化工原理讲义.docx

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化工原理讲义

化工原理

绪论

一、《化工原理》课程的性质、地位和作用

（一）是化工类及其相近专业的一门基础技术课程和主干课程，是由理及工的桥梁，又是各种化工专业课程的基础。

《化工原理》则属于工程技术科学的范畴。

（二）从学科性质看，本课程是化学工程学的一个分支，主要研究化工过程中各种操作，它来自化工生产实践，又面向化工生产实践。

进行化工技术和化工过程的开发、设计、生产及单元操作。

（三）课程具有显著的工程性，要解决的问题是多因素、多变量的综合性的工业实际问题。

因此，分析和处理问题的观点和方法也就与理科课程不同，应首先从实际出发考虑问题。

需从课程学习中得到工程设计的实际训练。

二、化工过程与单元操作

（一）化工过程的特征与构成

化工过程可以看成是由原料预处理过程、反应过程和反应产物后处理过程三个基本环节构成的。

反应过程是在各种反应器中进行的，它是化工过程的中心环节。

反应过程必须在某种适宜条件下进行，例如，反应物料要有适宜的组成、结构和状态，反应要在一定的温度、压强和反应器内的适宜流动状况下进行等。

而进入化工过程的初始料通常都会有各种杂质并处于环境状态下，必须通过原料预处理过程使之满足反应所需要的条件。

同样，反应器出口的产物通常都是处于反应温度、压强和一定的相状态下的混合物，必须经过反应产物的后处理过程，从中分离出符合质量要求的、处于某种环境状态下的目的产品，并使排放到环境中去的废料达到环保的规定要求；后处理过程的另一任务是回收未反应完的反应物、催化剂或其它有用的物料重新加以利用。

可见，在原料预处理和反应产物后处理过程中都要进行一系列的物理变化过程，如加热、冷却、增减压、使物料发生相变化（如汽化、冷凝、结晶、溶解等）、使均相物料中各组分进行分离、使不同相态的物料彼此分离等。

即使在反应器中，为了维持适宜的反应条件，也需组织一系列物理过程，如加入或移走热量、混合、搅拌等。

经过长期的化工生产实践发现，各种化工产品的生产过程所涉及的各种物理变化过程都可归纳成为数不多的若干个单元操作。

可见，除反应器中的反应过程外，流程中包括了流体流动、流体输送、过滤、混合、汽化、冷凝冷却、加热、吸收、精馏等物理过程，这些过程都是在特定的设备中进行的。

可以说，任何一个化工生产过程都是由若干种完成特定任务的设备（包括反应器、完成各单元操作的设备和贮料设备）按一定顺序、由各种管道和输料装置连接起来的组合体。

（二）单元操作的研究内容与分类

1.单元操作：

根据化工生产的操作原理，可将其归纳为应用较广的数个基本操作过程，如流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、萃取、吸附及干燥等，这些基本操作过程称为单元操作。

任何一种化工产品的生产过程都是由若干单元操作及化学反应过程组合而成的。

各种单元操作都是依据一定的物理或物理化学原理，在某些特定的设备中进行的特定的过程。

过程和设备是相互依存的，因此《化工原理》研究内容主要是各种单元操作的基本原理与单元操作过程计算、典型单元操作设备的合理结构及其工艺尺寸的设计与计算、设备操作性能的分析以及组织工程性实验以取得必要的设计数据，找出强化过程、改进设备的途径。

