化工原理

第0章绪论 0.1化工原理课程的性质和内容 化工原理是综合运用数学、物理、化学和计算机技术等基础知识，用自然科学中的基本原理（质量守恒、能量守恒及平衡关系等）来研究化工生产中内在的共同规律，讨论化工生产过程中各单元操作的基本原理、典型设备结构、工艺尺寸设计和设备的选型以及计算方法的一门工程学科。化工原理是化工类及相关专业学生必修的一门基础技术课程，在基础课与专业课之间起着承上启下、从“化学”到“化工”、由“理”及“工”的桥梁作用，是自然科学领域的基础课向工程科学的专业课过渡的入门课程。 化工生产是指对原料进行物理加工和化学处理，使其成为生产资料和生活资料的过程。由于原料、产品的多样性及生产过程的复杂性，形成了数以万计的化工生产工艺。尽管各种产品的生产工艺各不相同，但都要经过“原料一前处理一化学反应一后处理一产品”这一过程。其中，化学反应是化工生产的核心，前、后处理多数是物理过程，如粉碎、沉降、过滤、蒸发、冷冻、蒸馏、吸收、萃取、干燥等，为化学反应提供适宜的反应条件并将反应产物分离提纯而获得*终产品。 即使在一个现代化的大型工厂中，反应器的数目也并不多，绝大多数设备和过程都用来进行各种前、后处理操作。前、后处理工序占用企业的大部分设备投资和操作费用。可见，前、后处理过程在化工生产中占有重要地位。 化学工业中将具有同样的物理变化，遵循共同的物理规律，使用相似的设备，具有相同功能的基本物理操作称为单元操作。 化工生产中常用的单元操作列于表0-1。 随着高新技术产业的发展，特别是新材料、生物工程和中药等现代化生产的发展，出现了许多新产品、新工艺，对物理加工过程提出了特殊要求，出现了新的单元操作和新的化工技术，如膜分离、超临界流体技术、超重力场分离技术、电磁分离等。另外，为了提高效率、降低能耗和实现绿色化工生产，将各单元操作互相耦合，产生了许多新技术，如反应精馏、萃取精馏、加盐萃取、反应膜分离、超临界结晶、超临界吸附等。 各单元操作中所发生的过程虽然多种多样，但是从物理本质而言只有三种，即动量传递、热量传递和质量传递。 动量传递是研究动量在运动的介质中所发生的变化规律，如流体流动、沉降和混合等操作中的传递；热量传递是研究热量由一个地方到另一个地方的传递，如传热、干燥、蒸发、蒸馏等操作中存在这种传递；质量传递涉及物质由一相转移到另一不同的相，在气相、液相和固相中，其传递机理都是一样的，如蒸馏、吸收、萃取等操作中存在这种传递。表0-1所列各单元操作均归属传递过程。 0.2化工原理课程的研究方法 在化工生产中遇到的问题，除了极少数简单的问题可以通过理论分析解决以外，其余都需要依靠实验研究解决。化工研究的任务和目的是通过小型实验发现过程规律，然后应用研究结果指导生产实际，进行实际生产过程与设备的设计与改进。化工原理是一门实践性很强的工程课程，在其长期的发展过程中形成了两种基本的研究方法：实验研究方法和数学模型方法。 （1）实验研究方法即经验的方法。该方法一般以量纲分析和相似论为指导，依靠实验确定过程变量之间的关系。通常用无量纲的数群（或称准数）构成的关系来表达。实验研究方法避免了数学方程的建立，是一种工程上通用的基本方法，至今仍然是一种重要的研究方法。 （2）数学模型方法即半理论、半经验的方法。该方法通过对实际复杂过程机理的深入分析，在抓住过程本质的前提下，做出某些合理简化，进行数学描述，建立数学模型，通过实验确定模型参数。由于数学模型在影响过程的主要因素之间建立了联系，因此能较好地反映过程的真实情况，目前正日益获得广泛应用。 0.3化工原理重要基本概念 在研究各种单元操作时，为了掌握过程始末和过程中各股物料的数量、组成之间的关系，计算过程中吸收或释放的能量，必须做物料衡算及能量衡算。此外，为了计算所需设备的工艺尺寸，必须依据平衡关系，了解过程进行的方向与极限，根据速率关系分析过程进行的快慢。