化工原理 绪论

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[例0-1]在硝酸钾的生产过程中，20%（质量百分数，下同 ）的硝酸钾水溶液以1000 kg/h的流量送入蒸发器，在422 K下蒸发出部分水而得到50%的浓硝酸钾溶液，然后送入 冷却结晶器，在311K下结晶，得到含水4%的硝酸钾结晶 和含硝酸钾37.5%的饱和溶液。前者作为产品取出，后者 循环回到蒸发器。过程为稳态操作，试计算硝酸钾结晶产 品量、水蒸发量和循环的饱和溶液量。
( 15.678 ) 0.37 G [ 1
(1.356 10 3 )]}
处理得到： 24.18(G ) 0.37 J/(m2•s•℃) 式中 ， G 的单位是kg/(m2•s)。
例0-1 附图
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解：根据题意画出过程的物料流程图。 （1）求硝酸钾结晶产品量P 取包括蒸发器和冷却器的整个过程为衡算系统（虚线框1），取1小时为衡 算基准，以硝酸钾为衡算对象，因系统稳态操作，输入系统的硝酸钾量应 等于输出系统的硝酸钾量。则 1000 0.2 0.96 P 即 P 1000 0.2 / 0.96 208 .3kg / h （2）求水蒸发量W 仍取系统Ⅰ，衡算基准为1小时，以总物料为衡算对象，则
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3、单位换算
单位换算虽然简单，但即使是一个经验丰富的工程师， 稍一马虎也会出错，所以必须认真对待。如SI制与工程单位 制的换算： 质量与重力。在SI制中1kg质量的物体，若用工程单位 制表示，该物体的重力为1kgf。即同一物体用SI制表示的质 量与用工程单位制表示的重力在数值上相等。所以在有关手 册中查得工程单位制的重力，SI制的质量可直接取其数值。 但应注意，两者数值相等，但概念不同。质量是物体所含物 质的多少，而重力是物体受地球引力的大少，一般认为地球 附近的引力大少近似不变。
I
热损失百分数
QL 13.7 0.0654=6.54 ％ Q1 Q3 257 .3 47.8
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4、研究方法 如何将基础理论研究成果应用到现代大型工业设备中， 主要采用数学模型法，其实质是通过数学模型来放大和设 计工业过程和设备。该方法的关键在于所建立的数学模型 是否能够描述过程的本质问题，而对过程本质的认识又来 源于实践，因此，实验仍然是数学模型法的主要依据。 数学模型大体可分为四类，即：理论模型，经验模型 ，半经验半理论模型和人工智能模型。
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三、单位制与单位换算
1．基本单位和导出单位
2．单位制度
3. 单位换算 4. 因次分析
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1、基本单位和导出单位 凡是物理量均有单位，可分为基本单位和导出单 位两类。在描述单元操作的众多物理量中，独立的物 理量叫基本量，其单位叫基本单位，如时间、长度、 质量等。不独立的物理量叫导出量，其单位叫导出单 位，如速度、加速度、密度等。基本单位仅有几个， 而导出单位由基本单位组成，数量很多。 2、单位制度 基本单位加上导出单位称为单位制度。由于历史 和地区的原因，出现了对基本单位的不同选择，因而 产生了不同的单位制度。常用的单位制有绝对单位制 （包括物理单位制和米制）、重力单位制（工程单位 制）、国际单位制（SI制）和英制。
杂的生产问题，即特定的物料，在特定的设备内，进行特
定的过程，这就使问题的复杂性不完全在于过程本身，而 首先在于过程工业设备复杂的几何形状和多变的物性。
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4．化工原理与化学工程
虽然化工原理有时也叫做化学工程，实际上前者仅是后者 的基础。就化学工程的发展来看，包括如下几个分支： （1）化工传递过程（2）化工热力学（3）化学反应工程 （4）化工系统工程 本来化学工程是直接支撑化学工业的主要工程技术，是重要 的学科支持。化学工程经过近一个世纪的发展，其应用领域 不但覆盖了几乎所有的过程工业，而且新的生长点正不断产 生，如“生化工程”、“环境工程”等，其研究对象广泛而 复杂，已远远地超出了化学工程的范畴，遍布于能源、资源 、环境、运输、医药卫生、材料、农业以及生物等诸多领域 。
