化工原理 绪论 工生产过程与单元操作 1.化工生产过程——用化工手段将原料进行加工处理,使其在物理性能上或 在化学性质上发生变化,成为人们所需的产品。 化工生产过程的核心显然应该是化学反应及其设备(反应器) 化工原理——研究前处理和后处理所涉及的物理加工过程的规律和设备 单元操作 ton)—化工生产中,具有共同物理操作原理和设 备的过程 单元操作按其理论基础可分为下列三类 流体流动过程(动量传递过程):包括流体的输送、搅拌、沉降、过滤 等。 传热过程(热量传递过程):包括热交换、蒸发等。 传质过程(质量传递过程):包括蒸馏和精馏、吸收、萃取、干燥、结 晶、膜分离等。 单元操作有下列特点:(1)它们都是物理性操作,即只改变物料的状态 或其物理性质;(2)它们都是化工过程中共有的操作,但不同的化工过程中所 包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异;(3某单元操作用于不同的化工 过程,其基本原理并无不同,进行该操作的设备往往也是通用的。 二、化工单元操作中基本概念 物料衡算:依据——质量守恒定律 输入量-输出量-累积量 ∑Ga入-∑G轴=∑(
1 化 工 原 理 绪 论 一、工生产过程与单元操作 1．化工生产过程——用化工手段将原料进行加工处理，使其在物理性能上或 在化学性质上发生变化，成为人们所需的产品。 化工生产过程的核心显然应该是化学反应及其设备（反应器） 化工原理——研究前处理和后处理所涉及的物理加工过程的规律和设备。 2．单元操作（unit operation）——化工生产中，具有共同物理操作原理和设 备的过程。 单元操作按其理论基础可分为下列三类： 流体流动过程（动量传递过程）：包括流体的输送、搅拌、沉降、过滤 等。 传热过程（热量传递过程）：包括热交换、蒸发等。 传质过程（质量传递过程）：包括蒸馏和精馏、吸收、萃取、干燥、结 晶、膜分离等。 单元操作有下列特点：(1)它们都是物理性操作，即只改变物料的状态 或其物理性质；(2)它们都是化工过程中共有的操作，但不同的化工过程中所 包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异；(3)某单元操作用于不同的化工 过程，其基本原理并无不同，进行该操作的设备往往也是通用的。 二、化工单元操作中基本概念 1．物料衡算：依据——质量守恒定律 输入量-输出量=累积量 G输入－G输出 ＝G累积
稳定过程:输入量—输出量 ∑G轴入=∑G出 进行物料衡算的步骤: (1)画出流程示意图,物料的流向用箭头表示; (2)圈出衡算的范围(或称系统); (3)确定衡算对象及衡算基准; (4)写出物料衡算方程进行求解。 2.能量衡算:依据——能量守恒定律 输入能量输出能量累积能量∑入∑Q=∑Q累积 定态过程:输入能量-输出能量∑Q=∑Q 3.平衡关系 要确立过程能否进行、进行方向、及最终可能状态,必须借助于平衡关系。 4.传递速率 它决定了设备的大小及成本 传递速率=推动力 阻力 经济核算 第一章流体流动 第一节概述 几个概念 1.流体:具有流动性的液体和气体统称为流体。 2.连续性介质假定:流体是由连续的流体质点组成的 3.流体静力学研究流体处于静止平衡状态下的规律及其应用 4.流体动力学—研究流体在流动状态下的规律及其应用
2 稳定过程：输入量=输出量 G输入 = G输出 进行物料衡算的步骤： （1） 画出流程示意图，物料的流向用箭头表示； （2） 圈出衡算的范围(或称系统)； （3） 确定衡算对象及衡算基准； （4） 写出物料衡算方程进行求解。 2．能量衡算：依据——能量守恒定律 输入能量-输出能量=累积能量 Q输入－Q输出 ＝Q累积 定态过程：输入能量=输出能量 Q输入 =Q输出 3．平衡关系 要确立过程能否进行、进行方向、及最终可能状态，必须借助于平衡关系。 4．传递速率 它决定了设备的大小及成本。 阻力 推动力 传递速率 = 5．经济核算 第一章 流体流动 第一节 概述 几个概念： 1．流体：具有流动性的液体和气体统称为流体。 2．连续性介质假定：流体是由连续的流体质点组成的。 3．流体静力学—研究流体处于静止平衡状态下的规律及其应用； 4．流体动力学—研究流体在流动状态下的规律及其应用
