《化工原理》上册一—《化工流体流动与传热》 绪论 、本门课程的产生及内容 化学工业是对原料进行化学加工以获得有用的产品。显然,其核心是化学反应过程及其设备,为使化 学反应经济有效的进行,反应器内必须保持某些最佳反应条件,如适宜的压强、温度和物料的纯度。这些 过程统称为前处理。反应后,产物与反应物必须分开,产物必须精制,这些过程称为后处理。前后处理中 绝大多数过程是纯物理过程 从诸多化学工业生产中如何找出规律性的东西 解剖麻雀:碳酸氢氨的制造 冷气一 参日热气 NH, +CO2+ H,OS NH,HCO3+o 首先制备原料NH3 3H2+N2分2NH3+Q 循环冷气经合成塔内外壁环隙从上而下,由热交换器的管间进入从中心管上升入触媒层。压强为 31392×10[kP]温度为480C~520C ①动量传递(冷气入塔)(物理学中:动量=质量x速度[Ns②热量传递③质量传递(氨水吸收二 氧化碳制造碳酸氢氨)④化学反应工程。(合成炉 除化学反应外,其余步骤皆可归纳为若干基本物理过程如输送、压缩、传热、沉降、过滤、蒸发、结 晶、干燥、蒸馏、吸收、萃取、冷冻等。 共同的过程:传递过程(三传一反)
《化工原理》上册——《化工流体流动与传热》 绪论 一、本门课程的产生及内容 化学工业是对原料进行化学加工以获得有用的产品。显然，其核心是化学反应过程及其设备，为使化 学反应经济有效的进行，反应器内必须保持某些最佳反应条件，如适宜的压强、温度和物料的纯度。这些 过程统称为前处理。反应后，产物与反应物必须分开，产物必须精制，这些过程称为后处理。前后处理中， 绝大多数过程是纯物理过程。 从诸多化学工业生产中如何找出规律性的东西。 解剖麻雀：碳酸氢氨的制造 冷 气 热 气 NH3 +CO2 + H2O NH4HCO3 +Q 首先制备原料 NH 3 3H2 + N2 2NH3 + Q 循环冷气经合成塔内外壁环隙从上而下，由热交换器的管间进入从中心管上升入触媒层。压强为 k Pa 3 3 1.3 9 2 1 0 温度为 C C 480 ~520 。 ①动量传递（冷气入塔）（物理学中：动量=质量 速度 N s ）②热量传递③质量传递（氨水吸收二 氧化碳制造碳酸氢氨）④化学反应工程。（合成炉） 除化学反应外，其余步骤皆可归纳为若干基本物理过程如输送、压缩、传热、沉降、过滤、蒸发、结 晶、干燥、蒸馏、吸收、萃取、冷冻等。 共同的过程：传递过程（三传一反）
(1)、实验研究方法即经验的方法 共同的方法:(避免了方程式的建立、直接用实验测取各变量之间的关系) (2)、数学研究模型方法即半理论半经验方法一抓住影响过程 的主要因素,大体上反映了过程的真实面貌,建立数学方程 任何一个学科(或学科分支)之所以能成为一门学科,必须有统一的研究对象、统一的研究方法。统 一对象即传递过程,也是联系各单元操作的一条主线;各单元操作有着共同的研究方法,这样以单元操作 为内容,以传递过程和研究方法为主线组成了“化工原理”这一门课。共同的过程共同的方法产生一门 学科即:化工原理。 、《化工原理》课程的性质与任务 《化工原理》是在高等数学、物理学及物理化学、化学等课程的基础上开设的一门基础技术课程,其 主要任务是研究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设备选型。通过本课程的 学习,培养学生分析和解决有关单元操作问题的能力,如:设备选型能力、工程设计能力、调节生产过程 能力、生产研发能力,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 能力及效率,降低设备投资及产品成本、节约能耗、防止污染以及加速新技术开发等方面的目的。任务综 合为三个字,选、算、用。选:过程与设备的选择:算:过程的计算和设备的设计:用:如何操作和调节 以适应生产的要求。 