(完整版)化工原理课件(天大版)
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质量衡算与能量衡算的异同点:
同:都须划定衡算的范围和时间基准。
异:1) 热量衡算须选择物态和温度基准,这是因为物料所含 热量(焓)是温度和物态的函数。液态物质的温度基准常取 273K。
2) 对于有化学反应的系统,须考虑反应物、生成物的差异, 因为既使同温,若浓度不同,则它们的焓值及反应热亦不同。
3)热量除随物料输入/出外,还可通过热量传递的方式输入/ 出系统。
0 绪论 1 流体流动
2 流体输送机械 3 非均相物系的分
离和固体流态化 4 传热
5 蒸馏 6 吸收 7 蒸馏和吸收塔设备 8 液-液萃取 9 干燥
返回 2 03:06:50
0 绪论
0.1 化工生产与单元操作 0.2 单位制与单位换算 0.3 物料衡算与能量衡算
返回 3 03:06:50
0 绪论
返回 28 03:06:49
2. 本章主要研究内容:
1.流体流动规律(主要管内)—流体动力学; 2.静止流体的规律—流体静力学; 3.流体静力学在测量压强、流速(量)、液位及保持
设备内压强(>或<常压)方面的应用 流体流动规律在流体输送及传热/质方面的应用在 以后各章具体介绍。
※ 流体流动的研究方法:
以 F = 1000 kg/h 的流量送入蒸发器,在422K下蒸发 出部分水得到50%的浓KNO3溶液。然后送入冷却结晶器, 在311K下结晶,得到含水0.04 的KNO3结晶和含KNO3 0.375的饱和溶液。前者作为产品取出, 后者循环回到 蒸发器。过程为稳定操作,试计算KNO3结晶产品量P、 水分蒸发量W和循环的饱和溶液量R。
返回 21 03:06:50
热量衡算的依据是能量守恒定律,即:
QI = QO + QL + QA 式中下标符号的意义:
I: 进入 O: 离开 L: 散失 A: 积累
例3 (P8 例 0-5)
120℃饱和水蒸气 0.095kg/s
QL=?
25℃溶液 1.0kg/s
80℃溶液 1.0kg/s
溶液的平均比热为3.56kJ/(kg.℃)
版权所有,未经授权禁止复制或建立镜像。谢谢!
返回 26 03:06:51
1.1 流体的物理性质 1.2 流体静力学基本方程 1.3 流体流动的基本方程 1.4 流体流动现象 1.5 流体在管内的流动阻力 1.6 管路计算 1.7 流量的测量
返回 27 03:06:50
1. 研究流体流动问题的重要性
化工生产过程中,流体(液体、气体)的流动 是各种单元操作中普遍存在的现象。如:
传热 — 冷、热两流体间的热量传递; 传质 — 物料流间的质量传递。 流体流动的强度对热和质的传递影响很大。 强化设备的传热和传质过程需要首先研究流体的流动 条件和规律。 因此,流体流动成为各章都要研究的内容。流体 流动的基本原理和规律是“化工原理” 的重要基础。
则:热衡式:WCpT3 d = WCpTd+ GCpdT
化简得:W(T3-T) d = GdT
积分有:
2 d G 80 dT 20 ln 100 20 3.47h
1
W 20 T3 T 8 100 80
返回 25 03:06:50
第一章 流体流动
Flow of Fluid
基本单位:7个,化工中常用有5 个,即长度(米),质量(千 克),时间(秒),温度(K), 物质的量(摩尔)
➢ 物理单位 基本单位:长度(厘米cm),质 制(CGS制) 量(克g),时间(秒s)
➢ 工程单 位制
基本单位:长度(米),重量或力 (千克力kgf),时间(秒)
我国法定单位制为国际单位制(即SI制) 返回 11
但前者涉及4个量,后者仅3个量1个已知,因此宜以结 晶器为衡算范围。
总物衡式: S=R+P
即:S = R + 208.3 返回 18
03:06:50
KNO3组分物衡: 0.5S = 0.375R + 0.96P
两式联立解得:
R=766.6 kg/h
例2:非稳态时的物料衡算 (P6例 0-4) 用1.5m3/s送
磺化器 静电除雾器
碱洗塔
(反应)
(分离)
液体磺酸
(化学吸收)
布袋除尘
大
NaOH
反应器
气
其它液、 固计量
配料缸
喷雾干燥 塔
(干燥)
旋转混 合器
包装
返回 8 03:06:50
单元操作的研究内容与方向:
研究内容 研究方向
单元操作的基本原理; 单元操作典型设备的结构; 单元操作设备选型设计计算。 设备的改进及强化; 高效率、低能耗、环保; 开发新的单元操作; 单元操作集成工艺与技术。
