Transcript 0绪论
化工原理(上)
The Principle of Chemical
Engineering(1st)
教材:《化工原理》
主讲:杨性坤
单位:信阳师范学院化学化工学院
电话:0376-6392780
E-mail:[email protected]
几点说明
环节:理论、实践
成绩:考试70%;作业、上课30%
作业:16开作业本
纪律:上课关手机、不许说话,可以睡觉、
看其它书
学习方法:预习→听讲→复习
0.1化学工程(Chemical Engineering )学科的进展
0.1.1化学工程学及其进展
化学工程学:以化学、物理和数学原理为基础,研究物料在工
业规模条件下所发生的物理或化学状态变化的工业过程及这类
工业过程所用装置的设计和操作的一门技术学科。
化学工程学的进展:三阶段:
1. 单元操作:20世纪初期。单元操作的物理化学原理及定量计算
方法,奠定了化学工程做为一门独立工程学科的基础。
2. “三传一反”概念:20世纪60年代
3. 多分支:20世纪60年代末。形成了单元操作、传递过程、反应
工程、化工热力学、化工系统工程、过程动态学及控制等完整
体系。18世纪纯碱、硫酸等无机工业作为现代工业的开端在欧
洲兴起,19世纪以煤为原料的有机工业在欧洲产生,19世纪
末~20世纪初大规模的石油炼制业兴起是产生化学工程的基础。
0.1.2单元操作(The Unit Operations)
化工生产是以化学变化或化学处理为主要特征的工业生产
过程。在化学工业中,对原料进行大规模的加工处理,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,这个过程即叫化工生产过程。
以氯碱生产为例说明化工生产过程的基本步骤。
虽然电解反应为核心过程,但大量的物理操作占有很大比重。
另外象传热过程,不仅在制碱中,在制糖、制药、化肥中都需要,
在传热过程物料的化学性质不变,遵循热量传递规律,通过热量
交换的方式实现,所用设备均为换热器,作用都是提高或降低物
料温度,为一普遍采用的操作方式。
因此我们将整个化工生产中(包括冶金、轻工、制药等)那些
普遍采用的、遵循共同的操作原理,所用设备相近,具有相同作
用的一些基本的物理操作,称为“化工单元操作”。
水
过程步骤
操作方式
盐
典型设备
搅拌、溶解、传热
化盐桶
加热器
澄清
悬浮液沉降分离
澄清桶
过滤机
电解
电解反应
2NaCl+2H2O=H2+Cl2+2NaOH
电解槽
化盐
浑
盐
水
精
盐
水
杂质
阳
极
室
阴
极
室
氯
处
理
Cl2
氢
处
理
NaOH
溶液
蒸发
H2
烧碱液
冷却过程
气液分离
传热过程
换热器
离心机
蒸发器
一个化工生产过程所包括的步骤分为两类:
1.化学反应过程:通常在反应器中进行,以化学反
应为主。不同化学工业中的化学反应不同,反应机
理千差万别,其反应器在构造与操作原理上有很大
差别。
2.单元操作过程:化工生产中基本的物理处理过程。
一个化工生产过程由若干单元操作与化学反应串联
组合而成。
单元操作特点:
1.都是物理操作。
2.都是化工生产过程中共有的操作。
3.用于不同化工生产过程的同一单元操作,其原理
相同,所用设备亦通用。
0.2本课程的性质、任务和内容、研究方法
0.2.1性质
化工原理是在高等数学、物理学、物理化学等课程的基
础上开设的一门技术基础课程,属工程学科,具有工程
性和实用性。
0.2.2任务
1.掌握化工单元操作过程的基本原理,并能进行过程的
选择和计算(即对指定的产品,选择一个适宜的过程,
经济而有效地满足工艺过程要求)。
2.据生产需要,进行设备工艺尺寸的计算及其设备选型
计算。
3.依据过程的不同要求,进行操作调节和控制。
4.掌握强化过程途径,以提高过程和设备的能力、效率。
0.2.3 内容
化工单元操作的目的是:①物料的输送;②物料物理状态的
改变;③混合物料的分离。因而据其所发生的过程和遵循的
物理共性而言,可按其进行的物理本质和理论基础分为三类:
1、流体传动过程(传动):研究流体流动及流体和与之接触的
固体间发生相对运动时的基本规律,以及受其支配的若干单
元操作(包括输送、沉降、过滤等)。
