绪论,化工原理

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1、 本文由VancenHuang贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 《化工原理C》 化工原理C 讲解: 讲解: 钱 永 博士 副教授 应用化学教研室 电话: 电话: 68418430 E-mail: xyjqqyy@ 2010-5-9 1 参考书籍: 参考书籍: 化工原理》--谭天恩等编 谭天恩等编, 1,《化工原理》--谭天恩等编,化学工业出版社 化工原理》--陈敏恒等编 陈敏恒等编, 2,《化工原理》--陈敏恒等编,化学工业出版社 化工原理学习指导》-

2、-匡国柱等编 匡国柱等编, 3,《化工原理学习指导》--匡国柱等编,大连理工大学 出版社 化工原理习题精解》--何潮洪等编 何潮洪等编, 4,《化工原理习题精解》--何潮洪等编,科学出版社 学习方式及考核办法: 学习方式及考核办法: 课堂听讲 课后作业 期末考试 平时分 10% 作业分 20% 考试分 70% 2010-5-9 2 一,化工原理课程简介 1.化工原理的研究对象 化工原理的研究对象 2.化工原理的学科性质 化工原理的学科性质 3.化工原理的学习方法 化工原理的学习方法 1 绪论 二,化工原理处理问题的方法 1.

3、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 2010-5-9 3 一,化工原理课程简介 温度,压力 ,位置等反 应条件 2010-5-9 4 1.1.1 化工原理的研究对象 ——单元操作(Unit Operations) 单元操作( 单元操作 ) (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 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

4、操作 化工原理 2010-5-9 5 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,名称与排列组合顺序不同. 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. 2010-5-9 6 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: 流体动力过程 ——遵循流体动力基本规律,用动量传 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

5、输送,沉降,过滤,固体流态化 沉降,过滤 沉降 热过程 ——遵循传热基本规律,用热量传递理论研究 遵循传热基本规律, 遵循传热基本规律 如:传热,蒸发等 传热, 传热 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, 遵循传质基本规律 如:吸收,蒸馏, 萃取,结晶,干燥 吸收,蒸馏, 干燥等 吸收 干燥 2010-5-9 7 1.1.2 化工原理学科性质及任务 1)学科性质——工程学科 )学科性质 工程学科 用自然科学的基本原理来分析和处理化工生产中的物理过程 2)化工原理的最终目标任务 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

6、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. 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. 2010-5-9 8 1.2 化工原理涉及的基本概念和处理问题的方法 1.2.1 物料衡算 依据——质量守恒定律 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. GI GA GO ∑G = ∑G + G I 0 A ——物料衡算的通式 物料衡算的通式 2010-5-9 9 整个生产过程 衡算的系统 某一设备 系统中的所有

7、物料 衡算的对象 某一个组分 定态过程,积累为零.则: ∑G = ∑G I 0 例 2010-5-9 10 例: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. 2010-5-9 11

8、 W1 F0=5000kg/h x0=0.12 F1 x1 W2 F2 x2=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. 2010-5-9 12 确定衡算对象 此题中有两个未知数,蒸发的水量及送出的盐溶液量, 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: F x0 = F x2 0 2 对总物料作衡算: 5000 = F +W +W 2

9、1 2 代入已知数据,得: 5000 × 0.12 = 0.3F2 F2 = 2000 kg / h W1 +W2 = 3000kg / h 由题意知 W2 = 1.05W 1 ∴W =1463.4kg / h 1 2010-5-9 13 W2 =1536.6kg / h 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. 对盐作物料衡算: 对总物料作衡算: 代入已知数据,得: F x0 = F x1 0 1 F =W + F 0 1 1 5000 × 0.12 = F x1 1 解得

10、: 5000 =1463.4 + F 1 F = 3536.6kg / h 1 x1 = 0.1697 =16.97% 2010-5-9 14 1.2.2 热量衡算 依据: 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. QI QL QO ∑Q = ∑Q + Q I 0 L 或写成 ——热量衡算通式 热量衡算通式 ∑(wH) = ∑(wH) + Q I 0 2010-5-9 15 L 热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同,

11、也必须首先 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,习惯上 选0℃为基准温度,并规定0℃时液态的焓值为零. 1.2.3 过程的平衡和速率 ①平衡问题 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. 平衡是一个动态的过程. 2010-5-9 16 ② 速率 过程的速率是指过程由不平衡到平衡进行的快慢. 过程的速率表示为: 过程的速率=推动力/ 过程的速率=推动力/阻力 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总的体现. 2010-5-9 17 1.2.

