礦大北京化工原理01緒論

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1、1雷雷 澤澤 博士，副教授博士，副教授中國礦業(yè)大學(xué)（北京）中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 136 8102 3590（上冊）（上冊）2l一、學(xué)習(xí)本課程的目的l二、本課程的內(nèi)容l三、基本概念l四、物理量與濃度表示l五、本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法3l1. 掌握化工單元操作過程的基本原理學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)“各類各類”單元操作的共同理論基礎(chǔ)；單元操作的共同理論基礎(chǔ)；各個單元操作的基本原理、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作特性；4原料 物理加工 化學(xué)加工 物理加工 產(chǎn)品 化工原理 化工原理 化學(xué)反應(yīng)工程例如：例如：甲醇的生產(chǎn)：甲醇的生產(chǎn)：合成氣（合成氣（CO，H2，CO2）輸送輸送反應(yīng)器反應(yīng)器粗甲醇粗甲醇冷卻冷卻精精餾餾精甲醇（精甲醇（9

2、9.8599.95%） 一個化工生產(chǎn)過程往往包含幾個或幾十個一個化工生產(chǎn)過程往往包含幾個或幾十個基本操作過程基本操作過程。 （單元操作）（單元操作）化工生產(chǎn)過程化工生產(chǎn)過程 = = 單元操作單元操作 + + 化學(xué)反應(yīng)過程化學(xué)反應(yīng)過程5l2. 指導(dǎo)生產(chǎn)，進(jìn)行過程和設(shè)備設(shè)計工藝操作和工藝、設(shè)備設(shè)計計算設(shè)備的改進(jìn)和強(qiáng)化： 分析、解決問題和技術(shù)改進(jìn)分析研究問題的方法 l3. 為從事相關(guān)領(lǐng)域的研究打基礎(chǔ)化學(xué)工程所研究的操作原理在工程領(lǐng)域具有普遍意義 其中有不少經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式，學(xué)習(xí)中要逐步建立起工程觀念、培養(yǎng)環(huán)保意識和經(jīng)濟(jì)理念。達(dá)到具有分析、解決單元操作中的各種問題能力的目的。6傳遞過程理論單元操作二、

3、本課程的內(nèi)容二、本課程的內(nèi)容單元操作基本原理單元操作基本原理典型設(shè)備的構(gòu)造及工藝計算典型設(shè)備的構(gòu)造及工藝計算設(shè)備選型設(shè)備選型動量傳遞：熱量傳遞：質(zhì)量傳遞：流體輸送、攪拌、沉降、過濾流體輸送、攪拌、沉降、過濾熱交換、蒸發(fā)熱交換、蒸發(fā)吸收、蒸餾、萃取、干燥、吸附吸收、蒸餾、萃取、干燥、吸附（三傳）（三傳） 三個人去投宿，服務(wù)生說要三個人去投宿，服務(wù)生說要30元，元，每人各出每人各出10元，湊成元，湊成30元。后來老板說元。后來老板說今天特價，只要今天特價，只要25元，于是叫服務(wù)生退元，于是叫服務(wù)生退還他們還他們5元。服務(wù)生偷藏元。服務(wù)生偷藏2元，把剩下的元，把剩下的3元還給他們，那三個人每人拿回元

4、還給他們，那三個人每人拿回1元。元。10-1=9，表示每人只出了，表示每人只出了9元投宿。元投宿。93+服服務(wù)生的務(wù)生的2元元=29。那么剩下的。那么剩下的1元呢？元呢？ 1、 物料衡算（質(zhì)量守恒）物料衡算（質(zhì)量守恒）7三、基本概念三、基本概念 根據(jù)質(zhì)量守恒定律，任何一個化工生產(chǎn)過程存在物料衡算通式： Gi = Go + Ga Gi 輸入物料(input)質(zhì)量的總和，kg Go 輸出物料(output)質(zhì)量的總和，kg Ga 過程中積累過程中積累(accumulation)的的物料質(zhì)量，kg8Gi 1Gi 2Gi iGo 1Go 2Go iGa9無化學(xué)反應(yīng)時，物料衡算式的其它形式：無化學(xué)反應(yīng)時

