大学 《化学工程基础》教崇 教学对象:本科生 教学总学时:64 主讲教师:王琴萍 主讲教师单位:辽宁大学化学科学与工程学院 时间:2003年4月18日
1 辽宁大学 《 化学工程基础 》教案 教学对象：本科生 教学总学时：64 主讲教师：王琴萍 主讲教师单位：辽宁大学化学科学与工程学院 时 间 ：2003 年 4 月 18 日
目 录 概要 (页) 绪论 (页) 第一章流体流动…………………………………(页) 第一节概述………………………………(页) 第二节流体静力学基本方程………(页) 第三节管内流体流动的基本方程式 (页 第四节管内流体流动现象……(页) 第五节流体流动的阻力………… (页) 第六节管路计算 (页) 第七节流量的测定…… (页) 第二章流体输送机械……………………(页) 第一节概述 ……(页) 第二节离心泵…… ……………(页) 第三章传热 (页) 第一节概述…………………………………(页) 第二节热传导 (页) 第三节对流传热 ……………(页) 第四节传热计算…… (页) 第五节热辐射……………………………(页) 第六节换热器…………… ……(页) 第四章吸收……………………………(页) 第一节概述…… …(页) 第二节气液相平衡 …………………(页) 第三节吸收过程的速率 (页) 第四节吸收塔的计算 (页) 第五节填料塔 (页
2 目 录 概要 ……………………………………………………………… （页） 绪论 ……………………………………………………………… （页） 第一章 流体流动 ………………………………………………… （页） 第 一 节 概述 ………………………………………………（页） 第 二 节 流体静力学基本方程 ……………………………（页） 第 三 节 管内流体流动的基本方程式 ……………………（页） 第 四 节 管内流体流动现象 ………………………………（页） 第 五 节 流体流动的阻力 …………………………………（页） 第 六 节 管路计算 …………………………………………（页） 第 七 节 流量的测定 ………………………………………（页） 第二章 流体输送机械 ………………………………………… （页） 第 一 节 概述 ………………………………………………（页） 第 二 节 离心泵 ……………………………………………（页） 第三章 传热 ………………………………………………… （页） 第 一 节 概述 …………………………………………… （页） 第 二 节 热传导 …………………………………………… （页） 第 三 节 对流传热 ………………………………………… （页） 第 四 节 传热计算………………………………………… （页） 第 五 节 热辐射 ……………………………………………（页） 第 六 节 换热器 ……………………………………………（页） 第四章 吸收 ……………………………………………………（页） 第 一 节 概述 …………………………………………………（页） 第 二 节 气液相平衡 …………………………………………（页） 第 三 节 吸收过程的速率 ………………………………… （页） 第 四 节 吸收塔的计算 ……………………………………（页） 第 五 节 填料塔 ……………………………………………（页）
第五章蒸馏 (页) 第一节概述…(页) 第二节双组分溶液的气液相平衡… ……(页) 第三节蒸馏与精馏原理…… …………(页) 第四节双组分连续精馏塔的计算 (页) 第五节恒沸精馏与萃取精馏 第六章化学反应工程学基本原理 页页 第一节工业反应器的基本类型 页) 第二节反应器内物料的流动模型 (页) 第三节反应器内物料的停留时间分布………………(页)
3 第 五 章 蒸馏 ………………………………………………… （页） 第 一 节 概述 ………………………………………………（页） 第 二 节 双组分溶液的气液相平衡…………………………（页） 第 三 节 蒸馏与精馏原理 ………………………………… （页） 第 四 节 双组分连续精馏塔的计算 ……………………… （页） 第 五 节 恒沸精馏与萃取精馏 ……………………………（页） 第六章 化学反应工程学基本原理 ……………………… （页） 第 一 节 工业反应器的基本类型 …………………………（页） 第 二 节 反应器内物料的流动模型 ………………………（页） 第 三 节 反应器内物料的停留时间分布 …………………（页）