《化工原理》是综合性技术学科一一化学工程学的一个基础组成部分,起到为自然科学与应用科学搭 桥的作用 它包括三传: 1、流体流动过程(动量传递) 研究流体流动及流体和与之接触的固体间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 的若干单位操作,如流体的输送、沉降、过滤、搅拌及固体的流态化等。 2、传热过程(热量传递) 研究传热的基本规律以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作,如热交换、蒸发等 3、传质过程(质量传递 研究物质通过相界面迁移过程的基本规律,以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作,如液体的 蒸馏、气体的吸收、固体的干燥及结晶等。 在研究各种单元操作时,为了搞清过程始末和过程中各股物料的数量、组成之间的关系及搞清过程中 吸收或释放的能量,必须作物料衡算及能量衡算。此外,为了计算所需设备的工艺尺寸,必须依据平衡关 系,了解过程进行的方向与极限,依赖速率关系分析过程进行的快慢。平衡关系和速率关系是研究各种单 元操作原理的基本内容 三、化工过程中的一些基本规律 1、物料衡算 根据质量守恒定律,向设备输入的物料质量减去从设备输出的物料质量,必等于积累在设备里的物料 质量,即: ∑G∑=G1(0-1) (此式既适用于间歇过程,也适用于连续过程) 式中∑G一输入物料的总和 ∑G—输出物料的总和 积累的物料量。 无积累∑G=G 进行物料衡算的注意事项 (1)确定衡算范围(或称系统),它可以在一个单一的设备或其中一部分进行,也可以包括几个处理阶
共同的方法： 的主要因素，大体上反映了过程的真实面貌，建立数学方程。 （ ）、数学研究模型方法即半理论半经验方法 — 抓住影响过程 （避免了方程式的建立、直接用实验测取各变量之间的关系）。 （ ）、实验研究方法即经验的方法 2 1 任何一个学科（或学科分支）之所以能成为一门学科，必须有统一的研究对象、统一的研究方法。统 一对象即传递过程，也是联系各单元操作的一条主线；各单元操作有着共同的研究方法，这样以单元操作 为内容，以传递过程和研究方法为主线组成了“化工原理”这一门课。共同的过程 共同的方法产生一门 学科即：化工原理。 二、《化工原理》课程的性质与任务 《化工原理》是在高等数学、物理学及物理化学、化学等课程的基础上开设的一门基础技术课程，其 主要任务是研究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设备选型。通过本课程的 学习，培养学生分析和解决有关单元操作问题的能力，如：设备选型能力、工程设计能力、调节生产过程 能力、生产研发能力，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 能力及效率，降低设备投资及产品成本、节约能耗、防止污染以及加速新技术开发等方面的目的。任务综 合为三个字，选、算、用。选：过程与设备的选择；算：过程的计算和设备的设计；用：如何操作和调节 以适应生产的要求。 《化工原理》是综合性技术学科——化学工程学的一个基础组成部分，起到为自然科学与应用科学搭 桥的作用。 它包括三传： 1、 流体流动过程（动量传递） 研究流体流动及流体和与之接触的固体间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 的若干单位操作，如流体的输送、沉降、过滤、搅拌及固体的流态化等。 2、 传热过程（热量传递） 研究传热的基本规律以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如热交换、蒸发等。 3、 传质过程（质量传递） 研究物质通过相界面迁移过程的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如液体的 蒸馏、气体的吸收、固体的干燥及结晶等。 