化工原理ppt

该生产过程的核心是化学反应过程，为使化学 反应经济有效的进行，反应前物料要达到一定纯 度,即需要进行前处理;反应器内必须保持最佳反 应条件（压强、温度）;反应后还要进行后处理， 使产物与反应物分开、产物精制。前、后处理中， 绝大多数过程是纯物理过程。
化工生产过程：是由若干化学反应和物理操作 绪论 串联的生产过程。
3.本课程的内容，特点及学习方法
内容：以“三传”--流体流动过程（动量传递）； 传热过程（热量传递）；传质过程（质量传递） 为核心和主线，讲述单元操作的基本原理，典 型设备的结构原理，操作性能和设计计算。 教学环节：理论课教学，实验，课程设计
特点：内容多，范围广，难度大。
学习方法：重点掌握基本概念，基本原理和基本 计算。
导出单位：力 （ N）； 压强 Pa（N/m2）； 功 ，能，热（ J）；功率（ W）
5.传递过程 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元操作，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）
A
表压强= 绝对压强－大气压强
当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时， 用真空表进行测量。真空表的读数表示被测 流体的绝对压强低于当地大气压强的数值， 称为真空度，即：
B
真空度＝大气压强－绝对压强 = －表压强
1.2.2 流体静力学基本方程
流体静力学方程研究处于 相对静止的流体在重力和压 力作用下，处于平衡状态的 规律。 ①作用于薄层下底 的总压力 pA； ②作用于薄层上底的总压力 (p+dp)A； ③向下作用的重力ρgAdz。
例：用乙炔和氯化氢生产聚氯乙烯塑料
（反应热） （反应热）
乙炔 提纯 氯化氢 提纯
单体合成
单体精制
（压缩，冷凝）
聚合
脱水干燥
在各种化工生产过程中，除化学反应外的其余 物理操作称为单元操作(Unit Operation)：流体的 流动与输送，沉降，过滤，搅拌，压缩，传热， 蒸发，结晶，干燥，精馏，吸收，萃取，冷冻等。 化工原理：是研究这些单元操作的基础学科，是 各个单元操作的综合和集成。
浓度差 吸收速率 传质阻力
化工原理（1）
第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 流体流动 流体输送机械 非均相物系的分离和固体流态化 传热 蒸发
第 1 章 流体流动
概述
液体和气体都具有流动性，通常总称为流体。
在化工和食品生产过程中，所处理的原料、半成品、产品 以及辅助材料大多数以流体的状态存在。流体的流动和
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。
6.物料衡算与能量衡算 1) 物料衡算 根据质量守恒定律而进行的质量平衡计算。 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：
(2)流体压强，流量和流速的测量
(3)强化设备：为强化其他单元操作（设备） 提供适宜条件
1.1
流体的物理性质
1.1.1流体的物理性质与作用力 1 ) 流 体 特 征：易流动，无固定形状 气体：气体分子间距大，相互作用力小，无一定自由表面和体积，
充满整个容器。在外力作用或温度变化时，体积改变较大，一般不能忽 略（可压缩和膨胀性），称之为
当流体处于静止状态时：
pA－(p+dp)A－ρgAdz=0 dp+ρgdz＝0
dp+ρgdz＝0
若密度ρ为常数，则上式积分得：p/ρ+gz=常数 若积分的上、下限取高度为z1和z2的二个平面， 而 作用于这二个平面的压强分别为p1和p2，则得：
(p2－ p1)/ ρg = z1－ z2 或 p2＝ p1+ρg(z1－ z2)
3. 理想流体
• 理想流体: 粘度为零的流体
du dy
无屈服应力
• 牛顿流体： 服从牛顿粘性定律的流体 • 非牛顿流体：不服从牛顿粘性定律的流体 4. 非牛顿流体简介 非牛顿流体 粘弹性流体 粘性流体
与时间有关 触变性流体 流凝性流体
与时间无关 有屈服应力
无屈服应力：假塑性流体，涨塑性流体 有屈服应力：宾汉塑性流体
GI Go GA
输入物料的总和 输出物料的总和 积累物料量
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。
Q Q
I
QL o
向系统周围 散失的热量， kJ或kW
随物料进入 随物料离开 系统的总热量， 系统的总热量， kJ或kW kJ或kW
p2
(p2－ p1)/ ρg = z1－ z2=h
