化工原理电子教案（绪论）课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化 工 原 理,绪 论,化 工 原 理,1,参考文献,1.姚玉英 黄凤廉 陈常贵编,(上下册),天津科学技术出版社,2.谭天恩 麦本熙 丁惠华编,(上下册),化学工业出版社,3.陈敏恒 丛德滋 方图南编,(上下册),化学工业出版社,4.何潮洪 冯霄编,科学出版社,参考文献1.姚玉英 黄凤廉 陈常贵编,2,一.化工原理在化工领域的地位,化工原理,无机化学,化学教育等,氯碱工业等,制漆业、电镀业,高分子化学,制糖业,应用化学,石油化工,物理化学,硫酸制造,有机化学,合成氨,分析化学,水泥、玻璃制造,传递工程,反应工程,分离工程,化工热力学,系统工程,一.化工原理在化工领域的地位化工原理无机化学化学教育等氯碱工,3,二、化工过程与单元操作,1、化工过程,化学工业中，对原料进行大规模加工处理，在,物理性质与化学性质,上发生变化，成为合乎要求的产品。,各种前处理,原料,化学加工,各种后处理,产品,除去杂质，达到必要的纯度、温度和压力,物理变化过程,反应生成新的物质,化学或生物化学变化过程,精制、分离、干燥等,物理变化过程,中间,产品,二、化工过程与单元操作1、化工过程各种前处理原料化学加工各种,4,2、化工过程的特点,（1）步骤多经历若干设备，各种处理方式,（2）差别大原料与产品不同，处理过程差,别大,2、化工过程的特点,5,碳酸氢氨的制造：,首先制备原料,循环冷气经合成塔内外壁环隙从上而下，由热交换器的管间进入从中心管上升入触媒层。压强为,温度为 。,动量传递（冷气入塔）（物理学中：动量=质量速度）,热量传递,质量传递（氨水吸收二氧化碳制造碳酸氢氨）化学反应工程。（合成炉）,除化学反应外，其余步骤皆可归纳为若干基本物理过程如输送、压缩、传热、沉降、过滤、蒸发、结晶、干燥、蒸馏、吸收、萃取、冷冻等。,碳酸氢氨的制造：首先制备原料,6,3、化工过程包含步骤可分为两大类,（1）以进行化学反应为主：,通常是在反应器中进行，反应机理相差很大,（2）以不进行化学反应的步骤：,这类操作称为单元操作，即化工原理研究对象,3、化工过程包含步骤可分为两大类,7,三、化工原理的研究对象,单元操作（Unit Operations）,1、单元操作的概念,化工生产过程,化工生产中共有的物理操作,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,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,三、化工原理的研究对象,8,2、单元操作的特点,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。,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。,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,。,2、单元操作的特点,9,3、单元操作的分类,根据单元操作所遵循的基本规律，分为三类：,流体动力过程,遵循流体动力基本规律，用动量传,递理论研究,如：流体输送、沉降、过滤、固体流态化,传热过程,遵循传热基本规律，用热量传递理论研究,如：传热、冷凝、蒸发等,传质过程,遵循传质基本规律，用质量传递理论研究,如：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等,3、单元操作的分类遵循流体动力基本规律，用动量传如：流体,10,四、化工原理研究与学习方法,1、学科性质工程学科,用自然科学的基本原理来分析和处理化工生产中的物理过程,2、研究方法工程方法,因次分析法,直管湍流阻力,数学模型法,双膜模型的建立,参数综合法,过滤常数,当量法,当量直径、当量长度等,类比法,动量、热量、质量传递的类似律,四、化工原理研究与学习方法1、学科性质工程学科因次分析,11,3. 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。,3. 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,12,五、化学工程主要经历的四阶段,1、化学工艺学阶段,2、单元操作阶段,3、传递过程阶段,4、“三传一反阶段”,五、化学工程主要经历的四阶段1、化学工艺学阶段,13,六、单位及单位换算,1、单位制度,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,。