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化工原理绪论

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化工原理

PrinciplesofChemicalEngineering

2011-3-11

一、化工原理课程简介

1.课程名称与性质课程名称与性质2.课程的发展与研究对象课程的发展与研究对象3.化工原理的学科性质与研究方法化工原理的学科性质与研究方法4.化工原理的学习方法化工原理的学习方法

绪论

二、化工原理处理问题的方法

1.物料衡算物料衡算2.能量衡算能量衡算3.平衡与速率平衡与速率

三、单位与单位制

2011-3-11

一、化工原理课程简介

1.课程名称与性质

名称：

化工原理、单元操作、名称：

化工原理、单元操作、化工过程及设备性质：

性质：

研究化工生产中公有物理过程的原理及设备，是一门工程性、实践性很强的课程。

是一门工程性、实践性很强的课程。

前修课程：

高等数学、大学物理、物理化学、前修课程：

高等数学、大学物理、物理化学、算法语言、算法语言、计算方法等教学环节：

课堂教学、实验、实习、教学环节：

课堂教学、实验、实习、课程设计化工原理是基础课与专业课之间的桥梁，2化工原理是基础课与专业课之间的桥梁，工程训练是其主要目标。

是其主要目标。

2011-3-11

2.课程的发展与研究对象

化工原理课程的发展源于化工生产。

以聚氯乙烯已炔法）的生产过程为例说明之。

（已炔法）的生产过程为例说明之。

化学原理：

C2H2+HCl───→C2H3Cl

合成偶氮二异丁腈

HgCl2

nC2H3Cl─────→（C2H3Cl）n

聚合生产过程：

参见下面流程图）生产过程：

（参见下面流程图）

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化工原理的研究对象——单元操作（UnitOperations）单元操作（单元操作）

化工生产中共有的物理操作

（1）单元操作的概念——化工生产中共有的物理操作原料的预处理化工生产过程进行化学反应反应产物的分离与提纯由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研究各个独立的单元操作化工原理单元操作

2011-3-11

2）单元操作的特点）所有的单元操作都是物理性操作，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。

物理性质，并不改变化学性质。

化工生产过程中共有的操作，单元操作是化工生产过程中共有的操作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。

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，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。

用的设备也是通用的。

2011-3-11

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：

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，用动量传流体动力过程遵循流体动力基本规律，遵循流体动力基本规律递理论研究如：

流体输送、沉降、过滤、固体流态化流体输送、沉降、过滤、?

热过程——遵循传热基本规律，用热量传递理论研究热过程遵循传热基本规律，热量传递理论研究遵循传热基本规律如：

传热、冷凝、蒸发等传热、冷凝、?

传质过程传质过程——遵循传质基本规律，用质量传递理论研究遵循传质基本规律，质量传递理论研究传质过程遵循传质基本规律如：

蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等蒸馏、吸收、萃取、结晶、

2011-3-11

3.课程研究方法

工程学科性质决定了课程的研究方法。

研究方法——工程方法工程方法研究方法实验规划测试手段与技术数据处理过程分析、过程分析、简化过程描述实验检验及测定模参

实验法经验法）工程学科（经验法）研究方法数学模型法（半理论半经验法半理论半经验法）半理论半经验法

将在课程中逐步介绍这些方法及其应用

2011-3-11

例如：

因次分析法——直管湍流阻力直管湍流阻力数学模型法——双膜模型的建立双膜模型的建立数学模型法参数综合法——过滤常数过滤常数参数综合法当量法——当量直径、当量长度等当量法当量直径、当量直径类比法——动量、热量、质量传递的类似规律动量、热量、类比法动量

2011-3-11

4.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。

单元操作，寻本求源。

选择：

为了达到或实现某一工程目的，能否对过程和设选择：

为了达到或实现某一工程目的，备作合理的选择和组合。

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，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。

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。

正常现象，寻找其原因及可能采取的调节措施。

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通过化工原理课程学习，我们应达到以下目的：

abcd过程清楚、原理清楚；过程清楚、原理清楚；过程及设备开发的基本方法与原则；过程及设备开发的基本方法与原则；分析与解决化工生产中的实际问题；分析与解决化工生产中的实际问题；了解强化过程的途径。