5.不可压缩流体和可压缩流体 第二节流体静力学 流体的密度:单位体积流体的质量p=mkgm 重度一工程单位制中,表示密度的单位,其数值与密度相同kgfm3 比重—物料密度与纯水(22不K)密度之比,其数值的一干倍等于密度的数值。 比容—密度的倒数y=1 1.纯流体的密度 液体的密度随压强变化小,但随温度稍有变化;气体的密度随压强、温 度变化大。理想气体ρ(t不太低,p不太高的气体,可用理想气体状态方程) m-PM或p241P P V RT 对t低,p高的气体,可用真实气体状态方程计算 2.混合流体的密度 (1)液体混合物的pn(Ikg基准)=∑(假设为理想溶液) P p:液体混合物中各纯组分的密度。兩:液体混合物中各组分的质量分率。 (2)气体混合物pn(1m3基准)pm=∑ y:气体混合物中各组分的体积分率 二、流体的静压强 1.静压强 定义:流体垂直作用于单位面积上的压力 P 2.压强的单位
3 5．不可压缩流体和可压缩流体 第二节 流体静力学 一、流体的密度：单位体积流体的质量 ρ=m/V [kg/m3 ] 重度—工程单位制中，表示密度的单位，其数值与密度相同。 −3 kgf m 比重—物料密度与纯水（227K）密度之比，其数值的一千倍等于密度的数值。 比容——密度的倒数 1 v = 。 1．纯流体的密度 液体的密度随压强变化小，但随温度稍有变化；气体的密度随压强、温 度变化大。理想气体ρ（t 不太低，p 不太高的气体，可用理想气体状态方程） PV=nRT RT PM V m = = 或 0 0 22.4 TP M T P = 对 t 低，p 高的气体，可用真实气体状态方程计算 2．混合流体的密度 （1）液体混合物的 m （1kg 基准） = i i m w 1 (假设为理想溶液) ρi：液体混合物中各纯组分的密度。Wi：液体混合物中各组分的质量分率。 （2）气体混合物 m （1m3 基准） m i i = y yi：气体混合物中各组分的体积分率。 二、流体的静压强 1．静压强 定义：流体垂直作用于单位面积上的压力。 A P p = 2．压强的单位
(1)直接按压强定义:N/m2,Pa(帕斯卡) (2)间接按流体柱表示:mH2O柱,mmHg柱 (3)与大气压作为计量单位:标准大气压atm),工程大气压(at) 位换算 latm=1.0133×105Pa=760mmHg=10.33mH2O=1033 kgf/cm I at=9.807x Pa=735.6mmHg= 10m H20=1 kgf/cm2 3表示压强的基准 (1)绝对压强一以绝对真空为基准测得的压强; (2)相对压强一以当地大气压为基准测得的压强:表压和真空度 p当地大气压,表压强绝对压强大气压强 p<当地大气压,真空度大气压强绝对压强 -当地大气压 真空度 绝对压强 绝对真空 三、流体静力学基本方程式 —研究流体柱内压强沿高度变化的规律 pI 1.推导 h 在垂直方向上,力的平衡 ZI P2A=PIA+G=PIA+PgA(Z1-Z2) p2=p+pg(z1-22)
4 （1）直接按压强定义：N/m2，Pa（帕斯卡） （2）间接按流体柱表示：m H2O 柱，mm Hg 柱 （3）与大气压作为计量单位：标准大气压(atm)，工程大气压（at） 单位换算： 1atm=1.0133×105 Pa =760mmHg=10.33m H2O=1.033kgf/cm2 1 at =9.807×104 Pa =735.6mmHg= 10m H2O=1 kgf/cm2 3 表示压强的基准 （1） 绝对压强—以绝对真空为基准测得的压强； （2） 相对压强—以当地大气压为基准测得的压强：表压和真空度 p当地大气压， 表压强=绝对压强-大气压强 p当地大气压， 真空度=大气压强-绝对压强 三、流体静力学基本方程式 ——研究流体柱内压强沿高度变化的规律 1．推导： 在垂直方向上，力的平衡： p2A=p1A+G=p1A+gA（Z1−Z2） p2=p1+g（Z1−Z2） p1 绝 对 压 强 表 压 真空度 绝对压强 p2 当地大气压 绝对真空 p0 p1 p2 G Z1 Z2 h
