绪论(环境工程本科).ppt

化工原理 使用教材 谭天恩 李伟等编 过程工程原理 化学工业出版社 2006 主讲 林维晟Tel 13860075681 绪论 一 化工原理 课程的性质 地位和作用 1 重要的专业技术基础课程 是环境工程专业必修的一门化工基础技术课程 2 承前启后 由理及工的桥梁 又是各种专业课程如 水污染控制工程 大气污染控制工程 等的基础 3 化工原理也叫做化工单元操作 UnitOperationofChemicalengineering 它是研究大规模化工生产中物理性质变化规律的工程学科 4 课程具有显著的工程性 要解决的问题是多因素 多变量的综合性的工业实际问题 同时 它又是 门计算性较强的课程 二 化工过程与单元操作 一 化工过程的构成与特征 化工过程的特点之一是步骤多 而且因为不同的化学工业所用的原料与所得产品不同 所以各种化工过程的差别大 一个化工过程所包含的步骤可分为两大类 化学变化和单元操作 简称为 三传一反 化学反应 进行化学反应为主 在反应器中进行 是化工过程的核心 其投资约占化工过程总投资的10 20 单元操作 不进行化学反应 是物理变化过程 如 原料和反应物的前 后处理工序 仅发生压力 温度 组成 相态等物理变化过程 是生产过程必不可少的操作 它可归纳为动量传递 质量传递和热量传递 例1 味精的生产过程 单元操作 物料在各种各样的前 后处理过程中的物理变化 任何一个化工生产过程都是由若干种完成特定任务的设备 包括反应器 完成各单元操作的设备和贮料设备 按一定顺序 由各种管道和输送装置连接起来的组合体 本课程的主要研究内容是以化工生产中的物理加工过程为背景 按其操作原理的共性 归纳成的 若干单元操作 各种单元操作都是依据一定的物理或物理化学原理 在某些特定的设备中进行的特定的过程 单元操作 是物理变化过程 如 原料和反应物的前 后处理工序 仅发生压力 温度 组成 相态等物理变化过程 是生产过程必不可少的操作 不进行化学反应 二 化工原理中的单元操作 例2 聚氯乙烯塑料的生产过程 单元操作的特点与分类 1 特点 都是不进行化学反应的过程 是物理性操作 即只改变物料的状态或物理性质 不改变其化学性质 都是化工生产过程中共有的操作 但不同的化工过程所包含的单元数目 名称与排列顺序各异 某个单元操作用于不同的化工过程 其基本原理并无不同 进行操作的设备往往也是通用的 但是反应过程却不一样 不同的反应 反应机理不同 设备也不同 单元操作的研究内容 各种单元操作的基本原理与单元操作过程计算 典型单元操作设备的合理结构及其工艺尺寸的设计与计算 设备操作性能的分析以及组织工程性实验以取得必要的设计数据 找出强化过程 改进设备的途径 操作方式 连续操作和间歇操作 定常操作与不定常操作 表0 1单元操作的名称及分类 三 单元操作与工程观点 1 过程影响因素多 物性因素 操作因素和结构因素 2 过程制约条件多 3 效益是评价工程合理性的最终判据 4 理论分析 工业性试验与经验数据并重 需要同学了解工程实际问题的特点 从工程实际出发 学会从经济角度去考虑技术问题 四 单元操作计算的基本内容 物料衡算 质量守恒定律 能量衡算 能量守恒定律 即热力学第一定律 过程的极限以及物性计算 分为设计计算和操作计算两类 过程速率 三 单位及单位换算 1 单位制 1 cgs制 物理单位制 基本单位 长度cm 质量g 时间s导出单位 如力g cm s2 dyn 达因 力 质量 加速度即 3 SI制 国际单位制 基本单位 一般先选几个独立的物理量 以使用方便为原则规定出它们的单位 长度m 质量kg 时间s 温度K 物质量单位mol 电流A 光强度cd 坎德拉 1 273 15 1 K导出单位 根据物理本身的物理意义 由有关基本单位组合构成的 如比热容 cp kJ mol K 或kJ kg K 温度差1K 1 2 单位换算 1 理论公式根据物理规律推导的 k 1 3 物理量的单位换算质量m 1kg的物体在地面附近的重量为1kgf 工程制 换算因数彼此是属于两个不同单位制的物理量 它们是等量关系 它们之间的比值为纯数1 三 单元操作的物料衡算与热量衡算 2 衡算式 输入质量 输出质量 积累质量 可为正值或负值 对于连续稳定的过程 积累的量 0输入质量 输出质量 一 物料衡算 1 依据 质量守恒定律 Conservationlawofmass 3 