程上常以小时为时间单位(2)物料衡算与能量衡算对一个稳态过程:总输入=总输出例:5000kg/h12%NaOH一次蒸发浓度升至20%NaOH送入第二蒸发器进一步浓缩至50%的溶液排出。试分别求出两个蒸发器每小时蒸发的水量及最终的溶液量？作业：1.R=82.06atm.cm3/mol.K换算成:A)工程单位:kgf.m/kmol.KB)国际单位:kJ/kmol.K化工原理电子教案-6-2.湿物料含水16%(质量%),在干燥器中干燥至0.8%,是求每吨物料干燥出的水量。第一章流体流动液体和气体统称为流体。流体的特征是具有流动性，即其抗剪和抗张的能力很小；无固定形状，随容器的形状而变化；在外力作用下其内部发生相对运动。化工生产中所处理的原料及产品，大多都是流体。制造产品时，往往按照生产工艺的要求把原料依次输送到各种设备内，进行化学反应或物理变化；制成的产品又常需要输送到贮罐内贮存。过程进行得好坏，例如动力的消耗及设备的投资，与流体的流动状态密切相关。在化工生产中，有以下几个主要方面经常要应用流体流动的基本原理及其流动规律。1)流体的输送通常设备之间是用管道连接的，欲想把流体按规定的条件，从一个设备送到另一个设备，就需要选用适宜的流动速度，以确定输送管路的直径。在流体的输送过程中，常常要采用输送设备，因此就需要计算流体在流动过程中应加入的外功，为选用输送设备提供依据。这些都要应用流体流动规律的数学表达式进行计算。2)压强、流速和流量的测量为了了解和控制生产过程，需要对管路或设备内的压强、流速及流量等一系列参数进行测定，以便合理地选用和安装测量仪表，而这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据。3)为强化设备提供适宜的流动条件化工生产的传热、传质等过程，都是在流体流动的情况下进行的，设备的操作效率与流体流动状况有密切关系。因此，研究流体流动对寻找设备的强化途径具有重要意义。本章着重讨论流体流动过程的基本原理及流体在管内的流动规律，并运用这些原理与规律去分析和计算流体的输送问题。在研究流体流动时，常将流体视为由无数分子集团所组成的连续介质。每个分子集团称为质点，其大小与容器或管路相比是微不足道的。质点在流体内部一个紧挨一个，它们之间没有任何空隙，即可认为流体充满其所占据的空间。把流体视为连续介质，其目的是为了摆脱复杂的分子运动，从宏观的角度来研究流体的流动规律。但是，并不是在任何情况下都可以把流体视为连续介质，如高度真空下的气体就不能再视为连续介质了。化工原理电子教案-7-第一节流体静力学基本方程式流体静力学是研究流体在外力作用下达到平衡的规律。在工程实际中，流体的平衡规律应用很广，如流体在设备或管道内压强的变化与测量、液体在贮罐内液位的测量、设备的液封等均以这一规律为依据。本章只讨论流体在重力作用下的平衡规律。1—1—1流体的密度单位体积流体具有的质量称为流体的密度，其表达式为Vm(1—1)上式中，当V→0时，△m／△V的极限值即为流体某点的密度，即VmLimV0(1—1a)式中ρ—流体的密度，kg／m3；m—流体的质量，kg；V—流体的体积，rn3。不同的单位制，密度的单位和数值都不同，应掌握密度在不同单位制之间的换算。流体的密度一般可在物理化学手册或有关资料中查得，本教材附录中也列出某些常见气体和液体的密度数值，仅供做习题时查用。气体是可压缩的流体，其密度随压强和温度而变化。因此气体的密度必须标明其状态。从手册中查得的气体密度往往是某一指定条件下的数值，这就涉及到如何将查得的密度换算为操作条件下的密度。一般当压强不太高、温度不太低时，可按理想气体来处理。对于一定质量的理想气体，其体积、压强和温度之间的变化关系为'''TVpTpV将密度的定义代人上式并整理得'''TppT（1—2）化工原理电子教案-8-式中P—气体的绝对压强，Pa；V—气体的体积，m3；T—气体的绝对温度，K；上标“，”表示手册中所指定的条件。实际上，某状态下理想气体的密度可按下式进行计算：RTpM(1-2a)或004.22TppMT(1-2b)式中M—气体的分子量；R—气体常数，其值为8.315x103J／(kmol·K)；下标“0”表示标准状态。在化工生产中所遇到的流体，往往是含有几个组分的混合物。通常手册中所列出的为纯物质的密度，所以混合物的平均密度ρ，还得通过以下公式进行计算。对于液体混合物，各组分的浓度常用质量分率表示。现以1kg混合液体为基准，若各组分在混合前后其体积不变，则lkg混合物的体积等于各组分单独存在时的体积之和，即nwnBwBXmxxAwA......1(1—3)式中ρA,ρB,…,ρn—液体混合物中各纯组分的密度，kg／m3；XwA，XwB，…，Xwn—液体混合物中各组分的质量分率。对于气体混合物，各组分的浓度常用体积分率来表示。现以1m3混合气体为基准，若各组分在混合前后其质量不变，则lm3混合气体的质量等于各组分的质量之和，即ρm=ρAXVA+ρBXVB+……+ρnXVn(1—4)式中XVA，XVB，…，XVn—气体混合物中各组分的体积分率。气体混合物的平均密度也可按式计算，此时应以气体混合物的平均分子量M。代替式中的气体分子量M。气体混合物的平均分子量Mm可按下式求算，即化工原理电子教案-9-Mm=MAyA+MByB+…十Mnyn(1—5)式中MA，MB，…，Mn—气体混合物中各组分的分子量；yA,yB,…,yn—气体混合物中各组分的摩尔分率。1—1—2流体的静压强在静止的流体内，取通过某点的任意截面的面积为厶A，垂直作用于该面积上的压力为△P，在此情况下，单位面积上所受的压力，称为流体的静压强，简称压强，其表达式为APp(1—6)上式中，当△A→0时，△P/△V的极限值就称为该点的静压强，即(1—6a)式中p—流体的静压强，Pa；P—垂直作用于流体表面上的压力，N；A—作用面的面积，m2。在法定单位制中，压强的单位是Pa，称为帕斯卡。但习惯上还采用其它单位，如atm(标准大气压)、某流体柱高度、bar(巴)或kgf／cm2等，它们之间的换算关系为1atm=1.033kgf／cm2=760mmHg=10.33mH20=1.0133bar=1.0133x105Pa·工程上为了使用和换算方便，常将lkgf／cm2近似地作为1个大气压，称为1工程大气压。于是lat=1kgf／cm2=735.6mmHg=10mH20=0.9807bar=9.807x104Pa流体的压强除用不同的单位来计量外，还可以用不同的方法来表示。以绝对零压作起点计算的压强，称为