1、绪 论,1/第一章,Transport Processes and Unit Operations,主讲:李 鹏,过程装备与控制工程系,传递过程与单元操作,绪 论,2/第一章,绪 论,一、过程工业的特点 二、化工过程与单元操作 三、本课程的性质、内容、特点 四、常用基本概念与方法 五、单位与因次,绪 论,3/第一章,所谓过程工业是指通过化学和物理的方法以达到改变物料性能的加工业,它涵盖了化学、化工、石油化工、食品、制药,甚至于冶金等众多行业部门。 过程工业所涉及的对象是流程性物料,从原料到产品需经过复杂的工艺过程,因而整个过程需要由为数众多的单元构成,而每一个单元均需要有能实现这一功能的设备来
2、完成,将这些单元设备连在一起便构成过程装备。 而要保证每个设备直至整个装备能正常运行,必需对其流程性参数进行严格的控制,如压力、温度、流量、液位、浓度等。,一、过程工业的特点,绪 论,4/第一章,过程装备与控制工程的专业内涵,过程装备与控制工程专业主要研究化工、石油化工、炼油与天然气加工、轻工、核电与火电、冶金、环境工程、食品及制药等流程工业中处理气、液和粉体材料必需的设备与技术。该学科是融机械工程、化学工程、材料工程和控制工程等学科领域于一体的复合交叉型学科。学科面向国家经济建设的重大需求,服务于石油、化工、能源、冶金、航空航天、造纸、制药、食品等与过程相关的工业领域。“过程装备与控制工程”
3、专业学科是机械大学科的一个分支,它自己是属于机械领域,同时又服务于过程工业,自身的发展又需要机电控制。与其相关的行业包括:工艺过程(化工,石油化工,食品,制药,轻工等),机械设计及制造(机械设计,机械制造,工程材料等),以及装备的控制(重点在流程性参量,不同于机械行业的位置、位移和速度的控制),绪 论,5/第一章,二、化工过程与单元操作,过程是什么?,以进行化学反应为主,通常是在反应器中进行。 以进行物理变化为主的步骤,如蒸馏、干燥等。,化工过程是什么? 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,而且在化学性质上也发生变化,成为合乎要求的产品的过程。,化工
4、过程所包括的步骤可分成两类:,绪 论,6/第一章,绪 论,7/第一章,绪 论,8/第一章,原料来源广泛、加工过程复杂多样、产品五花八门。但除化学反应之外,其余步骤可归纳为为数不多的基本物理过程,即化工单元操作unit operations。这些物理过程占全过程的95%以上。,单元操作概念,化工生产过程可视为物理过程和化学过程组成的。由于被加工物料的相态不同、过程原理和采用方法的差异,将物理过程可进一步细分为一系列遵循相同物理定律,有某种功用的基本操作过程,称之为单元操作 。,绪 论,9/第一章,特点,物理操作,化工生产过程中共有的操作,不同的化工过程,相同的单元操作原理相同, 进行该操作的设备
5、也都通用,具有共同的物理变化,遵循共同的物理学定律和具有共同作用的基本操作,绪 论,10/第一章,传递过程与单元操作就是研究化工生产过程中的,一些最基本的共同规律问题。,二十世纪初化学工程学科二十年代末 单元操作、化学工业过程及设备、化学过程、 化工原理 。,unit operations,绪 论,11/第一章,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件1. 技术基础课,基础学科,工业实践!,原料来源广泛、加工过程复杂多样、产品五花八门。但除化学反应之外,其余步骤可归纳为为数不多的基本物理过程,即化工单元操作unit operations。这些物理过程占全过程的95%以上。,三、课程的性
6、质、任务、内容与特点,绪 论,12/第一章,热量传递:质量传递:,反应工程(化学反应),理,过,程,化工原理课件动量传递: 物,化,学,过,三,传,一,反,程化工生产=单元操作化学反应 化学工程=化工原理反应工程=三传一反,绪 论,13/第一章,YANTAI UNIVERSITY,研究化工单元操作的基本原理、典型设备的构造、操作特性及工艺尺寸的计算(选型)。,培养运用基本理论分析和解决实际化工生产问题的能力。以便能在化工生产、科研及设计工作中达到强化生产过程、提高产品质量、提高设备能力及效率、降低设备投资及产品成本、降低能耗、防止污染和加速新技术开发等。,2. 任务与内容,绪 论,14/第一章
7、,YANTAI UNIVERSITY,3、课程的的特点和计划,工程性强,工程观念与工程观点。,过程影响因素多:物性、操作、结构;过程制约条件多;,经验公式与经验数据多;,效益是评价工程合理性的最终判据。工业过程的目的:最大限度地取得经,济效益和社会效益。,绪 论,15/第一章,YANTAI UNIVERSITY,计算内容多,以单元操作为主线,掌握传递过程的基本规律、设备结构分析、设备设计计算。,重点:基本过程、基本规律、基本概念。,应用高等数学、物理化学、物理学等,先修基础课程的知识多。,绪 论,16/第一章,理论性、工程性均很强,内容多,教材: 化工原理(上、下册)谭天恩参考书: 化工传递过
8、程基础 王绍亭 传递过程与单元操作 陈维杻考核方式:出勤、 平时作业、期末统考(闭卷) 平时成绩:2030,考试:7080多媒体课件网址: http:/202.114.88.53/eol2005/homepage/whut/,绪 论,17/第一章,YANTAI UNIVERSITY,为研究单元操作过程始末和过程中各股物料的数量、组成之间的关系及吸收和释放的能量,必须作出物料衡算和能量衡算(最常用手段);在计算设备工艺尺寸时,必须依赖平衡关系来了解过程进行的方向与极限,而用速率关系分析过程进行的快慢(过程原理);为求以最少投入获得最大收益,必须进行经济核算。,四、常用基本概念与方法,绪 论,18
