化工单元过程

-1-化工单元过程及单元操作-2-目录第一章化工过程与单元操作..................................................3第一节概述................................................................3第二节《化工原理》课程的内容、性质及任务...................................3第三节单位与单位换算......................................................3第四节单元操作中常用的基本概念............................................4第二章吸收...............................................................7第一节概述................................................................7第二节气液相平衡...........................................................92-２-１气体在液体中的溶解度...............................................92-2-３吸收速率方程..........................................................112-2-4吸收塔的计算...........................................................112-2-5吸收剂用量的计算......................................................11第三章蒸馏.................................................................17第一节概述..................................................................17第二节双组分溶液的气液相平衡................................................173.2.1溶液的蒸汽压及拉乌尔定律...............................................173.2.2温度组成图（T—Y—X图）.................................................183.2.3汽液相平衡图（Y—Ｘ图）................................................183.2.4双组分非理想溶液.......................................................183.2.5挥发度及相对挥发度....................................................18第三节蒸馏与精馏原理........................................................193．3．1简单蒸馏与平衡蒸馏..................................................193．3．2精馏原理.............................................................19-3-第一章化工过程与单元操作第一节概述化学工业是将自然界的各种物质，经过化学和物理方法处理，制造成生产资料和生活资料的工业。一种产品的生产过程中，从原料到成品，往往需要几个或几十个加工过程。其中除了化学反应过程外，还有大量的物理加工过程。化学工业产品种类繁多。各种产品的生产过程中，使用着各种各样的物理加工过程。根据它们的操作原理，可以归纳为应用较广的数个基本操作过程，如流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、萃取、吸附以及干燥等。例如，乙醇、乙烯及石油等生产过程中，都采用蒸馏操作分离液体混合物，所以蒸馏为一基本操作过程。又如合成氨、硝酸及硫酸等生产过程中，都采用吸收操作分离气体混合物，所以吸收也是一个基本操作过程。又如尿素、聚氯乙烯及染料等生产过程中，都采用干燥操作以除去固体中的水分，所以干燥也是一个基本操作过程。这些基本操作过程称为单元操作（unitoperation）。任何一种化工产品的生产过程，都是由若干单元操作及化学反应过程组合而成的。每个单元操作，都是在一定的设备中进行的。例如，吸收操作是在吸收塔内进行的；干燥操作是在干燥器内进行的。单元操作不仅在化工生产中占有重要地位，而且在石油、轻工、制药及原子能等工业中也广泛应用。第二节《化工原理》课程的内容、性质及任务为学习化工单元操作而编写的教材，在我国习惯上称之为《化工原理》（PrinciplesofChemicalEngineering）。单元操作按其理论基础可分为下列三类：（1）流体流动过程（fluidflowprocess）包括流体输送、搅拌、沉降、过滤等。（2）传热过程（heattransferprocess）包括热交换、蒸发等。（3）传质过程（maddtransferprocess）包括吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。流体流动时，其内部发生动量传递（momentumtransfer），故流体流动过程也称为动量传递过程。流体流动的基本原理，不仅是流体输送、搅拌、沉降及过滤的理论基础，也是传热与传质过程中各单元操作的理论基础，因为这些单元操作中的流体都处于流动状态。传热的基本原理，不仅是热交换和蒸发的理论基础，也是传质过程中某些单元操作（例如干燥）的理论基础。因为干燥操作中，不仅有质量传递而且有热量传递。