化化 工工 原原 理理 绪绪 论论参考文献参考文献n n1.1.姚玉英姚玉英 黄凤廉黄凤廉 陈常贵编陈常贵编 ( (上下册上下册) ) 天津科学技术出版社天津科学技术出版社n n2.2.谭天恩谭天恩 麦本熙麦本熙 丁惠华编丁惠华编 ( (上下册上下册) ) 化学工业出版社化学工业出版社n n3.3.陈敏恒陈敏恒 丛德滋丛德滋 方图南编方图南编 ( (上下册上下册) ) 化学工业出版社化学工业出版社n n4.4.何潮洪何潮洪 冯霄编冯霄编 科学出版社科学出版社一一.化工原理在化工领域的地位化工原理在化工领域的地位化工原理无机化学化学教育等氯碱工业等制漆业、电镀业高分子化学制糖业应用化学石油化工物理化学硫酸制造有机化学合成氨分析化学水泥、玻璃制造传递工程反应工程分离工程化工热力学系统工程二、化工过程与单元操作二、化工过程与单元操作n n1 1、化工过程、化工过程n n化学工业中，对原料进行大规模加工处理，在化学工业中，对原料进行大规模加工处理，在物理性质与化学性质物理性质与化学性质上发生变化，成为合乎要上发生变化，成为合乎要求的产品。求的产品。各种前处理原料化学加工各种后处理产品除去杂质，达到必要的纯度、温度和压力物理变化过程反应生成新的物质化学或生物化学变化过程精制、分离、干燥等物理变化过程中间产品n n2 2、化工过程的特点、化工过程的特点n n（1 1）步骤多经历若干设备，各种处理方式）步骤多经历若干设备，各种处理方式n n（2 2）差别大原料与产品不同，处理过程差）差别大原料与产品不同，处理过程差 别大别大碳酸氢氨的制造：碳酸氢氨的制造：n n首先制备原料首先制备原料 n n循环冷气经合成塔内外壁环隙从上而下，由热交循环冷气经合成塔内外壁环隙从上而下，由热交换器的管间进入从中心管上升入触媒层。压强为换器的管间进入从中心管上升入触媒层。压强为 温度为温度为 。n n动量传递（冷气入塔）（物理学中：动量动量传递（冷气入塔）（物理学中：动量= =质质量速度）量速度）n n热量传递热量传递n n质量传递（氨水吸收二氧化碳制造碳酸氢氨）质量传递（氨水吸收二氧化碳制造碳酸氢氨）化学反应工程。（合成炉）化学反应工程。（合成炉）n n除化学反应外，其余步骤皆可归纳为若干基本物除化学反应外，其余步骤皆可归纳为若干基本物理过程如输送、压缩、传热、沉降、过滤、蒸发、理过程如输送、压缩、传热、沉降、过滤、蒸发、结晶、干燥、蒸馏、吸收、萃取、冷冻等。结晶、干燥、蒸馏、吸收、萃取、冷冻等。n n3 3、化工过程包含步骤可分为两大类、化工过程包含步骤可分为两大类n n（1 1）以进行化学反应为主：）以进行化学反应为主： 通常是在反应器中进行，反应机理相差很大通常是在反应器中进行，反应机理相差很大n n（2 2）以不进行化学反应的步骤：）以不进行化学反应的步骤： 这类操作称为单元操作，即化工原理研究对象这类操作称为单元操作，即化工原理研究对象这类操作称为单元操作，即化工原理研究对象这类操作称为单元操作，即化工原理研究对象三、化工原理的研究对象三、化工原理的研究对象 单元操作（单元操作（Unit Operations）n1、单元操作的概念化工生产过程化工生产中共有的物理操作 原料的预处理进行化学反应 反应产物的分离与提纯单元操作单元操作 化学反应和若干个单元操作串联而成 化工原理化工原理研究各个独立的单元操作研究各个独立的单元操作n n2 2、单元操作的特点、单元操作的特点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。 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。 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。 n3、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，用动量传 递理论研究递理论研究如：流体输送、沉降、过滤、固体流态化传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，用热量传递理论研究如：传热、冷凝、蒸发等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，用质量传递理论研究 如：蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥等四、化工原理研究与学习方法四、化工原理研究与学习方法n1、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n 2、研究方法工程方法因次分析法直管湍流阻力数学模型法双膜模型的建立参数综合法过滤常数当量法当量直径、当量长度等类比法动量、热量、质量传递的类似律n3. 