9、/第一章,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件,研究方法,实验研究方法:数群与递级放大,数学模型方法:半理论与半经验,一、物料衡算(material balance),mI = mO + mA,1. 概念: 物料输入量=输出量+积累量,系统:指定的计算范围(control volume),,也叫控制体积。,绪 论,19/第一章,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件适用于任何系统中的所有物料;总物料衡算与分物料衡算:mi ,I = mi ,o + mi , A适用于各种生产过程:间歇(batch)过程与连续(continuous)过程,稳定(stable)过程与不稳定(u
10、nstable)过程。,f ( x, y, z, )f ( x, y, z),物料参数=,均匀物料,绪 论,20/第一章,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件2. 物料衡算的应用,可用质量流量衡算:,= w (kg / s),m,dmAd,wI = wO +,:积累速率,dmAd,分物料衡算:,dmi , Ad,wi ,I = wi ,O +,稳定过程:无积累,wI = wO,有化学反应:对原子或元素进行衡算。,绪 论,21/第一章,3. 物料衡算的方法,绪 论,22/第一章,YANTAI UNIVERSITY,1T 15%,1%,B 5%,C 10%,干 燥 器E 3%DA,化工
11、原理课件例0-1 含水1%的热空气干燥含水15%的物料,干燥后物料含水5%,而用过的热空气水份为10%,其中一部分循环使用,其与新鲜热空气混合后含水,3%。求:干燥1T 湿物料需多少空气 ? 干燥出多少物,料?放出多少废气?多少废气循环使用?(稳定过程)解 : 取系统 , 以1000kg物料为基准,进行总物料衡算和分物料衡算:,绪 论,23/第一章,YANTAI UNIVERSITY,干,1T,15%,A 1%,B,5%,C 10%,燥 器E 3%D,化工原理课件总物衡: 1000 + A = B + C干物料: 1000(1 15%) = B(1 5%)干空气: A(1 1%) = C(1
12、10%),A = 1053.0 kgB = 894.7 kg,C = 1158.3 kg,取系统:总物衡:A + D = E 水份: 0.01A + 0.1D = 0.03E,E = 1353.6 kgD = 300.6 kg,绪 论,24/第一章,YANTAI UNIVERSITY,120 m3 / min,120 m3 / min,x,化工原理课件例0-2 一车间,V=30108 m3 , 产生SO2,含量 高于0.2%对人体有害。采用间歇通风进行排气,风量为120m3/min,且与车间内空气混合均匀,通风期间产生的SO2可忽略,问通风20分钟后,车间 的SO2含量为多少?(视为理想气体)
13、。解:不稳定过程。车间内排出的SO2含量不断变化,而P、T不变,则可用体积进行物料衡算。任何时刻车间内与排出的空气中SO2 含 量 相同, 设某时刻其含量为x,在dt分钟内对物料进行,衡算:0 = 120xdt + (30 10 8)dx,绪 论,25/第一章,YANTAI UNIVERSITY,dx,dt = 20,化工原理课件,2400 dx120 x, 20dxx,=,dt = ,x0.2% x,200,x = 0.074%取系统:使所求未知量穿过系统;取基准:方便计算(间歇过程中取一批、连续过程取单位时间等);找联系物料:如在过程中不发生变化,或只存在于某些物料中。,绪 论,26/第一
14、章,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件,二、能量衡算(energy balance),能量守恒。能量形式多样,且可互相转化。化工设备中往往不考虑这种转化,则可简化为机械能与热量(焓)衡算。,EI = EO + EAQI = QO + QA,(wH )I = (wH )O + QA,衡算方法与物料衡算相同。,绪 论,27/第一章,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件物料携带的能量=显热+潜热焓:焓为相对值且与物料状态有关。通常规定基准态:0、液态焓值为零。如:100的饱和水蒸气焓为2677 kJ/kg。,1kg 0液态水,1kg 100液态水,1kg 100水蒸气,41
15、8.6 kJ,2258.4 kJ,热损QL应计入QA中:稳定过程: QI = QO + QL,绪 论,28/第一章,YANTAI UNIVERSITY,c p = f (T ),可取平均值 c p 。,计算流体的初温、终温;计算所需加热介质流量;计算加热时间。反应的热效应。,化工原理课件(wH )I = (wH )O + QL换热过程(无相变):Q = wc p (T1 T2 ) kW,绪 论,29/第一章,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件例0-3 一容器盛有20的重油20T,用100同样的重油将其加热到80(混合),100的重油和混合后的重油流量均为6T/h,容器内温度均匀,
