化工原理第一讲

•1).根据状态方程计算
PV P' V' p m P' m' T T' T T' PT ' 即： ' P' T
2).根据标准状态计算
上标“′”表查的状 态 无上标表操作状态
p m P0 V0 PV P0 V0 T T0 T T0 M PT0 即： 22 .4 P0 T
下标“0”表标准状 态 无下标表操作状态
3).根据操作状态计算 PV nRT P m m RT
M 即： PM RT
2 气体混合物的平均密度
•对理想气体，各组分混合前后质量不变，则1m3混 合液体的质量等于各组分单独存在时的质量之和。 即混合气体的密度ρm可按下式计算： •ρm=Σyiρi •式中：yi－组分i在混合物中的体积分率(质量分率)； • ρi－组分i单独存在时密度，kg/m3。 仿照纯气体密度的计算：
4 热量衡算 遵循能量守恒定律
•热量衡算通式： ΣQi=ΣQo+QＬ • Σ(wH) i=Σ(wH)o+QＬ •1物料所具有的热量由显热与潜热两部分组成， 称为焓(H，kJ/kg)。焓值为一相对值，且与状态 有关，所以热量衡算时必须规定基准温度和基准 状态，通常基准选273K液态(即此时H＝０)。 •2热量除了伴随物料进出系统外，还可通过设备 外壳、管壁由系统向外界散失或由外界传入系统， 只要系统与外界存在温度差，就有热量的散失或 传入，称热损失QL。
• 3.划范围：其边界要与待计算的物流相交 • 4.列算式：
– 总物料衡算式，1个 – 某组分物料衡算式，N-1个
物料衡算举例
• 例0-1:已知原料液流量为1000kg/h，含20％KNO3，进入蒸 发器，蒸出水分W kg/h，浓缩液为S kg/h，含KNO350％ 进入结晶器，结晶产品为P kg/h，含96％KNO3，循环母 液R kg/h，含37.5％KNO3，回到蒸发器再循环，求 W,S,P,R各为多少kg/h？ W 解：1.绘简图： kg/h
式中：Mm－混合物平均分子量，g/kmol。
M m PT0 22.4 P0T
Mm=∑Miyi
Mi－组分i的分子量，kg/kmol； yi－组分i的摩尔分率。
3.纯液体的密度 液体的密度一般只随温度而变化，压力的影响可忽略不计。 纯液体的密度可从有关手册中查取。 4 液体混合物的平均密度 对理想溶液，各组分混合前后体积不变，则1kg混合液体的 体积等于各组分单独存在时的体积之和。即混合液体的密 度ρm可按下式计算： 1/ρm=Σai/ρi 式中：ai－组分i在混合物中的质量分率； ρi－组分i单独存在时密度，kg/m3。
2 ）单位换算
•.物理量：由一种单位换算成另一种单位时，量本身并不变 化，只是数值要变化，换算时要乘或除以两单位间的换算 因数。 •换算因数：如；1m＝100cm，则换算因数为100cm/m 或 0.01m/cm •例0-1：已知1atm=1.033kgf/cm2,试用Pa表示。 •解：查附录1知：1kgf=9.81N, 1cm2=10-4m2 •换算因数：9.81N/kgf, 10-4m2/cm2
热量衡算举例
• 例0-2:在换热器中将平均比热为3.56kJ/(kg.℃)的某种溶液 自25℃加热到80℃，溶液流量为1.0kg/s。加热介质为 120℃的饱和水蒸汽，其消耗量为0.095kg/s，蒸汽冷凝成 同温度的饱和水后排出。试计算换热器的热损失占水蒸 汽所提供热量的百分数。
120℃饱和水蒸汽 0.095kg/s 解：1.绘简图
•1） 单位制 •7个基本量：长度:m；时间:s；质量:kg；电磁强度:A(安 培)；发光强度:cd(烛光)；物质的量:mol(摩尔)；热力学温 度:K。 •2个辅助量：平面角:rad(弧度)；立体角:sr(球面度)。 •特点：1.通用性；2.一贯性。 国际单位制 我国法定计量单位
选定的非国际单位制
• 1.0×3.56×(25-0)+0.095×2708.9=1.0×3.56×(80-0)+0.095×503.67+QL
QL=13.70 kW 水蒸汽提供热量：Q=0.095×(2708.9-503.67)＝209.5 kW
∴热损失百分数＝13.70/209.5=6.54％
本章总结
• 掌握单元操作与化工生产过程的概念
• 掌握物料衡算、热量衡算、单位制与单 位换算 • 了解本课程的性质、任务与内容
第一章 流体流动
• 1.0 概述： • 流体：气体和液体的统称。 • 流体的特性：流动性；无固定形状，随 容器的形状而变化；在外力作用下其内 部发生相对运动。 • 流体流动规律在化工生产中的应用： – 解决流体的输送问题； – 压力、流速、流量的测量； – 为强化设备能力提供适宜的条件。
