化工原理化学工程课件

几点说明：关于作业(1)每周交一次作业，每周第一次上课交作业。(2)由于班数众多，请学习委员把作业送至敏行楼202。(3)两个作业本写上序号，请同学们把作业妥善保存。(4)禁止抄袭，否则雷同者将无此次作业成绩。实在没有作完，作业可顺延一次再交。2.教材及参考书目(1)教材：高教版<<化工原理>>(2)主要参考书目：清华版<<化工原理>>天大版<<化工原理>>3.纪律(1)到课(2)听课（3）到课几点说明：关于作业2.教材及参考书目3.纪律1化工原理—化学工程（单元操作）

绪论一、学习对象化工过程中，除化学反应外的所有物理

操作过程—单元操作。化工过程：用化工手段将原料加工成产品的生产过程。化工生产过程化学反应单元操作反应工程化工原理三传一反化工原理—化学工程（单元操作）绪论化2玉米粉碎分离蒸煮发酵粗馏精馏乙醇（加热）（反应）(蒸馏)其间物料的输送需要泵、管道等。1．乙醇的生产流程几个典型的化工过程：玉米粉碎分离蒸煮发酵粗馏精馏乙醇（加热）（反应）(蒸馏)其间3（化学吸收）以上三流程涉及的单元操作有：输送、过滤、传热、干燥、结晶、吸收、蒸馏、吸附、分离等。2．洗衣粉的工艺流程旋转混合器燃硫转化塔磺化器液体磺酸静电除雾器碱洗塔气净气放空反应器NaOH配料缸其它液、固计量喷雾干燥塔包装布袋除尘大气（干燥）（反应）（分离）（化学吸收）以上三流程涉及的单元操作有：输送、过滤、4由以上流程可以看出：同一单元操作可在不同的化工过程中出现。虽然不同化工过程中的同一操作各有特殊性，但却遵循共同的规律即具有共性.《化工原理》是研究诸单元操作及其共性的课程。限于学时，本课主要涉及流体流动、流体输送、非均相分离、传热、干燥、蒸馏、吸收、萃取诸单元操作及相应的设备。注意一点：在上面流程中出现化学吸收操作，也归于单元操作，似与定义中的“物理过程”相违背。但目前化工原理的单元操作范围已拓宽。许多单元操作中已有化学反应，只是这些反应一般不以生产产品为目的。由以上流程可以看出：同一单元操作可在不同的化工过程中出现。虽5流体输送、沉降、过滤、流态化加热、冷却、冷凝、蒸发蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等一反三传化学工程动量传递—遵循流体流动基本规律。热量传递—遵循传热基本规律。质量传递—遵循传质基本规律。根据单元操作的共性，可将单元操作分为三大类：《反应工程》流体输送、沉降、过滤、流态化加热、冷却、冷凝、蒸发蒸馏、吸收6三、化工原理课程的研究方法1、实验研究方法（经验法）:用量纲分析和相似论为指导，依靠试验来确定过程变量之间的关系，通过量纲为一数群（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。三、化工原理课程的研究方法1、实验研究方法（经验法）:72、数学模型法（半经验半理论方法）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。研究工程问题的方法是联系各单元操作的另一条主线。三、化工原理课程的研究方法2、数学模型法（半经验半理论方法）三、化工原理课程的研究方法8四．化工过程计算的理论基础设计型计算操作型计算质量守恒能量守恒平衡关系速率关系

所用基本关系：化工计算分为四．化工过程计算的理论基础设计型计算质量守恒所用基本关系：化9《化工原理》研究的重点不是化学反应的条件，但它所研究的各单元操作却能为化学反应准备必要的反应条件(温度、压力等)，并进一步将反应后的粗产品提纯和分离(即前、后处理过程)。通常这些操作在工厂的设备投资和操作费用中都占有主要的比例，甚至决定生产的经济效益。二．学习目的要求本课程针对以下几个方面进行研究：１．“各类”单元操作的共同理论基础；２．各单元操作的基本原理、典型设备结构和操作特性；３．过程和典型设备的设计计算或设备选型；４．设备的改进及强化；５．分析研究问题的方法。《化工原理》研究的重点不是化学反应的条件，但它所研究10本课程的特点：

