化工原理课件第三版(讲课用)

0绪论一、化工生产过程1.化工生产过程：对原料进行化学加工获得有用产品的过程称为化工生产过程。乙烯氯提纯提纯单体合成反应热分离裂解精制氯乙烯聚合脱水干燥成品分离氧氯化提纯乙烯空气水反应热550℃3MPa220℃0.5MPa550℃0.8MPaCH2=CH2+Cl2CH2Cl—CH2ClCH2Cl—CH2ClCHCl=CH2+HCl2CH2=CH2+2HCl+O22CHCl-CH2+2H2OHCl聚氯乙烯生产一氯苯的生产(一氯苯的质量分数达99.9%)苯氯气提纯氯化器氯化液一氯苯~69%二氯苯~1%苯~29%水洗中和中性氯化液常压精馏粗氯苯一氯苯~97%二氯苯~3%苯~0.01%减压精馏轻组分重组分一氯苯9.99%【苯、一氯苯、二氯苯的常压沸点/℃】苯一氯苯对二氯苯邻二氯苯80.11321731792.化工过程原则流程原料反应物料制备化学反应反应产物分离废料处理废料产品可利用原料药物和制药工业：反应设备投资占10%,其他单元操作的设备投资占90%。3.单元操作在化工及其相近工业中的重要作用化学和石油化学工业：反应设备投资占11%,其他单元操作的设备投资占89%；二、单元操作的分类与特点1.单元操作分类单元操作所遵循的规律遵循流体动力学基本规律的单元操作，包括流体输送、沉降、过滤、物料混合(搅拌)。遵循热量传递基本规律的单元操作，包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。遵循质量传递基本规律的单元操作，包括蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。同时遵循热、质传递规律的单元操作，包括气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。单元操作的目的流体输送物料的混合物料的加热与冷却均相混合物的分离非均相混合物的分离2.单元操作特点②同一单元操作在不同的化工生产中遵循相同的过程规律，但在操作条件及设备类型(或结构)方面会有很大差别。①物理过程。③对同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实现。三、本课程研究方法1.实验研究方法(经验法)2.数学模型法(半经验半理论方法)研究工程问题的方法论传递过程分析过程机理物理模型数学模型含模型参数的结果求得模型参数合理简化数学描述求解实验四、联系单元操作的两条主线五、化工过程计算的理论基础化工过程计算的类型：设计型计算和操作型计算物料衡算平衡关系计算依据：能量衡算速率关系六、本课程特点及学习要求1.本课程特点该课程是化工类及相近专业一门重要的技术基础课，兼有“科学”与“技术”的特点研究内容：各单元操作的基本原理，所用的典型设备的结构、工艺尺寸设计和设备的选型。2.学习要求(4)过程开发或科学研究能力(1)单元操作和设备选择的能力(2)工程设计能力(3)操作和调节生产过程的能力3.考核七、教学安排1.理论课108学时+课程设计2周+实验2.理论课安排1.王志魁.化工原理(第三版).北京：化学工出版社,20052.陈敏恒.化工原理(上下册).北京：化学工出版社,20003.何潮洪，窦梅，朱明乔，等.化工原理习题精解(上册).北京：科学技术出版社,20034.何潮洪，南碎飞，安越,等.化工原理习题精解(下册).北京：科学技术出版社,20035.丛德兹，丛梅，方图南.化工原理详解与应用.北京：化学工出版社,20026.丁忠伟，杨祖荣.化工原理学习指导.北京：化学工出版社,2006八、参考书7.柴诚敬，王军，陈常贵，郭翠梨.化工原理学习指导.天津：天津大学出版社,20038.黄华江.实用化工计算机模拟——Matlab在化学工程中的应用.北京：化学工出版社,20041.1概述1.1.1流体流动的考察方法1.1.2流体流动中的作用力1.1.1流体流动的考察方法一、流体的特征与压缩性1.特征：易于变形2.压缩性可压缩流体不可压缩流体如:气体如:液体二、流体质点与连续性假设1.质点的含义质点：由大量分子构成的集团(微团)，是保持流体宏观力学性的最小流体单元，从尺寸说是微观上充分大，宏观上充分小的分子团。微观上充分大分子团的尺度分子的平均自由程宏观上充分小分子团的尺度所研究问题的特征尺寸对分子运动作统计平均，以得到表征宏观现象的物理量物理量都可看成是均匀分布的常量V=10-5cm3分子数目N=2.7×1014个3.连续性假定流体由无数的彼此相连的流体质点组成，是一种连续性介质，其物理性质和运动参数也相应连续分布。①内容②适用范围绝大多数情况适用，但高真空下的气体不适用。三、运动的描述方法——拉格朗日法和欧拉法1.拉格朗日法描述同一质点在空间不同时刻的状态2.欧拉法描述空间各点的状态及其与时间的关系例如：位移的描述：s＝f(t)ux＝fx(x，y，z，t)uy＝fy(x，y，z，t)uz＝fz(x，y，z，t)例如:速度的描述四、定态与稳定1.定态指全部过程参数均不随时间而变定态流动：流场中各点的流动参数只随位置变化而与时间无关。非定态流动：流场中各点的流动参数随位置与(或)时间而变化。定态流动非定态流动指过程抗外界干扰的能力，当外界扰动移去后，过程能恢复到原有状态者，该过程是稳定的或具有稳定性。反之，则是不稳定的。2.稳定五、流线与轨线1.流线xyz△l1△l2u1u2u3123a.流线不能相交，因为空间一点只有一流速；特点:b.流体质点流动时不能穿越流线，因为质点的流速与流线相切。2.轨线某一段时间间隔内某一特定的流体质点在空间所经过的路线轨迹。3.流线与轨线的比较项目质点数目考察时间曲线含义考察方法流线许多质点特定时刻流线切线方向为运动速度方向欧拉法轨线单个质点一段时间轨线点为质点位置拉格朗日法六、系统与控制体1.系统众多流体质点的集合，与外界间的分界称为系统边界。系统与外界可以有力的作用与能量的交换，却无质量交换。2.控制体或称为划定体积流体可自由进出控制体，控制面上可有力的作用与能量的交换。