化工原理绪论定稿版文档格式.docx
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反应物如何供给、产物又如何分离?
如何提供反应所需的热量及使用反应放出的热量?
怎样才能从工业规模生产中获得最佳的经济效益?
4.《化工原理》在化工领域中的地位
本课程不是教学生如何合成得到新的物质?
如何提取新的物质?
如何表征新的物质?
这是化学家的事情。
化学工程研究的是如何把化学家们的小试研究成果开发放大为中试,再开发为生产规模。
是在科学实验与化工之间架桥的工作,是直接为人类服务的创造价值的劳动。
5.共同的研究对象——传递过程
5.1.物理性操作,即只改变物料的状态或物性,并不改变化学性质;
5.2.它们都是化工生产过程中共有的操作,但不同的化工过程中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异;
5.3.对同样的工程目的,可采用不同的单元操作来实现;
5.4.某单元操作用于不同的化工过程,其基本原理并无不同,进行该操作的设备也往往是通用的。
具体应用时也要结合各化工过程的特点来考虑,如原材料与产品的理化性质,生产规模等。
实际问题的复杂性—过程、体系、设备、工程性强、计算量大
6.单元操作按操作的目的分类如下:
6.1.物料的加压、减压和输送、物料的混合、非均相混合物的分离--动量传递过程
6.2.物料的加热或冷却――热量传递过程
6.3.均相混合物的分离――质量传递过程
以上三种传递过程简称“三传”。
是《化工原理》的共同规律和联系。
《化工原理》课程研究对象就是研究“三传”理论和“三传”理论的应用。
“三传理论的建立”是单元操作在理论上的进一步发展和深化。
传递过程是联系各单元操作的一条主线。
7.性质
《化工原理》课程是高等数学、物理、物理化学等课程的后继课程。
它是一门专业技术课程,属于工程学科,具有工程性、应用性。
在我们的教学计划中起到了自然学科与应用学科的桥梁作用。
作为一门综合性技术学科的一个重要组成部分,主要研究各单元操作的基本原理,所用的典型设备结构,工艺尺寸设计和设备的选型的共性问题,是一门重要的专业基础课。
、本课程是一门实践性很强的工程学科,在长期的发展过程中,形成两种基本研究方法,即:
7.1.实验研究方法(经验法)
7.2.数学模型法(半经验半理论方法)
8.化工原理课程的两条主线
8.1.动量传递、传热和传质皆属于传递过程,是本门课程统一的研究对象,是联系各单元操作的一条主线。
8.2.研究工程问题的方法论是联系各单元操作的另一条主线。
各单元操作有共同的研究方法。
a.实验研究方法(经验的方法)
一般用因次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,通过无因次数群(或称准数)构成的关系式来表达。
是一种工程上通用的基本方法。
b.数学模型法(半经验半理论的方法)
在对实际过程的机理深入分析的基础上,在抓住过程本质的前提下,作出某种合理简化,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。
如一个物理过程的影响因素较少,各参数之间的关系比较简单,能建立数学方程并能直接求解,则称为解析法。
二、《化工原理》课程的任务
1.研究与掌握化工单元操作过程的基本原理并能进行过程的选择;
2.进行设备工艺尺寸的计算及设备的选型计算;
3.根据生产的不同的要求进行操作和调节,并具有一定寻找故障的原因及排除故障的能力;
4.了解强化过程的途径。
通过本课程的学习,培养学生有分析和解决单元操作中各种问题的能力,即在科学研究和生产实践中对设备应具有操作管理、设计、强化与过程开发的本领。
总之,学习《化工原理》的目的是:
掌握规律、开发工艺、创新设计、诊断过程、强化操作。
三、单位制度及单位换算
任何物理量的大小都是由数字和单位联合来表达的,二者缺一不可。
如管长为10m,水的流速为3.5m/s等。
(一)单位制度
在工程和科学中,单位制度有不同的分类方法。
1.基本单位和导出单位
基本单位:
一般选择几个独立的物理量(如质量、长度、时间、温度等),根据使用方便的原则规定出它们的单位,这些选择的物理量称为基本物理量,其单位称为基本单位。
导出单位:
其它的物理量(如速度、加速度、密度等)的单位则根据其本身的物理意义,由有关基本单位组合而成。
这种组合单位称为导出单位。
我国的法定计量单位(简称法定单位)是以国际单位制为基础,同时选用了一些非国际单位制的单位构成。
见本教材P327附录一。
国际上趋向于采用国际单位制(SI制)。
SI制基本单位7个:
长度L:
米(m);
质量M:
千克(kg);
时间T:
秒(s);
热力学温度θ:
开尔文(k);
物质的量:
摩尔(mol);
电流I:
安培(A);
发光强度:
坎德拉(cd)
SI制主要优点:
①通用性:
是一套完整的单位制,适合于各个领域;
②一贯性:
每种物理量只有一个单位,如热功都用J(焦耳)表示。
化工生产中,还使用一些非SI单位,如:
温度有℃,时间min、hr、d、Yr,压强单位除了Pa外,有atm、mmHg、m水柱、bar、ata等。
(二)单位换算
在化工计算中,各种数据来源不同,故其单位不一定符合公式的要求,计算时则需要进行单位换算。
换算原则是:
连同换算因子一起换算。
换算因子:
彼此相等而单位不同的两个同名物理量(包括单位在内)的比值称为换算因子。
如1m和100cm的换算因子为100cm/m。
包括单位在内的任何换算因子在本质上都是纯数1。
任何物理量乘以或除以换算因子,都不会改变原物理量的大小。
常用的单位换算关系要牢记,复杂的单位逐个分解代入换算。
常用的单位换算因子数据见教材P328附录二。
1.物理量的单位换算
同一物理量,若采用不同的单位则数值就不相同。
例如最简单的一个物理量,圆形反应器的直径为1m,在物理单位制度中,单位为cm,其值为100;
而在英制中,其单位为ft,其值为3.2808。
它们之间的换算关系为:
反应器的直径D=1m=100cm=3.2808ft。
若查不到一个导出物理量的单位换算关系,则从该导出单位的基本单位换算入手,采用单位之间的换算因数与基本单位相乘或相除的方法,以消去原单位而引入新单位。
物理量=数字×
单位单位=物理量/数字
将物理量单位由一种制度换算成另一种制度时,换算时只需乘以两相关物理单位之间的换算系数。
经验公式(又称数字公式,根据实验结果整理而得)中各符号只代表物理量的数字部分,而它们的单位必须采用指定的单位。
例0—1.通用气体常数R=0.08206atm.L/mol.K,试用国际单位J/mol.K表示。
解:
R=0.08206atm.L/mol.K
=0.08206atm.L/mol.K×
1m3/1000L×
101325Pa/atm
=8.314Pa.m3/mol.K=8.314J/mol.K
2.经验公式(或数字公式)的单位换算
化工计算中常遇到的公式有两类:
一类为物理方程,它是根据物理规律建立起来的,物理方程遵循单位或因次一致的原则。
同一物理方程中绝不允许采用两种单位制度。
用一定单位制度的基本物理量来表示某一物理量,称为该物理量的因次。
在SI单位制度中,基本物理量质量、长度、时间、热力学温度的因次分别用M、L、T与θ表示,力的因次为MLT-2;
因次一致的原则是因次分析方法的基础。
另一类为经验方程,它是根据实验数据而整理成的公式,式中各物理量的符号只代表指定单位制度的数据部分,因而经验公式又称数字公式。
当所给物理量的单位与经验公式指定的单位制度不相同时,则需要进行单位换算。
可采取两种方式进行单位换算:
将诸物理量的数据换算成经验公式中指定的单位后,再分别代入经验公式进行计算;
若经验公式需经常使用,对大量的数据进行单位换算很繁琐,则可将公式加以变换,使式中各符号都采用所希望的单位制度。
四、五个基本概念
物料衡算、能量衡算、物料的平衡关系、过程速率和经济核算五个基本概念贯穿于各个单元操作的始终。
化工过程计算可分为设计型计算和操作型计算两类,其在不同计算中的处理方法各有特点,但是不管何种计算都是以质量守恒、能量守恒、平衡关系和速率关系为基础的。
五、学习本课程的基础和学习方法
1.物料衡算
根据质量守恒定律,即在稳定过程中,依输入的物料=输出的物料,进行物料衡算:
,该公式称为总物料衡算式。
在定态操作过程中,该式可简化为:
定态过程(稳定过程):
一般连续不断的流水作业(即连续操作)为定态过程,其特点是在设备的各个不同位置上,物料的流速、浓度、温度、压强等参数可各自不相同,但在同一位置上这些参数都不随时间而变。
物料的累积量GA=0。
若过程中有物料累积,则属于非定态过程(非稳定过程),一般的间歇操作(即分批操作)或连续操作中的开车、波动状态及发生故障时属于非定态过程,在设备的同一位置上诸参数随时间而变。
物料衡算步骤及要点:
①物流图;
②确定衡算体系;
③确定衡算基准;
④确定衡算物料;
⑤列衡算方程。
2.能量衡算
根据能量守恒和转换定律,即在稳定过程中,依输入的能量=输出的能量,进行能量衡算;
如:
热量衡算:
热量衡算步骤及要点:
①物流图(标明温度、比热);
⑤确定基准温度(焓值:
相对值);
⑥列衡算方程;
⑦注意热损失。
3.平衡关系(equilibriumrelation)
可以用来判断过程能否进行,以及进行的方向和能达到的限度。
4.传递速率
过程的传递速率(rateoftransferprocess)与推动力成正比,与阻力(resistance)成反比,即
如同电学中的欧姆定律:
5.经济核算
为生产定量的某种产品所需要的设备,根据设备的型式和材料的不同,可以有若干设计方案。
对同一台设备,所选用的操作参数不同,会影响到设备费与操作费。
因此,要用经济核算确定最经济的设计方案。
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