化工原理讲义-环工教材

四、四个基本概念
1.物料衡算——依据“质量守恒”定律
总物料衡算式：
∑GI = ∑ G0 + GA
GI——输入 G0——输出
GA——累积
任一组分：
GI = G0 + GA
若过程中累积的物料量GA为零，称之为稳定操作：
∑GI = ∑ G0
物料衡算的步骤：
（1）画出过程示意图 （2）确定衡算范围与基准
（3）列出衡算式并求解
化工原理绪论课
一、化学工程学科的发展
20世纪初 化工生产工艺研究 20年代
方法原始
单元操作 第一次飞跃
30年代
60年代末期
相似模拟法 数学模拟法
化学工程学科 形成完整体系
50年代
三传一反
第二次飞跃
单元操作 反传应递工工程程 化工系统工程 化工过程控制理论
• 现代科学技术特点：知识相互渗透 相互交叉、高度综合
载热体的选择条件： （1）要求温度 （2 ) T调节难易 （3）毒性，腐蚀性大小，价格，来源
1.热传二导 .传热的基本方式：
分子、原子或自由电子振动并与相邻分子碰撞， 传递振动能。
热传导中物体分子不发生相对位移,也没有物 体的宏观位移。
2.对流传热 流体的宏观运动引起的热量传递，只存在于宏观
运动的流体（气体或液体）中。 (1)自然对流：各处温度不同, ρ不同 (2)强制对流：泵，鼓风机或搅拌等外力引起的流体质
3.平衡关系
定义：若组成不同的两相互相接触，则各组分
将在两相间进行传递，直到每一组分在两相的 传递速率相等，两相的组成不再发生变化。
实际应用
①由平衡关系可以揭示出过程的方向和限度 ②考察外界参数（如P，T）对平衡的影响，
确定适宜的操作条件
4.过程速率
过程速率
过程推动力 过程阻力
化工过程的推动力：压强差、温度差、浓度差
（1） 通常规定0℃的液态的焓为零 （2）总焓值 = 显热 + 潜热
解：实际是用饱和水蒸气变为饱和水的相变热，使某种 溶液的温度升高
∑(WI)I = ∑(WI)0 + QL WI溶CPΔTI + WI蒸I蒸 = W0CPΔT0 +W0水I水 + QL 解得：QL = 13.7 KW
热量损失百分率 = 6.54%
去除SO2氨-硫铵法工艺流程
◆基本要求
(1) 掌握各单元操作的基本原理和典型设备的构造及 操作特性，会设备选型。
(2) 会进行单元操作过程的计算和典型设备的设计， 学会利用计算机辅助设计。
(3) 会进行各类化工过程分析，对典型的化工设备应具 有操作、管理和调节生产过程的能力
(4) 应具有过程开发和科学研究的能力。
物理操作——只改变物料的状态或其物理性质，不改
变其化学性质的操作。
合成氨生产流程示意图
高压聚乙烯的生产流程示意图
◆研究方法
三、课程的主要内容与基本要求
◆主要内容
(1) 流体流动过程（动量传递）
研究流体流动的基本规律以及受这些基本规律支配的单元操 作（流体流动、流体输送机械、搅拌、沉降及过滤等）。
点位移
3.热辐射
物体（固体或流体）在自身温度大于0K时， 将本身具有的热量通过电磁波的方式四周传播。
管路热损失的计算
• 为减少热损失，在外径150mm的饱和蒸汽管 处覆盖厚度为100mm的保温层，保温层的导热 系数 =0.103+0.000198t（式中t单位为 C ）。 已知饱和蒸汽温度为180 C，并测得保温层中 央即厚度为50mm处的温度为100 C ，试求：
1.由于热损失每米管长的蒸汽冷凝量为多少？ 2.保温层的外侧温度为多少？
解： （1）
Q t1 t2
t1 t2
/ Am /( A2 A1 )
ln A2
t1 t2
2l(t1 t2 )
/( 2l(r2 r1 ))
l源自文库 r2
ln r2
r1
A1
r1
Q l
2 (t1 t2 )
ln r2
m
0.103
r1
0.000198tm
0.103
0.000198 t1
t2 2
0.103 0.000198180 100 0.13W /(mC) 2
Q l
2 3.14 0.13 (180 100) 128.6W / m
ln 0.25
0.15
由 附 录 查 得 180°C 饱 和 蒸 汽 的 汽 化 热 r=2.019106J/kg，每米管长的冷凝量为：
(2) 传热过程（热量传递）
研究传热的基本规律以及受这些规律支配的单元操作（加热、 冷却、冷凝、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及受这些规律支配的 单元操作（精馏、吸收、吸附、膜分离等）。 (4)同时遵循热量传递、质量传递的过程 气体的增湿与减湿、结晶、干燥等单元操作。
例如：
传热速率
温度差 热阻
t R
20世纪发明的七大技术
• 信息技术 • 化学合成及分离技术 • 航空航天和导弹技术 • 核科学及核武器技术 • 生物技术 • 纳米技术 • 激光技术
载热体——提供或带走热量的流体 （1） 加热剂：
烟道气，空气，水蒸气，水，油， 联苯混合物，溶盐，液态金属等 （2）冷却剂： 空气，水，冷冻盐水，氨，氟里昂等
解得： R = 766.6 kg/h S = 974.9 kg/h
2.能量衡算——依据“能量守恒”定 律
或写成：
∑QI = ∑ Q0 + QL
∑(WI)I = ∑(WI)0 + QL ∑：指多股物流而言
W：物料的质量，连续过程：kg/s；间歇过程：kg
I：单位质量物料的焓值 kJ/kg
注意两个问题：
解：i）求W、P（衡算范围：红笔框）
总物衡： 1000 = W + P
KNO3： 1000×0.2 = W×0 + P（1-0.04） 解得： P = 208.3 kg/h， W = 791.7 kg/h
ii）求R、S
总物衡： S = R + P = R + 208.3
KNO3 ： 0.04）
S×0.5 = R×0.375 + 208.3× （ 1-
• 新兴学科：生命科学、环境科学 能源科学、材料科学等
• 新的分支与生长点：分子化学工程 生物化学工程 环境化学工程 能源化学工程
二、 课程的性质、研究对象与研究方法
◆ 课程性质：在数学、物理、物化等课程基础上开设的 一门技术基础课，是化工、轻工、环保等专业的一门 主干课。
◆ 研究对象：化工生产中通用物理操作的共同规律和典 型设备。