化工原理 0绪论

邋q
i= 1
n
m
m ,i
=
j= 1
qm, j
（0-1）
式（0-1）称为稳定流动系统的连续性方程。 式（0-1）还可根据具体情况作如下变化： 当系统为图0-1所示的无分支系统时，则式（0-1）可简化为
qm,1 = qm,2
（0-1a）
根据物理学中质量与体积间的关系，式（0-1a）也可改写为 qV ,1 r 2 = （0-1b） qV ,2 r 1 当无分支系统中的流体为不可压缩流体时，则式（0-1b）可改写为
一惯性 SI中的功、热、能单位均为J（焦耳），三者之间的换算因数为1。 2、单位换算 现行化工生产系统中往往是多种单位制并存。同一物理量若用不同单位 度量时，其数值需相应地改变，这种换算则称为单位换算。单位换算可借助 教材附录提供的换算因数表进行。
【例1】 大气压强 1atm＝101325Pa＝1.0332at＝760mmHg
【例0-3】如本题附图所示，用一连续精馏塔以分离苯-甲苯混合物。已知： 混合液流量F=5000kg/h，其中苯含量为40%（质量百分数，下同），要 求经精馏操作后塔顶产品中苯含量不低于98%，塔底产品中苯含量不高 于1% 。试求塔顶及塔底产品的流量D、W(kg/h)。 【解】因为系统为稳定系统，故其质量守恒。 若将整个精馏塔视为一个系统，取单位时间（h） 为衡算基准，则有：
（二）平衡与过程速率 任何自然发生的过程总会趋于某一方向，直至平衡。例如，高、低 位水槽间用管道连接后，高位水槽中的水会在位差的作用下向低位水槽 中输送，直至位差消失为止。又如，冷、热两股流体间会因温差的作用 导致高温流体向低温流体进行热量传递，直至两流体间的温差消失为止。 再如，当导体两端存在电位差时，会在导体中产生电流，直至电位差消 失为止。 平衡状态实质上是过程可能到达的极限，且随过程条件的变化而变 化。例如，食盐在水中的溶解度随温度的升高而增大等。所以，人们又 将此种平衡称为“动（态）平衡”。 从定性的角度分析，任何过程的速率大小总是与过程推动力成正比， 与过程的阻力成反比。例上三例中的位差、温度差、电位差即为过程推 动力。推动力越大，则过程速度越快。而象电路中的电阻、流动系统的 流体阻力等则为过程的阻力。阻力越大，速率越小。因此，可模仿电学 中的欧姆定律写出任意过程的过程速率计算通式为
参考教材内容提要
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绪论 第一章 流体流动 第二章 流体输送机械 第三章 非均相物系的分离 第四章 固体流态化 第五章 搅拌 第六章 传热 第七章 蒸发与结晶
学时安排 • 总学时：80学时
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其中 讲课66学时
实验14学时
• 辅助教学环节： 认识实习1～2周 课程设计1～2周
备选型及实验研究方法； 培养学生运用基本理论分析和解决与单元操作相关的各类工程 实际问题的能力。
三、单位与单位换算
1、单位与单位制 单位是度量物理量大小的标准和依据。由基本单位与导出单位构成。 由于历史和区域的原因，规定的基本单位不同、导出单位也不同，故有 不同的单位制。如“c.g.s”制、“m.k.s”制、英制等。 我国现行的法定单位制度是以SI为基础，并结合国情增添了必要的辅助 单位及词冠而构成。本教材中除特殊指明之处以外均采用法定计量单位。 SI的优点 通用性 凡自然科学领域中的一切物理量均可由SI的7个基本单位导出；
邋E =
i i= 1
n
m
Ej
j= 1
（0-2）
热量是诸多能量类型之一。当稳定流动系统除热量以外不涉及其它 能量类型的相互转化时，由式（0-2）有：单位时间内输入系统的热量则 应等于输出系统的热量，也即热量守恒。可表达为
邋Qi =
-2a）
由于生产过程中流体在传热设备中的进、出口压强差不大，可近似 为恒压。由热力学第一定律可知，恒压过程热等于系统的焓差。故式 n m （0-2a）可改写为 Hi = Hj 邋 （0-2b） i= 1 j= 1 焓H为一热力学状态函数，对它的确定需要规定一个基准状态。在热 量衡算时，习惯上以0℃为衡算基准温度，并规定常温条件下处于液态的 物质在0℃时的液态焓为零、常温条件下处于气态的物质在0℃时的气态焓 为零。工程手册上及本教材附录中列出的部分物质的焓均是按上述规定确 定的，这一点已成共识，在计算中可无须指明。倘若需要以其它温度为基 准温度时，则需加以说明。
上述三个过程包含了三种理论，人们称之为“三传 理论”。
三传理论
动量传递：包括流体输送、沉降、过滤等单元操作；该类单元操作皆为 流体在外力作用下的行为。流体所受作用力的合力与加速度间的关系满 足牛顿第二定律：
F = ma = m dv d (mv) = dt dt