(1)物料衡算(质量衡算)
物料衡算反映原料、产品、损失等各种物料流股间 量(质量/摩尔流量)的关系。
返回 14 03:06:50
物料衡算可以表示为:
GI = GO + GA (0-2)
输入的各 输出的各 设备内积累
种物料 种物料
的各种物料
此式为总物料衡算式,也适用
D,xD
于物料中的某个组分。如精馏:
1.5m3/s v=v%
风量将罐内有机气体由6%
吹扫至0.1%(体积),求所需
时间。
解:∵罐内气体浓度随时 间变化,∴用微分衡算。
1.5m3/s v=0%
4m
H=10m
返回 19 03:06:50
在d时间内,对有机气体的“体积”作衡算:
根据 GI=GO+GA,有
1.5 m3/s 空气0d =1.5 m3/s有机气 vd +
从工程实际情况出发,流动规律的研究采用宏观方 法,主要研究流体的宏观运动规律。因此将流体视为 “连续介质”—无数微团(或称质点)组成,其间无间 隙、完全充满所占据的空间。★ 高真空状态除外!
返回 29 03:06:50
3.流体在流动中受到的力
a.体积力—作用于每个质点上的力,与流体质量成 正比。对于质量均匀的流体则与体积成正比。重力 和离心力是两个典型的体积力。 b.表面力—作用于流体质点表面的力,与表面积成 正比。表面力一般分为两类:一为垂直于表面的力称 压力,一为平行于表面的力称剪力。
化工原理
Principles of Chemical Engineering
使用教材: 姚玉英主编,化工原理,天津大学出版社,1999 参考教材: 陈敏恒主编,化工原理,化学工业出版社,2002 蒋维钧主编,化工原理,清华大学出版社,1993
版权所有,未经授权禁止复制或建立镜像。谢谢!
返回 1 03:06:51
GI=GO+GA
返回 17 03:06:50
KNO3 组分的物料衡算: F20% = W 0% + P (100 - 4) %
1000 20% = 0 + P 96 % 则:P = 208.3 kg/h 2.水分蒸发量W (物衡范围同1.) 总物料衡算式: F = W + P 则:W = F-P = 1000-208.3 = 791.7 kg/h 3.循环的饱和溶液量R 此时以蒸发器或冷却结晶器划定为物衡范围均可,
4 1.5
0.06 v
0.06
83.73 ln 0.06 342.8s 0.001
返回 20 03:06:50
(2)能量衡算 能量有很多种,如机械能、热能、电能、磁能、化学
能、原子能、声能、光能等。
化工过程中主要涉及物料的温度与热量的变化,因此:
热量衡算是化工中最常用的能量衡算。
Baidu Nhomakorabea
D 2 Hdv
4
d 内 加 入 的 有 机气体量
d 内 排 出 的 有 机气体量
d 内 罐 内 浓 度 改变量
整理并积分:
2 d D2H 0.001 dv
1
4 1.5
0.06 v
|
42 10
0.001 dv
0.001
83.73(ln v )
返回 30 03:06:50
4. 流体的特征
具有流动性; 无固定形状,随容器形状而变化; 受外力作用时内部产生相对运动。
不可压缩流体:流体的体积不随压力变化而变化, 如液体;
可压缩性流体:流体的体积随压力发生变化, 如气体。 返回 31
返回 9 03:06:50
0.2 单位制与单位换算
一、基本单位与导出单位
基本单位:选择几个独立的物理量,以使用方便 为原则规定出它们的单位;
导出单位:根据其本身的意义,由有关基本单 位组合而成。 单位制度的不同,在于所规定的基本单位及单位 大小不同。
返回 10 03:06:49
二、常用单位制
➢ 国际单位 制(SI制)
Q1 = 0.095×2708.9 = 257.3 kw Q2 = 1 ×3.56 ×(25 -0) = 89 kw Q3 = 0.095 ×503.67 = 47.8 kw Q4 = 1 ×3.56 ×(80 -0) = 284.8 kw
即: 257.3 89 47.8 284.4 QL
03:06:49
三、单位换算
物理量的单位换算 换算因数:同一物理量,若单位不同其数值就不 同,二者包括单位在内的比值称为换算因数。
(附录二)
经验公式的单位换算
经验公式是根据实验数据整理而成的,式中各符 号只代表物理量的数字部分,其单位必须采用指 定单位。
返回 12 03:06:50
0.3 物料衡算与能量衡算
120℃饱和水 0.095kg/s
求:换热器热损失QL占水蒸气提供热量的百分数?
