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1、2020 6 8 1 化工原理PrinciplesofChemicalEngineering 使用教材 姚玉英主编 化工原理 天津大学出版社 1999参考教材 陈敏恒主编 化工原理 化学工业出版社 2002蒋维钧主编 化工原理 清华大学出版社 1993 2020 6 8 2 0绪论 1流体流动 2流体输送机械 3非均相物系的分离和固体流态化 5蒸馏 6吸收 7蒸馏和吸收塔设备 8液 液萃取 9干燥 4传热 2020 6 8 3 0绪论 0 1化工生产与单元操作 0 2单位制与单位换算 0 3物料衡算与能量衡算 2020 6 8 4 0绪论 0 1化工原理课程的性质和基本内容1 化工生产过程 2
2、020 6 8 5 2020 6 8 6 2020 6 8 7 2 单元操作 UnitOperation 单元操作按其遵循的基本规律分类 1 遵循流体动力学基本规律的单元操作 包括流体输送 沉降 过滤 固体流态化等 2 遵循热量传递基本规律的单元操作 包括加热 冷却 冷凝 蒸发等 3 遵循质量传递基本规律的单元操作 包括蒸馏 吸收 萃取 结晶 干燥 膜分离等 2020 6 8 8 2020 6 8 9 单元操作的研究内容与方向 研究内容 研究方向 2020 6 8 10 0 2单位制与单位换算 一 基本单位与导出单位 基本单位 选择几个独立的物理量 以使用方便为原则规定出它们的单位 导出单位
3、根据其本身的意义 由有关基本单位组合而成 单位制度的不同 在于所规定的基本单位及单位大小不同 2020 6 8 11 二 常用单位制 我国法定单位制为国际单位制 即SI制 2020 6 8 12 三 单位换算 物理量的单位换算 换算因数 同一物理量 若单位不同其数值就不同 二者包括单位在内的比值称为换算因数 附录二 经验公式的单位换算 经验公式是根据实验数据整理而成的 式中各符号只代表物理量的数字部分 其单位必须采用指定单位 2020 6 8 13 以单位时间为基准 如 h min s 参数 f x y z 以每批生产周期所用的时间为基准 参数 f x y z 稳定操作非稳定操作 0 3物料衡
4、算与能量衡算 2020 6 8 14 衡算 1 物料衡算 质量衡算 物料衡算反映原料 产品 损失等各种物料流股间量 质量 摩尔流量 的关系 总体衡算 稳态 其范围可以是某设备的大部分 全部 或是由几个设备组成的一段生产流程 一个车间甚至整个工厂 2020 6 8 15 物料衡算可以表示为 GI GO GA 0 2 此式为总物料衡算式 也适用于物料中的某个组分 如精馏 注意 在有化学反应的情况下 物料衡算式只适用于任一元素的衡算 2020 6 8 16 例1 清华版 P6 稳态时的总物料衡算及组分物料衡算 解 首先根据题意画出过程的物料流程图 生产KNO3的过程中 质量分率为0 2的KNO3水溶
5、液 以F 1000kg h的流量送入蒸发器 在422K下蒸发出部分水得到50 的浓KNO3溶液 然后送入冷却结晶器 在311K下结晶 得到含水0 04的KNO3结晶和含KNO30 375的饱和溶液 前者作为产品取出 后者循环回到蒸发器 过程为稳定操作 试计算KNO3结晶产品量P 水分蒸发量W和循环的饱和溶液量R 2020 6 8 17 蒸发器422K 冷却结晶器311K F 100020 S50 R 37 5 W 0 0 P1 0 04 解题思路 题求三个量 如何列物料衡算式 首先考虑划定适宜的物衡范围以利于解题 1 求KNO3结晶产品量P 按虚线框作为物料衡算范围 只涉及两个未知量 GI G
6、O GA 2020 6 8 18 KNO3组分的物料衡算 F 20 W 0 P 100 4 1000 20 0 P 96 则 P 208 3kg h 2 水分蒸发量W 物衡范围同1 总物料衡算式 F W P则 W F P 1000 208 3 791 7kg h 3 循环的饱和溶液量R此时以蒸发器或冷却结晶器划定为物衡范围均可 但前者涉及4个量 后者仅3个量1个已知 因此宜以结晶器为衡算范围 总物衡式 S R P即 S R 208 3 2020 6 8 19 KNO3组分物衡 0 5S 0 375R 0 96P 两式联立解得 R 766 6kg h 例2 非稳态时的物料衡算 P6例0 4 用1
