西安建筑科技大学：《化工原理》课程教材讲义（上册，PDF电子书，第一至第七章）.pdf_大学文库

绪论 (一)化工过程与单元操作化学工程以化学工业的生产过程为研究对象。在化学工业中,对原料进行大规模的加工处理,使其不仅在状态与物理性质上发生变化,且在化学性质上也发生变化,成为合乎要求的产品。此一过程即为化学工业的生产过程,简称为化工过程。化工过程包括许多步骤, 原料在各步骤中依次通过若干个或若卡组设备,经历各种方式的处理之后才成为产品。化工过程的特点之一是步骤多,而且因为不同的化学工业所用的原料与所得的产品不同,所以各种化工过程的差别很大。一个化工过程中所包括的步骤可以分成两类。一类以进行化学反应为主,通常是在反应器中进行。用于不同化学工业中的反应器在构造与操作原理上有很大差别,主要是因为所进行的化学反应不同,反应的机理相差很大。例如石油裂解用的裂解炉、氦合成用的合成塔高分子合成用的反应釜,在各方面都很不相同。化工过程中还有另一类很重要的并不进行化学反应的步骤。例如,乙醇生产与石油加工中都要进行蒸馏操作;陶瓷、尿素、染料、塑料、纸张等的生产中都有于燥操作,而糖、食盐这两种迥然异味的食品的生产过程中却都包含有流体输送、蒸发、结晶、离心分离、干燥等操作。这类操作称为单元操作。单元操作有下列特点:(1)它们都是物理性操作,这些操作只敢变物料的状态或其物理性质,并不改变其化学性质。(2)它们都是化工生产过程中共有的操作。化工过程虽差别很大,但它们都是由若干个单元操作适当地串连而组成的 (3)某单元操作用于不同的化工过程,其基本原理并无不同,进行该操作的设备往往也是通用的。自然,具体运用时也要结合各化工过程的特点来考虑,例如原料与产品的物理、化学性质,生产规模大小等本书的内容就是讨论比较重要而较常用的一些单元操作。单元操作按其所根据的内在的理论基础,又可以进一步归并成为三类 1)以流体力学为基础的。包括流体输送、沉降、过滤、离心分离、搅拌、固体流态化等 (2)以热量传递理论为基础的。包括加热、冷却、蒸发等。〔3)以质量传递理论为基础的。包括蒸馏、吸收、吸附、萃取,干燥、结晶、膜分离等。进行这些操作的目的一般是将混合物分离,故它们又称分离过程(或操作)。以流体力学为基础的单元操作都涉及流体流动,流体流动时其内部发生动量传递,故这些操作也可以按动量传递理论来研究。于是,各种单元操作的基础都可以归入动量、热量与质量三种传递理论中去。这三种传递又有彼此相类似的规律可以合起来研究,这就形成了传递过程这门学科。它是单元操作在理论方面深入一步的发展。化学工业中工程技术人员的主要任务是开发、设计与操作。某化工过程所包括的步聚研究出来之后,将这些步骤连结起来使得生产大规模进行时经济上合理有利,称为“开发”此一过程,其主要工作是探索最佳的流程与设备,定出最住的操作条件。设计工作通常是规定 PDF文件使用" pdfFactory Pro"试用版本创建ww, fineprint,cn

出设备应具有的性能,选出合适的型式并确定其主要尺寸。操作则除了对日常生产过程进行管理并使设备能正常运转以外,更重要的是对现行的生产过程与设备作各种改进以提高其效率。所有这些工作都要求对各单元操作有充分的了解。此外,单元操作是工积技术的一支, 理论与实践应密切结合,既霱熟悉操作的原理,又须掌握有关没备的知识,二者不能有所偏废为学习单元操作而开设的课程,在我国习惯上称为化工原理。 (二)单位及单位换算在我国、同际制(SD)单位虽已开始推行,工程制单位在生产、设计中使用仍很普遍而且化学工程中常用的一些物理、化学数据有许多仍以物理制(cgs)单位表示。因此,本书虽然基本上采用SⅠ制,但也兼縯工程制,并且在开始时强调单位换算的重要性。单位制度单位制度的不同,在于所采用的基本单位不同以及对基本单位大小的规定不一。物理制的基本单位是:长度单位米(cm),质量单位克(g),时间单位秒(s)。国际制的基本单位共有7个,但化工中常用的只有下面5个:长度单位米(m),质量单位于克(kg),时间单位秒(s),温度单位开尔文(K),物质数量单位摩尔(mo)。1mo可以理解为其质量(以克计)在数值上等于其分子量的物质的量。这两种单位制都以质量为基本单位,属于绝对单位制系统。工程制的基木单位是:长度单位米,力或重量单位千克(力),时间单位秒。这种制度的特点是以力而不以质量作基本单位,属于重力单位制系统。千克(工业上亦称为公斤)在Sr里指质量,在工程制里指力,容易混淆,本书在工程制的千克之后加注力字(用符号表示则写成kgf,以资区别。文中SJ单位都用国际计量会议所颁布的单位符号装示, 而工程单位则用我国规定的中文代号或用拉丁字母表示。以上三种制度之下,化学工程中常用的若于物理量的单位,列于篇末的附表1 质暨、重量、力要在化工计算中正确地运用单位,并乔清楚SⅠ单位与工程单位的关系,首先应了解质量、重量、力三者的意义与单位质量和重量(或力)是两个截然不同的概念。一件物体的质量是它所包含物质的多少; 它的重量是它所受地球吸引力《重力)的大小。一件物体的质量是固定的,它的重量却随距地球的远近而变。通常所谓重量是指在地球表面附近的重量而言。质量和力的关系可以用牛顿第二定律表示: ∫=l (1) 式中,f是作用于物体上的力,m是物体的质量,a是物体在力所作用的方向上的加速度。式中比例常数的数值取决于各物理量所用的单位,若各物理量所用的单位都属于同单位制度,则=1。绝对单位制以质量单位g或kg作基本单位,令k=1便可从式1导出力的单位。若对式1 中的物理量只考虑其单位而不考虑其数值大小,可导出力的单位(表示成〔f]=?)如下 cgS制:[∫〕=(ma)=g×s=g·cm/s2=dyn(达因) SI:f)=m)=kg8s2=kgm/s2=N(牛顿) PDF文件使用" pdfFactory Pro"试用版本创建ww, fineprint,cn