1.2.3 流体静力学方程的应用 1.压强与压强差的测量 1）U形管压差计
（不互溶指示液，ρ 0>ρ ）
pa=pb pa=p1+hρ g+Rρ g pb=p2+hρ g+Rρ 0g
p1-p2= g R(ρ 0-ρ )
输送既是一个单元操作，又与其他各种单元 操作密切相关。
水、空气、水蒸气 典型流体 牛顿流体（流体力学规律） 牛奶、果汁、盐水 稀薄流体 蜂蜜、脂肪、果酱 稠厚流体 非牛顿流体（流变学规律）
应用流体流动的基本原理和规律可以解决 如下工程问题：
(1)流体输送：流体流速u，管道直径d，输送
设备选择、操作及其功率计算
食品加工的科学化和工程化的标志---单元操作 的引入和应用。 食品工程是在化学工程基础上发展起来的一个 新领域---相同的理论基础和单元操作。 奶粉生产工艺：各个单元操作串联操作的生产过程
牛奶 预热杀菌 真空浓缩
过滤
喷雾干燥
化工原理 ←→ 食品工程原理
生物化工原料的某些成分如蛋白质、酶之 类都是生物活性物质，在加工过程中会引起 变性、钝化或破坏。热敏性和氧化变质及易 腐性是动、植物原料的共有特点。
lat＝lkgf/cm2＝735.6mmHg＝10mH2O ＝0.981bar＝9.81×104 Pa
2) 压强表示:按度量压强的基准（零点）
绝对压强：以绝对零压（真空）为基准（真实压强） 表压强和真空度：以大气压为基准
当被测流体的绝对压强大于外界大气压强 时，所用的测压仪表称为压强表。压强表上 的读数表示被测流体的绝对压强比大气压强 高出的数值，即：
u F S y
u F S y
牛顿粘性定律：
F u S y
τ—剪应力，N／m2 F—剪力，N S—流体层间的接触面积，m2 du/dy—法向速度梯度，1／s μ—比例系数，称为粘性系数或动力粘度，简 称粘度
du dy
2.流体的粘度


du dy
粘度的物理意义: 促使流体产生单位 速度梯度的剪应力
2.本课程的性质与任务
本课程是在高等数学、物理学及物理化学、 化学等课程的基础上开设的一门专业基础课程， 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。 本课程作为化学工程学的一个基础组成部分， 是化工、生物、制药、食品等专业的主干课程之 一（学科基础课），其在基础课和专业课之间， 起着承上启下，由“理”过渡到“工”的桥梁作 用。
7.平衡关系与过程速率 1) 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，传热的 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。
2) 过程速率
过程推动力 过程阻力R
压强差 流动速率 流动阻力 温度差 传热速率 传热阻力
即：
p=P/A
式中 p——静压强，N/m2或Pa（帕） P——垂直作用于流体表面的压力，N A——作用面的表面积，m2
工程领域还采用一些其他单位，如atm(标准 大气压)、某液柱高度、bar(巴)或kgf/cm2、工程 大气压(at)等。它们之间的换算关系为：
latm=1.033kgf/cm2＝760mmHg=10.33mH2O ＝1.0133bar＝1.0133×105 Pa
单位质量流体所具有的体积 称为比容υ （m3／kg）
υ =V/m
气体密度随温度，压力的改变有较大 变化，通常在温度不太低，压力不太高 的情况下，可用理想气体方程式计算：
pM ' T p ＝ ' RT Tp
式中： p——气体的绝对压强，Pa M——气体的摩尔质量，kg／mol R——通用气体常数，8.315J／(mol· K) T——气体的热力学温度，K
4.单位制与单位换算
1）基本量，导出量 （物理量） 任何物理量均可由几个彼此独立的基本量表 示其性质和特征。
基本量：长度 [L] m ；质量 [m] kg ；时间 [t] s ；温度 [T] K 导出量：如速度 u=L/t m/s
2 ）单位制（基本单位与导出单位的总和）
（1）绝对单位制（cgs制）：力，达因，dyn （2）工程单位制：力，公斤（力）, kg(f ) （3）国际单位制（SI）：力，牛顿，N
'
1.1.2 流体的粘度 1.牛顿粘性定律 流体流动时存在内摩擦力，流体流动时必 须克服内摩擦力作功。这种内摩擦力就是一种 平行于流体微元表面的表面力，通常又称作剪 切力。 当各流体层速度不同时，层与层之间会发生 相对运动和相互作用力。流体的这种内部相邻 层间相互作用力就是流体内部的内摩擦力或粘 滞力。单位面积上的内摩擦力就是剪应力。
塑性流体（污水泥浆，巧克力浆） τ= τ y +μdu/dy 牛顿流体（所有气体，大多数液体） τ= μdu/dy