在研究各种单元操作时，为了搞清过程始末和过程中各股物料的数量、组成之间的关系及搞清过程中 吸收或释放的能量，必须作物料衡算及能量衡算。此外，为了计算所需设备的工艺尺寸，必须依据平衡关 系，了解过程进行的方向与极限，依赖速率关系分析过程进行的快慢。平衡关系和速率关系是研究各种单 元操作原理的基本内容。 三、化工过程中的一些基本规律 1、物料衡算 根据质量守恒定律，向设备输入的物料质量减去从设备输出的物料质量，必等于积累在设备里的物料 质量，即： G1 −G0 =GA （0—1） （此式既适用于间歇过程，也适用于连续过程） 式中 G1 ——输入物料的总和； G0 ——输出物料的总和； GA ——— 积累的物料量。 无积累 G1 =G0 进行物料衡算的注意事项： （1）确定衡算范围（或称系统），它可以在一个单一的设备或其中一部分进行，也可以包括几个处理阶
段的全流程 (2)确定衡算对象。对有化学变化的过程,衡算对象可找未发生变化的物质为惰性物质等 (3)确定衡算基准。对于间歇过程,常以一次(一批)操作为基准,对于连续过程,则以单位时间为 基准。 总结五字解题方法:分(分析题意)、图(画出图形)、选(选定基准)、算(计算结果)、分(分析 结果是否合理)。 分:认真分析题意 图:画出正确的图形,(用虚线方框图圈住恒算范围,或设备的简略外形),箭头指向方框者是输入项 箭尾指向方框者是输出项,总输入等于总输出 选:选基准,在间歇操作中一般以一次操作为基准:在连续操作过程中则以单位时间为基准如一小时。 物料基准常以质量或mol数表示,不宜用体积表示。衡算对象只以不变化的物料或惰性组分为基准,单位 基准、温度基准、压强基准等(统一单位、温度、压强)。 算:计算,首先査明公式适用范围、各符号意义及单位,列出方程计算。如从普通公式出发解题,最 后推导出适合题中特殊情况的计算式,然后再代入已知数字,从而可达到简化计算的目的。 分:分析答案,是否符合实际。 2、能量衡算 根据能量守恒定律而进行的能量平衡的计算。在生产中能量可能是热能、电能、机械能或其它能。如 果是热能,则称为热量衡算。 进行热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同,明确衡算范围、衡算对象与衡算基准。 式中∑Q1-—伴随各股输入物料进入系统的热(焓)流量,MH ∑Q——伴随各股输出物料离开系统的热(焓)流量,M Q-系统向环境散失的热流量,或称“热损失”, H——焓,单位质量的物质所具有的热量称为焓,其单位[-]。 物料的焓值与其状态有关,而且是相对值,所以在进行热量衡算时为确定物料的焓值,必须首先规定 基准温度,当有相变化时,还必须规定基准状态,通常以0C,液态为计算基准 如从《附录9》中查得100C饱和水蒸气焓值为2670 1kg0C水—4=18100C水一42=284100C汽 H=H+H2=4186+2258=267x/g] 显热(一定量物质不发生相变化时,温度升高或降低产生的热量变化。)Q=mC,△t 潜热(单位质量的物质在一定温度下发生相变化时所吸收或放出的热量)。 3、平衡关系:平衡关系予告过程或反应能够达到的极限。如连通器液面最终达到同一水平面,换热 的极限是冷热流体温度相同,气体吸收的极限是当时条件下的饱和溶解度,反应的极限是当时条件下的平 衡转化率
段的全流程。 （2）确定衡算对象。对有化学变化的过程，衡算对象可找未发生变化的物质为惰性物质等。 （3）确定衡算基准。对于间歇过程，常以一次（一批）操作为基准，对于连续过程，则以单位时间为 基准。 总结五字解题方法：分（分析题意 ）、图（画出图形）、选（选定基准）、算（计算结果）、分（分析 结果是否合理）。 分：认真分析题意 。 图：画出正确的图形，（用虚线方框图圈住恒算范围，或设备的简略外形），箭头指向方框者是输入项， 箭尾指向方框者是输出项，总输入等于总输出。 选：选基准，在间歇操作中一般以一次操作为基准；在连续操作过程中则以单位时间为基准如一小时。 