因此，流体力学、传热及传质的基本原理是各单元操作的理论基础。《化工原理》是化工各专业学生必修的一门基础技术课程，其主要任务是介绍流体流动、传热、传质的基本原理及主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型及实验研究方法；培养学生运用基础理论分析和解决化工单元操作中各种工程实际问题的能力。第三节单位与单位换算1.单位制由于科学技术的迅速发展和国际学术交流的日益频繁，以及理科与工科的关系进一步密切，国际计量会议制定了一种国际上统一的国际单位制，其国际代号为SI（法文Syst｀emeInternationald′Unites的缩写）。国际单位制中的单位是由基本单位、辅助单位和具有专门名称的导出单位构成的，分别列于表1、表2及表3中；国际单位制中用于构成十进倍数和分数单位的词头，列于表4中。表1国际单位制的基本单位量的名称单位名称单位符号长度米m-4-质量千克kg时间秒s电流安培A热力学温度开尔文K物质的量摩尔mol发光强度坎德拉cd表2国际单位制的辅助单位量的名称单位名称单位符号平面角弧度rad立体角球面角sr表3国际单位制中具有专门名称的导出单位（只列出本书常用的单位）量的名称单位名称单位符号其它表示式示例频率赫兹Hzs－1力；重力牛顿N㎏·m/s2压力（压强），应力帕斯卡PaN/m2能量，功，热焦耳JN·m功率瓦特WJ/s摄氏温度摄氏度℃*表4用于构成十进倍数和分数单位的词头（只列出本书常用的词头）所表示的因数词头名称词头符号所表示的因数词头名称词头符号106兆M10-1分d103千k10-2厘c102百h10-3毫m101十da10-4微µ我国已开始实行法定计量单位。法定计量单位是以国际单位制的单位为基础，根据我国的情况，适当增加了一些其他单位构成的。国家选定的非国际单位制单位，列于表5中。本书采用法定计量单位，但因目前常用的物理、化学数据和工程用数、表、列线图仍有许多是用物理制（CGS制）单位和工程单位，尚未换算过来，故本书兼用这些单位制中的个别单位（如例题、习题中），望注意这些单位，并要掌握单位的换算方法。CGS与工程单位制中的基本单位如表6所示。工程单位制中以“力”为基本量，用符号kgf表示。表5国家选定的非国际单位制单位（只列出本书常用的单位）量的名称单位名称单位符号换算关系和说明时间分min1min=60s小时h1h=60min=3600s-5-天（日）d1d=24h=86400s平面角秒()1=(π/648000)rad分(')1'=60(π/108000)rad度(°)1°=60'(π/180)rad旋转角度转每分r/min1r/min=(1/60)s-1质量吨t1t=103kg原子质量单位u1u≈1.6605655×10-27kg体积升L,(l)1L=1dm3=10-3m3表6CGS制与工程制的基本单位CGS制工程制量的名称长度质量时间温度长度力时间温度单位符号cmgs℃mkgfs℃2.因次法定计量单位中，基本量的长度、质量、时间、温度可分别用符号L、M、T、θ表示，则导出量可由这些基本量的符号组合而成。例如，速度可用［LT－1］、加速度用［LT－2］、力用［MLT－2］表示。若某物理量以［MaLbTc］表示，则称它为该物理量的因次或量纲（dimension）（严格地说，指数a、b、c称为因次，［MaLbTc］称为该物理量的因次式或量纲式）。它表示该物理量的单位与基本量的单位之间的关系。当a＝b＝c＝0时，时［M0L0T0］＝［1］，称为无因次（dimensionless）。例如，液体的相对密度为该液体的密度与4℃时纯水的密度之比值，其因次为［ML－3/ML－3］＝［M0L0］＝［1］，为无因次。3.单位换算同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应地改变。这种换算称为单位换算。法定计量单位刚实行不久，由过去的CGS和工程单位制过渡到全部使用法定单位，还需要一段时间。因此，必须掌握这些单位间的换算关系。单位换算时，需要换算因数。化工中常用单位的换算因数，可从本教材附录中查得。要特别注意工程单位制中的“力”的单位kgf与国际单位制中“力”的单位N之间的换算关系，在这里对这两个单位的换算关系作简要说明。若物体受地心引力作用产生a＝9.80665m/s2的重力加速度（国际标准重力加速度，即在北纬45海面上的重力加速度），则作用于质量为m＝1kg的物体上的重力为F＝ma＝1×9.80665＝9.80665N物体在重力场中所受的重力，就是该物体的重量。因此，工程单位制中是把SI中的9.80665N重量，作为其1kgf重量，故有1kgf＝9.80665N由于质量为1kg物体的重量为1kgf，所以工程单位制中的重量与SI中的质量数值相等。例1通用气体常数R＝0.08206L·atm/mol·°K，试用法定单位J/mol·K表示。解从单位换算表查得1L＝10-3m3，1atm＝1.013×105Pa因此，得R＝0.08206×10-3×1.013×105＝8.313m3·Pa/mol·K从单位换算表查得1Pa＝1N/m2＝1N·m/m3＝1J/m3因此，得R＝8.313J/mol·K第四节单元操作中常用的基本概念在研究化工单元操作时，经常用到下列五个基本概念，即物料衡算，能量衡算，物系的平衡关系，传递速率及经济核算等。这五个基本概念贯串于本课程的始终，在这里仅作-6-简要说明，详细内容见各章。1.物料衡算依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即输入量－输出量＝累积量对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即牌稳定操作状态时，过程中不应有物料的积累。则物料衡算（materialbalance）关系为输入量＝输出量用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。物料衡算可按下列步骤进行：（1）首先根据题意画出各物流的流程示意图，物料的流向用箭头表示，并标上已知数据与待求量。（2）在写衡算式之前，要计算基准，