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表0-l 化工常用单元操作
单元操作名 称 原理与目的 基本理论基础
流体输送 沉降 过滤 搅拌 流态化
输入机械能将一定量流体由一处送到另一处 流体动力过 利用密度差，从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒、液滴或气泡 程 根据尺寸不同的截留，从气体或液体中分离悬浮的固体颗粒 (动量传递) 输入机械能使流体间或与其他物质均匀混合 输入机械能使固体颗粒悬浮，得到具有流体状态的特性，用于燃烧、 反应、干燥等过程
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2、单元操作 单元操作在国内较多的时候称为“化工原理”（ Principles of Chemical Engineering），50~60年代曾称为 “化工过程及设备”，80年代也曾称为“化学工程”、
“化学工程基础”。
常用的单元操作已有几十种之多。主要包括：流体流动 、流体输送机械、沉降、过滤、蒸发、传热、蒸馏、吸 收、萃取、塔设备、干燥、吸附、膜分离、搅拌、冷冻 、流态化、结晶、升华等等。
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化工原理
——王晓红
目
1 2 3 4 5
录
源自文库
绪论 第一章 流体流动原理及应用 第二章 传热原理及应用 第三章 传质原理及应用 第四章 固体颗粒流体力学基础与机械分离
6
7
第五章 干燥
第六章 其他单元
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绪
论
3 一
化工原理课程基本内容及特点 化工原理的研究基础与方法 单位制与单位换算
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3、三种衡算 质量衡算、能量衡算和动量衡算是化工原理课程中分 析问题采用的基本方法。衡算的一般步骤是：首先确定 衡算范围，具体包括微分衡算和总衡算，微分衡算取微 元体为衡算范围，而总衡算的衡算范围可以是单个装置 ，也可以是一段流程、一个车间或一个工厂；其次是确 定衡算对象和衡算基准；最后按衡算的通式进行计算， 即： 输入的量=输出的量+累积的量 当过程为稳态时，在衡算范围内累积的量等于零，即： 输入的量=输出的量
利用温差输人或移出热量，使物料升温、降温或改变相态 加热以气化物料，使之浓缩 利用各组分间挥发度不同，使液体混合物分离 利用各组分在溶剂中的溶解度不同，分离气体混合物 利用各组分在萃取剂中的溶解度不同分离液体混合物 利用各组分在吸附剂中的吸附能力不同分离气、液混合物 利用各组分对膜渗透能力的差异，分离气体或液体混合物 加热湿固体物料，使之干燥 利用加热或冷却来调节或控制空气或其他气体中的水汽含量 利用不同温度下溶质溶解度不同，使溶液中溶质变成晶体析出 利用外力做功，提高气体压力 加入功，使热量从低温物体向高温物体转移 用外力使固体物体破碎 将固体颗粒分成大小不同的部分 传热过程 (热量传递) 传质过程 (质量传递)
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理论模型。是指模型方程完全是在理论分析的基础 上建立起来的数学表达式。 经验模型。是指模型方程完全是靠回归实验数据得 到的数学表达式，没有任何理论依据。 半经验半理论模型。半经验半理论模型介于上述两 种模型之间，是处理复杂工程问题的最有效、最常用的 模型。 人工智能模型。模拟或部分模拟人类智能的数学模 型称为人工智能模型。 本书主要介绍和应用经验模型、半经验半理论模型
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[例0-3]实验测得空气垂直流过管子外侧时，管壁对流传热系数计算公 式为 F)] 0.37G 0.37 [Btu/ ( ft2•h•° 式中：G——空气的质量流速，lb/(ft2•h)。试把空气质量流速的单位改 为kg/(m2•s), 对流传热系数的单位为J/(m2•s•℃)，写出相应的计算式。 解： 1lb/( ft2•h)=0.4536 kg/(0.30482 m2•3600s) =1.356×10-3 kg/(m2•s) 1 2 3 2 2 1Btu/( ft •h•° F)=1.055×10 J/(0.3048 m •3600s• 1.8 ℃) =5.678 J/(m2•s•℃) 则 0.37