7、 5m3 s送风量将罐内有机气体由6 吹扫至0 1 体积 求所需时间 解 罐内气体浓度随时间变化 用微分衡算 2020 6 8 20 在d 时间内 对有机气体的 体积 作衡算 根据 GI GO GA 有 1 5m3 s空气 0 d 1 5m3 s有机气 vd 整理并积分 2020 6 8 21 2 能量衡算 能量有很多种 如机械能 热能 电能 磁能 化学能 原子能 声能 光能等 化工过程中主要涉及物料的温度与热量的变化 因此 热量衡算是化工中最常用的能量衡算 质量衡算与能量衡算的异同点 同 都须划定衡算的范围和时间基准 异 1 热量衡算须选择物态和温度基准 这是因为物料所含热量 焓 是温度和物
8、态的函数 液态物质的温度基准常取273K 2 对于有化学反应的系统 须考虑反应物 生成物的差异 因为既使同温 若浓度不同 则它们的焓值及反应热亦不同 3 热量除随物料输入 出外 还可通过热量传递的方式输入 出系统 2020 6 8 22 热量衡算的依据是能量守恒定律 即 QI QO QL QA 式中下标符号的意义 I 进入O 离开L 散失A 积累 例3 P8例0 5 溶液的平均比热为3 56kJ kg 求 换热器热损失QL占水蒸气提供热量的百分数 2020 6 8 23 解 查P357附录九 120 水蒸气焓值为2708 9kJ kg 120 饱和水焓值为503 6kJ kg 稳定操作无积累
9、QA 0 则有 QI QO QL即蒸汽带入Q1 溶液带入Q2 凝液带出Q3 溶液带出Q4 QL 如图虚线为衡算范围 Q1 0 095 2708 9 257 3kwQ2 1 3 56 25 0 89kwQ3 0 095 503 67 47 8kwQ4 1 3 56 80 0 284 8kw 即 热损失 2020 6 8 24 例4非稳定热量衡算举例 W 8t hT3 100 水蒸气 冷凝水 G 20t 罐内盛有20t重油 初温T1 20 用外循环加热法进行加热 重油循环量W 8t h 循环重油经加热器升温至恒定的100 后又送回罐内 罐内的油均匀混合 问 重油从T1升至T2 80 需要多少时间
10、假设罐与外界绝热 QL 0 解 非稳态 有 QA项 以罐为物衡范围 1h为时间基准 0 为温度基准 2020 6 8 25 在d 时间内 输入系统重油的焓 WCpT3d 输出系统重油的焓 WCpTd 系统内积累的焓 GCpdT 则 热衡式 WCpT3d WCpTd GCpdT化简得 W T3 T d GdT 积分有 2020 6 8 26 第一章流体流动FlowofFluid 2020 6 8 27 1 1流体的物理性质 1 2流体静力学基本方程 1 3流体流动的基本方程 1 4流体流动现象 1 5流体在管内的流动阻力 1 6管路计算 1 7流量的测量 2020 6 8 28 1 研究流体流动
11、问题的重要性 因此 流体流动成为各章都要研究的内容 流体流动的基本原理和规律是 化工原理 的重要基础 流体流动的强度对热和质的传递影响很大 强化设备的传热和传质过程需要首先研究流体的流动条件和规律 传热 冷 热两流体间的热量传递 传质 物料流间的质量传递 化工生产过程中 流体 液体 气体 的流动是各种单元操作中普遍存在的现象 如 2020 6 8 29 流体流动规律在流体输送及传热 质方面的应用在以后各章具体介绍 2 本章主要研究内容 1 流体流动规律 主要管内 流体动力学 静止流体的规律 流体静力学 流体静力学在测量压强 流速 量 液位及保持设备内压强 或 常压 方面的应用 从工程实际情况出
