化工原理课件-2012绪论

2023/1/17绪论一、化工原理课程简介1.化工原理的研究对象2.化工原理的学科性质与研究方法3.化工原理的学习方法4.化工原理的学习目的二、化工原理处理问题的方法1.物料衡算2.能量衡算3.平衡与速率三、单位与单位制2023/1/17

一、化工原理课程简介化学反应和若干个单元操作串联而成

化工原理——研究各个独立的单元操作化工原理的研究对象——单元操作（UnitOperations）（1）单元操作的概念化工与冶金生产过程原料的预处理进行化学反应反应产物的分离与提纯单元操作原料的预处理反应产物的分离与提纯——化工与冶金生产中共有的物理操作2023/1/17原料提纯单体合成单体精制压缩冷凝聚合脱水干燥产品反应热反应热乙炔氯化氢乙炔法制聚氯乙烯2023/1/17高压聚乙烯生产过程示意图2023/1/17

高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。2023/1/17选矿，烧结，球团，是高炉冶炼的原料准备阶段，当完成烧结，造球后进入高炉利用高炉内的还原性环境将铁水从铁矿石从还原出来，为下一阶段的炼钢提供原料供给。炼钢利用转炉内的氧化性环境将铁水中过量的碳氧化成一氧化碳和二氧化碳，达到钢水要求的碳含量。当然在炼钢厂房内一般来说还要有转炉之前的铁水脱硫预处理，转炉出钢后的钢水精炼（LF或LF+RH或LF+VD，VOD等），完成精炼后用行车调运至连铸机的大包回转台，进行连铸浇铸的工序环节，为后续的轧钢厂提供钢坯原料。整个联合钢铁厂的工艺流程为：原料码头（各种原料集中卸载存放区域）——烧结（矿石造块或造球团）——高炉（炼铁）——炼钢（铁水预处理-转炉或电炉-精炼-连铸）-轧钢2023/1/172023/1/17

转炉炼钢法这种炼钢法使用的氧化剂是氧气。把空气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量（含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度），可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。转炉炼钢是在转炉里进行。转炉的外形就像个梨，内壁有耐火砖，炉侧有许多小孔（风口），压缩空气从这些小孔里吹炉内，又叫做侧吹转炉。开始时，转炉处于水平，向内注入1300摄氏度的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰氧化(FeO,SiO2,MnO,)生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉内。几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳（放热）使钢液剧烈沸腾。炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。最后，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。当磷于硫逐渐减少，火焰退落，炉口出现四氧化三铁的褐色蒸汽时，表明钢已炼成。这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里，再加脱氧剂进行脱氧。整个过程只需15分钟左右。如果空气是从炉低吹入，那就是低吹转炉。随着制氧技术的发展，现在已普遍使用氧气顶吹转炉（也有侧吹转炉）。这种转炉吹如的是高压工业纯氧，反应更为剧烈，能进一步提高生产效率和钢的质量。2023/1/17拜耳法氧化铝生产过程2023/1/17电解铝工艺过程2023/1/17独居石矿生产稀土流程图2023/1/172023/1/17液态钢渣热焖池液态钢渣溢流高温高钙洗水回水井补充新水CO2高效气液反应（系统）固液分离压力输送CaCO3清液低温清液压力输送喷洒

补充新水钢闷渣循环水脱钙流程图2023/1/17（2）单元操作的特点

①所有的单元操作都是物理性操作，只改变物料的状态或物理性质，并不改变化学性质。②单元操作是化工生产过程中共有的操作，只是不同的化工生产中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。③单元操作作用于不同的化工过程时，基本原理相同，所用的设备也是通用的。

2023/1/17（3）单元操作的分类另外，还有热力过程（制冷）、粉体工程（粉碎、颗粒分级、流态化）等单元操作。①遵循流体动力学基本规律的单元操作，包括流体输送、沉降、过滤、物料混合（搅拌）。②遵循热量传递基本规律的单元操作，包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。③遵循质量传递基本规律的单元操作，包括蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。从工程目的来看，这些操作都可将混合物进行分离，故又称之为分离操作。④同时遵循热质传递规律的单元操作，包括气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。2023/1/17

本课程强调工程观点、定量运算、实验技能及设计能力的培养，强调理论联系实际。在化工类专门人才培养中，它承担着工程科学与工程技术的双重教育任务，担负着由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用。化工原理是化工类各专业重点课程之一，是化工类学生最实用的一门课程，是化工类学生考研课程。理论与经验相结合的工程研究方法半经验半理论方法重要的专业技术基础课，兼有“科学”与“技术”的特点

综合运用数学、物理、化学和算法语言等基础知识，将自然科学中的基本原理（质量守衡、能量守衡及平衡关系等）用来研究化工生产中内在的共同规律，讨论化工生产中共同的基本过程的基本原理、典型设备结构，工艺尺寸设计和设备的选型以及计算方法的一门工程学科。2.化工原理学科性质与研究方法