概要 本门课程的教学目标和要求: 化学工程基础是工程技术的一个分支,是一门探讨化工生产过程的基本规 律、并应用这些规律解决生产问题的学科。本课程是在高等数学、物理学及物理 化学等课程的基础上开设的一门基础技术课。 本课程的主要任务是研究化工单元操作及反应过程的基本原理、典型设备的 构造及工艺尺寸的计算,通过本课程的学习,使学生理解化学工程规律在化工生 产中的应用,获得化工计算及设计的基础训练,培养学生分析和解决有关化工操 作中各种问题的能力,以便在化工生产、科研和设计工作中达到强化生产过程 提髙产品质量、提髙设备生产能力和效率、降低设备投资及产品成本、节能、防 止污染及加速新技术开发等方面的目的。 教学要点: 化学工程的主要内容是传递过程和化学反应过程,传递过程包括动量传递、 热量传递和质量传递三种过程。 1.动量传递一一流体动力过程 2.热量传递 3.质量传递 4.学反应工程一一反应器基本原理 教学重点与难点 1.动量传递一一流体动力过程 流体的流动规律和流体的输送,输送流体的典型设备。 2.热量传递 热交换典型设备的设计和计算,热交换过程的强化 3.质量传递 要求掌握精镏原理和吸收的杋理,能分析操作过程,并能进行精镏塔和吸收 塔的工艺尺寸计算。 5.学反应工程一一反应器基本原理 研究生产规模下化学反应过程的基本规律,化工生产中的反应器类型和典型
4 概 要 本门课程的教学目标和要求： 化学工程基础是工程技术的一个分支，是一门探讨化工生产过程的基本规 律、并应用这些规律解决生产问题的学科。本课程是在高等数学、物理学及物理 化学等课程的基础上开设的一门基础技术课。 本课程的主要任务是研究化工单元操作及反应过程的基本原理、典型设备的 构造及工艺尺寸的计算，通过本课程的学习，使学生理解化学工程规律在化工生 产中的应用，获得化工计算及设计的基础训练，培养学生分析和解决有关化工操 作中各种问题的能力，以便在化工生产、科研和设计工作中达到强化生产过程、 提高产品质量、提高设备生产能力和效率、降低设备投资及产品成本、节能、防 止污染及加速新技术开发等方面的目的。 教学要点： 化学工程的主要内容是传递过程和化学反应过程，传递过程包括动量传递、 热量传递和质量传递三种过程。 1．动量传递——流体动力过程 2．热量传递 3．质量传递 4．学反应工程——反应器基本原理 教学重点与难点 1．动量传递——流体动力过程 流体的流动规律和流体的输送，输送流体的典型设备。 2．热量传递 热交换典型设备的设计和计算，热交换过程的强化。 3．质量传递 要求掌握精镏原理和吸收的机理，能分析操作过程，并能进行精镏塔和吸收 塔的工艺尺寸计算。 5．学反应工程——反应器基本原理 研究生产规模下化学反应过程的基本规律，化工生产中的反应器类型和典型
反应器,物料在反应器中的流动模型。 教学方法 课堂讲授,习题课、设备素材库、多媒体。 教学总学时:64学时 教学参考书: 上海化工学院等,化学工程,化学工业出版社,1980 2王志魁,化工原理,化学工业出版社,1987 3天津大学化工原理教研室,化工原理,天津科学技术出版社,1987 4华东化工学院,化工原理,化学工业出版社,1985 5北京大学化学系,《化学工程基础》编写组,化学工程基础,高 等教育出版社,1983年 6王定锦,化学工程基础,高等教育出版社,1992 7谭天恩,本熙,丁惠华,化工原理,化学工业出版社,1984 8武汉大学,化学工程基础,高等教育出版社,2001年
5 反应器，物料在反应器中的流动模型。 教学方法 课堂讲授，习题课、设备素材库、多媒体。 教学总学时：64 学时 教学参考书： 1 上海化工学院等 ，化学工程，化学工业出版社，1980 2 王志魁，化工原理 ，化学工业出版社，1987 3 天津大学化工原理教研室，化工原理，天津科学技术出版社，1987 4 华东化工学院，化工原理 ，化学工业出版社，1985 5 北京大学化学系，《化学工程基础》编写组，化学工程基础， 高 等教育出版社，1983 年 6 王定锦，化学工程基础，高等教育出版社，1992 7 谭天恩，本熙，丁惠华， 化工原理， 化学工业出版社，1984 8 武汉大学，化学工程基础，高等教育出版社，2001 年