因此，平衡关系和速率关系也是研究各种单元操作原理的基本内容。 1.物料衡算 物料衡算是化工计算中*基本也是*重要的内容之一，它是能量衡算的基础。一般在物料衡算之后，才能计算所需要提供或移走的能量。物料衡算通常有两种情况，一种是对已有的生产设备或装置，利用实际测定的数据，算出另一些不能直接测定的物料量，用此计算结果对生产情况进行分析、做出判断、提出改进措施；另一种是设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先做物料衡算，求出进、出各设备的物料量，再做能量衡算，求出设备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个工艺流程。 物料衡算也称为质量衡算，其依据是质量守恒定律。它反映一个过程中原料、产物、副产物等之间的关系，即进入体系的物料总量必等于从体系排出的物料总量和过程中积累的物料量之和。 输入体系的物料总量=排出体系的物料总量+体系积累的物料量 物料衡算可按下列步骤进行： （1）根据研究过程的实际情况绘制出简明流程示意图，并标明设备、各股物料的数量、单位及流向。 （2）明确衡算范围。可以是单个设备或若干个设备串联而成的生产过程，也可以是设备的一部分，视实际情况而定。 （3）规定衡算基准。一般来说，连续操作中常以单位时间为基准，间歇操作中则以一批参与过程的物料为基准。 （4）列出衡算式，求解未知量。 2.能量衡算 能量衡算的依据是能量守恒定律。在化工生产操作中，始终贯穿着能量的使用是否完善的问题。提高输入体系能量的有效利用率和尽量减少能量的损失，在很大程度上关系着产品成本和生产的经济效益。在任何一个化工过程中，向体系输入的能量必等于从该体系输出的能量和能量损失之和。 输入体系的总能量=输出体系的总能量+体系损失的总能量 由于在单元操作和化工过程中主要涉及物料的温度和热量的变化，因此化工计算中*常见的是热量衡算。 能量衡算的计算步骤与物料衡算相似。由于能量与温度有关，因此能量衡算时必须选择一个基准温度。基准温度习惯选0°C，并规定0°C时的液体焓为零。 3.平衡关系 平衡关系是在一定条件下，过程按照进行的方向所能达到的*大限度，也就是通常所说的达到平衡状态。例如传热过程，如果空间两处流体的温度不同，即温度不平衡，热量就会从高温流体处向低温流体处传递，直到两处流体温度相等为止，此时传热过程达到平衡。从宏观上来说，两处没有热量传递。因此，过程的平衡关系可以判断物理或化学变化过程进行的方向以及可能达到的极限。上述传热过程进行的方向是由高温处向低温处，以两处温度相同作为传热过程极限。 当条件改变时，原有的平衡被打破，直至达到新的平衡。在生产过程中常用改变平衡条件的方法，使反应向有利于生成目标产物的方向进行。 4.过程速率 过程速率是指物理或化学变化过程进行的快慢，一般用单位时间过程进行的变化量来表示。例如，传热过程速率用单位时间传递的热量或单位时间单位面积传递的热量表示；传质过程速率用单位时间单位面积传递的质量表示。过程进行的速率决定设备的生产能力，速率越大，设备的生产能力也越大，或在相同产量时所需要的设备尺寸越小。在工程上，过程速率问题往往比物系平衡问题更重要。 过程的速率受多种因素影响，因此目前还不能用一个简单的数学式表示一切化工过程的速率与其影响因素之间的关系，通常将其归纳成下述普遍式： 过程速率=过程推动力过程阻力过程速率与过程推动力成正比，与过程阻力成反比，这三者的关系类似于电学中的欧姆定律。过程进行的推动力是过程在瞬间偏离平衡的距离。例如，流体流动过程的推动力为势能差，传热过程的推动力为温度差，传质过程的推动力为实际浓度与平衡时的浓度差。