化工原理课件第三版

化工原理PrinciplesofChemicalEngineeringIntroduction1化学工业和化学工程(Chemicalindustryandchemicalengineering)化学工业是将自然界中的各种物质资源通过物理和化学的方法加工成具有规定质量的物质的工业。化学工程是一门工程技术学科，它研究化工产品生产过程的基本规律，并运用这些规律解决化工生产中的问题。2《化工原理》课程的内容和性质《化工原理》是在高等数学、物理学、物理化学等课程的基础上，研究化工单元操作基本原理的一门基础技术课。它的发展与化工单元操作概念的形成是密切相关的。一、概述按其操作的功能可以分为：（1）物料的增压、减压和输送（2）物料的混合和分散（3）物料的加热和冷却（4）均相混合物的分离（蒸发、蒸馏、结晶等）（5）多相混合物的分离（沉降、过滤、干燥等）4单元操作(UnitOperation)的分类PretreatmentofmaterialsChemistryreactionTreatmentofproductsPhysicalprocessUnitOperationChemicalprocessReactorPhysicalprocessUnitOperation3化工生产过程(Chemicalprocess)Theclassificationissimple，butitisnotscientific!Theyalmostcoverwithallunitoperations!包括流体输送、沉降、过滤、离心分离、搅拌、固体流态化等以流体力学为基础以热量传递理论为基础包括加热、冷却、蒸发等以质量传递理论为基础包括蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等化工生产中，主要的单元操作可以归纳为三类：分离过程将混合物分离研究化工单元操作的基本原理，典型化工单元设备的原理、结构、选型以及工艺尺寸的计算。主要内容理论基础高等数学物理学物理化学课程学习从复杂事物中排除非主要因素，抽出关键环节，以合理的简化方式建立物理和数学模型，解决工程问题。综合运用基础知识，有目的地解决工程实际问题目的并不只是认识一些自然现象，而是解决真实的、复杂的生产问题。工程学科5化工原理如果实验工作必须遍及各种规格的设备和各种不同物料，实验将不胜其烦，而且失去指导意义。实验研究法，经验的方法6化工原理的研究方法避免了方程的建立，直接用实验测取各变量之间的联系必须建立实验研究的方法论，以使实验结果在几何尺寸上能“由小见大”，在物料品种方面能“由此及彼”。数学模型方法立足于对复杂的问题作出实际的简化，从而使方程得以建立。数学模型法，半理论半经验的方法优点缺点解决美国气象卫星的“失足”——计量单位的重要性1998年2月，美国宇航局（NASA）发射探测火星气象的卫星失事。预定于1999年9月23日抵达火星，然而卫星没有进入预定的轨道。问题出在有些资料的计量单位没有把英制转换成公制，错误起自承包工程的洛克希德马丁航天公司。这个“小错误”造成的损失：单卫星的造价就高达1.25亿美元。二、单位及单位换算(UnitandUnitconversion)1.计量单位(gaugeunit)——基本概念(1)因次(dimension):也称量纲,是指表示物料性质和状态的基本量。由因次组成的表示物理量特性的式子称为因次式或量纲式(dimensionalexpression)。因次：长度(L),质量(M)、时间（t）和温度（T）等因次式：体积（L3）、密度（M/L3）速度(LT-1)若某物理量以[MaLbTc]表示，则称它为该物理量的因次或量纲，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，[M0L0T0]=[10]，称为无因次.(2)单位(unit)：是因次的具体表示。如：厘米和米表示长度的单位，克和千克表示质量的单位。长度、质量是因次，而厘米、米、克和千克是单位。(3)单位制度(systemofunits)：选定一些彼此独立的物理量及单位作为基本单位(basicuint)。再利用这些基本单位和其它物理量之间的联系，用基本单位表示其它物理量，成为导出单位(derivedunit)。2.常用的单位(commonunit)常用的基本单位(basicunit)常用的导出单位(derivedunit)长度(米，m)质量(千克，Kg)时间(秒,s)温度（开，K）物质的量（摩，mol）力、重力（牛，N）压力（帕，Pa）能量（焦，J）功率（瓦，W）摄氏温度（摄氏度，℃）热容（焦·摩-1·开-1，J·mol-1·K-1）比能（焦·千克-1，J·kg-1）3.国际单位制（InternationalSystemofUnit）国际单位制的构成国际单位制及其国际简称SI是在第11届国际计量大会（1960）上通过的，包括SI单位和SI单位的倍数单位。SI单位是国际单位制中由基本单位和导出单位构成一贯单位制的那些单位。除质量外，均不带SI词头（质量的SI单位为千克）。SI单位的倍数单位包括SI单位的十进倍数单位和分数单位。SI导出单位：导出单位是用基本单位以代数形式表示的单位。这种单位符号中的乘或除采用数学符号。