绪论 (2学时) 、化工过程与单元操作 化工过程一化学与物理方法处理过程的和。 单元操作一无化学反应的基本物理过程 单元操作分类——流体流动过程、传热过程、传质过程。 反应过程 二、课程的性质与任务 内容:三传、一反 1.流体流动过程(动量传递) 2.传热过程(热量传递) 3.传质过程(质量传递) 4.反应过程 性质:技术基础课。 任务:分析和解决化工单元操作中的实际问题。 以化工流程图讲解 物理量的单位与量纲 国际单位制与法定计量单位,量纲、量纲的一致性 1.单位制一物理量的大小用多种单位表示,由一系列基本单位构成 的单位系统。 (1).国际单位制的基本单位 长度(L)m,质量(M)Kg,时间(T)S,热力学温度(0)K 物质的量(N)mol,电流(I)A,发光强度(J)cd,(坎徳拉) (2).导出单位——具有专门名称,Pa,N,J,W (3).词头M(兆),K(千焦) (4).其它单位制cgs,工程 英制 2.因次和因次式(量冈和量冈式) 因次—一表示物料性质和状态的基本物理量 因次式一一由因次组成表示物理量特征的式子。 无因次式Re
6 绪论 （2 学时） 一、化工过程与单元操作 化工过程—化学与物理方法处理过程的和。 单元操作—无化学反应的基本物理过程。 单元操作分类—— 流体流动过程、传热过程、传质过程。 反应过程 二、课程的性质与任务 内容：三传、一反 1．流体流动过程（动量传递） 2．传热过程 （热量传递） 3．传质过程 （质量传递） 4．反应过程 性质：技术基础课。 任务：分析和解决化工单元操作中的实际问题。 以化工流程图讲解 三、物理量的单位与量纲 国际单位制与法定计量单位，量纲、量纲的一致性 1．单位制 — 物理量的大小用多种单位表示，由一系列基本单位构成 的单位系统。 （1）．国际单位制的基本单位 长度 〔L〕m，质量〔M〕Kg， 时间〔T〕S， 热力学温度 〔θ〕K 物质的量 〔N〕mol， 电流〔I〕A， 发光强度〔J〕cd， (坎徳拉) （2）．导出单位 —— 具有专门名称，Pa, N, J, W (3 )．词头 M （兆） ，K（千焦） （4）．其它单位制 c g s ， 工程 ， 英制 2．因次和因次式（量冈和量冈式） 因次——表示物料性质和状态的基本物理量。 因次式——由因次组成表示物理量特征的式子。 无因次式 Re
3.单位换算 单元操作中常用的基本概念 物料衡算,能量衡算,物系的平衡关系,传递速率 第一章流体流动(18学时) 教学目标和要求: 要求熟练掌握流体的流动规律,计算流体输送所需的功率、进行管路阻力计 算计算,选择测量流体流速和流量的装置 教学重点和难点: 实际流体流动的柏努力方程,流体流动的阻力计算 教学方式:(课堂讲授×学时、讨论和习题课X学时、实验×学时) 课堂讲授18学时,讨论和习题课2学时。 第一节概述(0.5学时) 、化工生产的流动现象 1.流动性 2.形状随容器而定 3.流体流动红旗一外力作用的结果。 4.连续性(除高度真空情况)。 、宏观流体特性 能宏观测定的平均参数—研究流体质点(微团)。 、可压缩流体及不可压缩流体 第二节流体静力学基本方程(3.5学时) 、流体的压力 定义:流体垂直作用于单位面积上的力。P=F/A[N/m2]-[Pa] 压力的单位 SI: N/ m2 工程单位——kgf/m2-at-mmH2O—mmHg latm=1.0133×105N/m2=1013kPa=10330kgf/m2=10.33mH2O 760mmHg lat=l kg f/cm2=10 mH2O=735.5 mmHg=98.1kPa
7 3．单位换算 单元操作中常用的基本概念 物料衡算，能量衡算，物系的平衡关系，传递速率 第一章 流体流动 ( 18 学时) 教学目标和要求: 要求熟练掌握流体的流动规律，计算流体输送所需的功率、进行管路阻力计 算计算，选择测量流体流速和流量的装置。 教学重点和难点： 实际流体流动的柏努力方程，流体流动的阻力计算。 教学方式：（课堂讲授×学时、讨论和习题课×学时、实验×学时） 课堂讲授 18 学时，讨论和习题课 2 学时。 第 一 节 概述 ( 0.5 学时 ) 一、化工生产的流动现象 1．流动性； 2．形状随容器而定； 3．流体流动红旗—外力作用的结果。 4．连续性 （除高度真空情况）。 