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1、绪 论Introduction一、 化工生产过程与单元操作1、化学工业 所谓化学工业，是指将原料进行化学加工以得到有用的产品的工业，即：化工产品种类繁多，一般可分为无机、有机及生化产品。若按产品用途及性能来分有染（颜）料化工、塑料橡胶化工、油脂化工、石油化工、食品化工、涂料化工、日用化工等等。当今如何评价化学工业呢？评价可能为“让你欢喜让你忧”。欢喜的是化学工业已经成为了国民经济中的支柱产业之一，近二、三十年以来化学工业得到了长足的发展。化工产品处处可见，人们的衣食住行都已离不开它。我国自七十年代以来先后引进了大型化肥、石油化工成套生产技术及成套设备，如30万吨合成氨,45万吨尿素成套设备及技
2、术；30万吨乙烯,45万吨芳烃的成套设备及技术。金山石化,扬子石化,齐鲁石化令人忧虑的是化学工业带来的污染十分严重。水污染、空气污染、白色污染日益严重，危害人类的生存及发展。2、 化工生产过程 不论化工生产产品的品种不同、规模大小的差异，一个化工产品生产过程总是由两大部分组成的，即核心部分和辅助部分。核心为化学反应过程，辅助部分为前、后处理过程。为了保证化工生产过程经济合理有效地进行，这就要求反应器内必须保持最适宜的（最佳的）反应条件，如适宜的压强、温度和物料的组成等。因此，原料必须经过一系列的前处理过程，以达到必要的纯度及温度和压强。得到的反应产物同样需要经过各种后处理过程加以精制，以得到最
3、终产品（或中成品）。 举例：聚氯乙烯塑料的生产（乙炔法） 化学方程式：此生产过程除单体合成、聚合反应过程外，原料和反应产物的提纯、精制等工序均属前、后处理过程。前、后处理工序中所进行的过程多数是纯物理过程，但都是化工生产所不可缺少的。即使在一个现代化的大型工厂中，反应器的数目并不多，绝大多数的设备中都是进行着各种前、后处理操作。前、后处理工序占有着企业的大部分设备投资和操作费用。因此目前已不是单纯由反应过程的优化条件来决定必要的前后处理过程，而必须总体的确定全系统的优化条件。由此可见，前、后处理过程在化工生产中的重要地位。3、单元操作 将前、后处理过程按其操作目的的不同划分为若干个单元，称之为
4、单元操作。每一个单元操作完成一个特定的任务。、单元操作种类 有流体的输送与压缩、过滤、沉降、传热、蒸发、液体精馏、气体吸收、固体干燥、吸附和膜分离等。、单元操作过程进行的方式 有连续操作和间歇操作两种方式。连续操作好比流水作业。原料不停地从设备一端送入，产品不断地从另一端排出。例如：连续精馏。特点：物料的组成、温度、压强等参数仅随位置的不同而不同，不随时间的变化而变化，此种操作称为稳定操作状态。参数可表示为： 。化工生产过程多数为连续稳定过程。间歇操作为分批进行的过程，每次操作为起始向设备投入一批原料，经过一番处理后，排出全部产物，再重新投料，小规模生产大多采用间歇操作。举例：间歇精馏。特点：
5、不稳定操作，参数可表示为 二、本课程的任务、性质和内容1、任务： 研究各化工单元操作的基本原理、典型设备的构造及工艺尺寸的计算或造型，并能用以分析和解决工程技术中的一般问题。2、性质： 化工原理是化工类、轻工、医药类专业学生的技术基础课，是一门应用性学科。3、内容：、讨论流体流动和其接触的固体发生相对运动时的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的单元操作，如流体输送等。、讨论传热的基本规律，以及受这些基本规律支配的单元操作，如：加热、冷却、蒸发等。、讨论物质透过相界面迁移过程的基本规律，以及受这些基本规律支配的单元操作，如气体的吸收和干燥等。三、物料衡算及能量衡算在研究各类单元操作时，为了搞清
6、过程始末和过程之中各段物料的数量、组成之间的关系以及过程中各股物料带进、带出的能量及与环境交换的能量，因此必须进行物料衡算和能量衡算。物料衡算及能量衡算也是本课程解决问题时的常用手段之一。1、物料衡算根据质量守恒定律，即在任何一个化工生产过程中凡向该过程输入的物料质量等于从该过程输出的物料质量与积累该过程中的物料质量之和，即输入物料质量的总和（kg）输出物料质量总和（kg）积累在该过程的物料质量（kg）此式适用于任何指定的空间范围，可对总物料或其中某一组成列出物料衡算式来进行求解。 说明： 衡算方法：上式中每项对时间求导数，则：令：、于是：输入物料质量流量的总和（kg/s）输出物料质量流量总和
7、（kg/s）质量积累速率（kg/s）若为连续稳定过程，则 ， 四、单位及单位换算1、 单位与单位制、物理量=数字单位 物理量的运算应为数字连同单位一并纳入运算。如： 一般，物理量的单位是可任选的，但由于各个物理量之间存在着客观联系，因此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，单位就会有基本单位和导出单位两种。、 基本单位：基本物理量的单位，例长度m，质量等、 导出单位：由基本单位派生出的单位，即由基本单位相乘除得到的单位，如速度单位m/s，加速度单位m/s2等等。、单位制单位制：基本单位+导出单位的总和 过去多种单位制并存，源于学科之间的差别