化工原理的学习方法 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。五、化学工程主要经历的四阶段五、化学工程主要经历的四阶段n n1 1、化学工艺学阶段、化学工艺学阶段n n2 2、单元操作阶段、单元操作阶段n n3 3、传递过程阶段、传递过程阶段n n4 4、“ “三传一反阶段三传一反阶段” ”六、单位及单位换算六、单位及单位换算n n1 1、单位制度、单位制度 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。 n n物理量物理量物理量物理量：表示物质物理性质的参数，如长度、面积、体积、密度、粘度、表示物质物理性质的参数，如长度、面积、体积、密度、粘度、导热系数、温度、压强等。这些物理量可通过几个彼此独立的导热系数、温度、压强等。这些物理量可通过几个彼此独立的基本物理基本物理基本物理基本物理量量量量来表示，其大小则用各种单位来量度称为来表示，其大小则用各种单位来量度称为基本单位基本单位基本单位基本单位。n n常用的基本单位长度、力或质量，时间和温度等，基本量以外的其它物常用的基本单位长度、力或质量，时间和温度等，基本量以外的其它物理量，可通过物理量之间的规律（定义或定律），从基本量推导出来称理量，可通过物理量之间的规律（定义或定律），从基本量推导出来称为为导出物理量导出物理量导出物理量导出物理量，他们的单位称为，他们的单位称为导出单位导出单位导出单位导出单位。n n应用这些基本量以表示物理量特性的式子称为应用这些基本量以表示物理量特性的式子称为因次（或量纲）式因次（或量纲）式因次（或量纲）式因次（或量纲）式。因次。因次式中各物理量的指数称为它的式中各物理量的指数称为它的因次或量纲因次或量纲因次或量纲因次或量纲（有时也把物理量的量纲式简（有时也把物理量的量纲式简称为物理量的量纲）。因次可正、可负、整数、分数等任意有理数。称为物理量的量纲）。因次可正、可负、整数、分数等任意有理数。n n如流速如流速 n n（ 导出量、导出量、 基本量、中的基本量、中的11因次、因次、n n n n 因次式、因次式、 导出单位）。导出单位）。、 n nA A、国际单位制、国际单位制 SISI制制 7 7个基本单位，个基本单位，2 2个辅助单位，其余皆为个辅助单位，其余皆为 n n 导出单位。导出单位。n n（1 1）常用的基本单位：）常用的基本单位：n n 物理量物理量 单位单位 国际符号国际符号n n 长度长度 米米 mm 长长长长n n 质量质量 千克（公斤）千克（公斤） kgkg 质质质质n n 时间时间 秒秒 s s 时时时时n n 温度温度 开尔文开尔文 K K 温温温温n n 物质的量物质的量 摩尔摩尔 mol mol 量量量量n n（2 2）常用的导出单位）常用的导出单位：n n物理量物理量 单位单位 国际符号国际符号 用用SISI制基本单位表示制基本单位表示n n 力力 牛顿牛顿 N N （力（力= =质量加速度）质量加速度） 力力力力n n 压强压强 帕斯卡帕斯卡 Pa Pa 压压压压 能、功、热量能、功、热量 焦耳焦耳 J J 能能能能n n 功率功率 瓦特瓦特 W W 率率率率n n单位顺序规律单位顺序规律单位顺序规律单位顺序规律：一般是长度、质量、时间顺序，如长度为负值，则把长度与：一般是长度、质量、时间顺序，如长度为负值，则把长度与质量互换。如质量互换。如 。n nB B、工程单位制（重力单位制）、工程单位制（重力单位制）n n常用的基本单位：常用的基本单位：n n物理量物理量 单位单位 n n长度长度 米米 长长长长n n力力 公斤（重）公斤（重） kgfkgf 力力力力n n时间时间 秒秒 时时时时n n温度温度 温温温温n nC C、绝对单位制、绝对单位制 n n 物理量物理量 单位单位 符号符号 n n长度长度 厘米厘米 cm cm 长长长长n n质量质量 克克 g g 质质质质n n时间时间 秒秒 s s 时时时时n n温度温度 温温温温物理量物理量 单位单位 符号符号n n长度长度 米米 m m 长长长长n n质量质量 千克（公斤质）千克（公斤质） kg kg 质质质质n n时间时间 秒秒 s s 时时时时n n温度温度 温温温温物理单位制：基本单位：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cm 、质量kg 、时间s 、温度K、 物质量moln2、质量、重量、力质量：一个物体所包含物质的多少，是固定的。