１．是第一门从理论到工程的技术基础课;２．实践性强：经验、半经验公式多，各单元操作涉及的内容面广量大。对同学们的要求：

注意在学习中逐步建立起“工程观念”。使自己逐步具备分析、解决单元操作中各种问题的能力，即具有操作管理、设计、强化及过程开发的本领，为以后的科学研究和生产实践打下扎实的基础。本课程的特点：对同学们的要求：注意在学习中逐11绪论0.1化工原理课程的内容和特点0.2单位制度及单位换算绪论0.1化工原理课程的内容和特点0.2单位制12一． 单位和单位制度1、基本单位和导出单位基本单位导出单位质量、长度、时间和温度速度、密度、加速度2、绝对单位制和重力单位制绝对单位制重力单位制长度、质量、时间长度、时间和力一． 单位和单位制度1、基本单位和导出单位基本单位导出单位质133、国际单位制（SI制）根据1960年10月国际计量大会通过的一种单位制。4、《中华人民共和国法定计量单位》在SI制基础上制定的。一． 单位和单位制度3、国际单位制（SI制）4、《中华人民共和国法定计量单位》一14二、单位换算1、物理量的换算基本物理量中为1m＝物理单位制中100cm＝英制3.2808ft2、经验公式（或数字公式）的单位换算（a）物理方程（b）经验方程换算方法见例0－2。二、单位换算1、物理量的换算基本物理量中为1m＝物15三．物料衡算和能量衡算研究单元操作须熟悉物料衡算、能量衡算、过程的速率和平衡关系等内容。这是化工原理分析问题的基本方法。１．平衡与速率（1）平衡说明一个传递过程进行的方向和极限。如：流体A流体B(T=TA-TB>0)传热（TA>TB）(被冷却)(被加热)当T=0时，传热结束。(TA=TB达平衡)（2）速率传递进行的快慢。速率的大小受推动力(传递进行时所处的状态与平衡时的状态之差)和阻力(其它的影响因素)的影响。二者关系为：过程的速率=推动力阻力三．物料衡算和能量衡算研究单元操作须熟悉物料衡算、能162.物料衡算与能量衡算以单位时间为基准，如：h，min，s。参数=f(x,y,z)以每批生产周期所用的时间为基准。参数=f(x,y,z,)uA恒定uB=0=☆稳定操作和非稳定操作2.物料衡算与能量衡算以单位时间为基准，如：h，min，s17B．衡算微分衡算(非稳态)三维一维dxdzdydz

(1)物料衡算（质量衡算）物料衡算反映原料、产品、损失等各种物料流股间量(质量/摩尔流量)的关系。总体衡算(稳态)其范围可以是某设备的大部分、全部，或是由几个设备组成的一段生产流程、一个车间甚至整个工厂。B．衡算微分衡算(非稳态)三维dxdzdydz(1)物料衡18物料衡算可以表示为：

GI=GO+GA(0-2)输入的各种物料输出的各种物料设备内积累的各种物料此式为总物料衡算式，也适用于物料中的某个组分。如精馏：W,xwD,xDF,xF总流量物料衡算：F=D+W(因稳定操作，故无积累一项。)A组分物料衡算：FxF=DxD+WxW注意：在有化学反应的情况下，物料衡算式只适用于任一元素的衡算。物料衡算可以表示为：输入的各种物料输出的各种物料设备内积累的19例1(清华版，P6)：稳态时的总物料衡算及组分物料衡算解：首先根据题意画出过程的物料流程图生产KNO3的过程中，质量分率为0.2的KNO3水溶液，以F=1000kg/h的流量送入蒸发器，在422K下蒸发出部分水得到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,后者循环回到蒸发器。过程为稳定操作，试计算KNO3结晶产品量P、水分蒸发量W和循环的饱和溶液量R。例1(清华版，P6)：稳态时的总物料衡算及组分物料衡算解：首20蒸发器422K冷却结晶器311KF=100020%S50%R,37.5%W,0.0%P1-0.04解题思路：题求三个量，如何列物料衡算式。首先考虑划定适宜的物衡范围以利于解题。1．求KNO3结晶产品量P按虚线框作为物料衡算范围，只涉及两个未知量。

