作业课件-化工原理

化工原理UnitOperationofChemicalEngineering化工厂外貌管廊罐区塔群化工厂夜景0绪论（Introduction）0.1化学工程学（ChemicalEngineering）0.2化工生产过程与单元操作（ChemicalprocessandUnitOperation）0.3本课程的任务、性质和内容0.4化工过程计算的理论基础0.5单位制度及单位换算0.1化学工程学（ChemicalEngineering）0.1.1化学工程的任务0.1.2化学工程学的产生与发展化学反应生产过程化学工程师单一产品工艺学单元操作例如硫酸工艺学，酒精工艺学，还有制造水泥、陶瓷的硅酸盐工艺学等。流体输送、加热和冷却（传热）、吸收、搅拌、蒸发、蒸馏、沉降、萃取、过滤、干燥、固体流态化、结晶等绪论

1.《化工原理》课程的内容一、《化工原理》的内容、特点及研究方法（2）按传递方式分：化工生产中，主要的单元操作按传递方式可以归纳为三类：①以流体力学为基础，包括流体输送、沉降、过滤、离心分离、搅拌、固体流态化等；②以热量传递理论为基础，包括加热、冷却、蒸发等；③以质量传递理论为基础，包括蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等。进行这些操作的目的一般是将混合物分离，故它们又称为分离过程。由以上可以看出，《化工原理》课程的主要内容，是研究化工单元操作的基本原理，典型化工单元设备的原则结构、选型以及工艺尺寸的计算。2、《化工原理》的共同规律和联系质量传递热量传递动量传递一、《化工原理》的内容、特点及研究方法3、《化工原理》的特点共同的研究对象——传递过程实际问题的复杂性——过程、体系、设备、工程性强、计算量大流体输送、流体输送、沉降、过滤、离心分离、搅拌、固体流态化加热、冷却、蒸发等蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等4、《化工原理》的研究方法经验公式数学模型实验研究一、《化工原理》的内容、特点及研究方法5、学习《化工原理》的目的掌握规律开发工艺创新设计诊断过程强化操作（1）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。（2）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。（3）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。化工原理是化工及相关过程工程类专业的重要技术基础课，在基础科学理论与工程实际之间起着桥梁作用，着重培养同学们应用基础知识的能力和工程实践的素养。讲授化工单元操作的基本原理、典型设备的结构、操作性能和设计计算,设备的选型和设计及实验研究方法等。因此，对大家学习好本课程提出如下三点要求：二、《化工原理》的性质和要求1、掌握流体流动、传热、传质等化工过程的基本原理及典型设备的构造、性能；2、了解和掌握化工中的主要观点和方法（1）速率与效率的观点为；（2）最优化的观点；（3）掌握一些研究工程问题的特殊方法：实验研究方法（经验法）和数学模型法（半经验半理论方法）。二、《化工原理》的性质和要求3、掌握化工过程和典型设备的基本计算方法、设备设计和选型。除此外，还要学会熟练正确使用物性数据手册、工程手册、算图以及计算工具。总之在学习本门课程中，应注重以下几方面能力的培养：（1）单元操作和设备选择的能力；（2）工程设计能力；（3）操作和调节生产过程的能力；（4）过程开发或科学研究能力。1单位制度单位制度的不同，在于所采用的基本单位的不同以及对基本单位大小的规定不一。（1）国际制（SI）国际制的基本单位共有7个，化工中常用的有5个：长度单位米（m），质量单位千克（kg），时间单位秒（s），温度单位开尔（K），物质量单位摩尔（mol）。（2）物理制（cgs）：长度单位厘米(cm)，质量单位克(g)，时间单位秒(s)。国际制和物理制两种单位都以质量基本单位，属于绝对单位制系统。（3）工程制：工程制的基本单位是：长度单位米，力或重量单位千克(力)，时间单位秒。这种单位制的特点是：以力而不以质量作为基本单位，属于重力单位制系统。三、单位及单位换算表1cgs制与工程制的基本单位

cgs制工程制量的名称长度质量时间温度长度力时间温度单位符号cmgs℃mkgfs℃1单位制度三、单位及单位换算例如，速度可用

、加速度用

、力用

表示。若某物理量以

表示，则称它为该物理量的因次称为该物理量的因次式或量纲式。它表示该物理量的单位与基本量的单位之间的关系。当a＝b＝c＝0时，称为无因次（dimensionless)2因次法定计量单位中，基本量如：长度、质量、时间、温度可分别用符号L、M、T、θ表示，则导出量可由这些基本量的符号组合而成。三、单位及单位换算或量纲(dimension)，严格地说，指数a、b、c称为因次。