物料基准常以质量或 mo l 数表示，不宜用体积表示。衡算对象只以不变化的物料或惰性组分为基准，单位 基准、温度基准、压强基准等（统一单位、温度、压强）。 算：计算，首先查明公式适用范围、各符号意义及单位，列出方程计算。如从普通公式出发解题，最 后推导出适合题中特殊情况的计算式，然后再代入已知数字，从而可达到简化计算的目的。 分：分析答案，是否符合实际。 2、能量衡算 根据能量守恒定律而进行的能量平衡的计算。在生产中能量可能是热能、电能、机械能或其它能。如 果是热能，则称为热量衡算。 进行热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，明确衡算范围、衡算对象与衡算基准。 Q1 =Q0 +QL 式中 Q1——伴随各股输入物料进入系统的热（焓）流量， kW ； Q0 ——伴随各股输出物料离开系统的热（焓）流量， kW ； QL ——系统向环境散失的热流量，或称“热损失”， kW ； H ——焓，单位质量的物质所具有的热量称为焓，其单位 −1 J kg 。 物料的焓值与其状态有关，而且是相对值，所以在进行热量衡算时为确定物料的焓值，必须首先规定 基准温度，当有相变化时，还必须规定基准状态，通常以 C 0 0 ，液态为计算基准。 如从《附录 9》中查得 C 0 100 饱和水蒸气焓值为 2677.0kJ kg 1kg C 0 0 水 ⎯ H⎯1=418 ⎯ .6⎯ kJ⎯ kg→ C 0 100 水 ⎯ H⎯2=⎯ 2258⎯ .4kJ⎯ kg→ C 0 100 汽 H H H 418.6 2258.4 2677.0kJ kg = 1 + 2 = + = 显热（一定量物质不发生相变化时，温度升高或降低产生的热量变化。） Q mC t = p 潜热（单位质量的物质在一定温度下发生相变化时所吸收或放出的热量）。 3、平衡关系：平衡关系予告过程或反应能够达到的极限。如连通器液面最终达到同一水平面，换热 的极限是冷热流体温度相同，气体吸收的极限是当时条件下的饱和溶解度，反应的极限是当时条件下的平 衡转化率
4、过程速率:υ∝ 过程阻力P如流动速率∞、压差 过程推动力Δ 流动阻力传热速率∝温度 传热阻力 吸收速率∝浓度差 传质阻力 在实际工作中,一个过程以多快的速率由不平衡向平衡移动是极为重要的问题 四、物理量的因次与单位制 物理量:表示物质物理性质的参数,如长度l、面积A、体积V、密度ρ、粘度μ、导热系数λ、温 度T、压强p等。这些物理量可通过几个彼此独立的基本物理量来表示,其大小则用各种单位来量度称为 基本单位。 常用的基本单位长度[以]、力[F或质量[m]时间[]和温度[刁]等,基本量以外的其它物理量,可通 过物理量之间的规律(定义或定律),从基本量推导出来称为导出物理量,他们的单位称为导出单位 应用这些基本量以表示物理量特性的式子称为因次(或量纲)式。因次式中各物理量的指数称为它的 因次或量纲(有时也把物理量的量纲式简称为物理量的量纲)。因次可正、可负、整数、分数等任意有理 如流速 (B一导出量1、1-基本量x中的-1——因次1x1-因次式[m·s-]-导 出单位)。 表示各物理量大小除了数字部分外,还要看该物理量的单位 1、国际单位制SI制7个基本单位,2个辅助单位,其余皆为导出单位。 (1)常用的基本单位: 物理量 单位 国际符号 长度 米 长 质量 千克(公斤)k 时间 秒 时 温度 开尔文 温 物质的量 摩尔 (2)常用的导出单位: 物理量 单位 国际符号 用SI制基本单位表示 力 牛顿 m·k·s-(力=质量x加速度)力 力 压强 帕斯卡 面积 压 能、功、热量焦耳 功=力距离 功率 瓦特 功率。功 时间 率
