化工原理（上） The Principle of Chemical Engineering(1st)

1. 化工原理（上）ThePrinciple of Chemical Engineering(1st) 教材：《化工原理》 主讲：杨性坤 单位：信阳师范学院化学化工学院 电话：0376－6392780 E-mail:yxkxiny@163.com

2. 几点说明 • 环节：理论、实践 • 成绩：考试70%；作业、上课30% • 作业：16开作业本 • 纪律：上课关手机、不许说话，可以睡觉、看其它书 • 学习方法：预习→听讲→复习

3. 0.1化学工程(Chemical Engineering )学科的进展 • 0.1.1化学工程学及其进展 • 化学工程学：以化学、物理和数学原理为基础，研究物料在工业规模条件下所发生的物理或化学状态变化的工业过程及这类工业过程所用装置的设计和操作的一门技术学科。 • 化学工程学的进展：三阶段： • 单元操作：20世纪初期。单元操作的物理化学原理及定量计算方法，奠定了化学工程做为一门独立工程学科的基础。 • “三传一反”概念：20世纪60年代 • 多分支：20世纪60年代末。形成了单元操作、传递过程、反应工程、化工热力学、化工系统工程、过程动态学及控制等完整体系。18世纪纯碱、硫酸等无机工业作为现代工业的开端在欧洲兴起，19世纪以煤为原料的有机工业在欧洲产生，19世纪末～20世纪初大规模的石油炼制业兴起是产生化学工程的基础。

4. 0.1.2单元操作(The Unit Operations) • 化工生产是以化学变化或化学处理为主要特征的工业生产过程。在化学工业中，对原料进行大规模的加工处理，使其不仅在状态与物理性质上发生变化，而且在化学性质上也发生变化，成为合乎要求的产品，这个过程即叫化工生产过程。 • 以氯碱生产为例说明化工生产过程的基本步骤。 虽然电解反应为核心过程，但大量的物理操作占有很大比重。另外象传热过程，不仅在制碱中，在制糖、制药、化肥中都需要，在传热过程物料的化学性质不变，遵循热量传递规律，通过热量交换的方式实现，所用设备均为换热器，作用都是提高或降低物料温度，为一普遍采用的操作方式。 因此我们将整个化工生产中(包括冶金、轻工、制药等)那些普遍采用的、遵循共同的操作原理，所用设备相近，具有相同作用的一些基本的物理操作，称为“化工单元操作”。

5. 过程步骤 操作方式 典型设备 水 盐 化盐桶 加热器 搅拌、溶解、传热 化盐 浑 盐 水 澄清桶 过滤机 澄清 悬浮液沉降分离 精 盐 水 杂质 电解反应 2NaCl+2H2O=H2+Cl2+2NaOH 电解槽 电解 阳 极 室 阴 极 室 换热器 离心机 蒸发器 氯 处 理 氢 处 理 NaOH 溶液 蒸发 冷却过程 气液分离 传热过程 Cl2 H2 烧碱液

6. 一个化工生产过程所包括的步骤分为两类： • 1.化学反应过程：通常在反应器中进行，以化学反应为主。不同化学工业中的化学反应不同，反应机理千差万别，其反应器在构造与操作原理上有很大差别。 • 2.单元操作过程：化工生产中基本的物理处理过程。 • 一个化工生产过程由若干单元操作与化学反应串联组合而成。 • 单元操作特点： • 1.都是物理操作。 • 2.都是化工生产过程中共有的操作。 • 3.用于不同化工生产过程的同一单元操作，其原理相同，所用设备亦通用。

7. 0.2本课程的性质、任务和内容、研究方法 • 0.2.1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开设的一门技术基础课程，属工程学科，具有工程性和实用性。 • 0.2.2任务 • 1.掌握化工单元操作过程的基本原理，并能进行过程的选择和计算(即对指定的产品，选择一个适宜的过程，经济而有效地满足工艺过程要求)。 • 2.据生产需要，进行设备工艺尺寸的计算及其设备选型计算。 • 3.依据过程的不同要求，进行操作调节和控制。 • 4.掌握强化过程途径，以提高过程和设备的能力、效率。

