化工原理上册课件第三版.ppt

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,,CH2Cl—CH2Cl,CH2Cl—CH2Cl,,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,② 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① 物理过程③ 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① 内容,② 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： s＝f(t),ux＝fx(x，y，z，t) uy＝fy(x，y，z，t) uz＝fz(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,① 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② 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,① 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② 单位及其换算,1Pa.s=10P=1000cP,③ 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④ 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,⑤ 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R＝250mm，m＝900mm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，各指示液界面高度分别为,。