4 、 过 程 速 率 ： 过程阻力R 过程推动力 如 流动阻力 压差 流动速率 传热阻力 温度 传热速率 传质阻力 浓度差 吸收速率 在实际工作中，一个过程以多快的速率由不平衡向平衡移动是极为重要的问题。 四、物理量的因次与单位制 物理量：表示物质物理性质的参数，如长度 l 、面积 A 、体积 V 、密度 、粘度 、导热系数 、温 度 T 、压强 p 等。这些物理量可通过几个彼此独立的基本物理量来表示，其大小则用各种单位来量度称为 基本单位。 常用的基本单位长度 L 、力 F 或质量 m ，时间 和温度 T 等，基本量以外的其它物理量，可通 过物理量之间的规律（定义或定律），从基本量推导出来称为导出物理量，他们的单位称为导出单位。 应用这些基本量以表示物理量特性的式子称为因次（或量纲）式。因次式中各物理量的指数称为它的 因次或量纲（有时也把物理量的量纲式简称为物理量的量纲）。因次可正、可负、整数、分数等任意有理 数。 如流速 −1 = = l l u −1 m s （ u —导出量 l 、 —基本量 −1 中的 −1——因次 −1 l —因次式 −1 m s —导 出单位）。 表示各物理量大小除了数字部分外，还要看该物理量的单位。 1、国际单位制 SI 制 7 个基本单位，2 个辅助单位，其余皆为导出单位。 （1）常用的基本单位： 物理量 单位 国际符号 长度 米 m 长 质量 千克（公斤） kg 质 时间 秒 s 时 温度 开尔文 K 温 物质的量 摩尔 mo l 量 （2）常用的导出单位： 物理量 单位 国际符号 用 SI 制基本单位表示 力 牛顿 N −2 m kg s （力=质量 加速度） 力 压强 帕斯卡 Pa −1 −2 kg m s 面积 力 p = 压 能、功、热量 焦耳 J 2 −2 m kg s 功=力距离 能 功率 瓦特 W 2 −3 m kg s 时间 功 功率 = 率
单位顺序规律:一般是长度、质量、时间顺序,如长度为负值,则把长度与质量互换。如 [Pd]一k·m1·s2 2、工程单位制(重力单位制) 常用的基本单位 物理量 单位 长度 米 长 力 公斤(重) 力 时间 3、绝对单位制CGS制(物理单位制) MKS制(实用单位制) CGS制 物理量 单位 符号 长度 厘米 长 质量 克 质 时间 温度 MKS制 物理量 单位 符号 长度 米 长 质量 千克(公斤质)k 质 时间 温度 注意:单位的符号一般用小写正体如 m mo/ hg/m3,若单位名称源于专用名词第一个字母符号 定要大写如 w Pa M等 单位换算 (1)正规单位换算:在一个单位上乘上某一单位使其值不变,然后再设法消去不必要的单位,留下 需要的单位。 如 匣厘米] 换算成公斤 kg 104 kg (2)利用公式如p=lyg=hr-比重(物理学中的单位)[千克(力》米] (3)利用现成换算关系如m=764mk]=1.03/am
单位顺序规律：一般是长度、质量、时间顺序，如长度为负值，则把长度与质量互换。如 −1 −2 Pa —kg m s 。 2、工程单位制（重力单位制） 常用的基本单位： 物理量 单位 长度 米 长 力 公斤（重） 力 时间 秒 时 温度 C 0 温 3、 绝对单位制 制（实用单位制） 制（物理单位制） M K S C G S C G S 制 物理量 单位 符号 长度 厘米 cm 长 质量 克 g 质 时间 秒 s 时 温度 C 0 温 M K S 制 物理量 单位 符号 长度 米 m 长 质量 千克（公斤质） kg 质 时间 秒 s 时 温度 C 0 温 注意：单位的符号一般用小写正体如 m mo l 3 kg m ，若单位名称来源于专用名词第一个字母符号一 定要大写如 W J Pa N 等。 4、单位换算 （1）正规单位换算：在一个单位上乘上某一单位使其值不变，然后再设法消去不必要的单位，留下 需要的单位。 如 2 1 1 厘米 公斤 换算成 米 2 公斤 2 4 2 2 1 0 1 1 100 m kg m cm cm kg = （2）利用公式 如 p=hg=hr r ——比重（物理学中的单位） 千克（力）米3 。 （3）利用现成换算关系 如 2 1 atm = 7 6 0mmHg =1.0 3 3kgf cm