速度：每秒（m/s）（组合单位）有专门的名称和符号的SI导出单位。热和能量：焦耳（J）代替牛顿米（N.m）电阻率：欧姆米(Ω.m）代替伏米每安培（V.m/A）.SI辅助单位：弧度和球面度（具有专门名称和符号的量纲）。用专门名称弧度（rad）和球面度（sr）代替。如角速度的SI单位可写成弧度每秒（rad/s）.4.SI导出单位(SIderivedunit)5.米制厘米克秒（CGS）制：物理制长度(cm),质量(g),时间(s),温度(℃),绝对温标(K)绝对单位制(absolutesystemofunits)：以长度、质量及时间为基本单位。工程单位制(engineeringsystemofunits)：以长度、力及时间为基本单位米千克秒（MKS）制:SI长度(m),质量(kg),时间(s)绝对单位制米制工程制:长度(m),力(kgf),时间(s)为基本单位，质量成为导出单位。千克力：1千克质量的物体于真空中所受的重力。（g=9.81m/s2）1kgf=1kg×9.81m/s2=9.81kg.m/s2=9.81N质量工程单位：一物体在1kgf的作用下，得到1m/s2的加速度，该物体的质量为1质量工程单位（kgf.s2/m）kgsmsmkgsmkgf81.9/1/.81.9/112221质量工程单位=1质量工程单位的数值相当于SI质量的9.81倍6.英制英尺磅秒（FPS）制长度(ft),质量(lb),时间(s)为基本单位，力为导出单位（磅达，磅.英尺/秒2）。温度(华氏度,F),绝对温标（Rankine，R）1Pdl=1lb×ft/s2=1lb.ft/s2(Poundle,磅达)1Pdl=0.1383N=0.1383×105dyne英国工程制长度(ft),力（lbf),时间(s).斯勒(Slμg)：质量工程单位，磅力.秒2/英尺lbsftsftlbsftlbf17.32/1/.17.32/112221Slμg=1lbf=32.17Pdl=32.17lb.ft/s2美国工程制:长度(ft),时间(s),力(lbf),质量(lbm)为基本单位。1lbf为1lbm物体在地面所受的重力，重力加速度为32.17ft/s2.牛顿公式：F=ma/ge(ge为力与质量间的比例常数)lbfslbmftggsftlbmlbfee..17.32/17.3211227.单位换算(unitconversion)单位换算的原则：属于不同因次的单位，不能进行加减乘除等数学运算，相同因次而不同单位要运算时，须先将其转换成相同的单位，才能进行加加减乘除等数学运算。单位换算的方法（连接单位法）1.先查出同一因次不同单位制的换算系数，写成比例形式。2.将需要换算的量和单位根据其间的关系写成数字附带单位连乘、连除的式子，再进行运算。例题1：25℃时水的粘度为0.8937厘泊，换算成千克/米.时及帕.秒。（1厘泊=0.01泊,1泊=1克/厘米.秒）hshsmcmmcmgkgkgg13600,3600111100,1001110001,100011即即即hmkghsmcmgkgscmg./2173.3136001100100012108937.01.先查出同一因次不同单位制的换算系数，写成比例形式。2.将需要换算的量和单位根据其间的关系写成数字附带单位连乘、连除的式子，再进行运算。例2R=82.06atm.cm3/mol.k,换算为工程单位:千克(力).米/千摩尔.开;KkmolmolcmmmkgfKmolcmatmR11011011033006.8236323Kkmolmkgf/8483610101033006.82解：1.物料衡算（materialbalance）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，即稳定操作状态时，过程中不应有物料的积累。则物料衡算关系为输入量＝输出量用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。三、物料衡算及能量衡算1、画出流程示意图，标出物料流向与流量、组成等；2、用虚线划出衡算范围；3、定出衡算基准；4、列出衡算式并求解。物料衡算可按下列步骤进行：VDFVxDxFxVDF2.能量衡算（energybalance）在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量工艺过程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一。能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完备的物料衡算后才能作出能量衡算。根据能量守恒定律：输入的能量=输出的能量+积累的能量۞本课程中所用到的能量主要是机械能和热能。能量衡算的依据是能量守恒定律。۞机械能衡算将在第一章流体流动中说明；۞热量衡算也将在传热、蒸馏、干燥等章中结合具体单元操作有详细说明。۞热量衡算的步骤与物料衡算的基本相同。3.经济核算(Economicalaccounting)为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核算确定最经济的设计方案。