12、4 经济核算 设备费用(设计和选型)和操作费用. 设备费用(设计和选型)和操作费用. 2010-5-9 18 1.3 物理量的单位及量纲 1.3.1 单位及单位制 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. 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, 均由基本单位相 , 乘,除而构成的 . 单位制: 单位制:基本单位与导出单位的总和组成的单位系统. . 2010-5-9 19 物理单位制:基

13、本单位:长度cm 质量g 时间s 工程单位制:基本单位:长度cm 力 kgf 时间s SI单位制:基本单位有7个,化工中常用的有5个: 长度m ,质量kg ,时间s ,温度K, 物质量mol 量纲(Dimension) (Dimension)及量纲一致性方程 1.3.2 量纲(Dimension)及量纲一致性方程 将一个物理量用若干个基本量的幂的乘积的表达出来的 式子,称为该物理量的量纲式,简称量纲 量纲 例:力的量纲 dim f=[M].[L].[T] -2 量纲是物理学中的一个重要问题.它可以定性地表示出 物理量与基本量之间的关系;可以有效地应用它进

14、行单位 2010-5-9 20 换算;可以用它来检查物理公式的正确与否;还可 以通过它来推知某些物理规律. 基本量的量纲 dimQ为基本量本身. 导出量的量纲 dimQ=LαMβTγIδ… 量纲一致性方程 理论上合理(成立)的物理量方程,方程等号 两边各项的量纲必相等,即物理方程的量纲一致性 量纲一致性. 量纲一致性 2010-5-9 21 1.3.3 单位衡算 导出单位(习惯单位)在不同单位制之间的相互换算. 导出单位 已知1atm=1.033kgf/cm2,将其换算成N/m2. 按题意需将 kgf/cm2 中的单位换算成 N,cm

15、2 换算成 m2,查附录1:换算关系为: 1kgf=9.81 , 1cm=0.01 = 81N, = 01m 上述关系代入 ,得: kgf 9.81N 1.033 2 =1.033× =1.013×105 N / m2 2 cm (0.01m) 2010-5-9 22 1.3.4 混合物浓度的表示方法 1,物质的量浓度与物质的量分数 (1)物质的量浓度(千摩尔浓度) Ci=ni/V (kmol/m3) (2)物质的量分数(摩尔分数) xi=ni/∑ni 2,物质的质量浓度与物质的质量分数 (1)物质的质量浓度(质量密度) ρi=mi/V (kg/m3)

16、kg/m (2)物质的质量分数 ωi=mi /∑mi 2010-5-9 23 3,摩尔比与质量比 (1)摩尔比 (1)摩尔比 X=nA/nB 摩尔比与摩尔分数的换算关系: X= nA/nB= (nA/n) /(nB/n)=xA/xB=x/(1-x) (2)质量比 (2)质量比 X'=mA/mB 质量比与质量分数的换算关系: X'=ω/(1-ω) 2010-5-9 24 4,气体混合物组成的表示方法 (1)摩尔分数 yi=ni/∑ni (2)压力分数 zi=pi/∑pi pi=niRT/V ∑pi= (∑ni)RT/V zi=pi/∑pi=ni/

17、∑ni = yi 摩尔分数= 摩尔分数=压力分数 2010-5-9 25 (3)体积分数 Ψi=Vi/∑Vi 分体积定律 ∑Vi=V1+V2+V3+…+Vi+… 理想气体状态方程 p(∑Vi)=(∑ni)RT pVi=niRT Ψi=Vi/∑Vi = ni/∑ni=yi 因此,摩尔分数=压力分数=体积分数 ,摩尔分数=压力分数= Ψi=zi= yi 2010-5-9 26 类似地可以得到双组分混合气体(理想状态)的摩尔 比(Y),分压力比,分体积比之间关系如下: Y=nA/nB=pA/pB=VA/VB (4)混合气体的平均摩尔质量Mm

18、的计算 混合气体的平均摩尔质量M 的计算: Mm=M1y1+M2y2+…= ∑Miyi (M的单位均为kg/kmol) 2010-5-9 27 思考题: 思考题: 1,100克水中溶解3克氨形成密度为985kg/m3的氨 100克水中溶解3克氨形成密度为985kg/m 克水中溶解 水溶液,试用各种浓度表示该溶液氨的组成? 水溶液,试用各种浓度表示该溶液氨的组成? 20%的 2,标准状况下,对于CO2体积分率为20%的CO2-O2 标准状况下,对于CO 体积分率为20% 混合气,试求算其摩尔比浓度,摩尔分率浓度, 混合气,试求算其摩尔比浓度,摩尔分率浓度, 摩尔体积浓度及重量百分比浓度? 摩尔体积浓度及重量百分比浓度? 2010-5-9 28 本章作业: 本章作业: (2),( ) ),(3) 2010-5-9 29 1