工程制以力的单位于克(力)作基本单位,令式1中的=1,可导出质量的单位如下工程制,m)-[a]=千称2一千克(力)秒/米由此可见,1N是作用于质量为kg的物体上能够产生1m/s的加速度所需的力。1“工程单位质量”是在1千克(力)的作用之下其加速度为1〔米/秒2的那个物体的质量伪,至于kg和8即千克(力)的关系,可用下法导出:物体在地面附近受重力作用所产生加速度4=981m/s2,故作用于质量m=1kg物体上的重力为 f==1kgx9.81m/s2=9,81kgm/s2(即N) (2 物体历受的重力即为其重量,而质量1kg的物体在地面附近的重量为1千克(力)即kgf, 故得: kgf=9, 81kg m/s2 (3) 或 kgf s"/n 式3(或4)裘示g与kg的关系,也是工程制与5之间换算的桥梁。工程制中很少采用质量,在可能的场合都改用重量,例如不用密度而用重度,后者的单位是〔千克(力)米,其意义为单位体积物料的重量。单位的正确迳用化工计算中所用的公式可分两类。一类公式是根据物理规律建立的,称为理论公式,刎如前面的式1。式中的符号除比例系数以外,各代表一个物理量,因此又称为物理量方程。一个物理量的大小必须由数目与单位二者相结合才能表示出来,所以物理量实际上是数目与单位的乘积。将物理量数据代入这一类公式时,严格的作法是将数目与单位一起代进去,式2中的运算就是这样作的。将某单位制的数据代入理论公式中,解出的结果总是属于同一单位制。这就是说,理论公式在单位上总是一致的,任何同属一个制度的一致单位都可以用,但中途不能更改。未熟练者過到复杂公式,比较稳妥的办法是将数据预先换算成符合于所选用的单位制,然后将数目与单位一起代入,对数目与单位分别进行运算或整理。岩求得的结果不能保持单位的一致或得出不合理的单位,便表明计算中混进了不一致的单位,否则就是公式本身单位不一致,有必要检查它是否正确。另一类公式是根据实验结果整理出来的,称为纸验公式。这类公式的每一个符号都要用指定单位的数值代入,所得结果属于什么单位也是指定了的。对于此类公式,代入以前要逐核实数据的单位是否合乎规定,只须将数字代入,算出的结果则附上规定的单位单位换算从各种来源得到的数据,其单位不一定符合要求,必须进行单位换算,此项工作若在运算当中临时进行极易发生错溺,以预先作好为宜。化学工程中常用单位的换算因数可从本书(上册)附录中查得。复杂单位的换算因数没有必要记住,无表可查时,可以将其分解成简单的单位逐个换算。后面拳例说明这种换算的方法例!一标准大气压(1atm)的压力等于1.033kgf/m2,将其换算成SI单位。解要用SI单位表示大气压,则工程单位kgf/cm中的kgf须转换为N,cm2须转换为 m。kgf与N,又cm与m的换算关系为 PDF文件使用" pdfFactory Pro"试用版本创建ww, fineprint,cn