了解强化过程的途径。

工程训练

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二、化工原理处理问题的方法

1.物料衡算

依据——质量守恒定律质量守恒定律依据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。

中积累的物料质量。

G邋=I

G+G0A

——物料衡算的通式物料衡算的通式

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整个生产过程衡算的系统某一设备系统中的所有物料衡算的对象某一个组分

定态过程，积累为零。

则：

G邋=

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例：

在两个蒸发器中，每小时将5000kg的无机盐水溶液从在两个蒸发器中，每小时将的无机盐水溶液从12％（质量％）浓缩到％质量％浓缩到30%。

第二蒸发器比第一蒸发器多蒸。

的水分。

出5%的水分。

试求：

的水分试求：

（1）各蒸发器每小时蒸出水分的量；）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。

）第一蒸发器送出的溶液浓度。

W1F0=5000kg/hx0=0.12F1x1W2F2x2=0.3

蒸发器1蒸发器

蒸发器2蒸发器

2011-3-11

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。

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，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。

用一圈封闭的虚线画出。

选择衡算基准（连续操作以单位时间为基准，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）以一批操作为基准）由于连续操作，小时为基准。

由于连续操作，以1小时为基准。

小时为基准

2011-3-11

确定衡算对象此题中有两个未知数，蒸发的水量及送出的此题中有两个未知数，蒸发的水量及送出的NaOH溶液量溶液量B，因此，我们就以不同衡算对象列出两个衡算式。

，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：

Fx0=Fx202

5000=F2+W+W21

0.3F2

代入已知数据，代入已知数据，得：

5000?

0.12

F=2000kg/h2

W+W2=3000kg/h1

由题意知W=1.051W2

\W=1463.4kg/h1

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W=1536.6kg/h2

求第一个蒸发器送出的溶液浓度，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。

算范围。

对盐作物料衡算：

0对盐作物料衡算：

Fx0=Fx11对总物料作衡算：

0对总物料作衡算：

F=W+F11代入已知数据，代入已知数据，得：

5000?

0.12

解得：

Fx11

5000=1463.4+F1

F=3536.6kg/h1

x1=0.1697=16.97%

2011-3-11

2．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。

量与损失的热量之和。

Q邋=I

Q+Q0L

——热量衡算通式热量衡算通式

或写成

（邋wH）

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（wH）0+QL

热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，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。

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，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℃时液态的焓值为零。

上选℃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

例

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。

极限。

平衡是一个动态的过程。

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②速率过程的速率是指过程由不平衡到平衡进行的快慢。

过程的速率是指过程由不平衡到平衡进行的快慢。

过程的速率表示为：

过程的速率＝推动力／阻力过程的速率＝推动力／推动力：

过程所处的状态与平衡状态的距离，推动力：

过程所处的状态与平衡状态的距离，阻力：

过程的阻力是各种因素对速率影响的总的体现。

阻力：

过程的阻力是各种因素对速率影响的总的体现。

2011-3-11

在换热器里将平均比热为3.56kJ/（kg·℃）的某溶液自例：

在换热器里将平均比热为（℃25℃加热到80℃，溶液流量为℃加热到℃溶液流量为1.0kg/s，加热介质为，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和水蒸气，其消耗量为，水排出。

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。

分数。

解：

根据题意画出流程图

120℃饱和水蒸气

0.095kg/s25℃溶液℃1.0kg/s

换热器

80℃溶液℃1.0kg/s120℃饱和水0.095kg/s

2011-3-11

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℃饱从附录查出℃饱和水蒸气的焓值为，℃和水的焓值为503.67kJ/kg。

。

和水的焓值为在此系统中输入的热量：

在此系统中输入的热量：

QI=Q+Q21蒸气带入的热量：

蒸气带入的热量：

Q=0.095?

2708.9

257.3kw

溶液带入的热量：

Q2=1.0创3.56（25-0）=89kw

Q=257.3+89=346.3kwI

输出的热量：

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Q=Q+Q4O3

冷凝水带出的热量：

Q=0.095?