5、，物料衡算式的其它形式： Vi = Vo + Va ni = no + na物質(zhì)的量物質(zhì)的量(mol)守恒守恒: 體積體積(m3)守恒守恒(密度不變的流體密度不變的流體)：討論：1.衡算時間段的選擇 Ga=0 Gi = Go 物料衡算可以在任意宏觀時間段進(jìn)行物料衡算可以在任意宏觀時間段進(jìn)行穩(wěn)態(tài)過程穩(wěn)態(tài)過程：系統(tǒng)中，物料的各個物：系統(tǒng)中，物料的各個物理參數(shù)理參數(shù)(如如:流速、溫度、濃度、壓流速、溫度、濃度、壓強(qiáng)等強(qiáng)等)僅隨物料所處位置變化，不僅隨物料所處位置變化，不隨時間變化的情況。參數(shù)隨時間變化的情況。參數(shù)= f (x, y, z)10非穩(wěn)態(tài)過程非穩(wěn)態(tài)過程：各個物理參數(shù)既隨物：各個物理參數(shù)既隨

6、物料所處的位置變化，又隨時間變化料所處的位置變化，又隨時間變化的情況。參數(shù)的情況。參數(shù)= f(x,y,z,t)。 Ga0 Gi = Go+Ga11aoidGdtdtdGdtdtdG該該物料衡算適用于微元時間段物料衡算適用于微元時間段(其中其中 、 為為t時刻時刻的瞬時流率，的瞬時流率，dGa為為tt+dt時間內(nèi)的積累量時間內(nèi)的積累量)dtdGidtdGo例1（非穩(wěn)態(tài)過程）：已知：水槽直徑為已知：水槽直徑為D，出水管口，出水管口直徑為直徑為d，管子出口處水流速，管子出口處水流速u與與液位高度液位高度H滿足關(guān)系滿足關(guān)系求：液面下降1m所需的時間t=？Hu5 . 00dtVidtuddtVo24dH

7、DdVa24dt時間內(nèi)的輸入量：時間內(nèi)的輸入量：dt時間內(nèi)的輸出量：時間內(nèi)的輸出量：dt時間內(nèi)的積累量：時間內(nèi)的積累量：dt時間內(nèi)的體積衡算式：時間內(nèi)的體積衡算式：dHDdtud22440解解：設(shè)在：設(shè)在dt時間內(nèi)液面下降了時間內(nèi)液面下降了dH，則體積衡算式：，則體積衡算式：aoidVdtVdtVHu5 . 012uH原料液原料液釜?dú)堃焊獨(dú)堃吼s出液餾出液LD FVLVWVL2.衡算體系范圍的選擇 以精餾塔為例以精餾塔為例：（1）全塔物料衡算：）全塔物料衡算： F=D+W（2）精餾段物料衡算：）精餾段物料衡算： V=L+D13u衡算體系包括待求量衡算體系包括待求量原料液原料液釜?dú)堃焊獨(dú)堃吼s出液餾

8、出液LD,xD F,xFVLVW,xWV,yn+1L,xn3.衡算組分組分的選擇 以雙組份以雙組份(A+B)精餾為例，精餾為例，其中其中A的液相摩爾分率為的液相摩爾分率為x，氣，氣相摩爾分率為相摩爾分率為y：（1）全塔）全塔A物料衡算：物料衡算： FxF=DxD+WxW（2）精餾段）精餾段A物料衡算：物料衡算： Vyn+1=Lxn+DxD14 三個人去投宿，服務(wù)生說要三個人去投宿，服務(wù)生說要30元，每人各出元，每人各出10元，湊成元，湊成30元。后來老板說今天特價，只要元。后來老板說今天特價，只要25元，于是叫服務(wù)生退還他們元，于是叫服務(wù)生退還他們5元。服務(wù)生偷藏元。服務(wù)生偷藏2元，元，把剩下