二、宏观流体特性 能宏观测定的平均参数—研究流体质点（微团）。 三、可压缩流体及不可压缩流体 第 二 节 流体静力学基本方程( 3.5 学时 ) 一、流体的压力 定义： 流体垂直作用于单位面积上的力。P = F / A [ N / m2 ] – [ Pa ] 压力的单位 SI：N／m2 -- Pa 工程单位—— kg f / m2— a t — mm H2O — mm Hg 1atm = 1.0133×105 N / m2 =101.3 kPa = 10330 kg f / m2 =10.33mH2O = 760mmHg 1at =1 kg f / cm2 = 10 mH2 O =735.5 mmHg = 98.1kPa
压力的不同基准 1.以绝对真空为基准一一绝对压强。 2.以当时当地大气为基准一一表压。 表压值低于大气压的部分—一真空度。 表压=绝压一大气压 真空度=大气压—绝压 、流体的密度与比容 密度 1.定义:单位体积流体所具有的质量 p=m/V kg/m3 影响因素:温度和压力 (1)液体一不可压缩的流体,与压力无关,温度升高,密度降低。 (2)气体—可压缩性流体,通常(P不太高,T不太低)时可按理想 气体处理,否则按真实气体状态方程处理。 P =MP/RT 或 POTo P/TPc PkA R--831k J/ kmoLK 3.混合物密度 (1)气体pm=MmP/RT Mm= Miy!+ M2y2t----- +Mnyn 摩尔分率 (2)液体1/pm=a1/p1+a2/p2 an/p 质量分率 注意:混合物的体积应等于各组分单独存在时的体积之和。 比容 V/m =1/p [m/kg 1 1-3流体静力学基本方程 相对静止状态流体受力情况
8 压力的不同基准 1．以绝对真空为基准——绝对压强。 2．以当时当地大气为基准——表压。 表压值低于大气压的部分——真空度。 表压 = 绝压—大气压 真空度 = 大气压—绝压 二、流体的密度与比容 密度： 1．定义：单位体积流体所具有的质量 ρ= m / V kg / m3 2．影响因素：温度和压力。 （1）液体—不可压缩的流体，与压力无关，温度升高，密度降低。 （2）气体—可压缩性流体，通常（P 不太高，T 不太低）时可按理想 气体处理，否则按真实气体状态方程处理。 ρ = M P / R T 或 ρ = ρ0T0 P / T P0 P—kPa R—8.31 k J / kmol.K 3. 混合物密度 (1) 气体 ρm = Mm P / R T Mm = M1y1 + M2y2 +------ + M n y n y — 摩尔分率 （2）液体 1 / ρm = a1 /ρ1 + a2 /ρ2 + ------+ an / ρn a —— 质量分率 注意：混合物的体积应等于各组分单独存在时的体积之和。 二．比容 υ = V /m = 1 /ρ [ m3 /kg ] 1- 3 流体静力学基本方程 一．相对静止状态流体受力情况
F1=PlA F2=P2. A G= pgA(Zi-Z2) 静力学方程及巴斯噶定律 FI+G=F2 PI*A+p gA(Zi-Z2)=P2*A P2=PI+ pg(Zi-Z2) 或 P2=Po+ pg(zi-z2) Z1+P1 /pg=Z2+ P2/p g +P1/ g+ P2/p 三讨论 1.流体某一深度处的压力与深度和密度有关。 2.静止的,连续的同一流体内,同一水平面处,各点压力相等,此水平面 叫等压面。 3.液面上方流体压力改变,液体内部压力随着改变,且变化值相同。 4.压力或压差可用液柱高表示H=(P2-P0)/pg 5.位压头与动压头之和为常数。 Z——表示把单位重量流体由基准面移至Z高度后具有的位能。 P/pg——静压头,可用图解释。 6.用液柱表示,其高度可用不同液柱高表示,可用下式互换:H=Hp/p 7.注意此方程只适用于静止的连续的同一流体。 巴斯葛定律 1-4流体静力学基本方程式的应用 、压力测量 U型管压差计 2.微差压差计 2.倾斜液柱压差计 、液位的测量 三、液封 第三节管内流体流动的基本方程式(4学时) 、流量与流速