（1）化工原理学科性质2023/1/17

随着新产品、新工艺的开发或为实现绿色化工生产，对物理过程提出了一些特殊要求，又不断地发展出新的单元操作或化工技术，如膜分离、参数泵分离、电磁分离、超临界技术等。同时，以节约能耗，提高效率或洁净无污染生产的集成化工艺（如反应精馏、反应膜分离、萃取精馏、多塔精馏系统的优化热集成等）将是未来的发展趋势。单元操作的研究包括“过程”和“设备”两个方面的内容，故单元操作又称为化工过程和设备。化工原理是研究诸单元操作共性的课程。研究诸单元操作共性的课程2023/1/17化工原理课程的两条主线

（1）动量传递、传热和传质皆属于传递过程，是本门课程统一的研究对象，是联系各单元操作的一条主线。a.实验研究方法（经验的方法）

b.数学模型法（半经验半理论的方法）

（2）研究工程问题的方法论是联系各单元操作的另一条主线。各单元操作有共同的研究方法。2023/1/17实验研究方法（经验法）：用量纲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，通常用无量纲数群(或称准数)构成的关系来表达。实验研究方法可避免建立数学方程，是工程上通用的研究方法。数学模型法（半经验半理论方法）：在对实际过程的机理进行深入分析的基础上，抓住过程的本质，作出某些合理简化，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。2023/1/17数学模型法（半经验半理论）因次论指导下的实验研究法实验：寻找函数形式，决定参数2023/1/17（2）研究方法——工程方法因次分析法数学模型法参数综合法当量法类比法——直管湍流阻力——双膜模型的建立——过滤常数——当量直径、当量长度等——动量、热量、质量传递的类似律2023/1/173.化工原理的学习方法

发展：如何根据某个物理或物理化学原理开发成为一个单元操作，寻本求源。选择：为了达到或实现某一工程目的，能否对过程和设备作合理的选择和组合。设计：对已掌握了性能的过程和设备作直接的设计计算以及对性能不十分掌握的过程和设备通过必要的试验，测取设计数据，做逐级放大。操作：如何根据基本原理发现操作上可能出现的各种不正常现象，寻找其原因及可能采取的调节措施。2023/1/17（1）以工程技术观点和经济观点来分析和处理实际问题的能力；通过本课程的学习，应树立起工程观点（安全适用、经济合理），掌握解决工程实际的方法，培养下列两种基本能力：（2）熟练的进行化工基本运算。以便在化工生产、科研和设计工作中达到强化生产过程，提高产品质量，提高设备能力及效率，降低设备投资及产品成本，节约能耗，防止污染以及加速新技术开发等方面的目的。4.化工原理的学习目的2023/1/17化学工程研究的是：如何把化学家们的小试研究成果开发放大为中试，再开发为生产规模。是在科学实验与化工之间架桥的工作，是直接为人类服务的创造价值的劳动。本课程，不是教大家如何合成得到新物质？如何提取新物质？如何表征新物质？这是化学家的事。2023/1/17二、化工原理处理问题的方法物料衡算

依据——质量守恒定律

输入系统的物料质量等于从系统输出的物料质量和系统中积累的物料质量。——物料衡算的通式2023/1/17定态过程，积累为零。则：衡算的系统整个生产过程某一设备系统中的所有物料某一个组分衡算的对象例2023/1/17

例1：在两个蒸发器中，每小时将5000kg的无机盐水溶液从12％（质量％）浓缩到30%。第二蒸发器比第一蒸发器多蒸出5%的水分。试求：（1）各蒸发器每小时蒸出水分的量；（2）第一蒸发器送出的溶液浓度。

解：首先画一个流程图表示进行的过程用方框表示设备，输入输出设备的物流方向用箭头表示。

划定衡算的范围为求各蒸发器蒸发的水量，以整个流程为衡算范围，用一圈封闭的虚线画出。2023/1/17选择衡算基准（连续操作以单位时间为基准，间歇操作以一批操作为基准）由于连续操作，以1小时为基准。蒸发器1蒸发器2x1W1W2F0=5000kg/hx0=0.12F1F2x2=0.32023/1/17

确定衡算对象此题中有两个未知数，蒸发的水量及送出的NaOH溶液量B，因此，我们就以不同衡算对象列出两个衡算式。对盐作物料衡算：对总物料作衡算：代入已知数据，得：由题意知2023/1/17