1000 W P
W 1000 P 1000 208 .3 791 .7kg / h （3）求循环的饱和溶液量R
取冷却结晶器为系统Ⅱ，衡算基准为1小时，以总物料为衡算对象，作总 物料衡算，可得 S 208 .3 R 以硝酸钾为衡算对象，作硝酸钾的物料衡算，得
S 0.5 208.3 0.96 R 0.375
换热 蒸发 蒸馏 吸收 萃取 吸附 膜分离 干燥 增减湿 结晶 压缩 冷冻 粉碎 颗粒分级
热、质同时传 递过程 热力过程 机械过程
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3、化工原理的任务及特点
化工原理课程的主要任务是培养学生运用本学科的基
础理论及基本技能，来分析解决化工生产实际问题的能力 ，包括：（1）选型（2）设计（3）操作 化工原理课程突出特点是符号多、公式多、单位换算 多。然而，要强调指出的是，化工原理面临着真实的，复
上两式联立，可得
R 766 .6kg / h
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[例0-2]在换热器里将平均比热为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℃的饱和水蒸气，其消耗量为0.095kg/s，蒸汽冷凝成 同温度的饱和水后排出。试计算此换热器的热损失占水蒸 气所提供热量的百分数。
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质量与质量。在SI制中质量是基本单位，但 在工程单位中质量是导出单位。因此，在SI制 中1kg质量的物体，若用工程单位制表示，该 物体的质量为1/9.81 kgf.s2.m-1。 重力与重力。在工程单位中重力是基本单 位，但在SI制中重力是导出单位。因此，在工 程单位制中重力为1kgf的物体，若用SI制表示 ，该物体的重力为9.81N。
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二、化工原理的研究基础与方法
1．平衡关系
2．过程速率
3. 三种衡算 4. 研究方法
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1．平衡关系 平衡关系是一种动态平衡，平衡条件可以用热力学 法则来描述，而过程进行的方向和所能达到的极限都可 以由平衡关系推知。 2. 过程速率 任何一个物系如果不是处在平衡状态，则必然会发 生趋向平衡的过程，而过程变化的速率总是和它所处状 态与平衡状态的差距（推动力）成正比，而与阻力成反 比，即过程速率=过程推动力/过程阻力。推动力的性质 取决于过程的内容，如传热的推动力是温度差，流体流 动的推动力是压力差；与推动力相对应的阻力则与操作 条件和物性有关。
例0-2附图
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解：首先根据题意画出过程示意图(见本例附图)。选1s作为基准。 从附录查出120℃饱和水蒸气的焓值为2708.9 kJ/kg，120℃饱和水的焓值为 503.67 kJ／kg。 在图中虚线范围内作热量衡算。 随流股带人换热器的总热量 ，其中： 蒸汽带入的热量Q1=0.095×2708.9=257.3 kW 溶液带入的热量Q2=l×3.56×(25-0)=89 kW 所以 Q=257.3+89=346.3 kW Q4 随流股带出换热器的总热量 ， Qo Q3 其中： 冷凝水带出的热量Q3=O.095×503.67=47.8 kW 溶液带出的热量Q4=l×3.56×(80-0)=284.8 kW 所以 ∑Q。=47.8+284.8=332.6kW 整理以上几式得到： 346.3=332.6+QL 热损失QL=13.7 kW
二
三
3
3
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一、化工原理课程基本内容及特点
1．化工过程
2．单元操作
3. 化工原理的任务及特点 4. 化工原理与化学工程
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1、化工过程
化学工业是指对原料进行大规模加工处理，使其不仅
在状态与物理性质上发生变化，而且在化学性质上也发 生变化，最终得到具有特定物理化学性质产品的工业。 化工过程涉及的范围相当广泛，如石油炼制、化工、冶 金、制药等，在国民经济中占有十分重要的地位。