返回 22 03:06:50
解: 如图虚线为衡算范围
稳定操作无积累QA=0,则有 QI=QO+QL 即蒸汽带入Q1 + 溶液带入Q2 = 凝液带出Q3 + 溶液带出Q4 + QL
查 P357 附 录 九 : 120℃ 水 蒸 气 焓 值 为 2708.9kJ/kg , 120℃饱和水焓值为503.6kJ/kg。
(1)遵循流体动力学基本规律的单元操作:包括 流体输送、沉降、过滤、固体流态化等;
(2)遵循热量传递基本规律的单元操作:包括加 热、冷却、冷凝、蒸发等;
(3)遵循质量传递基本规律的单元操作:包括蒸 馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等; 返回 7
03:06:50
洗衣粉的工艺流程
净气放空
燃硫
转化塔
气
解:首先根据题意画出过程的物料流程图
返回 16 03:06:50
F=1000 20%
W, 0.0%
蒸发器 422K
S 50%
冷却结晶器 311K
R, 37.5%
P 1-0.04
解题思路:题求三个量,如何列物料衡算式。
首先考虑划定适宜的物衡范围以利于解题。
1.求KNO3结晶产品量P
按虚线框作为物料衡算范围,只涉及两个未知量。
0.1 化工原理课程的性质和基本内容 1. 化工生产过程
原料预处理
物理过程 单元操作
化学反应
化学反应过程 反应器
产物后处理
物理过程 单元操作
返回 4 03:06:51
返回 5 03:06:50
返回 6 03:06:50
2 . 单元操作(Unit Operation) 单元操作按其遵循的基本规律分类:
G=20t
送回罐内,罐内的油均匀混合。问:重油从T1升至 T2=80℃需要多少时间,假设罐与外界绝热(QL=0)。
解:∵非稳态,∴有QA项,以罐为物衡范围, 1h为时间基准,0℃为温度基准。
返回 24 03:06:50
在d时间内:
输入系统重油的焓 = WCpT3 d 输出系统重油的焓 = WCpTd 系统内积累的焓 = GCpdT
13.7
QL 13.7kW
热损失:
100% 6.54%
257.3 47.8
返回 23 03:06:50
例4 非稳定热量衡算举例
罐内盛有20t重油,初温
T1=20℃,用外循环加热法 水蒸气
进行加热,重油循环量
W=8t/h。循环重油经加热
冷 凝
器升温至恒定的100℃后又 水
W=8t/h T3=100℃
☆ 稳定操作
以单位时间为基准, 如 : h , min , s 。 参数=f(x,y,z)
非稳定操作
以每批生产周期所用 的时间为基准。参数 =f(x,y,z,)
=0
=
uA恒定
uB 返回 13
03:06:50
dy
dz
三维
dx
微分衡算(非稳态)
衡算
一维
dz
总体衡算(稳态) 其范围可以是某设备的大部分、 全部,或是由几个设备组成的一段生产流程、一 个车间甚至整个工厂。
总流量物料衡算:F=D+W
A组分物料衡算:FxF=DxD+WxW F,xF
(因稳定操作,故无积累一项。)
注意:在有化学反应的情况下,物料 衡算式只适用于任一元素的衡算。
W,xw
返回 15 03:06:50
例1(清华版,P6):稳态时的总物料衡算及组分物料衡算 生产KNO3的过程中,质量分率为0.2的KNO3水溶液,
同:都须划定衡算的范围和时间基准。
异:1) 热量衡算须选择物态和温度基准,这是因为物料所含 热量(焓)是温度和物态的函数。液态物质的温度基准常取 273K。
2) 对于有化学反应的系统,须考虑反应物、生成物的差异, 因为既使同温,若浓度不同,则它们的焓值及反应热亦不同。
3)热量除随物料输入/出外,还可通过热量传递的方式输入/ 出系统。
0 绪论 1 流体流动
2 流体输送机械 3 非均相物系的分
离和固体流态化 4 传热
5 蒸馏 6 吸收 7 蒸馏和吸收塔设备 8 液-液萃取 9 干燥
返回 2 03:06:50
0 绪论
0.1 化工生产与单元操作 0.2 单位制与单位换算 0.3 物料衡算与能量衡算
返回 3 03:06:50
0 绪论
返回 28 03:06:49
2. 本章主要研究内容:
1.流体流动规律(主要管内)—流体动力学; 2.静止流体的规律—流体静力学; 3.流体静力学在测量压强、流速(量)、液位及保持
设备内压强(>或<常压)方面的应用 流体流动规律在流体输送及传热/质方面的应用在 以后各章具体介绍。
※ 流体流动的研究方法:
以 F = 1000 kg/h 的流量送入蒸发器,在422K下蒸发 出部分水得到50%的浓KNO3溶液。然后送入冷却结晶器, 在311K下结晶,得到含水0.04 的KNO3结晶和含KNO3 0.375的饱和溶液。前者作为产品取出, 后者循环回到 蒸发器。过程为稳定操作,试计算KNO3结晶产品量P、 水分蒸发量W和循环的饱和溶液量R。
返回 21 03:06:50
热量衡算的依据是能量守恒定律,即:
QI = QO + QL + QA 式中下标符号的意义:
I: 进入 O: 离开 L: 散失 A: 积累
例3 (P8 例 0-5)
120℃饱和水蒸气 0.095kg/s
QL=?
25℃溶液 1.0kg/s
80℃溶液 1.0kg/s
溶液的平均比热为3.56kJ/(kg.℃)
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返回 26 03:06:51
1.1 流体的物理性质 1.2 流体静力学基本方程 1.3 流体流动的基本方程 1.4 流体流动现象 1.5 流体在管内的流动阻力 1.6 管路计算 1.7 流量的测量
返回 27 03:06:50
1. 研究流体流动问题的重要性
化工生产过程中,流体(液体、气体)的流动 是各种单元操作中普遍存在的现象。如:
传热 — 冷、热两流体间的热量传递; 传质 — 物料流间的质量传递。 流体流动的强度对热和质的传递影响很大。 强化设备的传热和传质过程需要首先研究流体的流动 条件和规律。 因此,流体流动成为各章都要研究的内容。流体 流动的基本原理和规律是“化工原理” 的重要基础。
则:热衡式:WCpT3 d = WCpTd+ GCpdT
化简得:W(T3-T) d = GdT
积分有:
2 d G 80 dT 20 ln 100 20 3.47h
1
W 20 T3 T 8 100 80
返回 25 03:06:50
第一章 流体流动
Flow of Fluid
基本单位:7个,化工中常用有5 个,即长度(米),质量(千 克),时间(秒),温度(K), 物质的量(摩尔)
➢ 物理单位 基本单位:长度(厘米cm),质 制(CGS制) 量(克g),时间(秒s)
➢ 工程单 位制
基本单位:长度(米),重量或力 (千克力kgf),时间(秒)
我国法定单位制为国际单位制(即SI制) 返回 11
但前者涉及4个量,后者仅3个量1个已知,因此宜以结 晶器为衡算范围。
总物衡式: S=R+P
即:S = R + 208.3 返回 18
03:06:50
KNO3组分物衡: 0.5S = 0.375R + 0.96P
两式联立解得:
R=766.6 kg/h
例2:非稳态时的物料衡算 (P6例 0-4) 用1.5m3/s送
磺化器 静电除雾器
碱洗塔
(反应)
(分离)
液体磺酸
(化学吸收)
布袋除尘
大
NaOH
反应器
气
其它液、 固计量
配料缸
喷雾干燥 塔
(干燥)
旋转混 合器
包装
返回 8 03:06:50
单元操作的研究内容与方向:
研究内容 研究方向
单元操作的基本原理; 单元操作典型设备的结构; 单元操作设备选型设计计算。 设备的改进及强化; 高效率、低能耗、环保; 开发新的单元操作; 单元操作集成工艺与技术。
(1)物料衡算(质量衡算)
物料衡算反映原料、产品、损失等各种物料流股间 量(质量/摩尔流量)的关系。
返回 14 03:06:50
物料衡算可以表示为:
GI = GO + GA (0-2)
输入的各 输出的各 设备内积累
种物料 种物料
的各种物料
此式为总物料衡算式,也适用
D,xD
于物料中的某个组分。如精馏:
1.5m3/s v=v%
风量将罐内有机气体由6%
吹扫至0.1%(体积),求所需
时间。
解:∵罐内气体浓度随时 间变化,∴用微分衡算。
1.5m3/s v=0%
4m
H=10m
返回 19 03:06:50
在d时间内,对有机气体的“体积”作衡算:
根据 GI=GO+GA,有
1.5 m3/s 空气0d =1.5 m3/s有机气 vd +
从工程实际情况出发,流动规律的研究采用宏观方 法,主要研究流体的宏观运动规律。因此将流体视为 “连续介质”—无数微团(或称质点)组成,其间无间 隙、完全充满所占据的空间。★ 高真空状态除外!
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3.流体在流动中受到的力
a.体积力—作用于每个质点上的力,与流体质量成 正比。对于质量均匀的流体则与体积成正比。重力 和离心力是两个典型的体积力。 b.表面力—作用于流体质点表面的力,与表面积成 正比。表面力一般分为两类:一为垂直于表面的力称 压力,一为平行于表面的力称剪力。
化工原理
Principles of Chemical Engineering
使用教材: 姚玉英主编,化工原理,天津大学出版社,1999 参考教材: 陈敏恒主编,化工原理,化学工业出版社,2002 蒋维钧主编,化工原理,清华大学出版社,1993
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返回 1 03:06:51
GI=GO+GA
返回 17 03:06:50
KNO3 组分的物料衡算: F20% = W 0% + P (100 - 4) %
1000 20% = 0 + P 96 % 则:P = 208.3 kg/h 2.水分蒸发量W (物衡范围同1.) 总物料衡算式: F = W + P 则:W = F-P = 1000-208.3 = 791.7 kg/h 3.循环的饱和溶液量R 此时以蒸发器或冷却结晶器划定为物衡范围均可,
4 1.5
0.06 v
0.06
83.73 ln 0.06 342.8s 0.001
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(2)能量衡算 能量有很多种,如机械能、热能、电能、磁能、化学
能、原子能、声能、光能等。
化工过程中主要涉及物料的温度与热量的变化,因此:
热量衡算是化工中最常用的能量衡算。
Baidu Nhomakorabea
D 2 Hdv
4
d 内 加 入 的 有 机气体量
d 内 排 出 的 有 机气体量
d 内 罐 内 浓 度 改变量
整理并积分:
2 d D2H 0.001 dv
1
4 1.5
0.06 v
|
42 10
0.001 dv
0.001
83.73(ln v )
返回 30 03:06:50
4. 流体的特征
具有流动性; 无固定形状,随容器形状而变化; 受外力作用时内部产生相对运动。
不可压缩流体:流体的体积不随压力变化而变化, 如液体;
可压缩性流体:流体的体积随压力发生变化, 如气体。 返回 31
返回 9 03:06:50
0.2 单位制与单位换算
一、基本单位与导出单位
基本单位:选择几个独立的物理量,以使用方便 为原则规定出它们的单位;
导出单位:根据其本身的意义,由有关基本单 位组合而成。 单位制度的不同,在于所规定的基本单位及单位 大小不同。
返回 10 03:06:49
二、常用单位制
➢ 国际单位 制(SI制)
Q1 = 0.095×2708.9 = 257.3 kw Q2 = 1 ×3.56 ×(25 -0) = 89 kw Q3 = 0.095 ×503.67 = 47.8 kw Q4 = 1 ×3.56 ×(80 -0) = 284.8 kw
即: 257.3 89 47.8 284.4 QL
03:06:49
三、单位换算
物理量的单位换算 换算因数:同一物理量,若单位不同其数值就不 同,二者包括单位在内的比值称为换算因数。
(附录二)
经验公式的单位换算
经验公式是根据实验数据整理而成的,式中各符 号只代表物理量的数字部分,其单位必须采用指 定单位。
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0.3 物料衡算与能量衡算
120℃饱和水 0.095kg/s
求:换热器热损失QL占水蒸气提供热量的百分数?