求第一个蒸发器送出的溶液浓度，选择第一个蒸发器为衡算范围。对盐作物料衡算：

对总物料作衡算：

代入已知数据，得：解得：2023/1/17例2浓度为20%（质量百分比）的KNO3水溶液以1000kg/h的流量送入蒸发器。在149℃温度下蒸出一部分水得到浓度为50%的水溶液，再送入结晶器，冷却至38℃后，析出含有4%结晶水的KNO3晶体并不断取走，浓度为37.5%的KNO3饱和母液则返回蒸发器循环处理。试求结晶产品量P、水分蒸发量W、循环母液量R及浓缩溶液量S。料液1000kg/h20%KNO3Rkg/h37.5%KNO3Skg/h50%KNO3结晶产品Pkg/h4%水水，Wkg/h解：（1）结晶产品量P及水分蒸发量W首先根据题意画出过程示意图。2023/1/17I料液1000kg/h20%KNO3Rkg/h37.5%KNO3Skg/h50%KNO3结晶产品Pkg/h4%水水，Wkg/h在图中虚线方框I所示的范围内作物料衡算。因过程中无化学反应，且为连续稳定过程，故可写出总物料衡算式及KNO3的衡算式，即：

1000=W+P

1000（0.20）=W（0）+P（1-0.04）及解得P=208.3kg/hW=791.7kg/h2023/1/17（2）循环母液量R及浓缩溶液量S料液1000kg/h20%KNO3Rkg/h37.5%KNO3Skg/h50%KNO3结晶产品Pkg/h4%水水，Wkg/hI

II在图中虚线方框II所示的范围内作总物料衡算及KNO3衡算

S=R+208.3

S（0.50）=R（0.375）+208.3（1-0.04）解得

R=766.6kg/h2023/1/172．热量衡算依据：能量守恒定律即任何时间内输入系统的总热量等于系统输出的总热量与损失的热量之和。

——热量衡算通式或写成2023/1/17热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，也必须首先划定衡算范围及衡算基准。此外应注意焓是相对值，因此必须指明基准温度，习惯上选0℃为基准温度，并规定0℃时液态的焓值为零。3.过程的平衡和速率

①平衡问题

过程的平衡问题是说明过程进行的方向和所能达到的极限。

平衡是一个动态的过程。

例2023/1/17

平衡状态是自然界中广泛存在的现象。例如，在一定温度下，不饱和的食盐溶液与固体食盐接触时，食盐向溶液中溶解，直到溶液为食盐所饱和，食盐就停止溶解，此时固体食盐表面已与溶液成动平衡状态。反之，若溶液中食盐浓度大于饱和浓度，则溶液中的食盐会析出，使溶液中的固体食盐结晶长大，最终达到平衡状态。一定温度下食盐的饱和浓度，就是这个物系的平衡浓度。平衡关系可判断过程能否进行，及进行的方向和限度。任何传递过程都有一个极限，当传递过程达到极限时，其过程进行的推动力为零，此时净的传递速率为零，即称为“平衡”。3.物系平衡关系2023/1/17

过程的传递速率（rateoftransferprocess）与推动力成正比，与阻力成反比，即

传递速率=推动力/阻力单位时间内所传递的能量（动量，热量）或物质量,是决定化工设备的重要因素。过程速率的增大可节约时间，提高设备的生产能力。4.传递速率2023/1/17

为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核算确定最经济的设计方案。5.经济核算2023/1/17

例3：在换热器里将平均比热为3.56kJ/（kg·℃）的某溶液自25℃加热到80℃，溶液流量为1.0kg/s，加热介质为120℃的饱和水蒸气，其消耗量为0.095kg/s，蒸气冷凝成同温度的饱和水排出。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：根据题意画出流程图

换热器120℃饱和水蒸气0.095kg/s120℃饱和水0.095kg/s1.0kg/s25℃溶液80℃溶液1.0kg/s2023/1/17基准：1s在图中虚线范围内作热量衡算从附录查出120℃饱和水蒸气的焓值为278.9kJ/kg，120℃饱和水的焓值为503.67kJ/kg。在此系统中输入的热量：蒸气带入的热量：溶液带入的热量：输出的热量：

2023/1/17冷凝水带出的热量：

溶液带出的热量：

根据能量衡算式，有：

热量损失的百分数=

2023/1/17三、单位及单位制1.单位及单位

基本量：任意选定的几个独立的物理量(如长度,时间等)。

基本单位：根据使用方便的原则制定的基本量的单位。

导出量：根据物理量与基本量之间的关系来确定的量。

导出单位：导出量的单位称为导出单位，均由基本单位相乘、除而构成的。

单位制：基本单位与导出单位的总和。

2023/1/17物理单位制：基本单位：长度cm

质量g

时间s工程单位制：基本单位：长度cm

力kgf

时间s

SI单位制：基本单位有7个，化工中常用的有5个：长度cm

、质量kg、时间s、温度K、

物质量mol2．单位衡算