12、发 流动规律的研究采用宏观方法 主要研究流体的宏观运动规律 因此将流体视为 连续介质 无数微团 或称质点 组成 其间无间隙 完全充满所占据的空间 高真空状态除外 流体流动的研究方法 2020 6 8 30 3 流体在流动中受到的力 b 表面力 作用于流体质点表面的力 与表面积成正比 表面力一般分为两类 一为垂直于表面的力称压力 一为平行于表面的力称剪力 a 体积力 作用于每个质点上的力 与流体质量成正比 对于质量均匀的流体则与体积成正比 重力和离心力是两个典型的体积力 2020 6 8 31 4 流体的特征 具有流动性 无固定形状 随容器形状而变化 受外力作用时内部产生相对运动 不可压缩流体
13、流体的体积不随压力变化而变化 如液体 可压缩性流体 流体的体积随压力发生变化 如气体 2020 6 8 32 1 1流体的物理性质 1 1 1密度一 定义单位体积流体的质量 称为流体的密度 kg m3 二 单组分密度 液体密度仅随温度变化 极高压力除外 其变化关系可从手册中查得 2020 6 8 33 气体当压力不太高 温度不太低时 可按理想气体状态方程计算 注意 手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下之值 若条件不同 则密度需进行换算 M 气体的摩尔质量 R 8 315 103J kmol K 下标 表示标准状态 实际上 某状态下理想气体的密度可按下式进行计算 2020 6 8 34 三
14、 混合物的密度 混合气体各组分在混合前后质量不变 则有 气体混合物中各组分的体积分率 或 混合气体的平均摩尔质量 气体混合物中各组分的摩尔 体积 分率 2020 6 8 35 混合液体假设各组分在混合前后体积不变 则有 液体混合物中各组分的质量分率 四 比容 单位质量流体具有的体积 是密度的倒数 m3 kg 2020 6 8 36 流体静力学 流体静力学主要研究流体静止时流体内部各种物理量的变化规律 特别是在重力场作用下 静止流体内部的压力变化规律 1 2流体静力学基本方程式 2020 6 8 37 1 2 1静止流体的压力 流体垂直作用于单位面积上的力 称为流体的静压强 习惯上又称为压力 一
15、 压力的特性流体压力与作用面垂直 并指向该作用面 任意界面两侧所受压力 大小相等 方向相反 作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同 二 压力的单位 SI制 N m2或Pa 2020 6 8 38 或以流体柱高度表示 注意 用液柱高度表示压力时 必须指明流体的种类 如600mmHg 10mH2O等 标准大气压的换算关系 1atm 1 013 105Pa 760mmHg 10 33mH2O 三 压力的表示方法 绝对压力以绝对真空为基准测得的压力 表压或真空度以大气压为基准测得的压力 2020 6 8 39 表压 绝对压力 大气压力真空度 大气压力 绝对压力 注 表压强和真空度均需加以标注 20
16、20 6 8 40 1 1 3流体静力学基本方程式 一 静力学基本方程 重力场中对液柱进行受力分析 1 上端面所受总压力 2 下端面所受总压力 3 液柱的重力 设流体不可压缩 方向向下 方向向上 方向向下 p1 p2 2020 6 8 41 液柱处于静止时 上述三项力的合力为零 静力学基本方程 压力形式 能量形式 2020 6 8 42 讨论 1 适用于重力场中静止 连续的同种不可压缩性流体 2 物理意义 单位质量流体所具有的位能 J kg 单位质量流体所具有的静压能 J kg 在同一静止流体中 处在不同位置流体的位能和静压能各不相同 但二者可以转换 其总和保持不变 2020 6 8 43 3 在静止的 连续的同种流体内 处于同一水平面上各点的压力处处相等 压力相等的面称为等压面 当流体由两种以上组成 液体在管内夹带气泡流动 两种以上的液体等 时 应逐段计算 4 压力具有传递性 液面上方压力变化时 液体内部各点的压力也将发生相应的变化 6 气体有较大压缩性 上述各式用于气体时 只能在p变化不大的条件下才能使用 但一般而言 化工容器中 可忽略T p的影响 2020 6 8 44 P14例