GI=GO+GA蒸发器冷却结晶器F=1000SR,37.5%W,021KNO3组分的物料衡算：F20%=W0%+P(100－4)%100020%=0+P96%则：P=208.3kg/h2．水分蒸发量W(物衡范围同1.)总物料衡算式：F=W+P则：W=F－P=1000－208.3=791.7kg/h3．循环的饱和溶液量R此时以蒸发器或冷却结晶器划定为物衡范围均可，但前者涉及4个量，后者仅3个量1个已知，因此宜以结晶器为衡算范围。总物衡式：S=R+P即：S=R+208.3KNO3组分的物料衡算：2．水分蒸发量W(物衡范围同1.22KNO3组分物衡：0.5S=0.375R+0.96P两式联立解得：R=766.6kg/h例2：非稳态时的物料衡算（P6例0-4）用1.5m3/s送风量将罐内有机气体由6%吹扫至0.1%(体积)，求所需时间。4mH=10m1.5m3/s，v=v%1.5m3/sv=0%解：∵罐内气体浓度随时间变化，∴用微分衡算。KNO3组分物衡：两式联立解得：例2：非稳态时的物料衡算423在d时间内，对有机气体的“体积”作衡算：根据GI=GO+GA，有1.5m3/s空气0d=1.5m3/s有机气vd+d内排出的有机气体量d内罐内浓度改变量d内加入的有机气体量整理并积分：在d时间内，对有机气体的“体积”作衡算：1.5m24(2)能量衡算能量有很多种，如机械能、热能、电能、磁能、化学能、原子能、声能、光能等。化工过程中主要涉及物料的温度与热量的变化，因此：热量衡算是化工中最常用的能量衡算。质量衡算与能量衡算的异同点：同：都须划定衡算的范围和时间基准。异：1)热量衡算须选择物态和温度基准，这是因为物料所含热量（焓）是温度和物态的函数。液态物质的温度基准常取273K。2)对于有化学反应的系统，须考虑反应物、生成物的差异，因为既使同温，若浓度不同，则它们的焓值及反应热亦不同。3)热量除随物料输入/出外，还可通过热量传递的方式输入/出系统。(2)能量衡算能量有很多种，如机械能、热能、电能25热量衡算的依据是能量守恒定律，即：QI=QO+QL+QA式中下标符号的意义:I:进入O:离开L:散失A:积累例溶液的平均比热为3.56kJ/(kg.℃)求：换热器热损失QL占水蒸气提供热量的百分数?120℃饱和水蒸气0.095kg/s120℃饱和水0.095kg/s25℃溶液1.0kg/s80℃溶液1.0kg/sQL=?热量衡算的依据是能量守恒定律，即：QI=QO26解：查P357附录九：120℃水蒸气焓值为2708.9kJ/kg，120℃饱和水焓值为503.6kJ/kg。稳定操作无积累QA=0，则有QI=QO+QL即蒸汽带入Q1+溶液带入Q2=凝液带出Q3+溶液带出Q4+QL如图虚线为衡算范围Q1=0.095×2708.9=257.3kwQ2=1×3.56×(25－0)=89kwQ3=0.095×503.67=47.8kwQ4=1×3.56×(80－0)=284.8kw即：热损失：解：查P357附录九：120℃水蒸气焓值为2708.9kJ/27例4非稳定热量衡算举例W=8t/hT3=100℃水蒸气冷凝水G=20t罐内盛有20t重油，初温T1=20℃，用外循环加热法进行加热，重油循环量W=8t/h。循环重油经加热器升温至恒定的100℃后又送回罐内，罐内的油均匀混合。问：重油从T1升至T2=80℃需要多少时间，假设罐与外界绝热（QL=0）。解：∵非稳态，∴有QA项，以罐为物衡范围，h为时间基准，0℃为温度基准。例4非稳定热量衡算举例W=8t/h水蒸气冷凝水G=20t28在d时间内：输入系统重油的焓=WCpT3d输出系统重油的焓=WCpTd系统内积累的焓=GCpdT则：热衡式：WCpT3d=WCpTd+GCpdT化简得：W(T3－T)d=GdT积分有：四、单位制和单位换算(自学P2)在d时间内：则：热衡式：WCpT3d=WCpTd29几点说明：关于作业(1)每周交一次作业，每周第一次上课交作业。(2)由于班数众多，请学习委员把作业送至敏行楼202。(3)两个作业本写上序号，请同学们把作业妥善保存。(4)禁止抄袭，否则雷同者将无此次作业成绩。实在没有作完，作业可顺延一次再交。2.教材及参考书目(1)教材：高教版<<化工原理>>(2)主要参考书目：清华版<<化工原理>>天大版<<化工原理>>3.纪律(1)到课(2)听课（3）到课几点说明：关于作业2.教材及参考书目3.纪律30化工原理—化学工程（单元操作）