8. 0.2.3 内容 • 化工单元操作的目的是：①物料的输送；②物料物理状态的改变；③混合物料的分离。因而据其所发生的过程和遵循的物理共性而言，可按其进行的物理本质和理论基础分为三类： • 1、流体传动过程(传动)：研究流体流动及流体和与之接触的固体间发生相对运动时的基本规律，以及受其支配的若干单元操作(包括输送、沉降、过滤等)。 • 2、热量传递过程(传热)：研究传热的基本规律及受其支配的单元操作 (包括热交换、蒸发)。 • 3、质量传递过程(传质)：研究物质通过相界面迁移过程的规律及受其支配的单元操作(包括吸收、蒸馏等)。 • 三种传递过程既有联系又有区别。 • 化工原理课程的内容，就是讨论这三种传递过程的基本规律及受其支配的单元操作过程及其设备。

9. 0.2.4 研究方法 • 实验研究方法（经验法）：用量纲分析和相似论为指导，依靠实验来确定过程变量之间的关系，通常用无量纲数群(或称准数)构成的关系来表达。实验研究方法可避免建立数学方程，是工程上通用的研究方法。 • 数学模型法（半经验半理论方法）：在对实际过程的机理进行深入分析的基础上，抓住过程的本质，作出某些合理简化，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。

10. 0.2.5 本课程与传统理论的联系和区别

11. 0.3 单元操作进行的方式 • 1.间歇操作：每次操作之初向设备内投入一批物料，经过一番处理后，排除全部产物，再重新投料。 • 间歇操作设备内，同一位置上，在不同时刻进行着不同的操作步骤，因而同一位置上，物料组成、温度、压强、流速等参数都随时间变化，属非定态过程，即 参数＝f(x,y,z,θ) • 2.连续操作：原料不断地从设备一端送入，产品不断从另一端送出。 • 连续操作设备内，各个位置上，物料组成、温度、压强、流速等参数可互不相同，但在任一固定位置上，这些参数一般不随时间变化，属定态过程，即 参数＝f(x,y,z)

12. 0.4 单位制与单位换算 0.4.1 单位制 • 任何物理量都由数字和单位联合表达的。运算时，数字与单位一并纳入运算。如： 5m+8m=(5+8)m; 5m×8m=(5×8)(m×m)=40m2 • 物理量单位选择时，先选定几个独立的物理量，叫基本量，并根据使用方便的原则，定出这些量的单位，叫基本单位；其它各量的单位通过它们与基本量之间的关系来确定，这些物理量叫导出量，单位叫导出单位；导出单位是由基本单位乘除构成的。

13. 国际单位制(SI单位制)： • 7个基本量：长度:m；时间:s；质量:kg；电流强度:A(安培)；发光强度:cd(烛光)；物质的量:mol(摩尔)；热力学温度:K。 • 2个辅助量：平面角:rad(弧度)；立体角:sr(球面度)。 • 特点： • 1.通用性。 • 2.一贯性。任何一个SI导出单位，在由基本单位导出时，都不需引入比例系数。 国际单位制 我国法定计量单位 选定的非国际单位制

14. 0.4.2 单位换算 • 1.物理量：由一种单位换算成另一种单位时，量本身并不变化，只是数值要变化，换算时要乘或除以两单位间的换算因数。 • 换算因数：彼此相等而单位不同的两个物理量包括单位在内的比值。 • 如；1m＝100cm，则换算因数为100cm/m 或0.01m/cm • 例0-1：已知1atm=1.033kgf/cm2,试用Pa表示。 • 解：查附录1知：1kgf=9.81N, 1cm2=10-4m2 • 换算因数：9.81N/kgf, 10-4m2/cm2

15. 2.经验公式(数字公式) • 借助实验或半实验、半理论的方法处理得到的公式。它只反映各有关物理量之间的数字关系，每个符号只代表物理量的数字部分，而这些数字又与特定单位对应。因此，使用经验公式时，各物理量必须采用指定单位。 • 经验公式的单位换算，也可采用换算因数将规定单位换算成所要求单位。 • 例0-2:水蒸汽在空气中扩散系数为： 式中：D－扩散系数，ft2/h； P－压强，atm； T－兰氏温度，oR。 试将式中各符号单位换算成 D:m2/s；P:Pa；T:K

16. 解：查附录二：1ft=0.3048m；1h=3600s；1atm=1.0133×105Pa；1oR=5/9 K • 以D’、P’、T’代表扩散系数、压强和温度三个物理量，则： 引入换算因子： 整理，得：