9 F1 = P1.A F2 = P2.A G = ρg A ( Z1 – Z2 ) 二．静力学方程及巴斯噶定律 F1+ G = F2 P1*A+ρgA ( Z1-Z2 ) = P2 * A P2 = P1 + ρg ( Z1- Z2 ) 或 P2 = P0 + ρg ( Z1 - Z2 ) Z1 +P1 /ρg = Z2 + P2 /ρg Z1 g + P1 /ρ = Z2 g + P2 /ρ 三.讨论 1. 流体某一深度处的压力与深度和密度有关。 2．静止的，连续的同一流体内，同一水平面处，各点压力相等，此水平面 叫等压面。 3．液面上方流体压力改变，液体内部压力随着改变，且变化值相同。 4．压力或压差可用液柱高表示 H = （P2 – P0）/ ρg 5．位压头与动压头之和为常数。 Z —— 表示把单位重量流体由基准面移至 Z 高度后具有的位能。 P / ρg —— 静压头，可用图解释。 6．用液柱表示，其高度可用不同液柱高表示，可用下式互换：H'= Hρ/ρ'。 7．注意此方程只适用于静止的连续的同一流体。 巴斯葛定律 1-4 流体静力学基本方程式的应用 一、压力测量 1．U 型管压差计 2．微差压差计 2．倾斜液柱压差计 二、液位的测量 三、液封 第 三 节 管内流体流动的基本方程式（4 学时） 一、流量与流速
流量:1.体积流量Vs[M/S] 2.质量流量G=pVkg/s] 流速:1.平均流速 u=VIa [m/sI 2.质量流速 W=G/A=pu kg/m2s 3.管径d=√4V/πu 液体:0.5——3m/s 气体:10 30m/s 注意:根据流量和选择的流速计算岀的管径,应根据标准管径进行圆整,然 后再根据选择的管径重新计算流速,此流速应在经验值范围内 1-6稳定流动与不稳定流动 1-7连续性方程式 G=VP=uA p u1.A1.p1=u2.A2.p2=常数 对于不可压缩性流体,密度可视为不变,则: /u2=(d2/d1)2 ##不可压缩性流体各截面的质量流量相等,且体积流量也相等。 ##连续性方程表示稳定流动系统中,流量一定时,管道各截面上流速的 变化规律。 1-8柏努力方程式 柏努利——(17001782年)瑞士物理学家,数学家,出身于科学家 他学过哲学,伦理学,医学,二十一岁时获得医学硕士学位。二十五岁止三十二 岁时,在彼得堡教数学,三十三岁时,又担任了巴塞尔大学的解剖学教授,五十 岁时成为物理学教授。在他三十八岁时,出版了《流体力学》一书,这部书是他 最重要的箸作,书中用能量守恒定律解决流体的流动问题,他分析了流体流动时 压强与流速的关系,并列出了方程,这就是后来以他的名字命名的《柏努利方程》 在数学方面,有关微积分,微分方程和概率论等也做了很多工作,曾十次获法国 科学院年度奖,他于1782年在巴塞尔逝世,终年八十二岁
10 流量： 1．体积流量 VＳ [ M ３／S] 2．质量流量 G＝ρV [kg / s] 流速：1．平均流速 u = V/A [ m / s ] 2．质量流速 w = G / A = ρu [kg / m2 .s] 3．管径 d = √4V/πu 液体：0.5 —— 3 m / s 气体：10 —— 30 m / s 注意：根据流量和选择的流速计算出的管径，应根据标准管径进行圆整，然 后再根据选择的管径重新计算流速，此流速应在经验值范围内。 1-6 稳定流动与不稳定流动 1-7 连续性方程式 G1 = G2 G =V ρ = u A ρ u1 . A1 . ρ1 = u2 . A2 . ρ2 = 常数 对于不可压缩性流体，密度可视为不变，则： u1.A1 = u2.A2 u1 / u2 = (d2 /d1 ) 2 # # 不可压缩性流体各截面的质量流量相等，且体积流量也相等。 ## 连续性方程表示稳定流动系统中，流量一定时，管道各截面上流速的 变化规律。 1—8 柏努力方程式 柏努利 —— （1700—1782 年）瑞士物理学家，数学家，出身于科学卋家。 他学过哲学，伦理学，医学，二十一岁时获得医学硕士学位。二十五岁止三十二 岁时，在彼得堡教数学，三十三岁时，又担任了巴塞尔大学的解剖学教授，五十 岁时成为物理学教授。在他三十八岁时，出版了《流体力学》一书，这部书是他 最重要的箸作，书中用能量守恒定律解决流体的流动问题，他分析了流体流动时 压强与流速的关系，并列出了方程，这就是后来以他的名字命名的《柏努利方程》。 在数学方面，有关微积分，微分方程和概率论等也做了很多工作，曾十次获法国 科学院年度奖，他于 1782 年在巴塞尔逝世，终年八十二岁
