化工原理幻灯片第三版(讲课用)

0 绪 论,一、化工生产过程,1. 化工生产过程：对原料进行化学加工获得有用产品的过程称为化工生产过程。,乙烯,氯,提纯,提纯,单体合成,反应热,分离,裂解,精制 氯乙烯,聚合,脱水干燥,成品,分离,氧氯化,提纯,乙烯,空气,水,反应热,550 3MPa,220 0.5MPa,550 0.8MPa,CH2=CH2+Cl2,CH2ClCH2Cl,CH2ClCH2Cl,CHCl=CH2+HCl,2CH2=CH2+2HCl+O2,2CHCl-CH2+2H2O,HCl,聚氯乙烯生产,一氯苯的生产(一氯苯的质量分数达99.9%),苯,氯气,提纯,氯化器,氯化液,一氯苯69%,二氯苯1%,苯29%,水洗中和,中性 氯化液,常压精馏,粗氯苯,一氯苯97%,二氯苯3%,苯0.01%,减压精馏,轻组分,重组分,一氯苯9.99%,【苯、一氯苯、二氯苯的常压沸点/】,2 .化工过程原则流程,原料,反应物料制备,化学反应,反应产物分离,废料处理,废料,产品,可利用原料,药物和制药工业：反应设备投资占10%,其他单元操作的设备投资占90%。,3. 单元操作在化工及其相近工业中的重要作用,化学和石油化学工业：反应设备投资占11%,其他单元操作的设备投资占89%；,二 、单元操作的分类与特点,1. 单元操作分类,单元操作所遵循的规律,遵循流体动力学基本规律的单元操作，包括流体输送、沉降、过滤、物料混合(搅拌)。,遵循热量传递基本规律的单元操作，包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。,遵循质量传递基本规律的单元操作，包括蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。,同时遵循热、质传递规律的单元操作，包括气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。,单元操作的目的,流体输送,物料的混合,物料的加热与冷却,均相混合物的分离,非均相混合物的分离,2. 单元操作特点, 同一单元操作在不同的化工生产中遵循相同的过程规律，但在操作条件及设备类型(或结构)方面会有很大差别。, 物理过程。, 对同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实现。,三 、本课程研究方法,1 .实验研究方法(经验法),2. 数学模型法(半经验半理论方法),研究工程问题的方法论,传递过程,分析过程机理,物理模型,数学模型,含模型参数的结果,求得模型参数,合理简化,数学描述,求解,实验,四 、联系单元操作的两条主线,五、 化工过程计算的理论基础,化工过程计算的类型：设计型计算和操作型计算,物料衡算,平衡关系,计算依据：,能量衡算,速率关系,六、 本课程特点及学习要求,1. 本课程特点,该课程是化工类及相近专业一门重要的技术基础课，兼有“科学”与“技术”的特点,研究内容：各单元操作的基本原理，所用的典型设备的结构、工艺尺寸设计和设备的选型。,2. 学习要求,(4) 过程开发或科学研究能力,(1)单元操作和设备选择的能力,(2)工程设计能力,(3)操作和调节生产过程的能力,3. 考核,七、教学安排,1. 理论课 108学时+课程设计2周+实验,2. 理论课安排,王志魁.化工原理(第三版). 北京：化学工出版社,2005 陈敏恒.化工原理(上下册). 北京：化学工出版社,2000 何潮洪，窦梅，朱明乔，等.化工原理习题精解(上册).北京：科学技术出版社,2003 何潮洪，南碎飞，安越,等.化工原理习题精解(下册).北京：科学技术出版社,2003 丛德兹，丛梅，方图南.化工原理详解与应用. 北京：化学工出版社,2002 丁忠伟，杨祖荣.化工原理学习指导. 北京：化学工出版社,2006,八、 参考书,7. 柴诚敬，王军，陈常贵，郭翠梨. 化工原理学习指导. 天津：天津大学出版社,2003 8. 黄华江. 实用化工计算机模拟Matlab在化学工程中的应用. 北京：化学工出版社,2004,1.1 概述,1.1.1 流体流动的考察方法,1.1.2 流体流动中的作用力,1.1.1 流体流动的考察方法,一、流体的特征与压缩性,1. 特征：易于变形,2. 压缩性,可压缩流体,不可压缩流体,如:气体,如:液体,二、流体质点与连续性假设,1. 质点的含义,质点：由大量分子构成的集团(微团)，是保持流体宏观力学性的最小流体单元，从尺寸说是微观上充分大，宏观上充分小的分子团。,微观上充分大,分子团的尺度分子的平均自由程,宏观上充分小,分子团的尺度所研究问题的特征尺寸,对分子运动作统计平均，以得到表征宏观现象的物理量,物理量都可看成是均匀分布的常量,V=10-5cm3,分子数目N=2.7×1014个,3. 连续性假定,流体由无数的彼此相连的流体质点组成，是一种连续性介质，其物理性质和运动参数也相应连续分布。, 内容, 适用范围,绝大多数情况适用，但高真空下的气体不适用。,三、运动的描述方法拉格朗日法和欧拉法,1. 拉格朗日法,描述同一质点在空间不同时刻的状态,2. 欧拉法,描述空间各点的状态及其与时间的关系,例如：位移的描述： sf(t),uxfx(x，y，z，t) uyfy(x，y，z，t) uzfz(x，y，z，t),例如:速度的描述,四、定态与稳定,1. 定态,指全部过程参数均不随时间而变,定态流动：流场中各点的流动参数只随位置变化而与时间无关。,非定态流动：流场中各点的流动参数随位置与(或)时间而变化。,定态流动,非定态流动,指过程抗外界干扰的能力，当外界扰动移去后，过程能恢复到原有状态者，该过程是稳定的或具有稳定性。反之，则是不稳定的。,2. 稳定,五、流线与轨线,1. 流线,a. 流线不能相交，因为空间一点只有一流速；,特点:,b. 流体质点流动时不能穿越流线，因为质点的流速与流线相切。,2. 轨线,某一段时间间隔内某一特定的流体质点在空间所经过的路线轨迹。,3. 流线与轨线的比较,六、系统与控制体,1. 系统,众多流体质点的集合，与外界间的分界称为系统边界。,系统与外界可以有力的作用与能量的交换，却无质量交换。,2. 控制体或称为划定体积,流体可自由进出控制体，控制面上可有力的作用与能量的交换。,当划定一固定的空间体积来考虑问题，该空间体积称为控制体。