2、热量传递过程(传热):研究传热的基本规律及受其支配的
单元操作 (包括热交换、蒸发)。
3、质量传递过程(传质):研究物质通过相界面迁移过程的规
律及受其支配的单元操作(包括吸收、蒸馏等)。
三种传递过程既有联系又有区别。
化工原理课程的内容,就是讨论这三种传递过程的基本规律
及受其支配的单元操作过程及其设备。
0.2.4 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。
2. 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。
0.2.5 本课程与传统理论的联系和区别
0.3 单元操作进行的方式
1.间歇操作:每次操作之初向设备内投入一批物料,
经过一番处理后,排除全部产物,再重新投料。
间歇操作设备内,同一位置上,在不同时刻进行着
不同的操作步骤,因而同一位置上,物料组成、温
度、压强、流速等参数都随时间变化,属非定态过
程,即 参数=f(x,y,z,θ)
2.连续操作:原料不断地从设备一端送入,产品不
断从另一端送出。
连续操作设备内,各个位置上,物料组成、温度、
压强、流速等参数可互不相同,但在任一固定位置
上,这些参数一般不随时间变化,属定态过程,即
参数=f(x,y,z)
0.4 单位制与单位换算
0.4.1 单位制
任何物理量都由数字和单位联合表达的。运算时,
数字与单位一并纳入运算。如:
5m+8m=(5+8)m;
5m×8m=(5×8)(m×m)=40m2
物理量单位选择时,先选定几个独立的物理量,叫
基本量,并根据使用方便的原则,定出这些量的单
位,叫基本单位;其它各量的单位通过它们与基本
量之间的关系来确定,这些物理量叫导出量,单位
叫导出单位;导出单位是由基本单位乘除构成的。
国际单位制(SI单位制):
7个基本量:长度:m;时间:s;质量:kg;电流强度:A(安培);
发光强度:cd(烛光);物质的量:mol(摩尔);热力学温度:K。
2个辅助量:平面角:rad(弧度);立体角:sr(球面度)。
特点:
1.通用性。
2.一贯性。任何一个SI导出单位,在由基本单位导出时,都
不需引入比例系数。
国际单位制
我国法定计量单位
选定的非国际单位制
0.4.2 单位换算
1.物理量:由一种单位换算成另一种单位时,量本身
并不变化,只是数值要变化,换算时要乘或除以两单
位间的换算因数。
换算因数:彼此相等而单位不同的两个物理量包括单
位在内的比值。
如;1m=100cm,则换算因数为100cm/m 或0.01m/cm
例0-1:已知1atm=1.033kgf/cm2,试用Pa表示。
解:查附录1知:1kgf=9.81N, 1cm2=10-4m2
换算因数:9.81N/kgf, 10-4m2/cm2
kgf 9.81N / kgf
1atm 1.033 2
4
2
2
cm
10
m
/
cm
5
2
5
1.013310 N / m 1.013310 Pa
2.经验公式(数字公式)
借助实验或半实验、半理论的方法处理得到的公式。它只反
映各有关物理量之间的数字关系,每个符号只代表物理量的
数字部分,而这些数字又与特定单位对应。因此,使用经验
公式时,各物理量必须采用指定单位。
经验公式的单位换算,也可采用换算因数将规定单位换算成
所要求单位。
例0-2:水蒸汽在空气中扩散系数为:
4
5
2
1.4610
T
D
P
T 441
式中:D-扩散系数,ft2/h;
P-压强,atm;
T-兰氏温度,oR。
试将式中各符号单位换算成 D:m2/s;P:Pa;T:K
解:查附录二:1ft=0.3048m;1h=3600s;
1atm=1.0133×105Pa;1oR=5/9 K
以D’、P’、T’代表扩散系数、压强和温度三个物理量,则:
5
T' 2
o
R
D'
1.46104
2
P
'
T'
ft / h
441
o
atm
R
T'
5K
o
R
9o R
引入换算因子:
5
2
D'
1.46104
2
P
'
T'
ft
0.3048m 2
1h
441
(
)
5
h
1ft
3600s atm 1.013310 Pa o R 5K
o
9
R
1atm
整理,得:
5
T' 2
K
D'
9.21710 4
P'
T'
m2
245
P
a
K
s
9.217104
T2
经验公式为:D
P
T 245
5
0.5物料衡算
遵循质量守恒定律
通式:ΣGi=ΣGo+GA
适用于:1.任何指定的空间范围;
2.过程所涉及的全部变化:
无化学变化;混合物任一组分都符合此通式;
有化学变化:各元素符合此通式;
3.间歇、连续操作:
间歇操作: GA≠0
连续操作: GA=0
物料衡算的步骤:
1.绘简图:方框表设备,箭头表输入输出物流
方向,箭头旁注明条件。
2.定基准:
间歇操作:以一批物料为基准;
连续操作:以单位时间为基准。
3.划范围:其边界要与待计算的物流相交
4.列算式:
总物料衡算式,1个
某组分物料衡算式,N-1个
物料衡算举例
例0-3:已知原料液流量为1000kg/h,含20%KNO3,进入蒸发器,
蒸出水分W kg/h,浓缩液为S kg/h,含KNO350%进入结晶器,
结晶产品为P kg/h,含96%KNO3,循环母液R kg/h,含37.5%
KNO3,回到蒸发器再循环,求W,S,P,R各为多少kg/h?
解:1.绘简图: W kg/h
1000kg/h
20%KNO3
蒸发器
III
S kg/h
50%KNO3
R kg/h
37.5%KNO3
2.定基准:1h
3.划范围:范围I,II,III见图
结晶器
II
P kg/h
96%KNO3
I
W kg/h
1000kg/h
20%KNO3
蒸发器
III
S kg/h
50%KNO3
结晶器
II
P kg/h
96%KNO3
I
R kg/h
37.5%KNO3
4.列算式:
方框I:总物料:1000=W+P
KNO3组分:1000×0.2=W×0+P×0.96
方框II:总物料:S=P+R
KNO3组分:S×0.5=P×0.96+R×0.375
W=791.7 kg/h
P=208.3 kg/h
S=974.8 kg/h
R=766.5 kg/h
思考:比较R流股在I内外的情况有何不同?
I,III或II,III范围列算式时计算结果有何不同?
0.6 热量衡算
遵循能量守恒定律
同物料衡算一样,绘简图、定基准、划范围、列算式,但有
物料所具有的热量由显热与潜热两部分组成 ,称为焓(H,
kJ/kg)。焓值为一相对值,且与状态有关,所以热量衡算时
必须规定基准温度和基准状态,通常基准选273K液态(即此时
H=0)。
热量除了伴随物料进出系统外,还可通过设备外壳、管壁由
系统向外界散失或由外界传入系统,只要系统与外界存在温
度差,就有热量的散失或传入,称热损失QL。
热量衡算通式: ΣQi=ΣQo+QL
Σ(wH) i=Σ(wH)o+QL
热量衡算举例
例0-4:在换热器中将平均比热为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℃的饱和水蒸
汽,其消耗量为0.095kg/s,蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。
试计算换热器的热损失占水蒸汽所提供热量的百分数。
解:1.绘简图
120℃饱和水蒸汽
0.095kg/s
25℃溶液
1.0kg/s
2.定基准:1s,0℃,液体
3.划范围:以换热器为衡算范围
换热器
80℃溶液
1.0kg/s
120℃饱和水
0.095kg/s
120℃饱和水蒸汽
0.095kg/s
25℃溶液
1.0kg/s
换热器
80℃溶液
1.0kg/s
120℃饱和水
0.095kg/s
4 . 列 算 式 : 查 附 录 九 : 1 2 0 ℃ 饱 和 水 蒸 汽 H=2708.9kJ/kg,
120℃饱和水H=503.67kJ/kg,则:
1.0×3.56×(25-0)+0.095×2708.9=1.0×3.56×(800)+0.095×503.67+QL
QL=13.70 kW
水蒸汽提供热量:Q=0.095×(2708.9-503.67)=209.5 kW
∴热损失百分数=13.70/209.5=6.54%
本章总结
掌握单元操作与化工生产过程的概
念
掌握物料衡算、热量衡算、单位制
与单位换算
了解本课程的性质、任务与内容