三者的意义及其单位。可以导出不同单位制下力的单位（以[f]表示）如下：cgs制：[f]=[ma]=g.cm/s2=dyn(达因)SI制：[f]=[ma]=kg.m/s2=N(牛顿)工程制以力的单位千克(力)作基本单位，可导出质量的单位如下：工程制：[m]=[f/a]=千克(力)/(米/秒2)=kgf·s2/m

(工程单位质量)3质量、重量、力

要在化工计算中正确运用单位，并弄清楚SI单位与工程单位的关系，首先应了解质量、重量、力。三、单位及单位换算4单位的正确应用化工计算中所用的公式可分为两类。一类是根据物理规律建立的理论公式采用同一单位制计算；另一类是根据实验结果整理出来的经验公式按指定单位代入即可(不存在单位一致性)；同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地改变，这种换算称为单位换算。单位换算时，需要换算因数。化工中常用单位的换算因数，可从本教材附录中查得。三、单位及单位换算（1）常用单位换算关系要牢记；（2）复杂单位逐个分解代入换算。5单位换算对于经验公式，应牢记公式所要求使用的物理量单位。对于理论公式，除比例常数外，要求使用同一单位制物料衡算－质量守恒

能量衡算－能量守恒平衡关系－过程方向及程度过程速率－过程难易四、化工单元操作的基本概念稳定状态和非稳定状态

经济核算－最优观点化工中基本关系式四、化工单元操作的基本概念1稳定过程和不稳定过程间歇操作、连续操作中的开车、波动及故障等。不稳定过程：某一固定位置上物料组成、温度、压强、流速等参数不随时间变化。稳定过程：动画演示动画演示依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即

∑输入量＝∑输出量+累积量+反应量2物料衡算（materialbalance）对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即稳定操作状态时，过程中不应有物料的积累。则物料衡算关系为：

∑输入量＝∑输出量对于某一体系、某一组分j、某一(微元时间dt内)基准:wjidt=wjodt+dmj+dm’j(反应)对于无反应、稳定过程：dmj=0,dm’j(反应)=0四、化工单元操作的基本概念用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。物料衡算可按下列步骤进行：（1）首先根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。（2）在写衡算式之前，要选择计算基准，一般选用单位进料量或排料量、时间及设备的单位体积等作为计算的基准。在较复杂的流程示意图上应圈出衡算的范围，列出衡算式，求解未知量。2物料衡算（materialbalance）四、化工单元操作的基本概念2物料衡算（materialbalance）例1采用两个连续操作的串联的蒸发器浓缩NaOH溶液。每小时有5吨12%（质量%），NaOH溶液进入第一个蒸发器，浓缩到20%后输送到第二个蒸发器，进一步浓缩成50%的溶液而排出。试分别求出两个蒸发器每小时蒸发的水量及从第二个蒸发器送出的浓溶液量。四、化工单元操作的基本概念

蒸发器1蒸发器2500kg/h12%NaOHAC’abD50%NaOHB20%NaOHC

蒸发器1蒸发器2500kg/h12%NaOHAC’abD50%NaOHB20%NaOHC2物料衡算（materialbalance）四、化工单元操作的基本概念解题步骤：a

求第一蒸发器蒸发水量。衡算范围：a范围基准：1h衡算式：解之得：A=2000kg/hB=3000kg/h2物料衡算（materialbalance）四、化工单元操作的基本概念