返回 22 03:06:50
解: 如图虚线为衡算范围
稳定操作无积累QA=0,则有 QI=QO+QL 即蒸汽带入Q1 + 溶液带入Q2 = 凝液带出Q3 + 溶液带出Q4 + QL
查 P357 附 录 九 : 120℃ 水 蒸 气 焓 值 为 2708.9kJ/kg , 120℃饱和水焓值为503.6kJ/kg。
(1)遵循流体动力学基本规律的单元操作:包括 流体输送、沉降、过滤、固体流态化等;
(2)遵循热量传递基本规律的单元操作:包括加 热、冷却、冷凝、蒸发等;
(3)遵循质量传递基本规律的单元操作:包括蒸 馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等; 返回 7
03:06:50
洗衣粉的工艺流程
净气放空
燃硫
转化塔
气
解:首先根据题意画出过程的物料流程图
返回 16 03:06:50
F=1000 20%
W, 0.0%
蒸发器 422K
S 50%
冷却结晶器 311K
R, 37.5%
P 1-0.04
解题思路:题求三个量,如何列物料衡算式。
首先考虑划定适宜的物衡范围以利于解题。
1.求KNO3结晶产品量P
按虚线框作为物料衡算范围,只涉及两个未知量。
0.1 化工原理课程的性质和基本内容 1. 化工生产过程
原料预处理
物理过程 单元操作
化学反应
化学反应过程 反应器
产物后处理
物理过程 单元操作
返回 4 03:06:51
返回 5 03:06:50
返回 6 03:06:50
2 . 单元操作(Unit Operation) 单元操作按其遵循的基本规律分类:
G=20t
送回罐内,罐内的油均匀混合。问:重油从T1升至 T2=80℃需要多少时间,假设罐与外界绝热(QL=0)。
解:∵非稳态,∴有QA项,以罐为物衡范围, 1h为时间基准,0℃为温度基准。
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在d时间内:
输入系统重油的焓 = WCpT3 d 输出系统重油的焓 = WCpTd 系统内积累的焓 = GCpdT
13.7
QL 13.7kW
热损失:
100% 6.54%
257.3 47.8
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例4 非稳定热量衡算举例
罐内盛有20t重油,初温
T1=20℃,用外循环加热法 水蒸气
进行加热,重油循环量
W=8t/h。循环重油经加热
冷 凝
器升温至恒定的100℃后又 水
W=8t/h T3=100℃
☆ 稳定操作
以单位时间为基准, 如 : h , min , s 。 参数=f(x,y,z)
非稳定操作
以每批生产周期所用 的时间为基准。参数 =f(x,y,z,)
=0
=
uA恒定
uB 返回 13
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dy
dz
三维
dx
微分衡算(非稳态)
衡算
一维
dz
总体衡算(稳态) 其范围可以是某设备的大部分、 全部,或是由几个设备组成的一段生产流程、一 个车间甚至整个工厂。
总流量物料衡算:F=D+W
A组分物料衡算:FxF=DxD+WxW F,xF
(因稳定操作,故无积累一项。)
注意:在有化学反应的情况下,物料 衡算式只适用于任一元素的衡算。
W,xw
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例1(清华版,P6):稳态时的总物料衡算及组分物料衡算 生产KNO3的过程中,质量分率为0.2的KNO3水溶液,