503.673

47.8kw

3.56（80-0）=284.8kw溶液带出的热量：

溶液带出的热量：

Q4=1.0创

Q0=Q+Q4=47.8+284.8=332.6kw3

根据能量衡算式，根据能量衡算式，有：

Q邋=

Q0+QL

QL=邋IQ

热量损失的百分数=热量损失的百分数

Q0=346.3-332.6kw=13.7kw

13.7=6.54%257.3-47.8

2011-3-11

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。

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，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。

单位制：

基本单位与导出单位的总和。

2011-3-11

物理单位制：

基本单位：

长度质量g物理单位制：

基本单位：

长度cm质量

时间s时间

工程单位制：

基本单位：

长度时间s工程单位制：

基本单位：

长度cm力kgf时间SI单位制：

基本单位有7个，化工中常用的有个：

单位制基本单位有个化工中常用的有5个单位长度cm质量kg时间s温度K、物质量mol长度、质量、时间、温度、物质量

2．单位衡算

已知1将其换算成N/m2。

已知1atm=1.033kgf/cm2,将其换算成=按题意需将kgf/cm2中的单位换算成，cm2换算成2,查中的单位换算成N，换算成m按题意需将附录1：

换算关系为：

附录1换算关系为：

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1kgf=9.81，1cm=0.01=81N，=01m上述关系代入，得：

kgf9.81N1.0332=1.033?

2cm0.01m）（1.013　5N/m210

3．3．单位的正确运用

理论公式：

根据物理规律建立的，理论公式：

根据物理规律建立的，反映各有关物理量之间的关系，又叫物理方程。

的关系，又叫物理方程。

具有单位一致性，具有单位一致性，只要采用同一单位制的单位来表示各物理量即可。

来表示各物理量即可。

2011-3-11

经验公式：

根据试验结果整理出来的，经验公式：

根据试验结果整理出来的，反映各有关物理量的数字之间的关系，又叫数字公式的数字之间的关系，又叫数字公式。

公式中所用的单位一般都是指定的，公式中所用的单位一般都是指定的，在计算中只要将数字代入，算出结果，中只要将数字代入，算出结果，然后加上规定的单位就行了。

定的单位就行了。

2011-3-11

1本文由颜世雄贡献

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化工原理

湖北大学化学化工学院杨世芳

e-mail:

yang6239@

学习要求：

学习要求

认真听讲独立思考按时完成作业

考核方式：

考核方式

平时作业、考勤、期中考试50％期末考试（闭卷）50％

教材及参考书目：

教材及参考书目

教材:

教材

王志魁：

《化工原理》，第三版，北京：

化学工业出版社，2005年1月；

参考书目:

参考书目

陈敏恒等：

《化工原理》，第三版，北京：

化学工业出版社，2006年5月；

夏清、陈常贵：

《化工原理》，天津大学出版社，2005年1月第一版；

1绪论

1.1课程概述课程概述化工过程：

有目的的使原料经过一系列的化学或物化工过程有目的的使原料经过一系列的化学或物理变化，以获得产品的工业过程，也称为化工生产，理变化，以获得产品的工业过程，也称为化工生产，或化工生产过程。

或化工生产过程。

（1））

（2））（3））

原料

预处理

反应

后处理

产品

图1-1基本化工生产过程

例如：

甲醇的生产：

主：

CO+2H2→CH3OH（g）+Q（）副：

CO2+3H2→CH3OH（g）+H2O（g）2CO+4H2→（CH3）2O+H2OCO+3H2→CH4+H2O4CO+8H2→C4H9OH+3H2OCO2+H2→CO+H2O合成气（CO，H2，CO2）→输送→管式反应器→粗甲醇→冷却输送→管式反应器→粗甲醇→合成气（，精馏→精甲醇（→精馏→精甲醇（99.85~99.95%））苯的生产：

苯的生产：

加热→原料油（甲苯、二甲苯）、H输送→加热反应器→原料油（甲苯、二甲苯）、H2→输送加热→反应器→减压蒸）、馏塔→精馏→99.992~99.999%）馏塔→精馏→苯（99.992）可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。

