化工原理课件(天大版)

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 则：热衡式：WCpT3 d = WCpTd+ GCpdT
化简得：W(T3－T) d = GdT
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。
解：首先根据题意画出过程的物料流程图 返回
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W, 0.0% F=1000 20% 蒸发器 422K S 50% R, 37.5% 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 冷却结晶器 311K P 1-0.04
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
W=8t/h T3=100℃ G=20t
进行加热，重油循环量
W=8t/h。循环重油经加热 器升温至恒定的100℃后又
冷 凝 水
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）。
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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。 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。
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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
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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， 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
物理单位 制（CGS制）
工程单 位制
我国法定单位制为国际单位制（即SI制） 返回
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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
G A
(0-2)
输 入 的 各 输 出 的 各 设备内积累 的各种物料 种物料 种物料
D,xD
此式为总物料衡算式，也适用 于物料中的某个组分。如精馏：
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。 返回 W,xw
原料预处理 化学反应 产物后处理
物理过程 单元操作
化学反应过程 反应器
物理过程 单元操作
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5 15:19:20
返回
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2 . 单元操作（Unit Operation） 单元操作按其遵循的基本规律分类： （ 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
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0.3 物料衡算与能量衡算
☆ 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
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dy
dz
三维
微分衡算(非稳态) 一维
积分有：

2 1
G d W
dT 20 100 20 20 T3 T 8 ln 100 80 3.47h
80
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第一章 流体流动
Flow of Fluid
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1.1 流体的物理性质
按虚线框作为物料衡算范围，只涉及两个未知量。 17 返回 15:19:20 G I= G O+ G A
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， 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
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
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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。 返回
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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洗衣粉的工艺流程
燃硫
转化塔
气
净气放空
磺化器
静电除雾器
碱洗塔
（化学吸收）
（反应） （分离） 液体磺酸
NaOH
其它液、 固计量
反应器 配料缸
布袋除尘
喷雾干燥 塔 （干燥）
大 气
旋转混 合器 包装 返回
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单元操作的研究内容与方向：
单元操作的基本原理；
单元操作典型设备的结构； 研究内容
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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
25℃溶液 1.0kg/s QL=? 80℃溶液 1.0kg/s 120℃饱和水 0.095kg/s
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 13.7 QL 13.7kW 257.3 47.8 100% 6.54% 23 返回 15:19:20 热损失：
溶液的平均比热为3.56kJ/(kg.℃) 求：换热器热损失QL占水蒸气提供热量的百分数? 返回
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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。
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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： 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
dx
dz
衡算
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。
(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。
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物料衡算可以表示为： G I = G O +
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
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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
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0 绪论Hale Waihona Puke Baidu
0.1 化工原理课程的性质和基本内容 1. 化工生产过程
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。
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 +

4
D 2 Hdv
d 内 加 入 的 有 机气体量
d 内 排 出 的 有 机气体量
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；
研究方向
开发新的单元操作;
单元操作集成工艺与技术。 返回
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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。
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二、常用单位制 国际单位 制（SI制） 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） 基本单位：长度（厘米 cm ），质 量（克g），时间（秒s） 基本单位：长度（米），重量或力 （千克力kgf），时间（秒）
d 内 罐 内 浓 度 改变量
整理并积分：
d
1
2

4 1.5
0.001 0.06
D H
2
0.001
0.06
dv v


4 1.5
4 10
2
0.001 dv 83.73(ln v )| 0.06 v
0.06 83.73 ln 342.8 s 0.001
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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。
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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 风量将罐内有机气体由6%
1.5m3/s v=v% H=10m 1.5m3/s v=0%
4m 返回
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