蒸发器1蒸发器2500kg/h12%NaOHACabD50%NaOHB20%NaOHc解题步骤：b

求第二蒸发器蒸发水量C及产品量D，衡算范围：b范围基准同上c选C范围2物料衡算（materialbalance）例2湿木材含水40%，经干燥后含水20%，试求100kg湿木材干燥掉的总水分。四、化工单元操作的基本概念干燥器100kg湿含水40%水干含水20%2物料衡算（materialbalance）A热风含水1％含水15％100kg/hC风，含水10％B，含水5％E，含水3％例3已知某含水15%（以湿物料为基准）的物100kg/h用含水1%的热空气和干燥后排出含水为10%的空气混合成含水3%的混合气进行干燥，干燥后物料的水分为5%。求所需新鲜空气A的用量。四、化工单元操作的基本概念2物料衡算（materialbalance）物料衡算步骤及要点（1）物流图；（2）确定衡算体系；（3）确定衡算基准；（4）确定着眼物料；（5）列衡算方程；（6）求解方程；（7）列出物料衡算表。四、化工单元操作的基本概念

输入（kg）输出（kg）1

2

总计

本教材中所用到的能量主要有机械能和热能。能量衡算的依据是能量守恒定律。热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。2能量衡算(energybalance)对于某一体系、某一基准Qidt=Qo

dt+dq(积累)对于稳定过程dq(积累)=0热量衡算步骤及要点（1）物流图（标明温度、比热）（2）确定衡算体系（3）确定衡算基准（4）确定着眼物料（5）确定基准温度（焓值:相对值）（6）列衡算方程（7）注意热损失输入量＝输出量+累积量四、化工单元操作的基本概念

例4如图所示蒸发器，每小时将2000kg水溶液从含固体5%浓缩至30%。已知在操作条件下，溶液的沸点为78℃，水的汽化热为2319.5kJ/kg，水蒸气的焓为2633.5kJ/kg。原料也温度为20℃，比热为4，浓缩液的比热为4.19，加热蒸气的压强为200kPa，冷凝水于蒸气饱和温度下排出，热损失为10000W，忽略溶液的稀释热，试求水分蒸发量及蒸发消耗量。2能量衡算(energybalance)四、化工单元操作的基本概念水蒸气，QW原料液F5000kg/h,12%冷凝水B20%溶液，QDQFQ2QS加热蒸气B，Q1水蒸气W，QW原料液F5000kg/h,12%冷凝水B20%溶液D，QDQFQ2QS加热蒸气B，Q1（1）输入热量QF=FCFΔT=5000×3.8×20=3.8×105KJ•h-1查附录九P433页饱和水蒸汽表（以压力为准），0.18MPa的饱和水蒸汽即P=180Kpa的饱和水蒸汽：t=116.6℃，Il=489.32kJ•kg-1，Ig=2703.7kJ•kg-1Q1=2703.7BkJ•h-12.能量衡算(energybalance)四、化工单元操作的基本概念解：基准：0℃液态物料衡算F＝W＋D12%F＝20%D＋0·W∴W＝2000kg/hD＝3000kg/h解：基准：0℃液态（2）输出热量查附录七P430页饱和水蒸汽（以温度为准）t=70℃,Ig=2624.3kJ•kg-1QW=IgW=2000×2624.3=5.2486×106kJ•h-1QD=DCDΔT=3000×3.8×70=7.98×105kJ•h-1Q2=BIl=B•483.32kJ•h-1Qπ=3×105kJ•h-12.能量衡算(energybalance)四、化工单元操作的基本概念水蒸气，QW原料液F5000kg/h,12%冷凝水B20%溶液，QDQFQ2QS加热蒸气B，Q1解：基准：0℃液态(3)

热量衡算式QF+Q1=Q2+QW+QD+Qπ3.8×105.7B=483.32B+52.486×105+7.98×105+483.32B+3×105所以可求得：F2=F5=2694.5kJ•h-12.能量衡算(energybalance)四、化工单元操作的基本概念水蒸气，QW原料液F5000kg/h,12%冷凝水B20%溶液，QDQFQ2QS加热蒸气B，Q1平衡状态是自然界中广泛存在的现象。对于传热过程，达到热平衡时温差为零；对于传质过程，达到相平衡时浓度差为零；对于动量传递过程，达到动量平衡速度梯度为零；平衡关系可以用来判断过程能否进行，以及进行的方向和能达到的限度。四、化工单元操作的基本概念3物系的平衡关系（e