17. 0.5物料衡算 遵循质量守恒定律 • 通式：ΣGi＝ΣGo+GA • 适用于：1.任何指定的空间范围； • 2.过程所涉及的全部变化： • 无化学变化；混合物任一组分都符合此通式； • 有化学变化：各元素符合此通式； • 3.间歇、连续操作： • 间歇操作： GA≠0 • 连续操作： GA＝0

18. 物料衡算的步骤： • 1.绘简图：方框表设备，箭头表输入输出物流方向，箭头旁注明条件。 • 2.定基准： • 间歇操作：以一批物料为基准； • 连续操作：以单位时间为基准。 • 3.划范围：其边界要与待计算的物流相交 • 4.列算式： • 总物料衡算式，1个 • 某组分物料衡算式，N-1个

19. W kg/h I III II 1000kg/h S kg/h P kg/h 蒸发器 结晶器 20％KNO3 50％KNO3 96％KNO3 R kg/h 37.5％KNO3 物料衡算举例 例0-3:已知原料液流量为1000kg/h，含20％KNO3，进入蒸发器，蒸出水分W kg/h，浓缩液为S kg/h，含KNO350％进入结晶器，结晶产品为P kg/h，含96％KNO3，循环母液R kg/h，含37.5％KNO3，回到蒸发器再循环，求W,S,P,R各为多少kg/h？ 解：1.绘简图： 2.定基准：1h 3.划范围：范围I，II，III见图

20. W kg/h I III II 1000kg/h S kg/h P kg/h 蒸发器 结晶器 20％KNO3 50％KNO3 96％KNO3 R kg/h 37.5％KNO3 • 4.列算式： • 方框I：总物料：1000=W+P • KNO3组分:1000×0.2=W×0+P×0.96 W=791.7 kg/h P=208.3 kg/h S=974.8 kg/h R=766.5 kg/h 方框II：总物料：S=P+R KNO3组分:S×0.5=P×0.96+R×0.375 思考：比较R流股在I内外的情况有何不同？ I，III或II，III范围列算式时计算结果有何不同？

21. 0.6 热量衡算 遵循能量守恒定律 • 同物料衡算一样，绘简图、定基准、划范围、列算式，但有两点不同： • 物料所具有的热量由显热与潜热两部分组成，称为焓(H，kJ/kg)。焓值为一相对值，且与状态有关，所以热量衡算时必须规定基准温度和基准状态，通常基准选273K液态(即此时H＝０)。 • 热量除了伴随物料进出系统外，还可通过设备外壳、管壁由系统向外界散失或由外界传入系统，只要系统与外界存在温度差，就有热量的散失或传入，称热损失QL。 • 热量衡算通式： ΣQi=ΣQo+QＬ Σ(wH) i=Σ(wH)o+QＬ

22. 120℃饱和水蒸汽 0.095kg/s 80℃溶液 25℃溶液 1.0kg/s 1.0kg/s 120℃饱和水 0.095kg/s 热量衡算举例 例0-4:在换热器中将平均比热为3.56kJ/(kg.℃)的某种溶液自25℃加热到80℃，溶液流量为1.0kg/s。加热介质为120℃的饱和水蒸汽，其消耗量为0.095kg/s，蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。试计算换热器的热损失占水蒸汽所提供热量的百分数。 解：1.绘简图 换热器 2.定基准：1s，0℃，液体 3.划范围：以换热器为衡算范围

23. 120℃饱和水蒸汽 0.095kg/s 80℃溶液 25℃溶液 1.0kg/s 1.0kg/s 120℃饱和水 0.095kg/s 换热器 • 4.列算式：查附录九：120℃饱和水蒸汽H=2708.9kJ/kg，120℃饱和水H=503.67kJ/kg，则： • 1.0×3.56×(25-0)+0.095×2708.9=1.0×3.56×(80-0)+0.095×503.67+QL QL=13.70 kW 水蒸汽提供热量：Q=0.095×(2708.9-503.67)＝209.5 kW ∴热损失百分数＝13.70/209.5=6.54％

24. 本章总结 • 掌握单元操作与化工生产过程的概念 • 掌握物料衡算、热量衡算、单位制与单位换算 • 了解本课程的性质、任务与内容