9、的把剩下的3元還給他們，那三個人每人拿回元還給他們，那三個人每人拿回1元。元。10-1=9，表示每人只出了，表示每人只出了9元投宿。元投宿。93+服務(wù)生服務(wù)生的的2元元=29。那么剩下的。那么剩下的1元呢？元呢？ 15從物料衡算的角度解釋：三個顧客花費(fèi)的錢數(shù)中，包括被服務(wù)生藏起來的那部分，所以要是求三個顧客花費(fèi)的錢數(shù)中，包括被服務(wù)生藏起來的那部分，所以要是求總金額的話，不是加服務(wù)生藏起來的錢，而應(yīng)該加顧客最后收到的總金額的話，不是加服務(wù)生藏起來的錢，而應(yīng)該加顧客最后收到的3元退款。元退款。邏輯錯誤邏輯錯誤/衡算范圍錯誤！衡算范圍錯誤！ 16 顧客顧客 3元元30元元 旅館旅館5元元 服務(wù)生服務(wù)

10、生衡算體系衡算體系收入收入Gi付出付出Go積累積累G=+顧顧 客：客：330-27=+旅旅 館：館：服服 務(wù)務(wù) 生：生：30525=+532=+（1 1）衡算基準(zhǔn)：質(zhì)量、體積、摩爾數(shù)等）衡算基準(zhǔn)：質(zhì)量、體積、摩爾數(shù)等（2 2）衡算時間范圍：微元時間、宏觀時間段）衡算時間范圍：微元時間、宏觀時間段（3 3）衡算體系范圍選擇：整體、部分）衡算體系范圍選擇：整體、部分（4 4）衡算體系要包括待求量）衡算體系要包括待求量（5 5）衡算組分：總物料、某一組分）衡算組分：總物料、某一組分小結(jié)小結(jié)：17182 2、 能量衡算能量衡算 根據(jù)能量守恒定律，在任何一個化工生產(chǎn)過程中，凡向該過程輸入的能量必等于該過

11、程輸出的能量。與物料衡算類似，能量衡算可表示為：QI = QO + QL QI 輸入該過程的各物料帶入的總熱量，J，W QO輸出該過程的各物料帶出的總熱量，J，W QL該過程與環(huán)境交換的總熱量，當(dāng)系統(tǒng)向環(huán)境散熱時為 正，稱為熱損，J，W 通過能量衡算，可以了解在生產(chǎn)操作中熱量的利用和損失情況，而在生產(chǎn)過程與設(shè)備設(shè)計時，利用能量衡算可以確定是需要從外界引入能量或向外界輸出能量。193 3、 物系平衡關(guān)系物系平衡關(guān)系 物系在自然界發(fā)生變化時，其變化必趨于一定方向，如果任其發(fā)展，結(jié)果必達(dá)到平衡關(guān)系為止。 平衡狀態(tài)表示的就是各種自然發(fā)生的過程可能達(dá)到的極限程度，除非影響物系的情況有變化，否則其變化的極

12、限是不會改變的。一般平衡關(guān)系則為各種定律所表明，如熱力學(xué)第二定律（傳熱），拉烏爾定律（精餾）等。 在化工生產(chǎn)過程中，可以從物系平衡關(guān)系來推知其能否進(jìn)行以及進(jìn)行到何種程度。平衡關(guān)系也為設(shè)備尺寸的設(shè)計提供了理論依據(jù)。204 4、過程速率、過程速率 何一個不處于平衡狀態(tài)的物系，必然發(fā)生使物系趨向平衡的過程，但過程以什么速率趨向平衡，這不決定于平衡關(guān)系，而是由多方面的因素影響的，由于對這些因素有些還不清楚，目前過程速率是近似的采用除以阻力表示。 這里的過程推動力，可依據(jù)具體過程而有不同的理解，但必要的條件是物系在平衡狀態(tài)時推動力必須等于零。 至于過程的阻力則較為復(fù)雜，要具體情況具體分析。過程阻力過程推

13、動力過程速率21四、物理量與濃度表示：四、物理量與濃度表示：1 1、單位制度、單位制度任何物理量都是用任何物理量都是用數(shù)字?jǐn)?shù)字和和單位單位聯(lián)合表達(dá)的聯(lián)合表達(dá)的?；締挝唬阂话阆冗x幾個獨(dú)立的物理量，以使用方基本單位：一般先選幾個獨(dú)立的物理量，以使用方便為原則規(guī)定出它們的單位。便為原則規(guī)定出它們的單位。導(dǎo)出單位：根據(jù)物理本身的物理意義，由有關(guān)基本導(dǎo)出單位：根據(jù)物理本身的物理意義，由有關(guān)基本單位組合構(gòu)成的單位組合構(gòu)成的基本單位和導(dǎo)出單位構(gòu)成一個完整的體系，稱為單基本單位和導(dǎo)出單位構(gòu)成一個完整的體系，稱為單位制。位制。222 2、量綱一致性方程、量綱一致性方程任何一個物理量方程等號兩邊各項的量綱必須相