,六、单位及单位换算1、单位制度,14,物理量,：,表示物质物理性质的参数，如长度、面积、体积、密度、粘度、导热系数、温度、压强等。这些物理量可通过几个彼此独立的,基本物理量,来表示，其大小则用各种单位来量度称为,基本单位,。,常用的基本单位长度、力或质量，时间和温度等，基本量以外的其它物理量，可通过物理量之间的规律（定义或定律），从基本量推导出来称为,导出物理量,，他们的单位称为,导出单位,。,应用这些基本量以表示物理量特性的式子称为,因次（或量纲）式,。因次式中各物理量的指数称为它的,因次或量纲,（有时也把物理量的量纲式简称为物理量的量纲）。因次可正、可负、整数、分数等任意有理数。,如流速,（ 导出量、 基本量、中的1因次、,因次式、 导出单位）。,、,物理量：表示物质物理性质的参数，如长度、面积、体积、密度、,15,A、国际单位制 SI制 7个基本单位，2个辅助单位，其余皆为,导出单位。,（1）常用的基本单位：,物理量 单位 国际符号,长度 米 m,长,质量 千克（公斤） kg,质,时间 秒 s,时,温度 开尔文 K,温,物质的量 摩尔 mol,量,（2）常用的导出单位,：,物理量 单位 国际符号 用SI制基本单位表示,力 牛顿 N （力=质量加速度）,力,压强 帕斯卡 Pa,压,能、功、热量 焦耳 J,能,功率 瓦特 W,率,单位顺序规律,：一般是长度、质量、时间顺序，如长度为负值，则把长度与质量互换。如 。,A、国际单位制 SI制 7个基本单位，2个辅助单位，,16,B、工程单位制（重力单位制）,常用的基本单位：,物理量 单位,长度 米,长,力 公斤（重） kgf,力,时间 秒,时,温度,温,C、绝对单位制,物理量 单位 符号,长度 厘米 cm,长,质量 克 g,质,时间 秒 s,时,温度,温,物理量 单位 符号,长度 米 m,长,质量 千克（公斤质） kg,质,时间 秒 s,时,温度,温,B、工程单位制（重力单位制）,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,mol,2、质量、重量、力,质量：一个物体所包含物质的多少，是固定的。,重量：一个物体所受地球吸引力（重力）的大小，是,随距离地球的远近而变化。,二者关系：,物理单位制：基本单位：长度cm 质量g 时间s,18,3单位换算,CGS制：,SI制：,工程制：,3单位换算,19,已知1,atm,=1.,033kgf/cm,2,将其换算成,N/m,2,。,按题意需将,kgf/cm,2,中的单位换算成,N,，,cm,2,换算成,m,2,其换算关系为：,1,kgf,=9.81,N,， 1,cm,=0.01,m,上述关系代入 ，得：,已知1atm=1.033kgf/cm2,将其换算成N/m,20,七、混合物浓度的表示方法,1、物质的量浓度,组分i的物质的量n,i,除以混合物的体积V，以符号c,i,表示：,c,i,=n,i,/V 单位：koml/m,3,2、物质的量分数（摩尔分数）,组分i的物质的量n,i,与混合物的物质的量n之比，以符号x,i,或y,i,表示,七、混合物浓度的表示方法1、物质的量浓度,21,3、物质的质量浓度（质量密度）,组分i的质量m,i,除以混合物的体积V，以符号,i,表示,i,=m,i,/V,4、物质的质量分数,组分i的质量m,i,与混合物的总质量m之比值，以符号,w,i,表示。,3、物质的质量浓度（质量密度）,22,5、摩尔比,6、质量比,5、摩尔比,23,7、气体混合物的表示方法,1、摩尔分数,2、压力分数,3、体积分数,4、气体混合物中组分的浓度,5、双组分气体混合物中组分的摩尔比,7、气体混合物的表示方法,24,八、物料衡算,根据质量守恒定律，向设备输入的物料质量减去从设备输出的物料质量，必等于积累在设备里的物料质量，即：,（此式既适用于间歇过程，也适用于连续过程）,式中 输入物料的总和；,输出物料的总和；, 积累的物料量。,无积累,八、物料衡算根据质量守恒定律，向设备输入的物料质量减去从设备,25,进行物料衡算的注意事项：,（1）确定衡算范围（或称系统），它可以在一个单一的设备或其中一部分进行，也可以包括几个处理阶段的全流程。,（2）确定衡算对象。对有化学变化的过程，衡算对象可找未发生变化的物质为惰性物质等。