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1、2023/7/11,化工原理,主讲：王固霞 Email：,材料科学与工程学院,2023/7/11,课程的性质和地位本课程是高分子材料与工程专业的一门专业基础课。考核办法本课程为考试课程，平时成绩（包括作业、出勤等）占30%，期末考试成绩占70%。教 材：化工原理，李凤华等编著，大连理工大学出版社，2004年。参考书：1、化工原理(上)，王世广主编，高等教育出版社，2002年。2、化工原理学习指南，姚玉英等编著，天津大学出版社，2003年。3、化工原理（上、下），姚玉英主著，天津科学技术出版社，1992年。,2023/7/11,2023/7/11,化工原理,课程的性质及重要性 该课程是化工类及相
2、近专业一门重要的技术基础课，是理科转向工科的一个桥梁，为以后专业课的学习打下基础。兼有“科学”与“技术”的特点，它是综合运用数学，物理，化学等基础知识。分析和解决化工生产中各种物理过程的工程问题的学科。本课程强调工程观点，定量用算，实验技能及设计能力的培养，强调理论联系实际。作为一门综合性技术学科的重要组成部分，主要研究个单元操作的基本原理，所用的典型设备结构，工艺尺寸设计和设备的选型的共性问题，是一门重要的专业基础课,2023/7/11,一、化工原理课程研究内容,化工生产过程 对原料进行化工加工获得有用产品的过程称为化工生产过程,2023/7/11,2023/7/11,2023/7/11,归
3、纳各种化工过程如下：,这些物理操作统称单元操作（Unit Operations）,化工原理的研究对象单元操作 定义：工艺过程中遵循相同的基本原理，只改变物理性质或物料状态，不改变物料化学性质的过程,2023/7/11,常见的单元操作过程,流体输送：流体通过管道的阻力损失，输送设备过滤：液固混合物的分离沉降：液固或气固混合物的分离颗粒流态化：强化气（液）固两相间的接触加热冷却：增加或降低特定物质的温度蒸馏：液体混合物的分离吸收：气体混合物的分离,2023/7/11,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：动量传递,实际流体内部由于动量、密度的空间分布不均匀而引起动量在流体中的传递过
4、程,如：流体输送、沉降、过滤、固体流态化,热量传递,热能在空间的传递过程，是由温度在空间的非均匀分布造成的,如：传热、冷凝、蒸发等,质量传递,某物质在混合物中的传递过程，是由浓度在混合物中的分布不均造成的,如：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等,2023/7/11,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。4）对同样的工程目的，开采用不同的单元操作来实现。例：液体混合物可以
5、用精馏、萃取、膜分离等等,2023/7/11,二、化工原理的学习研究方法,研究方法工程方法 1）实验研究方法（经验的方法）依靠实验来确定过程变量间的关系，得到经验公式，理论基础为因次分析法和方法论。2）数学模型法（半经验半理论的方法）在对实际过程的机理深入分析的基础上，在抓住过程本质的前提下，做出某种合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得出数学模型。通过实验确定模型参数，得到半经验半理论公式。,2023/7/11,三、单位制与单位换算1.单位及单位制 物理量的大小以数值加单位表示,单位有基本单位和导出单位之分单位制：基本单位与由这些基本单位导出的导出单位的集合常用单位制：国际单位制（SI）、
6、工程单位制、物理单位制等基本单位：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。,2023/7/11,2单位换算 在生产实践中存在许多习惯用法，为了计算中单位的统一性，需要对一些单位进行单位换算。不同单位制中的单位换算 1kg=1000g 1m=100cm 1=1K=1.8+32 1atm=1.033at=760mmHg=10.33mH2O=1.013 105Pa 1=1K,说明开氏温度和摄氏度的分度是一样的，但二者在数值上不一样，开氏温度=摄氏度+273.15,2023/7/11,例：已知1atm=1.033kgf/cm2,将其换算成
7、N/m2。解：按题意需将kgf/cm2中的kgf单位换算成N，cm2换算成m2,查附录1：换算关系为：1kgf=9.81N，1cm=0.01m 上述关系代入，得：,2023/7/11,四、化工过程计算的理论基础,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。,物料衡算的通式,作物料衡算应注意的问题：1、确定衡算范围 2、明确衡算对象3、统一计算单位 4、选定计算基准,2023/7/11,例：在两个蒸发器中，每小时将5000kg的无机盐水溶液从12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
8、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。,x1,W1,W2,蒸发器1,蒸发器2,2023/7/11,确定衡算对象 此题中有两个未知数，蒸发的水量及送出的溶液浓度，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：,代入已知数据，得：,由题意知,2023/7/11,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：,解得：,2023/7/11,2 能量衡算
9、,依据：能量守恒定律,即输入系统的总能量等于系统输出的总能量与损失的能量之和。,热量衡算通式,或写成,注：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。但衡算对象只能是物料的总体，而不是单个组分。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。,2023/7/11,例：在换热器里将平均比热为3.56kJ/（kg）的某溶液自25加热到80，溶液流量为1.0kg/s，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。,解：根据题意画出流程
10、图,2023/7/11,基准：1s 在图中虚线范围内作热量衡算 从附录7查出120饱和水蒸气的焓值为2708.9kJ/kg，120饱和水的焓值为 503.67kJ/kg。,在此系统中输入的热量：,蒸气带入的热量：,溶液带入的热量：,输出的热量：,2023/7/11,冷凝水带出的热量：,溶液带出的热量：,根据能量衡算式，有：,热量损失的百分数=,2023/7/11,3.过程的相平衡关系和过程速率,任何过程都是由不平衡状态向平衡状态进行的 平衡状态是自然过程所能达到的极限程度 用来判断过程进行的方向和所能达到的极限。,过程速率：是指过程由不平衡状态到平衡状态转化的快慢。过程的速率推动力阻力 推动力
11、：过程所处的状态与平衡状态的差距。阻力：过程的阻力是各种因素对速率影响的总的体现。过程速率是计算设备尺寸的基本工具。,2023/7/11,五.化工原理的基本要求 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。选择：为了达到或实现某一工程目的，能否对过程和设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，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,2023/7/11,本章思考题,本课程的研究对象是什么？什么是单元操作？“三传一反”指的是什么？什么是单位制，目前最常用的是什么单位制？,2023/7/11,课堂习题,在生产KNO3的过程中，质量分数为0.2的KNO3水溶液以1000kg/h的流量送人蒸发器，在422K下蒸发出部分水而得到50%的KNO3浓溶液，然后送人冷却结晶器，在311K下结晶，得到含水0.04的KNO3晶体和含KNO3 0.375的饱和溶液，前者作为产品取出，后者循环回到蒸发器。过程为稳态操作，试计算结晶产品量、水蒸发量和循环的饱和溶液量。,