过程的阻力是与过程推动力相对应的，它与过程的操作条件和物性有关。从以上基本关系可以看出，要提高过程速率，可以通过增大过程推动力来实现。 0.4单位制与单位换算 任何一个物理量的大小都是用数字和单位联合表达的，二者缺一不可。 1.单位制 物理量的单位一般是可任选的，但由于各个物理量之间存在客观联系，所以不必对每种物理量的单位都单独进行任意选择，而可通过某些物理量的单位来度量另一些物理量。因此，单位有基本单位和导出单位两种。在描述单元操作的众多物理量中，独立的物理量称为基本量，其单位称为基本单位，如时间、长度、质量等；由基本量导出的物理量称为导出物理量，其单位称为导出单位，如速度、加速度、密度等。 基本单位和导出单位构成一个完整的体系，称为单位制。 由于历史和地区的原因及学科领域的不同，出现了对基本量及其单位的不同选择，因而产生了不同的单位制。常用的单位制有以下几种。 1）厘米 克 秒制 厘米 克 秒制简称CGS制，又称物理单位制。其基本量为长度、质量和时间，它们的单位为基本单位，其中长度单位是厘米，质量单位是克，时间单位是秒。力是导出量，力的单位由牛顿第二定律F=ma导出，其单位为（g.cm）/s2，称为达因（dyne）。在过去的科学实验和物理化学数据手册中常用这种单位制。 2）工程单位制 工程单位制又称重力单位制。工程单位制选用长度、力和时间为基本量，其基本单位分别为米、千克力和秒。质量是导出量。工程单位制中力的单位千克力相当于真空中质量为1kg的物体在重力加速度为9.81m/s2下所受的重力。质量的单位相应为（kgf_s2）/m，并无专门名称。 3）国际单位制 国际单位制简称SI制。国际单位制共规定了七个基本量和两个辅助量，如表0-2所示。 自然科学与工程技术领域的一切单位都可以由SI制中的七个基本单位导出，所以SI制通用于所有科学部门，这就是其通用性；在SI制中任何一个导出单位由基本单位相乘或相除而导出时，都不引入比例常数，或者说其比例常数都等于1，从而使运算简便，不易发生错漏，这就是其一贯性。SI制“通用性”和“一贯性”的优点，使其在国际上迅速得到推广。 我国目前使用的是以SI制为基础的法定计量单位，它是根据我国国情，在SI制单位的基础上适当增加一些其他单位构成的。例如，体积的单位升（L），质量的单位吨（t），时间的单位分（min）、时（h）、日（d）、年（a）仍可使用。 当前，各学科领域都有采用国际单位制的趋势。本书采用法定计量单位，但在实际应用中仍可能遇到非法定计量单位，这就需要掌握不同单位制之间的换算方法。 2.单位换算 同一物理量，若采用不同的单位，其数值就不同。例如，国际单位制中长度单位为m，精馏塔直径（D）为2m;在CGS制中，长度单位为cm，精馏塔直径为200cm。它们之间的换算关系为：D=2m=200cm。如果是一个复杂的单位，若查不到其单位换算关系，可以将这个复杂的单位分解成简单的单位逐一换算。 化工计算中常遇到经验公式，它是根据实际数据整理而成的公式，式中各物理量的单位由经验公式指定。当所给物理量的单位与经验公式中指定的单位不同时，需要进行单位换算。换算方法主要有两种，一种是将各物理量的数据换算成经验公式中指定单位的数据后，再分别代入经验公式进行运算；另一种是经验公式需经常使用，对大量的数据进行单位换算很烦琐，则可将经验公式加以变换，使公式中各物理量统一为所希望的单位制。 0.5量纲分析 量纲与单位不是一个概念，如长度的单位有米、厘米、毫米等。为了明确长度的特性，可用量纲i表示。人们规定，用一个符号表示一个基本量，这个符号连同它的指数称为基本量纲。基本量纲的组合称为导出量纲。基本量纲和导出量纲统称量纲。各物理量均可以用量纲表示，如长度用L、质量用M、时间用、温度用T、密度用Mil3等。 在过程工业中，由于一些物理过程十分复杂，建立理论