当划定一固定的空间体积来考虑问题，该空间体积称为控制体。构成控制体空间界面称为控制面控制面总是封闭的固定界面。1.1.2流体流动中的作用力一、质量力作用于所考察对象的每一个质点上的力，并与流体的质量成正比二、表面力1.表面力：作用于所考察对象表面上的力，与表面积成正比。2.应力：单位面积上所受到的表面力。表面力切向力(剪力)法向力拉力压力压应力(压强)剪应力拉应力3.表面力的分解三、剪应力1.黏性①含义：当流体流动时，流体内部存在着内摩擦力，这种内摩擦力会阻碍流体的流动，流体的这种特性称为黏性。②实验(两平行平板间距很小)x固定板面积AFuy方向的速度分布为线性产生内摩擦力的根本原因：流体具有黏性。内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力。2.牛顿黏性定律dyduAFdyduAFdudy粘度0的流体理想流体:3.牛顿型流体层流时服从牛顿黏性定律的流体。所有气体和大部分低分子量(非聚合)的液体或溶液均属于牛顿型流体。4.黏度①物理意义速度梯度为1时，单位受力面积上的流体层间内摩擦力的大小。黏性的物理本质是分子间的引力和分子的运动与碰撞。②单位及其换算1Pa.s=10P=1000cP③影响因素流体种类温度压力气体T↑,μ↑p4MPa时可忽略液体T↑,μ↓可忽略温度影响因素分析：气体的分子间距较大，产生黏性的主要原因在于气体分子本身的运动。液体的分子紧密排列，分子间距较小，产生黏性的主要原因在于液体分子间的引力。④混合流体的黏度2/12/1iiiiimMyMyiimxlglgb.常压下混合气体的黏度c.分子不缔合的混合液黏度a.查阅相关手册⑤运动黏度单位：m2/s，1m2/s=104St1.1.3流体流动中的机械能机械能包括动能、位能和压强能。流体所含的能量：内能和机械能1.2流体静力学及其应用1.2.1流体的密度1.2.2压强及其表示方法1.2.3流体静力学方程1.2.4流体静力学方程的应用1.2.1流体的密度一、定义单位体积流体的质量，称为流体的密度。二、单组分密度mVmV(,)fpT液体密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得。气体当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：RTpM注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下之值，若条件不同，则密度需进行换算。三、混合物的密度混合气体各组分在混合前后质量不变，则有1122mnnyyy——气体混合物中各组分的体积分率。12,nyyy或RTpMmmmM——混合气体的平均摩尔质量nnmyMyMyMM2211nyyy21,——气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。一、压强：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。二、压力的单位N/m2或Pa1atm=101.3kPa=0.1013MPa1atm=1.033kg(f)/cm21atm=10.33mH2O=760mmHg1bar=105Pa1psi=6.89kPa1.2.2压强三、压强的表示方法绝对压强以绝对真空为基准测得的压强。表压以大气压为基准测得的压强。表压＝绝压－大气压力＞0正表压＜0负表压真空度＝大气压力－绝压表压=绝对压力－大气压力真空度=大气压力－绝对压力绝对压力绝对压力绝对真空表压真空度1p2p大气压1.2.3流体静力学方程一、流体微元的受力平衡研究对象：静止流体中的一立方体流体微元六面体δxδyδzaa'b'bc'cd'dA2xxpp2xxppzyx受力分析：质量力与表面力X、Y、Z——单位质量流体在X、Y、Z方向的分量x方向：()[()()]22()0pxpxxyzXppyzxxpXxyzx10pXx10pXx同理10pYy10pZzy方向：z方向：欧拉平衡方程单位质量流体所受的体积力单位质量流体所受的压力将该微元流体移动dl距离，此距离对x、y、z轴的分量为dx，dy，dz1()()0pppdxdydzXdxYdyZdzxyz10pXx10pYy10pZz乘以dx乘以dy乘以dz1()()0pppdxdydzXdxYdyZdzxyzdpXdxYdyZdz压力所作功质量力所作功流体平衡的一般表达式二、平衡方程在重力场中的应用dpXdxYdyZdz重力场0=0=-gXYZ0gdzdp离心场2r=0=-gXYZ讨论1．不可压缩流体0gdzdp1122pgzpgz1212ppgzgz虚拟压强)(2112zzgpp压力形式能量形式——静力学基本方程pgz（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；（2）物理意义：zg——单位质量流体所具有的位能，J/kg；p——单位质量流体所具有的静压能，J/kg。在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。（4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。2.可压缩流体(以气压方程的推导为例)/pMRT])(exp[RTzzgMppabab0RTdpgdzpM0dpgdzaabbzzppzzpp1.2.3静力学基本方程的应用1.压力及压力差的测量（1）U形压差计)(1hzgppAA2()BBippgzhRgRAB12zAhRzB基准面12pp()()AABBipgzhpgzRhgRgRgzpgzpiBBAA)(()()AABBipgzpgzgR()()()AABBipgzpgzgR若被测流体是气体,,i所以()()AABBipgzhpgzRhgR讨论：（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大