若Z1面在水平面上 h 2.讨论 (1)静止液体内任一点压强,与深度有关,越深,压强越大 2)在静止的、连续的同一液体內,处于同一水平面上的各点,因深度 相同,压强也相同; (3)巴斯葛原理一液面上方p发生变化内部各点压强发生同样的变化。 3。静力学方程的几种形式 P 表示:静压头+位压头-常数 P+z1g=P+z2g表示:静压能+位压能常数 四、静力学基本方程式的应用 1.压强的测量 (1)U形管液柱压差计 指示剂要求:不与被测液互溶、反应; 密度大于被测液体。 常用的有:水,水银,四氯化碳 pi-Pg(m+R)=P2-pgm-pog R Pi-P2=(P0-p)gR 在测量气体压强时,m>p 所以p1-p=pgR
5 若 Z1 面在水平面上 p2=p0+gh 2．讨论 （1） 静止液体内任一点压强，与深度有关，越深，压强越大； （2） 在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点，因深度 相同，压强也相同； （3） 巴斯葛原理—液面上方p0发生变化，内部各点压强发生同样的变化。 3。静力学方程的几种形式： 2 2 1 1 Z g p Z g p + = + 表示：静压头+位压头=常数 Z g p Z g p 2 2 1 1 + = + 表示：静压能+位压能=常数 四、静力学基本方程式的应用 1．压强的测量 （1）U 形管液柱压差计 指示剂要求：不与被测液互溶、反应； 密度大于被测液体。 常用的有：水，水银，四氯化碳 pa=pb p1−g（m+R）= p2−gm−0g R p1− p2=（0− ）gR 在测量气体压强时，0 所以 p1− p2=0gR p1 p2 R m ρo 1 2 a b
倒U形管压差计 斜管液柱压强计 微差液柱压强计 2.液面的测定 结论:h R 3确定液封高度 作用:当设备内压强超过规定值时,气体就从液封管排岀,以确保设备操 作的安全。若设备要求压强不超过p,按静力学基本方程式,则 水封管口的液面高度h h=B2(表压) 设备 P 第三节流体在管内流动 前节讨论了静止流体内部压强的变化规律,对于流体输送过程中遇到的问题 必须要找出流体在管内的流动规律——连续性方程式与柏努利方程式。 出发点——质量、动量、能量守恒 流量与流速
6 倒 U 形管压差计 斜管液柱压强计 微差液柱压强计 2．液面的测定 结论： R h o = 3.确定液封高度 作用：当设备内压强超过规定值时，气体就从液封管排出，以确保设备操 作的安全。若设备要求压强不超过 p1，按静力学基本方程式，则 水封管口的液面高度 h： g p h （表压） 1 = 第三节流体在管内流动 前节讨论了静止流体内部压强的变化规律，对于流体输送过程中遇到的问题， 必须要找出流体在管内的流动规律——连续性方程式与柏努利方程式。 出发点——质量、动量、能量守恒 一、流量与流速 R h pa ρo h 设备 p1 P0
1.流量:在单位时间內流过管道任·截面的流体量。 质量流量:用质量来计量,以G表示g 体积流量:用体积来计量,以Ⅴ表示[m3/s] G=VP 2.流速:单位时间内,流体质点在导管中流动方向上所流过的距离(点速度) 实验证明,在导管截面上各点的流速是不同的,具有速度分布。 在工程上为方便起见,通常使用平均速度概念 A 质量流速:w=°kgm3s 3.管径d V=uA=u-d d V0.785u 计算后管径要圆整 讨论 V一由工艺生产任务定; u关键选择,若u大,管道阻力大,动力消耗大,操作费用大;d可小 若u小,管道阻力小,但d大,建设成本大 所以,设计管道时,需要综合考虑这两个互相矛盾的经济因素 一般情况下,液体流速u=0.5-3ms; 气体流速u=10-30m/s 介绍:公称压力 公称直径
7 1．流量：在单位时间内流过管道任一截面的流体量。 质量流量：用质量来计量，以 G 表示[kg/s] 体积流量：用体积来计量，以 V 表示[m3 /s] G=Vρ 2．流速：单位时间内，流体质点在导管中流动方向上所流过的距离（点速度） 实验证明，在导管截面上各点的流速是不同的，具有速度分布。 在工程上为方便起见，通常使用平均速度概念： A V u = [m/s] 质量流速： A G w = [kg/m2 .s] w = uρ 3．管径 d 2 4 V uA u d = = u V d 0.785 = 计算后管径要圆整 讨论： V—由工艺生产任务定； u—关键选择，若 u 大，管道阻力大，动力消耗大，操作费用大；d 可小 若 u 小，管道阻力小，但 d 大，建设成本大。 所以，设计管道时，需要综合考虑这两个互相矛盾的经济因素。 一般情况下，液体流速 u = 0.5-3m/s; 气体流速 u = 10-30m/s 介绍：公称压力 公称直径