绪论一、学习对象化工过程中，除化学反应外的所有物理

操作过程—单元操作。化工过程：用化工手段将原料加工成产品的生产过程。化工生产过程化学反应单元操作反应工程化工原理三传一反化工原理—化学工程（单元操作）绪论化31玉米粉碎分离蒸煮发酵粗馏精馏乙醇（加热）（反应）(蒸馏)其间物料的输送需要泵、管道等。1．乙醇的生产流程几个典型的化工过程：玉米粉碎分离蒸煮发酵粗馏精馏乙醇（加热）（反应）(蒸馏)其间32（化学吸收）以上三流程涉及的单元操作有：输送、过滤、传热、干燥、结晶、吸收、蒸馏、吸附、分离等。2．洗衣粉的工艺流程旋转混合器燃硫转化塔磺化器液体磺酸静电除雾器碱洗塔气净气放空反应器NaOH配料缸其它液、固计量喷雾干燥塔包装布袋除尘大气（干燥）（反应）（分离）（化学吸收）以上三流程涉及的单元操作有：输送、过滤、33由以上流程可以看出：同一单元操作可在不同的化工过程中出现。虽然不同化工过程中的同一操作各有特殊性，但却遵循共同的规律即具有共性.《化工原理》是研究诸单元操作及其共性的课程。限于学时，本课主要涉及流体流动、流体输送、非均相分离、传热、干燥、蒸馏、吸收、萃取诸单元操作及相应的设备。注意一点：在上面流程中出现化学吸收操作，也归于单元操作，似与定义中的“物理过程”相违背。但目前化工原理的单元操作范围已拓宽。许多单元操作中已有化学反应，只是这些反应一般不以生产产品为目的。由以上流程可以看出：同一单元操作可在不同的化工过程中出现。虽34流体输送、沉降、过滤、流态化加热、冷却、冷凝、蒸发蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等一反三传化学工程动量传递—遵循流体流动基本规律。热量传递—遵循传热基本规律。质量传递—遵循传质基本规律。根据单元操作的共性，可将单元操作分为三大类：《反应工程》流体输送、沉降、过滤、流态化加热、冷却、冷凝、蒸发蒸馏、吸收35三、化工原理课程的研究方法1、实验研究方法（经验法）:用量纲分析和相似论为指导，依靠试验来确定过程变量之间的关系，通过量纲为一数群（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。三、化工原理课程的研究方法1、实验研究方法（经验法）:362、数学模型法（半经验半理论方法）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。研究工程问题的方法是联系各单元操作的另一条主线。三、化工原理课程的研究方法2、数学模型法（半经验半理论方法）三、化工原理课程的研究方法37四．化工过程计算的理论基础设计型计算操作型计算质量守恒能量守恒平衡关系速率关系

所用基本关系：化工计算分为四．化工过程计算的理论基础设计型计算质量守恒所用基本关系：化38《化工原理》研究的重点不是化学反应的条件，但它所研究的各单元操作却能为化学反应准备必要的反应条件(温度、压力等)，并进一步将反应后的粗产品提纯和分离(即前、后处理过程)。通常这些操作在工厂的设备投资和操作费用中都占有主要的比例，甚至决定生产的经济效益。二．学习目的要求本课程针对以下几个方面进行研究：１．“各类”单元操作的共同理论基础；２．各单元操作的基本原理、典型设备结构和操作特性；３．过程和典型设备的设计计算或设备选型；４．设备的改进及强化；５．分析研究问题的方法。《化工原理》研究的重点不是化学反应的条件，但它所研究39本课程的特点：

１．是第一门从理论到工程的技术基础课;２．实践性强：经验、半经验公式多，各单元操作涉及的内容面广量大。对同学们的要求：

注意在学习中逐步建立起“工程观念”。使自己逐步具备分析、解决单元操作中各种问题的能力，即具有操作管理、设计、强化及过程开发的本领，为以后的科学研究和生产实践打下扎实的基础。本课程的特点：对同学们的要求：注意在学习中逐40绪论0.1化工原理课程的内容和特点0.2单位制度及单位换算绪论0.1化工原理课程的内容和特点0.2单位制41一． 单位和单位制度1、基本单位和导出单位基本单位导出单位质量、长度、时间和温度速度、密度、加速度2、绝对单位制和重力单位制绝对单位制重力单位制长度、质量、时间长度、时间和力一． 单位和单位制度1、基本单位和导出单位基本单位导出单位质423、国际单位制（SI制）根据1960年10月国际计量大会通过的一种单位制。4、《中华人民共和国法定计量单位》在SI制基础上制定的。一． 单位和单位制度3、国际单位制（SI制）4、《中华人民共和国法定计量单位》一43二、单位换算1、物理量的换算基本物理量中为1m＝物理单位制中100cm＝英制3.2808ft2、经验公式（或数字公式）的单位换算（a）物理方程（b）经验方程换算方法见例0－2。二、单位换算1、物理量的换算基本物理量中为1m＝物44三．物料衡算和能量衡算研究单元操作须熟悉物料衡算、能量衡算、过程的速率和平衡关系等内容。这是化工原理分析问题的基本方法。１．平衡与速率（1）平衡说明一个传递过程进行的方向和极限。如：流体A流体B(T=TA-TB>0)传热（TA>TB）(被冷却)(被加热)当T=0时，传热结束。(TA=TB达平衡)（2）速率传递进行的快慢。速率的大小受推动力(传递进行时所处的状态与平衡时的状态之差)和阻力(其它的影响因素)的影响。二者关系为：过程的速率=推动力阻力三．物料衡算和能量衡算研究单元操作须熟悉物料衡算、能452.物料衡算与能量衡算以单位时间为基准，如：h，min，s。参数=f(x,y,z)以每批生产周期所用的时间为基准。参数=f(x,y,z,)uA恒定uB=0=☆稳定操作和非稳定操作2.物料衡算与能量衡算以单位时间为基准，如：h，min，s46B．衡算微分衡算(非稳态)三维一维dxdzdydz