14、等。任何一個物理量方程等號兩邊各項的量綱必須相等。 物理量的基本量的量綱為其本身，物理量的基本量的量綱為其本身，7個基本量的量個基本量的量綱：長度綱：長度L、質(zhì)量、質(zhì)量M、時間、時間T、電流、電流I、熱力學(xué)溫度、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量物質(zhì)的量N、發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光強(qiáng)度J。物理方程的單位一致性物理方程的單位一致性23五、本課程的特點(diǎn)、研究方法和學(xué)習(xí)方法五、本課程的特點(diǎn)、研究方法和學(xué)習(xí)方法特點(diǎn)特點(diǎn)：理論性、工程性均很強(qiáng)，內(nèi)容多研究方法研究方法：（1 1）實(shí)驗研究方法（經(jīng)驗法）實(shí)驗研究方法（經(jīng)驗法）：以量綱分析和：以量綱分析和相似論為指導(dǎo)，依靠實(shí)驗確定過程變量之間的關(guān)相似論為指導(dǎo)，依靠實(shí)驗確定過程變量之間

15、的關(guān)系，工程上常用的基本方法。系，工程上常用的基本方法。（2）數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗半理論法）：在對實(shí)際過程的機(jī)理分析基礎(chǔ)上，做某些合理簡化，建立物理模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，獲取數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗確定模型參數(shù)。24學(xué)習(xí)方法：學(xué)習(xí)方法：（1）理論學(xué)習(xí)基本原理、概念、專用名稱（2）具體問題分析與計算（3）實(shí)際操作方法（實(shí)驗學(xué)習(xí)、課程設(shè)計）（4）工業(yè)實(shí)踐（認(rèn)識實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)）25參考書參考書： 化工原理化工原理，天津大學(xué)出版社，天津大學(xué)出版社， 夏夏 清主編。清主編。 化工原理化工原理，化學(xué)工業(yè)出版社，化學(xué)工業(yè)出版社， 陳敏恒主編。陳敏恒主編。 化工原理化工原理，化學(xué)工業(yè)出版社，化學(xué)工業(yè)出版社， 譚天恩主編。譚

16、天恩主編。 化工原理輔導(dǎo)與習(xí)題解析化工原理輔導(dǎo)與習(xí)題解析，楊嘉謨主編。，楊嘉謨主編?？己朔绞娇己朔绞剑?課堂練習(xí)、考勤、作業(yè)、期末考試（閉卷）課堂練習(xí)、考勤、作業(yè)、期末考試（閉卷） 70%30%6070%=8626u 獨(dú)立完成作業(yè)獨(dú)立完成作業(yè)據(jù)初步統(tǒng)計，不及格的據(jù)初步統(tǒng)計，不及格的同學(xué)均沒有獨(dú)立作業(yè)。同學(xué)均沒有獨(dú)立作業(yè)。u 不要存在任何僥幸心理不要存在任何僥幸心理科學(xué)沒有僥科學(xué)沒有僥幸，也來不得半點(diǎn)馬虎。幸，也來不得半點(diǎn)馬虎。u 不劃重點(diǎn)不劃重點(diǎn)所學(xué)均很重要。所學(xué)均很重要。u 充滿信心充滿信心種瓜得瓜。種瓜得瓜。重要提醒重要提醒27u化工原理化工原理自自2013年開始列為我校研年開始列為我校研究生入學(xué)考試科目，也一直是其它高校究生入學(xué)考試科目，也一直是其它高校化工專業(yè)的入學(xué)考試科目?；I(yè)的入學(xué)考試科目。u北京市北京市“巴斯夫巴斯夫”杯杯化工原理化工原理競賽、競賽、全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽。全國大學(xué)生化工設(shè)計競賽。