表明流体在上述过程中发生了动量传递，故称为动量传递过程。凡 遵循流体流动基本规律的单元操作，均可用动量传递理论研究。 热量传递: 包括传热、蒸发等单元操作；服从热量从高温向低温方向传递 的规律。凡遵循传热基本规律的单元操作，均可用热量传递理论研究。 质量传递: 两相间物质的传递过程即为质量传递。凡遵循传质基本规律的 单元操作，均可用质量传递理论研究。 由于质量传递过程涉及的单元操作多为分离操作，故又称分离过程。 随着科学技术的不断进步，分离操作应用领域的不断拓展，新型单元操 作设备不断涌现，生产规模不断扩大，已有从三传中剥离的趋势。为此 本教材只讨论前两传，对分离工程部分的内容另设分册研讨。
1/ 2
qm,2 = 0
qm ,1 1
1/
2
0 < qm,2 < qm,1
2/
2/
(a)
(b)
2
qm ,1 1
1/
0 qm,2 = qm,1 qm,1 = 1
1/
2
qm,2 ³ 0
2/
2/
(c)
(d)
2、稳定流动系统的特性 ⑴稳定流动系统的连续性 通过上述分析，欲使流动系统中指定截面上的物理量均为常数，系 统中必须充满流体、无空隙（即无积累空间）。用数学语言来描述就是 系统中的流体质点应处于连续状态。对此特性则称为稳定流动系统的连 续性。 由于稳定流动系统中充满稳定流体且无空隙，故单位时间内输入系 统的物料量应等于输出系统的物料量。可用代数式表达为：
化 工 原 理
流体流动与传热分册电子教材 安徽理工大学 张洪流
绪
一、本课程的起源与发展
论
化学工业是国民经济的支柱产业，化工产品涉及到人们的衣、食、 住、行等各个领域，其产值是衡量国民经济发展水平的重要标志之一。 以化学方法为核心将原料加工成产品的生产过程统称为化工生产过 程，其特点是所用原料广泛、产品品种繁杂、性质各异。本课程则是随 着化学工业的发展而形成的。
• 稳定系统（又称定态系统、定常系统）－－系统中物理量仅随位置变 化，即指定位置的物理量为常数。对连续生产过程，在正常操作状态 下系统可近似为稳定系统。
• 不稳定系统（又称非定态系统、非定常系统）－－系统中物理量不仅 随位置变化且随时间变化。对连续生产过程在生产的开停车及事故恢 复期则属于此类。
qm ,1 1
同一化工产品的生产过程中可包含多个相同的单元操作。
同种单元操作用于不同的生产过程基本原理相同，进行操作的设备可 以通用。
单元操作的分类
单元操作按其理论基础可分为下列三类： （1）动量传递过程 相关的单元操作有流体输送、搅拌、沉降、过滤等。 （2）热量传递过程 相关的单元操作有热交换、蒸发等。 （3）质量传递过程 相关的单元操作有吸收、蒸馏、萃取、吸附、膜分 离、干燥等。
人们将这些在化工生产过程中广泛采用的物理操作过程 统称为化工单元操作，简称单元操作。
引入单元操作的意义及特点
将若干单元操作与化学反应过程有机组合即可构成产品的生产工艺流 程。因此对化工产品的研发可分别从化学反应及单元操作这两方面来 同时进行，从而缩短研究周期，有利于化学工业的快速发展。
单元操作在生产流程中起到为化学反应提供必要的反应条件、进行原 料预处理及粗产品提纯等作用。
四、常用基本概念
稳定流动与不稳定流动系统 物料衡算 能量衡算 平衡与过程速率 经验公式 可行性分析
（一）稳定流动系统与不稳定流动系统 1、稳定流动系统与不稳定流动系统的概念 工程上习惯将研究的对象称为系统。系统中的物料多为气体或液体， 因其具有流动性，故统称为流体。系统中的流体处于流动状态时称为流动 系统。由于液体的密度随压强的变化很小，故称为不可压缩流体；而气体 的密度随压强的变化较大，称为可压缩流体。
人们在通过对众多化工产品的生产工艺研究发现，任一化工产品的 生产过程都由以下两部分构成：
化学反应过程（核心）
物理操作过程
以合成氨为例，氨合成反应方程式为
N 2 + 3H 2
N2、H 2
压缩机
高温、高压 催化剂
2 NH 3 + Q
加热器 冷却器 液氨罐 合成塔 中间冷却器
油分
循环机
氨分离器
流程中除合成塔以外，其它设备中的过程皆为物理过程。 虽然化工产品的种类有成千上万种，但生产过程中使用的物理操作过 程却不超过十多个。如流体输送、沉降、过滤、搅拌、热交换、蒸发、结 晶、吸收、蒸馏、萃取、吸附与脱附、浸取、膜分离、干燥等。
3、课程任务 《化工原理》课程是化工类一切专业以及过程装备与控制、石油加 工、矿物加工、林产加工、食品工程、生物工程、制药工程、材料工程、 环境工程以及纺织染整等专业的必修课程之一。学习流体流动与传热分 册的主要任务是： 了解、掌握二传理论，即流体流动与传热的基本理论；
掌握相关单元操作典型设备的构造、操作原理、工艺计算、设
二、 本课程性质、内容及任务
1、本课程性质 本课程是研究单元操作理论及典型设备的课程，在化工行业素有 “万精油”之美称。是工科化工类一切专业以及过程装备与控制、石油 加工、矿物加工、食品工程、生物工程、制药工程、环境工程、纺织染 整等专业的一门重要的专业基础课程。由于单元操作理论在上述各专业 课程的教学中将被作为重要基础知识反复应用。因此，本课程也是上述 专业的“平台课程”。 先修课程：高等数学、普通物理、物理化学、工程力学等。 2、课程内容 主要介绍流体流动过程（即动量传递部分）与传热过程（即热量传 递部分）相关基本理论和单元操作。研究流体流动的基本规律及工业应 用，研究传热学基本规律及工业应用；了解、掌握相关单元操作过程的 工艺计算，典型设备的构造、操作原理、调试与控制、设备选用及设计 等。