无缝钢管与水煤气管 二、定常态流动与非定常态流动 1,定常态流动——流体在管道中流动时,流体在任一点上的流速、压强等有 关物理参数都不随时间而改变,这种流动称为定常态流动。 2,非定常态流动——若流体在截面上的只要有一个物理量随时间而变,则称 为非定常态流动。 三、流体定态流动时的连续性方程式 推导:以管内壁,截面1-1与2-2为衡算范围 pIAlul=p2A2u2 若不可压缩流体:A1u1=A2u2 说明:u只与截面积有关,而与管路上任何设备无关 四、柏努利方程式( Bernowlli Equation) ——流动系统的机械能衡算 1.理想流体的柏努利方程式 中p +gda+udu=0 对不可压缩流体:p= const
8 无缝钢管与水煤气管 二、定常态流动与非定常态流动 1，定常态流动——流体在管道中流动时，流体在任一点上的流速、压强等有 关物理参数都不随时间而改变，这种流动称为定常态流动。 2，非定常态流动——若流体在截面上的只要有一个物理量随时间而变，则称 为非定常态流动。 三、流体定态流动时的连续性方程式 推导：以管内壁，截面 1-1 与 2-2 为衡算范围 G1 = G2 1A1u1 = 2A2u2 若不可压缩流体：A1u1 = A2u2 2 1 2 2 2 1 d d u u = 说明：u 只与截面积有关，而与管路上任何设备无关。 四、柏努利方程式（Bernowlli Equation） ——流动系统的机械能衡算 1．理想流体的柏努利方程式 + gdz + udu = 0 dp 对不可压缩流体：ρ=const， 溢 流 2 1 2
则 P 对气体,若压力变化不大,P=P≤20%,可看成不可压缩性流体,误差 约5%,用平均密度,pn=P 2.实际流体柏努利方程式的几种形式 流体具有粘度,流动时有摩擦阻力;管路中有能量输入机械。 +P+we=gz l2,P2 J/kg] 单位质量流体的机械能守恒方程。 2+P+H2==2+2g +P2+H1N或m流体柱 单位重量流体的机械能守恒方程 各项为:位压头,动压头,静压头,有效压头(外加压头),压头损失 静力学方程是柏努利方程式的—个特例。 3.柏努利方程式的应用 柏努利方程是流体流动的基本方程,应用范围很广, 具体有:1)分析和解决流体输送问题 2)体流动过程中流量的测定 3)器间的相对位置,流体压强 4)确定输送设备的有效功率 举例: 解题要点: 1,绘出流程,注明流向,列出已知条件
9 则： const u gz p + + = 2 2 对气体，若压力变化不大， 20% 1 2 1 − p p p ，可看成不可压缩性流体，误差 约 5%，用平均密度， 2 1 2 + m = 2．实际流体柏努利方程式的几种形式 流体具有粘度，流动时有摩擦阻力；管路中有能量输入机械。 hf u p We gz u p gz + + + = + + + 2 2 2 2 1 2 1 1 2 2 [J/kg] ——单位质量流体的机械能守恒方程。 e H f g p g u H z g p g u z + + + = + + + 2 2 2 2 1 2 1 1 2 2 [J/N]或[m 流体柱] ——单位重量流体的机械能守恒方程。 各项为：位压头，动压头，静压头，有效压头（外加压头），压头损失 静力学方程是柏努利方程式的一个特例。 3．柏努利方程式的应用 柏努利方程是流体流动的基本方程，应用范围很广， 具体有：1）分析和解决流体输送问题 2）体流动过程中流量的测定 3）器间的相对位置，流体压强 4）确定输送设备的有效功率 举例： 解题要点： 1，绘出流程，注明流向，列出已知条件；
2,确定计算系统——取截面,截面与流动方向垂直,两截面间要连续,稳定; 且已知条件最多,要包括未知条件, 一般规律:取起点与终点 取容器的液面,u=0,p=po 3,基准高度的选取——Az为相对值, 一般取地平面,水平面等较低截面; 4,单位的一致性——SI制; 5.注意压强,计算时应使用绝对压强
10 2，确定计算系统——取截面，截面与流动方向垂直，两截面间要连续，稳定； 且已知条件最多，要包括未知条件， 一般规律：取起点与终点 取容器的液面，u = 0，p = p0 3，基准高度的选取——z 为相对值， 一般取地平面，水平面等较低截面； 4，单位的一致性——SI 制； 5．注意压强，计算时应使用绝对压强