重量：一个物体所受地球吸引力（重力）的大小，是 随距离地球的远近而变化。二者关系：n3单位换算nCGS制：nSI制：n工程制：n 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，cm2换算成m2,其换算关系为：1 1kgf=9.81=9.81N， 1 1cm=0.01=0.01m上述关系代入 ，得：七、混合物浓度的表示方法七、混合物浓度的表示方法n n1 1、物质的量浓度、物质的量浓度 组分组分i i的物质的量的物质的量n ni i除以混合物的体积除以混合物的体积V V，以符号，以符号c ci i表表示：示： c ci i= =n ni i/V /V 单位：单位：koml/mkoml/m3 3n n2 2、物质的量分数（摩尔分数）、物质的量分数（摩尔分数） 组分组分i i的物质的量的物质的量n ni i与混合物的物质的量与混合物的物质的量n n之比，以符之比，以符号号x xi i或或y yi i表示表示n n3 3、物质的质量浓度（质量密度）、物质的质量浓度（质量密度） 组分组分i i的质量的质量mmi i除以混合物的体积除以混合物的体积V V，以符号，以符号 i i表示表示, , i i=m=mi i/V/Vn n4 4、物、物质质的的质质量分数量分数 组分组分i i的质量的质量mmi i与混合物的总质量与混合物的总质量mm之比值，以符号之比值，以符号w wi i表示。表示。n n5 5、摩尔比、摩尔比n n6 6、质量比、质量比n n7 7、气体混合物的表示方法、气体混合物的表示方法 1 1、摩尔分数、摩尔分数 2 2、压力分数、压力分数 3 3、体积分数、体积分数 4 4、气体混合物中组分的浓度、气体混合物中组分的浓度 5 5、双组分气体混合物中组分的摩尔比、双组分气体混合物中组分的摩尔比八、物料衡算八、物料衡算n n根据质量守恒定律，向设备输入的物料质量减去从设备根据质量守恒定律，向设备输入的物料质量减去从设备输出的物料质量，必等于积累在设备里的物料质量，即：输出的物料质量，必等于积累在设备里的物料质量，即：n n n n （此式既适用于间歇过程，也适用于连续过程）（此式既适用于间歇过程，也适用于连续过程）n n式中式中 输入物料的总和；输入物料的总和；n n 输出物料的总和；输出物料的总和；n n 积累的物料量。积累的物料量。 n n无积累无积累 n n进行物料衡算的注意事项：进行物料衡算的注意事项：n n（1 1）确定衡算范围（或称系统），它可以在一个单一）确定衡算范围（或称系统），它可以在一个单一的设备或其中一部分进行，也可以包括几个处理阶段的的设备或其中一部分进行，也可以包括几个处理阶段的全流程。全流程。n n（2 2）确定衡算对象。对有化学变化的过程，衡算对象）确定衡算对象。对有化学变化的过程，衡算对象可找未发生变化的物质为惰性物质等。可找未发生变化的物质为惰性物质等。n n（3 3）确定衡算基准。对于间歇过程，常以一次（一批）确定衡算基准。对于间歇过程，常以一次（一批）操作为基准，对于连续过程，则以单位时间为基准。操作为基准，对于连续过程，则以单位时间为基准。n n总结五字解题方法：分（分析题意总结五字解题方法：分（分析题意 ）、图（画出图形）、选（选）、图（画出图形）、选（选定基准）、算（计算结果）、分（分析结果是否合理）。定基准）、算（计算结果）、分（分析结果是否合理）。n n分分分分：认真分析题意：认真分析题意 。 n n图图图图：画出正确的图形，（用虚线方框图圈住恒算范围，或设备的简：画出正确的图形，（用虚线方框图圈住恒算范围，或设备的简略外形），箭头指向方框者是输入项，箭尾指向方框者是输出项，略外形），箭头指向方框者是输入项，箭尾指向方框者是输出项，总输入等于总输出。总输入等于总输出。n n选选选选：选基准，在间歇操作中一般以一次操作为基准；在连续操作过：选基准，在间歇操作中一般以一次操作为基准；在连续操作过程中则以单位时间为基准如一小时。程中则以单位时间为基准如一小时。n n物料基准常以质量或数表示，不宜用体积表示。衡算对象只以不变物料基准常以质量或数表示，不宜用体积表示。衡算对象只以不变化的物料或惰性组分为基准，单位基准、温度基准、压强基准等化的物料或惰性组分为基准，单位基准、温度基准、压强基准等（统一单位、温度、压强）。