f=9.81N 要令1.033kgf/cm2中之kg从分子中消去而维持原值不变,可将此量乘以一个分母中含有kgf而且等于1之值。根据上述换算关系,可知应乘以(9.81N/kgf)。同理,将此量乘以一个分子中含有cm2而且等于1之值,即(10cm/1m)2,则其分母中之cm2亦可消去而转换为m2。故得: 1atn=1,033-kgf/9.81NY/100cm cIn kgf 1m (1.033×9.81×100)(-< gfx Nx cm cm2× kgf x in 013×10°N/ 上法的特点是将单位也和数目一样纳入运算,分子分母中的单位符号相消之后,剩下的必须与所要求者相符,有错立刻可以发现。对单位换算未熟练者采用此法比较稳妥。例2通用气体常数R=82.06atm·cm3/mo·°K,将其换算成以下列单位表示:(a) 工程单位:千克(力)米/千克分子℃;(b)国际单位:kJ/ knol K。解(a)工程单位 R 06m =82.0 103kg0.01m)3(0.00 kmol ikmol ok 848kgfm/kmol°K (b)国际单位 R=82.06 1.013×10°N mol°K )o.0my(00a)(k) 8313N m/kmol K=8313kJ/kniol K 上法将复合单位所包含的简单单位逐个按要求替换,最后亦能化成所要的形式。 (三)物料衡算设计设备决定其尺寸之前,要定出所处理的物料量。整个过程或其某一步骤中,原料产物、副产物、废弃物各量之间的关系,可通过物料衡算确定。物料衡算的根据是质量守恒定律,由此可得,进入任何过程的物料质量,必须等于从该过程离开的物料质量与积存于该过程中的物料质量之和输入=输出+积存多数情况下,过程进行中无物料积存,此种过程称为稳定过程。(关于稳定过程的其他特点,下一章还要进一步讨论)。此种情况下的物料衡算关系便简化为输入=输出上述关系可在整个过程的范围内使用,亦可在一个或几个设备的范围内使用。它既可针对全部物料运用,在没有化学厦应发生时还可针对混合物的任一组分来运用进行物料衡算的方法,通过例题说明如下。例3采用两个连续操作的串联的蒸发器以浓缩NaOH溶液。每小时有5吨12%(质量 %)NaOH溶液进入第一个蒸发器,浓缩到20%后输送到第二个蒸发器,进一步浓缩成50%溶液面排出。试分别求出两个蒸发器每小时蒸发的水量及从第二个蒸发器送出的浓溶液量 PDF文件使用" pdfFactory Pro"试用版本创建ww, fineprint,cn

B 12为NaOH 燕发器1 蒸发器2 20 % NaOH 0 nAoH 图1例3流程图解绘出设备简图如图1 先求第一个蒸发器的蒸发量。第一步划定衡算的范围,用一圈封闭的虚线(a)表示。衡算范围一经划定,便可设想内部分与其四邻分隔开,以虚线为界。又以箭头表示物流方向,凡是穿越边界指向内的,都属输入项,凡是穿越边界指向外的都属输出项。对于第一个蒸发器,有两个未知数待决定,即蒸发出的水量A与送出的20%落液量B。现在考虑1小时内所涉及的物料量,可以写出基准—1小时(进料5000kg) 总物料衡算:5000=A+B NaOH衡算:5000(012)=A(0)+B(0,2) 解出:A=2000kg/h;B=3000kg/h 既然进入第二个蒸发器的20%NaOH溶液量B已经算出,用与前面一样的方法在虚线 b)所圈定的范围内列物料衡算式,便可解出第二个蒸发器的蒸发量C与送出的50%溶液量D。这一步由读者完成。若按整套设备进行衡算,即取虚线(C)所圈定的范围作衡算范围,也可求得相同的结果,基准同前。总物料衡算:5000=2000+C+D NaOH衡算:5000(0·12)=D(0.5) 解出: C=1800kg/h;D=1200kg/h 从上面的求解过程可以总结出作物料衡算的步骤如下:(1)绘一简图表示所进行的过程,以一方框表示一设备,以箭头表示输入设备或从设备输出的物流方向。已知的物料流量、组成及温度、压力等都注在箭头旁边。(2)划定衡算范围,其边界要与待计算的物流相交,这样所列出的衡算式才能包括需要算出的未知数。(3)规定衡算基准并将其明确列出。衡算基准是在衡算式中规定已知量数值的依据,算出的未知量也应符合此基准,故必须十分明确。(4)列出衡算式并求解。 (四)热量衡算化工生产中所需的能量以热为主,用于改变物料的温度与聚集状态,提供反应所需热量等。若操作中有几种能量相互转化,则其间的关系用能量衡算来定;若只牵涉到热,能量衡算便简化为热量衡算。能量衡算的基础是能量守恒定律。稳定过程中“输入=输出”这个关系若针对始来运用,所作的衡算即为热量衡算。热量衡算中需要考虑的项目是进出设备的物料本身的焓与从外界加入或向外界送出的热,有化学反应时则还包括反应所吸收或放出的热(反应热)。 PDF文件使用" pdfFactory Pro"试用版本创建ww, fineprint,cn