可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。

化学反应过程

化工生产的核心

化工生产过程

物理处理过程（单元操作）单元操作）

原料的预处理

产品的加工化学反应和若干个单元操作串联而成

化工原理的研究对象

——单元操作（UnitOperations）单元操作（单元操作）

（1）单元操作的概念单元操作：

化工生产中除化学反应单元以外的单元操作所有物理性操作。

在当今化工及其相近工业生产中应用的单元操作有几十种之多，而且随着生产的发展和科技的进步还会不断地开发出一些新型的单元操作。

（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。

（3）单元操作的分类）单元操作的分类：

①按操作目的分：

按操作目的分

流体输送气体和液体的输送流体输送：

物料的混合主要指通过搅拌达到物料混合物料的混合：

或分散的目的

物料的加热或冷却：

利用物料和环境之间的物料的加热或冷却

温度差输入或输出热量

均相混合物的分离气体吸收、液体蒸馏、萃取等均相混合物的分离：

非均相混合物的分离过滤和沉降非均相混合物的分离：

②按单元操作遵循的基本规律分：

按单元操作遵循的基本规律分

动量传递过程：

遵循流体力学基本规律的单元操作：

流体输送、沉降、过滤和离心分离等

热量传递过程：

遵循热交换基本规律的单元操作：

如传热、蒸发等

质量传递过程：

遵循通过扩散，从一相转移到另一相的过程：

吸收、吸附、蒸馏、萃取、离子交换、膜分离等

表1-1单元操作

单元操作

流体输送搅拌

目的

输送混合或分离

物态

液或气气-液液-液,固-液

原理

输入机械能输入机械能

传递过程

动量传递动量传递

过滤沉降

非均相混合物分离气-固,固-液非均相混合物分离气-固,固-液

尺度不同的截留密度差引起的沉降运动

动量传递动量传递

加热,升温,降温,加热,冷却升温,降温,改变相态蒸发溶剂与不挥发性溶质的分离

气或液

利用温差传入或移出热量

热量传递

液

供热汽化溶剂

热量传递

续表1-1单元操作续表1

1.2化工原理处理问题的方法

（1）物料衡算：

）物料衡算：

物料衡算也称为质量衡算，物料衡算也称为质量衡算，其依据是质量守恒定律。

它反映一个过程中原料、产物、副产物恒定律。

它反映一个过程中原料、产物、等之间的关系，等之间的关系，即进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的积累量。

料量和过程中的积累量。

排出物料的总量＋输入物料的总量＝排出物料的总量＋过程积累的总量

系统∑M入积累M∑M出

图1-2物料衡算示意图物料衡算式：

物料衡算式∑M入＝∑M出＋M连续稳定流动：

∑M入＝∑M出连续稳定流动

（1-1）（1-2）

进行物料衡算时，必须明确下面几点：

▲进行物料衡算时，必须明确下面几点

①首先要确定衡算的系统，即衡算对象包括的范围。

②其次要确定衡算的基准。

③然后确定衡算的对象。

④最后还要确定衡算对象的物理量及单位。

每小时有10例1-1每小时有吨5％的乙醇水溶液进入精馏塔，％的乙醇水溶液进入精馏塔，％，塔底排出的废水中含塔顶馏出的产品中含乙醇95％，塔底排出的废水中含％，％。

求每小时可得产品多少吨乙醇0.1％。

求每小时可得产品多少吨？

若废水全部排％。

求每小时可得产品多少吨？

每年（损失的乙醇多少吨？

放，每年（按操作7200小时计）损失的乙醇多少吨？

小时

乙醇产品

解：

已知：

原料液流量及其中乙醇含量产品和废水中乙醇含量

精

原料液含乙醇5％10吨/时

含乙醇95％

馏塔

废水含乙醇0.1％

求：

产品和废水流量

：

知量，求解出料

例1-1

确定：

衡算范围：

包含精馏塔在内的虚线框衡算对象：

衡算对象：

a.物流的流量衡算基准：

衡算基准：

单位时间：

小时

b.物流中乙醇的量

设：

产品流量为X吨/时、废水流量为Y吨/时。

由物料衡算式：

∑M入＝∑M出对物流的量进行衡算：

10＝X+Y对乙醇的量进行衡算：

10×5％＝X×95％+Y×0.1％X＝0.516吨/时Y＝9.484吨/时每年损失乙醇：

9.484×0.1％×7200＝68.28吨/年

（2）

（1）

例1－2－

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。

W1F0=5000kg/hx0=0.12F1x1

例1-2附图

W2F2x2=0.3

蒸发器1

蒸发器2

选择衡算基准（连续操作以单位时间为基准，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）以一批操作为基准）由于连续操作，以1小时为基准。

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

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