（统一单位、温度、压强）。n n算算算算：计算，首先查明公式适用范围、各符号意义及单位，列出方程：计算，首先查明公式适用范围、各符号意义及单位，列出方程计算。如从普通公式出发解题，最后推导出适合题中特殊情况的计计算。如从普通公式出发解题，最后推导出适合题中特殊情况的计算式，然后再代入已知数字，从而可达到简化计算的目的。算式，然后再代入已知数字，从而可达到简化计算的目的。n n分分分分：分析答案，是否符合实际。：分析答案，是否符合实际。 例：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：解：首先画一个流程图表示进行的过程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。 选选择择衡衡算算基基准准（连连续续操操作作以以单单位位时时间间为为基基准准，间间歇歇操操作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。蒸发器1蒸发器2x1W1W2F0=5000kg/hx0=0.12F1F2x2=0.3 确定衡算对象确定衡算对象 此题中有两个未知数，蒸发的水量及送出的盐溶液量B，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 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：九、能量衡算九、能量衡算n n根据能量守恒定律而进行的能量平衡的计算。在生产中根据能量守恒定律而进行的能量平衡的计算。在生产中能量可能是热能、电能、机械能或其它能。如果是热能，能量可能是热能、电能、机械能或其它能。如果是热能，则称为热量衡算。则称为热量衡算。n n进行热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，明确衡算范围、进行热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，明确衡算范围、衡算对象与衡算基准。衡算对象与衡算基准。n n 伴随各股输入物料进入系统的热（焓）流量，伴随各股输入物料进入系统的热（焓）流量，kwkw；n n 伴随各股输出物料离开系统的热（焓）流量，伴随各股输出物料离开系统的热（焓）流量，kwkw；n n 系统向环境散失的热流量，或称系统向环境散失的热流量，或称“ “热损失热损失” ”，kwkw；n n H H 焓焓，单位质量的物质所具有的热量称为焓，其单位。，单位质量的物质所具有的热量称为焓，其单位。 n n物料的焓值与其状态有关，而且是物料的焓值与其状态有关，而且是相对值相对值相对值相对值，所以在，所以在进行热量衡算时为确定物料的焓值，必须首先规定进行热量衡算时为确定物料的焓值，必须首先规定基准温度基准温度基准温度基准温度，当有相变化时，还必须规定，当有相变化时，还必须规定基准状态基准状态基准状态基准状态，通常以通常以 ，液态液态液态液态为计算基准。为计算基准。n n显热（一定量物质不发生相变化时，温度升高或降显热（一定量物质不发生相变化时，温度升高或降低产生的热量变化。）低产生的热量变化。）n n潜热（单位质量的物质在一定温度下发生相变化时潜热（单位质量的物质在一定温度下发生相变化时所吸收或放出的热量）。所吸收或放出的热量）。 例例：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：解：根据题意画出流程图 换热器120饱 和 水 蒸气0.095kg/s120饱 和水0.095kg/s1.0kg/s25溶液80溶液1.0kg/s基准：1s在图中虚线范围内作热量衡算从附录查出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： 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= 十、平衡关系：十、平衡关系：n n平衡关系予告过程或反应能够达到的极限。平衡关系予告过程或反应能够达到的极限。n n如连通器液面最终达到同一水平面，如连通器液面最终达到同一水平面，n n换热的极限是冷热流体温度相同，换热的极限是冷热流体温度相同，n n气体吸收的极限是当时条件下的饱和溶解度，气体吸收的极限是当时条件下的饱和溶解度，n n反应的极限是当时条件下的平衡转化率。反应的极限是当时条件下的平衡转化率。十一、传递速率十一、传递速率n n过程速率：过程速率： n n如如