8、及地区间的差别。 常见的单位制有：工程单位制：m s kgf1kgf=1kg9.807m/s2 , 1lb=0.45359237kg，1bf=1P3.217f/s2, 1ft=12in=122.54cm=0.3048m多种单位制并存使同一物理量在不同的单位制中具有不同的单位和数值，这就给计算和交流带来了麻烦，并且容易出错。为了改变这一局面，必须统一计量单位制。1960年10月十一届国际计量大会确定了国际通用的国际单位制，简称SI制。SI制：七个基本单位：长度m，时间s，质量kg，热力学温度（Kelvin温度）K，电流单位A，光强度单位cd（坎德拉），物质量mol二个辅助单位：平面角弧度rad，
9、立体角球面度SrSI制具有通用性和一贯性。我国于1984年2月颁布了法定计量单位（简称法定单位）。法定单位是以SI制为基础，保留少数国内外习惯或通用的非国际单位制单位，它包括：、SI制的基本单位和辅助单位。、SI制中具有专门名称的导出单位。、国家选定的非SI制单位，例如时间s，hr，day来表示，旋转速度用r.p.m等。、由以上这些单位构成的组合形式的单位。、由词头和以上这些单位所构成的十进倍数和分数单位。 本书采用法定单位。2、单位换算在生产、研究和设计中仍会遇到非法定单位的公式、物理量，因此存在着单位换算的问题，即将物理量由一种单位换算成另一种单位制的单位。在介绍单位换算方法之前，先介绍二
10、个概念：*理论公式（物理量方程）是根据物理规律建立的公式，例如牛顿第二定律由此可见，物理量方程具有单位一致性的特点，对于其中各个符号的单位不需另加限制，而只需采用同一单位制便可以了。*经验公式（数字公式）根据实验数据整理得来的公式，它反映了各有关物理量的数字之间的关系。公式中每个符号不代表完整的物理量，只代表物理量中的数字部分，而这些数字都是与特定的单位相对应的，因此使用经验公式时，各物理量必须采用指定的单位。正确使用单位，就是要注意这两种公式对单位的不同要求，并在将各物理量代入公式进行运算之前，预先给它们换上适合公式要求的单位。3、物理量单位方程的换算物理量由一种单位换成另一种单位时量本身并
11、没变化，只是在数字上要改变。在进行单位换算时要乘以两单位间的换算因数。换算因数除温度外就是彼此相等而各有不同单位的两个物理量之比值。 例如：1m的长度和100cm的长度是两个相等的物理量，但其所用的单位不同， 即 那么m和cm两种单位间的换算因数为： 化工中常用的单位间的换算因数可从本书附录中查得。 以压强为例： 温度 4、经验公式的单位变换经验公式中各符号都要采用规定单位的数字代入，不能随意变更。当已知数据的单位与公式所规定的单位不同时，应将整个公式加以变化，使其中各符号都采用计算者所希望的单位。由于物理量=数字单位 所以数字=物理量/单位若将经验公式中每个符号都写成这个形式，便可利用单位间
12、的换算因数，把原来规定的单位换算成计算者所希望的单位。第一章 流体流动 第一节 概述1.1.1、概述1、流体液体和气体的总称。流体具有三个特点流动性，即抗剪抗张能力都很小。无固定形状，随容器的形状而变化。在外力作用下流体内部发生相对运动。 2、流体质点：含有大量分子的流体微团。流体分子自由程流体质点尺寸设备大小 流体质点成为研究流体宏观运动规律的考察对象。3、流体连续性假设： 假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质。 连续性假设的目的是为了摆脱复杂的分子运动，而从宏观的角度来研究流体的流动规律，这时，流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布，从而可用连续函数的数学
13、工具加以描述。 流体流动规律是本门课程的重要基础，这是因为: 流体的输送研究流体的流动规律以便进行管路的设计、输送机械的选择及所需功率的计算。压强、流速及流量的测量为了了解和控制生产过程，需要对管路或设备内的压强、流量及流速等一系列的参数进行测量，这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的。为强化设备提供适宜的流动条件化工生产中的传热、传质过程都是在流体流动的情况下进行的。 设备的操作效率与流体流动状况有密切的联系。因此，研究流体流动对寻找设备的强化途径具有重要意义。 本章将着重讨论流体流动过程的基本原理及流体在管内的流动规律，并运用这些原理及规律来分析和计算流体的输送问题。第二
14、章 流体输送设备（Fluid-moving Machinery）第一节 概述如果要将流体从一个地方输送到另一个地方或者将流体从低位能向高位能处输送，就必须采用为流体提供能量的输送设备。泵用于液体输送输送设备风机用于气体输送本章主要介绍常用输送设备的工作原理和特性，以便恰当地选择和使用这些流体输送设备。第三章 非均相物系的分离第一节 概述非均相物系：物系内部存在相界面，且界面两侧的物理性质完全不同，如：气态非均相物系：含尘气体，含雾气体。 液态非均相物系：悬浮汽、乳浊汽、泡沫汽。 分散质（分散相）：非均相物系中，处于分散状态的物质，如悬浮汽中的固体颗粒。分散介质（连续相）：包围分散质的处于连续状态的流体，如悬浮汽中的液体。非均相物系的分离依据：分散质与分散介质之间物性的差异，如密度，颗粒粒径等。分离方法机械法，使分散质与分散介质之间发生相对运动实现分离。本章讨论通过机械方法分离非均相物系的单元操作。非均相物系分离的目的1收取分散质：如从气固催化反应器的空气中收集催化剂颗粒。2净化分散介质：如原料气中颗粒杂质的去除以净化反应原料气。环保方面，烟道气中煤灰粉粒的去除。另外，非均相物系的分离在环境保护方面也具有重要的作用。下面介绍沉降和过滤操作。第四章 传热及换热器第一节 概述