衡算步骤 1 针对提出的实际问题 首先弄清楚衡算目的 已和量和末知量 2 根据问题的类型和性质 确定需要补充哪些数据 并设法从各渠道去得到这些数据 3 选定适宜的衡算系统 用流程示意图表示衡算对象 即将问题的文字描述转化为图形描述 4 选定物料衡算基准 是物料衡算的出发点 其目的是为了保证物料衡算计算的一致性 间歇操作 常取一批原料或单位质量 或物质的量 原料为基准 对于连续操作 通常取单位时间内处理的物料量为基准 在有些情况下 也可选用100或1个单位量作基准 原则是使计算尽量简化 5 列物料衡算式求解 分为按进 出衡算系统的各物流的总物料量列出总衡算式 按各物流中的各组分量分别列出组分衡算式 例0 1两股物流A和B混合得到产品C 每股物流均由两个组分 代号1 2 组成 物流A的质量流量为GA 6160kg h 其中组分1的质量百分数WA1 80 物流B中组分1的质量百分数WB1 20 要求混合后产品C中组分1的质量百分数WB1 40 试求 需要加入物流B的量GB kg h 产品量GC kg h 图1例0 1流程图 解 1 按题意 画出混合过程示意图 标出各物流的箭头 已知量与末知量 用闭合虚线框出衡算系统 见图1 2 过程为连续定常 故取1h为衡算基准 3 列出衡算式 总物料衡算GA GB GC 代入已知数据得6160 GB GC A 组分1的衡算式GAWA1 GBWB1 GCWC1 代入已知数据得6160 0 80 GB 0 20 GC 0 40 B 联解式 A B 得GB 12320kg h Gc 18480kg h 作业 在连续干燥器中 用热空气将含水10 的湿固体物料干燥到含水1 均为质量分数 进口热空气中含水汽量为0 01kg水汽 kg干空气 若要求出口废气中的水汽量不超过0 12kg水汽 kg干空气 求空气的单耗 kg空气 kg湿物料 二 热量衡算 1 依据 能量守恒定律 Conservationlawofenergy 2 衡算式 物流带入的焓 输入热量 离开物流焓 输出热量 系统内物料焓的积累量 对于稳定过程 系统内物料焓的积累量 0输入总热量 输出总热量 注 由于焓是相对值 与物料衡算不同的是 衡算基准除了选取时间基准或物料量基准外 还需选取物流焓的基准态 3 物流焓的基准态 包括物流的基准压强p0 基准温度t0和基准相状态 0 1 基准压强 通常取p0 100kPa 一般在压强不高的情况下 常可忽略 2 基准温度 可取0 3 基准相态 选择可视具体情况而定 由于焓是相对值 基准态的选择有一定任意性 在压强不高时 主要是确定基准温度和基准相态 各组分的基准态可以不同 但同一组分必须在同一基准念下进行计算 物料衡算与热量衡算共同的解题步骤 画出流程示意图 用箭头表示物料或热量的传递方向 确定衡算范围 确定衡算基准 对稳定的连续过程 一般以单位时间为衡算基准 对间歇过程一般以一批操作作为衡算基准 注 对于热量衡算 由于焓值大小与从哪一温度算起有关 因而热量衡算还要指明基准温度 物料的焓值常从0 算起 若以0 为基准 则可不再指明 有时为方便计 以进料温度或环境温度作为基准温度 或采用数据资料的基准温度 这时就一定要指明 列出衡算式并求解 说明 按照基本步骤 养成规范化的解题习惯 有助于使解题思路清晰 避免出错 四 量纲一致性与单位一致性 1 量纲的概念 物理量通过几个基本物理量的幂次方的乘积来表达的关系称为物理量的量纲 因次 2 基本物理量 长度 L 时间 T 质量 M 温度 物质的量 N 电流强度和发光强度 3 无量纲数 无因次数或无因次数群 如 Re4 量纲分析法 因次分析法 5 量纲一致性与单位一致性 本课程的学习方法 1 切忌死记硬背 要学会方法 融会贯通 2 课前预习 课后复习 3 完成一定数量的习题 5 知识的综合应用 4 理论联系实际 强化工程观 课程考核 考试课 闭卷考试 成绩评定方法 平时成绩 40 期末考试成绩 60 拓展学习主要参考资料 1 谭天恩 窦梅 周明华 化工原理 上 下册 2 陈敏恒 丛德滋 方图南 齐鸣斋 化工原理 上 下册 3 天津大学化工原理教研室 化工原理 上 下册 4 天津大学化工原理教研室 化工原理学习指导 5 阮奇 叶长燊 黄诗煌 化工原理优化设计与解题指南 6 丛德滋 方图南 化工原理示例与练习 7 姚玉英 化工原理例题与习题 8 大连理工大学化工原理教研室 化工原理 上 下册