(1)物料衡算（质量衡算）物料衡算反映原料、产品、损失等各种物料流股间量(质量/摩尔流量)的关系。总体衡算(稳态)其范围可以是某设备的大部分、全部，或是由几个设备组成的一段生产流程、一个车间甚至整个工厂。B．衡算微分衡算(非稳态)三维dxdzdydz(1)物料衡47物料衡算可以表示为：

GI=GO+GA(0-2)输入的各种物料输出的各种物料设备内积累的各种物料此式为总物料衡算式，也适用于物料中的某个组分。如精馏：W,xwD,xDF,xF总流量物料衡算：F=D+W(因稳定操作，故无积累一项。)A组分物料衡算：FxF=DxD+WxW注意：在有化学反应的情况下，物料衡算式只适用于任一元素的衡算。物料衡算可以表示为：输入的各种物料输出的各种物料设备内积累的48例1(清华版，P6)：稳态时的总物料衡算及组分物料衡算解：首先根据题意画出过程的物料流程图生产KNO3的过程中，质量分率为0.2的KNO3水溶液，以F=1000kg/h的流量送入蒸发器，在422K下蒸发出部分水得到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,后者循环回到蒸发器。过程为稳定操作，试计算KNO3结晶产品量P、水分蒸发量W和循环的饱和溶液量R。例1(清华版，P6)：稳态时的总物料衡算及组分物料衡算解：首49蒸发器422K冷却结晶器311KF=100020%S50%R,37.5%W,0.0%P1-0.04解题思路：题求三个量，如何列物料衡算式。首先考虑划定适宜的物衡范围以利于解题。1．求KNO3结晶产品量P按虚线框作为物料衡算范围，只涉及两个未知量。

GI=GO+GA蒸发器冷却结晶器F=1000SR,37.5%W,050KNO3组分的物料衡算：F20%=W0%+P(100－4)%100020%=0+P96%则：P=208.3kg/h2．水分蒸发量W(物衡范围同1.)总物料衡算式：F=W+P则：W=F－P=1000－208.3=791.7kg/h3．循环的饱和溶液量R此时以蒸发器或冷却结晶器划定为物衡范围均可，但前者涉及4个量，后者仅3个量1个已知，因此宜以结晶器为衡算范围。总物衡式：S=R+P即：S=R+208.3KNO3组分的物料衡算：2．水分蒸发量W(物衡范围同1.51KNO3组分物衡：0.5S=0.375R+0.96P两式联立解得：R=766.6kg/h例2：非稳态时的物料衡算（P6例0-4）用1.5m3/s送风量将罐内有机气体由6%吹扫至0.1%(体积)，求所需时间。4mH=10m1.5m3/s，v=v%1.5m3/sv=0%解：∵罐内气体浓度随时间变化，∴用微分衡算。KNO3组分物衡：两式联立解得：例2：非稳态时的物料衡算452在d时间内，对有机气体的“体积”作衡算：根据GI=GO+GA，有1.5m3/s空气0d=1.5m3/s有机气vd+d内排出的有机气体量d内罐内浓度改变量d内加入的有机气体量整理并积分：在d时间内，对有机气体的“体积”作衡算：1.5m53(2)能量衡算能量有很多种，如机械能、热能、电能、磁能、化学能、原子能、声能、光能等。化工过程中主要涉及物料的温度与热量的变化，因此：热量衡算是化工中最常用的能量衡算。质量衡算与能量衡算的异同点：同：