1.46 10 T D P T 441 式中：D－扩散系数，ft2/h； P－压强，atm； T－兰氏温度，oR。 试将式中各符号单位换算成 D:m2/s；P:Pa；T:K
4
5 2
3 物料衡算
遵循质量守恒定律
•通式：ΣGi＝ΣGo+GA
•适用于：1.任何指定的空间范围；
•2.过程所涉及的全部变化：
1.1 流体的物理性质 1.1.1 流体的密度
•定义：单位体积流体所具有的质量称为密度， 用ρ表示，单位kg/m３。其表达式：
m V 密度为流体的物性参数，随温度、压力而变化。 1.纯气体的密度 •气体的密度与温度和压力有关。一般当压力不太高、温 度不太低的情况下，可按理想气体处理。这样，纯气体 的密度计算公式为：
2、流体的黏度 实验证明，对于一定的液体，内摩擦力F与两流体层的 速度差△u成正比，与两层之间的垂直距离△y成反比, 与两层间的接触面积S成正比,即: F∝S△u/△y τ= F/ S=µ△u/△y
kgf 9.81N / kgf 1atm 1.033 2 cm 10 4 m 2 / cm2 1.0133 105 N / m 2 1.0133 10 5 Pa
3）经验公式(数字公式)
• 借助实验或半实验、半理论的方法处理得到的公式。它 只反映各有关物理量之间的数字关系，每个符号只代表 物理量的数字部分，而这些数字又与特定单位对应。因 此，使用经验公式时，各物理量必须采用指定单位。 • 经验公式的单位换算，也可采用换算因数将规定单位换 算成所要求单位。 • 例0-2:水蒸汽在空气中扩散系数为：
•单元操作特点： •1）.都是物理操作。 •2）.都是化工生产过程中共有的操作。 •3）.用于不同化工生产过程的同一单元操作，其原理相 同，所用设备亦通用。 化工单元操作的目的是：
①物料的输送；
②物料物理状态的改变； ③混合物料的分离。 三传理论：动量；热量；质量 一反：化学反应
2 单位制与单位换算
1000kg/h 20％KNO3
蒸发器
结晶器
• 4.列算式： • 方框I：总物料：1000=W+P • KNO3组分:1000×0.2=W×0+P×0.96
W=791.7 kg/h P=208.3 kg/h S=974.8 kg/h R=766.5 kg/h
方框II：总物料：S=P+R KNO3组分:S×0.5=P×0.96+R×0.375
1.1.2 流体的粘性和理想流体
1 牛顿粘性定律
•流体具有的特性：一方面，具有流动性，即无固定形状， 在外力作用下其内部产生相对运动。另一方面，在运动的 状态下，流体还具有抗拒内在向前运动的特性，称为粘性。 这两方面是互为矛盾的两方面。 •粘性的存在使得流体流过固体壁面时，对壁面有粘附力作 用，因而形成了一层静止的流体层。同时由于流体内部分 子间的相互作用，静止的流体层对与其相邻的流体层的流 动有着约束作用，使其流速变慢，这种约束作用随壁面远 离而减弱，这种流速的差异造成了流体内部各层之间的相 对运动。
–无化学变化；混合物任一组分都符合此通式； –有化学变化：各元素符合此通式；
•3.间歇、连续操作：
–间歇操作： GA≠0
–连续操作： GA＝0
物料衡算的步骤：
• 1.绘简图：方框表设备，箭头表输入输出物流 方向，箭头旁注明条件。 • 2.定基准：
– 间歇操作：以一批物料为基准； – 连续操作：以单位时间为基准。
化工原理 （上）
绪论 1本课程的性质和内容
•1)性质：化工原理是在高等数学、物理学、物理化学等课 程的基础上开设的一门技术基础课程，属工程学科，具有 工程性和实用性,应用范围广。
2）内容：把原材料加工成有价值产品的过程。 一个化工生产过程所包括的步骤分为两类： 一是化学反应过程 二是单元操作过程：化工生产中基本的物理处理过程。
25℃溶液 1.0kg/s
换热器
80℃溶液 1.0kg/s
120℃饱和水 0.095kg/s
2.定基准：1s，0℃，液体 3.划范围：以换热器为衡算范围
120℃饱和水蒸汽 0.095kg/s 25℃溶液 1.0kg/s 80℃溶液 1.0kg/s 120℃饱和水 0.095kg/s
换热器
• 4.列算式：查附录九：120℃饱和水蒸汽H=2708.9kJ/kg， 120℃饱和水H=503.67kJ/kg，则：
1000kg/h 20％KNO3
蒸发器
III S kg/h 50％KNO3 R kg/h 37.5％KNO3
结晶器
Hale Waihona Puke Baidu
II P kg/h 96％KNO3
I
2.定基准：1h
3.划范围：范围I，II，III见图
W kg/h
III S kg/h 50％KNO3 R kg/h 37.5％KNO3 II P kg/h 96％KNO3 I