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1、22:58:38,1,化工原理 Principles of Chemical Engineering,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，1993,22:58:38,2,0 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,22:58:38,3,0 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,22:58:38,4,0 绪论,0.1 化
2、工原理课程的性质和基本内容 1. 化工生产过程,22:58:38,5,22:58:38,6,22:58:38,7,2 . 单元操作（Unit Operation） 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；,22:58:38,8,22:58:38,9,单元操作的研究内容与方向：,研究内容,研究方向,22:58:38,10,0.2 单位制与单位换算,一、基本单位与导出单位,
3、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：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。,22:58:38,11,二、常用单位制,我国法定单位制为国际单位制（即SI制）,22:58:38,12,三、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。,22:58:38,13,以单位时间为基准，如：h，min，s。参数=f(
4、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 物料衡算与能量衡算,22:58:38,14,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。,22:58:38,15,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。,22:58:38,16,例
5、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水溶液，以 F = 1000 kg/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KNO3 0.375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。,22:58:38,17,蒸发器 422K,冷却结晶器 311K,F=1000 20%,S 50%,R, 37.5%,W, 0
6、.0%,P 1-0.04,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=GO+GA,22:58:38,18,KNO3 组分的物料衡算： F20% = W 0% + P (100 4) % 1000 20% = 0 + P 96 % 则：P = 208.3 kg/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 = FP = 1000208.3 = 791.7 kg/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
7、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 + 208.3,22:58:38,19,KNO3组分物衡： 0.5S = 0.375R + 0.96P,两式联立解得： R=766.6 kg/h,例2：非稳态时的物料衡算 （P6例 0-4） 用1.5m3/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。,22:58:38,20,在d时间内，对有机气体的“体积”作衡算： 根据 GI=GO+GA，有,1.5 m3/s 空气0d =1.5 m3/s有机气 vd +,整理并积分：,22:58:3
8、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。,22:58:38,22,热量衡算的依据是能量守恒
9、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?,22:58:38,23,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 = 0.0952708.9 = 257.3 kw Q2 = 1 3.56 (2
10、5 0) = 89 kw Q3 = 0.095 503.67 = 47.8 kw Q4 = 1 3.56 (80 0) = 284.8 kw,即：,热损失：,22:58:38,24,例4 非稳定热量衡算举例,W=8t/h T3=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，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。,22:58:38,25,在d
11、时间内： 输入系统重油的焓 = WCpT3 d 输出系统重油的焓 = WCpTd 系统内积累的焓 = GCpdT,则：热衡式：WCpT3 d = WCpTd+ GCpdT 化简得：W(T3T) d = GdT,积分有：,22:58:38,26,第一章 流体流动 Flow of Fluid,22:58:38,27,1.1 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,22:58:38,28,1. 研究流体流动问题的重要性,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
12、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：,22:58:38,29,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,从工程实际情况出发，流动规律的研究采用宏观方法，主要研究流体的宏观运
13、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：,22:58:38,30,3.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。,22:58:38,31,4. 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：流体的体积不随压力变化而变化， 如
14、液体； 可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化， 如气体。,22:58:38,32,1.1 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。,22:58:38,33,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; R8.315103 J/(kmolK) 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：,22:58:38,34,
15、三、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。,22:58:38,35,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,22:58:38,36,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,22:58:38,37,1.2.1 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
16、，习惯上又称为压力。,一、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；,22:58:38,38,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 = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O,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。,22:58:38,39,表 压 = 绝对压力 大气压力 真空度 = 大气压力 绝对压力,