,构成控制体空间界面称为控制面,控制面总是封闭的固定界面。,1.1.2 流体流动中的作用力,一、质量力,作用于所考察对象的每一个质点上的力，并与流体的质量成正比,二、表面力,1. 表面力：作用于所考察对象表面上的力，与表面积成正比。,2. 应力：单位面积上所受到的表面力。,表面力,切向力(剪力),法向力,拉力,压力,压应力(压强),剪应力,拉应力,3. 表面力的分解,三、剪应力,1. 黏性, 含义：当流体流动时，流体内部存在着内摩擦力，这种内摩擦力会阻碍流体的流动，流体的这种特性称为黏性。, 实验 (两平行平板间距很小),y方向的速度分布为线性,产生内摩擦力的根本原因：流体具有黏性。,内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力。,2. 牛顿黏性定律,粘度,的流体,理想流体:,3. 牛顿型流体,层流时服从牛顿黏性定律的流体。所有气体和大部分低分子量(非聚合)的液体或溶液均属于牛顿型流体。,4. 黏度, 物理意义,速度梯度为1时，单位受力面积上的流体层间内摩擦力的大小。,黏性的物理本质是分子间的引力和分子的运动与碰撞。, 单位及其换算,1Pa.s=10P=1000cP, 影响因素,温度影响因素分析：,气体的分子间距较大，产生黏性的主要原因在于气体分子本身的运动。,液体的分子紧密排列，分子间距较小，产生黏性的主要原因在于液体分子间的引力。, 混合流体的黏度,b. 常压下混合气体的黏度,c. 分子不缔合的混合液黏度,a. 查阅相关手册, 运动黏度,单位：m2/s，1 m2/s=104St,1.1.3 流体流动中的机械能,机械能包括动能、位能和压强能。,流体所含的能量：内能和机械能,1.2 流体静力学及其应用,1.2.1 流体的密度 1.2.2 压强及其表示方法 1.2.3 流体静力学方程 1.2.4 流体静力学方程的应用,1.2.1 流体的密度,一、定义 单位体积流体的质量，称为流体的密度。,二、单组分密度,液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其 变化关系可从手册中查得。,气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算：,注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度 下之值，若条件不同，则密度需进行换算。,三、混合物的密度,混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有,气体混合物中各组分的体积分率。,或,混合气体的平均摩尔质量,气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。,一、压强：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。,二、压力的单位 N/m2或Pa,1atm=101.3kPa=0.1013MPa 1atm=1.033kg(f)/cm2 1atm=10.33mH2O=760mmHg 1bar=105Pa 1psi=6.89kPa,1.2.2 压强,三、 压强的表示方法,绝对压强 以绝对真空为基准测得的压强。 表压 以大气压为基准测得的压强。,表压绝压大气压力,0 正表压,0 负表压,真空度大气压力绝压,表 压 = 绝对压力 大气压力 真空度 = 大气压力 绝对压力,1.2.3 流体静力学方程,一、流体微元的受力平衡 研究对象：静止流体中的一立方体流体微元六面体,受力分析：质量力与表面力 X、Y、Z单位质量流体在X、Y、Z方向的分量 x方向：,同理,y方向：,z方向：,欧拉平衡方程,单位质量流体 所受的体积力,单位质量流体所受的压力,将该微元流体移动dl距离，此距离对x、y、z轴的分量为dx，dy，dz,乘以dx,乘以dy,乘以dz,压力所作功,质量力所作功,流体平衡的一般表达式,二、平衡方程在重力场中的应用,重力场,离心场,讨论,1不可压缩流体,虚拟压强,压力形式,能量形式,静力学基本方程,（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体； （2）物理意义：,单位质量流体所具有的位能，J/kg；,单位质量流体所具有的静压能，J/kg。,在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变 。,（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。 （4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。,2. 可压缩流体(以气压方程的推导为例),1.2.3静力学基本方程的应用,1. 压力及压力差的测量,（1）U形压差计,若被测流体是气体,所以,讨论：,（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；,表压,真空度,指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应； 其密度要大于被测流体密度。 应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。,(3) 总势能大的一侧指示液液位低。,（2）指示液的选取,（2）双液体U管压差计,扩大室内径与U管内径之比应大于10 。,密度接近但不互溶的两种指示液A和B；,适用于压差较小的场合。,（3） 倒U形压差计,指示剂密度小于被测流体密度， 如空气作为指示剂,（5） 复式压差计,（4） 倾斜式压差计,适用于压差较小的情况。,适用于压差较大的情况。,例 如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，指示液为水银，读数R250mm，m900mm。,已知当地大气压为101.3kPa，水的密度1 000kg/m3，水银的密度13 600kg/m3。试计算该截面处的压力。,解：,例 如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示液为水银，两U形压差计间充满水。相对于某一基准面，各指