,（3）确定衡算基准。对于间歇过程，常以一次（一批）操作为基准，对于连续过程，则以单位时间为基准。,进行物料衡算的注意事项：,26,总结五字解题方法：分（分析题意 ）、图（画出图形）、选（选定基准）、算（计算结果）、分（分析结果是否合理）。,分,：认真分析题意 。,图,：画出正确的图形，（用虚线方框图圈住恒算范围，或设备的简略外形），箭头指向方框者是输入项，箭尾指向方框者是输出项，总输入等于总输出。,选,：选基准，在间歇操作中一般以一次操作为基准；在连续操作过程中则以单位时间为基准如一小时。,物料基准常以质量或数表示，不宜用体积表示。衡算对象只以不变化的物料或惰性组分为基准，单位基准、温度基准、压强基准等（统一单位、温度、压强）。,算,：计算，首先查明公式适用范围、各符号意义及单位，列出方程计算。如从普通公式出发解题，最后推导出适合题中特殊情况的计算式，然后再代入已知数字，从而可达到简化计算的目的。,分,：分析答案，是否符合实际。,总结五字解题方法：分（分析题意 ）、图（画出图形）、选（选定,27,例：,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,。,例：在两个蒸发器中，每小时将5000kg的无机盐水溶,28,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2,x,1,W,1,W,2,F,0,=5000kg/h,x,0,=0.12,F,1,F,2,x,2,=0.3,选择衡算基准（连续操作以单位时间为基准，间歇操作,29,确定衡算对象,此题中有两个未知数，蒸发的水量及送出的盐溶液量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,确定衡算对象对总物料作衡算：代入已知数据，得：由题意,30,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：,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,31,九、能量衡算,根据能量守恒定律而进行的能量平衡的计算。在生产中能量可能是热能、电能、机械能或其它能。如果是热能，则称为热量衡算。,进行热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，明确衡算范围、衡算对象与衡算基准。,伴随各股输入物料进入系统的热（焓）流量，kw；,伴随各股输出物料离开系统的热（焓）流量，kw；,系统向环境散失的热流量，或称“热损失”，kw；,H,焓,，单位质量的物质所具有的热量称为焓，其单位。,九、能量衡算根据能量守恒定律而进行的能量平衡的计算。在生产中,32,物料的焓值与其状态有关，而且是,相对值,，所以在进行热量衡算时为确定物料的焓值，必须首先规定,基准温度,，当有相变化时，还必须规定,基准状态,，通常以 ，,液态,为计算基准。,显热（一定量物质不发生相变化时，温度升高或降低产生的热量变化。）,潜热（单位质量的物质在一定温度下发生相变化时所吸收或放出的热量）。,化工原理电子教案（绪论）课件,33,例,：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/s,120饱和水,0.095kg/s,1.0kg/s,25溶液,80溶液,1.0kg/s,例：在换热器里将平均比热为3.56kJ/（kg）,34,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2708.9kJ/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：,基准：1s在此系统中输入的热量： 蒸气带入的热量： 溶液带入,35,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,=,冷凝水带出的热量： 溶液带出的热量： 根据能量衡算式，有：,36,十、平衡关系：,平衡关系予告过程或反应能够达到的极限。,如连通器液面最终达到同一水平面，,换热的极限是冷热流体温度相同，,气体吸收的极限是当时条件下的饱和溶解度，,反应的极限是当时条件下的平衡转化率。,十、平衡关系：平衡关系予告过程或反应能够达到的极限。,37,十一、传递速率,过程速率：,如,十一、传递速率过程速率：,38,