16、求加热时间?(比热视为不变)。解:非稳态。在dt时间内油温变化为dT,油量为G,瞬时温度为T:,wc pT1dt = wc pT2dt + Gc pdT6 100dt = 6 Tdt + 20dT,t = 4.62 hr,w = 6 t / h T1 = 100,T,T2 = T,w = 6 t / h,G = 20t,绪 论,30/第一章,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件,三、平衡关系(equilibrium relation),平衡状态是广泛存在的自然现象:饱和与不饱和、溶解与析出,终态为平衡状态:液固、气液、气固,用平衡关系可判断过程能否进行、进行的方向和限度,从而可以确
17、定设备的工艺尺寸。,平衡是化工热力学研究的问题。化工原理主要基础之一就是化工热力学。,绪 论,31/第一章,化工原理课件四、速率关系(transport rate)过程速率或传递速率,即单位时间内的传递量(质量、热量、动量等)。它决定过程进行的快慢。,YANTAI UNIVERSITY,= K,传递速率 =,传递量传递时间,推动力阻力,推动力:所处状态与平衡态的距离;阻力:多种因素对过程速率总体影响;传递原理是化工原理的另一重要基础。,绪 论,32/第一章,化工原理课件,阻力热阻传质阻力摩擦力电阻,推动力温差浓度差速度差电位差,过程性质传热传质动量电能,五、经济核算(economic eval
18、uation)不同设备型式和材料、同一设备不同,的操作参数,经济核算,设计方案。,多、快、好、省,避免急功近利。,绪 论,33/第一章,YANTAI UNIVERSITY,一、单位现状及研究单位制的任务,任何物理量的大小均用数字与单位的,乘积表示,并一并参加运算。,历史原因、公式不同表达形式及不同的科学领域单位混乱标准化国际单位制(SI制)。,过渡期及习惯原因,仍需熟练掌握不,同单位制及其换算。,五、单位与因次,绪 论,34/第一章,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件二、几种不同的单位制基本单位与导出单位的总称叫单位制。,基本量 (基本单位),导出量 (导出单位),导出单位有的有
19、专门名称,有的则没有。(如:牛顿、Pa、m2)。1.SI单位制:1960年第十一届国际计量大会在米(公)制的基础上制定。,绪 论,35/第一章,YANTAI UNIVERSITY,热、功及能量的本质相同,所以单位均,用J。在工程单位制中,热(kcal)和功(kgfm)换算时要加系数热功当量。,七个基本量及其基本单位:,L(m)、m(kg)、(s)、T(K)、物质量(mol)、,I(A)、发光强度(cd.),通用性:适用于各科技领域;,一贯性:导出单位时不用加任何系数。,如:1kg 1m / s2 = 1N ;,绪 论,36/第一章,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件2米制(公制)
20、, 绝对单位制:,CGS(物理):MKS(绝对实用):,工程单位制(重力单位制):m, kgf, s三、单位换算包括同一单位制内、不同单位制之间的换算。经验式的单位换算。换算过程中物理量本身大小并不改变,只是由于采用了不同单位,数值改变。,绪 论,37/第一章,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件例0-4 通用气体常数R=0.08206 Latm/(molK), 试用法定单位(SI制)J/(molK)表示之。,解:,1atm = 1.013 105 Pa,1L = 103 m3 ;, R = 0.08206 103 1.013 105= 8.313 m3 Pa /(mol K )1
21、Pa = 1N / m2 = 1N m / m3 = 1J / m3 R = 8.313J /(mol K )找等量关系;换算系数和单位一起换算。,绪 论,38/第一章,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件例0-5 在400700时,SO2氧化反应的平衡 常数可以表示为logk p=4905.5/T - 4.6455,其中,kp 为平衡常数(atm -0.5),T为绝对温(K),试将此表达式换算为SI制表示。解:设kp、T 分别为SI制下的对应物理量数值,单位分别为:kpPa-0.5;TK。要适合公式必须换算成要求的单位:1Pa = 9.869 106 at ; 1Pa0.5 =
22、(9.869 106 )0.5 (at)0.5,绪 论,39/第一章,YANTAI UNIVERSITY,化工原理课件,四、因次及因次的一致性,1.因次:,用符号表示基本量:L、M、T,则导出量可用相应的表达式表示:,表示了物理量的单位与基本量单位之间的关系。,速度 L1;力ML 2,若某物理量可用:M a Lbc 表示,则a、 b、c称为因次,M a Lbc叫因次(量纲)式。它,绪 论,40/第一章,YANTAI UNIVERSITY,当a=b=c=0时, M 0 L00 1无因次,化工原理课件,如液体的比重(比密度)。,2.因次一致性:,物理量等式两端的因次必须保持一致,,称为因次的一致性。,这是对物理方程的最基本要求。,