2.单元操作分类

根据操作方式，又可将单元操作分为连续操作和间歇操作两类。

（1）在连续操作中，物料与能量连续地进入设备，并连续地排出设备。

过程的各个阶段是在同一时间、在设备的不同空间位置上进行的。

例如水吸收塔对HCN的吸收。

（2）间歇操作的特点是操作的周期性。

物料在某一时刻加入设备进行某种过程，过程完成后将物料一次卸出，然后开始新的周期。

间歇过程的各个阶段是在同一设备空间而在不同时间进行的。

如水壶中烧开水是间歇操作，而工业锅炉中产生水蒸汽则是连续操作。

连续操作适于大规模生产，其原料消耗、能量损失和劳动力投入都相对较少，因而操作成本也相应较低，同时也较易实现操作控制与生产自动化。

间歇操作的设备较简单，因而设备的投资较低，操作灵活性较大，适于小批量规模生产以及某些原料或产品品种与组成多变的场合。

根据设备中各种操作参数随时间的关系，又可将单元操作分为：

（1）不定常操作：

操作中设备中各部分的操作参数随时间而不断变化。

这种情况通常是由于同一时间内进入和离开设备的物料量和能量并不相同，且随时间而变化，因而导致设备内部发生物料和能量的正的或负的积累。

（2）定常操作：

操作中设备内各种操作参数统计水平上不随时间而变。

对定常操作的物理过程，进、出设备的物料量或能量应相等，且不随时间而变，设备内部也不发生物料或能量的积累。

3.单元操作的特点：

（1）单元操作进行的绝大多数都是物理过程。

这些操作只改变物料的状态或物理性质。

比如相态的变化（冷凝）、浓度、组成的变化等，而物料的化学性质不变。

（2）单元操作是化工、制药、食品生产过程中共有的操作。

由于生产中处理的物料种类繁多，而且物理性质千差万别，所以化工过程是各种各样的。

但是所有的化工过程都是由上面提到的若干种单元操作组合而成。

如聚氯乙烯生产，由流体流动，传热，吸收，精馏，干燥过程等单元操作加上反应组合而成。

合成氨生产是由流体流动，传热，吸收，物料的增压，加上反应组合而成。

（3）虽然各种单元操作在不同化工过程中起着各自的作用，但是同一类单元操作，其基本原理和所用的设备均相同。

4.单元操作的研究方法单元操作有共同的研究方法。

化工原理这一工程学科面对的是真实的、复杂的生产问题，即特定的物料，在特定的设备中，进行特定的过程。

然而实际问题的复杂性并不完全在于过程本身，而首先在于化工设备的复杂的几何形状和千变万化物性。

对此有两种基本研究方法：

①数学模型法。

即半理论半经验的方法。

这种方法是立足于对实际问题做出合理的简化，从而使方程得以建立。

即对实际过程进行抽象简化，抓主要矛盾，忽略次要因素，建立过程的物理模型，从而建立数学模型，最后求解（分析解，数值解，图解，计算机求解）模型中的一些系数由实验验证。

➁实验模拟法。

即经验方法。

这是一种传统的方法，它避免了对复杂的过程建立方程，直接用实验测取各种变量之间的联系。

如阿司匹林

（三）单元操作与工程观点

课程的学习目的就是应用这些具有一般性的基本概念和知识，针对不同场合和不同生产对象，具体地去解决某个特定的化工实际过程中需要配置的各种单元操作过程和设备的开发、设计与操作问题。

这些问题都具有强烈的工程性，具体表现在：

1．过程影响因素多

对于每一种单元操作，其影响因素通常可划分为物性因素、操作因素和结构因素三类：

（1）物性因素同一类单元设备可用于不同物系，物料的物理性质（如密度、粘度、表面张力、导热系数等等）和化学性质必对过程发生影响。

在很多情况下，物系的物性对于单元设备的选型与设备的操作性能有决定性的影响。

（2）操作因素设备的各种操作条件，如温度、压强、流量、流速、物料组成等，在工业实际过程中，它们经常会发生变化并影响过程的结果。

（3）结构因素是指单元设备内部与物料接触的各种构件的形状、尺寸和相对位置等因素，它们首先对物料在设备内的流动状况发生影响，并直接或间接地影响传热和传质过程的进行。

2．过程制约条件多

在工业上要实现一个具体的化工生产过程，客观上存在许多制约条件，如原料来源、冷却水的来源与水温、可供应的设备的结构材料的质量和规格、当地的气温和气压变化范围等。

同时，单元设备在流程中的位置也制约了设备的进、出口条件。

此外，还受安全防火、环保、设备加工、安装以及维修等条件的制约。

3．效益是评价工程合理性的最终判据

进行工业过程的目的是为了最大限度地取得经济效益和社会效益，这是合理地组织一个工业过程的出发点，也是评价过程是否成功的标志。

4．理论分析、工业性试验与经验数据并重

由于工业过程的复杂性，许多情况下，单纯依靠理论分析有时只能给出定性的判断，往往要结合工业性试验、半工业性试验（也称中间试验）才能得出定量的结果。

在过程设计与操作分析中也广泛使用各种经验数据，它们是在长期的生产实践中总结出来的，熟练地运用这些经验数据，做到心中有“数”，对提高工作效率和可靠性将是非常有益的。

（四）单元操作与“三传”过程

①动量传递过程。

研究流体的流动和流体与固体接触时，其间发生相对运动时的基本规律。

以流体力学为基础的各单元操作均属这种过程。

如流体的输送，沉降，过滤等。

②热量传递过程。

研究传热的基本规律，以及主要受这些规律支配的若干单元操作。

如热交换，蒸发等。

③质量传递过程。

研究物体通过相界面的迁移过程的基本规律，以及受这些规律支配的若干单元操作，如精馏，吸收，干燥等。

动量传递的概念，可以通过力学上的牛顿第二定律来理解。

根据这一定律，有

F＝ma

∵a=v/t

∴F=mv/t

Ft=mv

式中，F是作用于质量为m的物体上的外力，而a是在外力F作用下引起该物体的加速度。

由式中，mv是质量与瞬间速度的乘积，也就是物体的瞬间动量，而F就是物体的瞬间动量随时间的变化率。

因此，牛顿第二定律可理解为外力引起物体本身的动量变化并等于其动量变化率，作用于物体的外力可以通过其引起的动量变化率来度量。

另一方面，两物体间的力的作用又可看成是物体间发生动量传递的结果。

例如，一个具有较高动量的球A在某瞬间与一具有较低动量的球B发生碰撞。

（1）流体的动量传递

在流体流动过程中，一般总存在着不同宏观速度的流体层与静止的壁面、不同速度的流体层之间的作用力以及壁面对流动流体的阻力，它们都是动量传递的结果。

这是因为，在流体中总是存在着无数流体分子的随机热运动，在一定条件下，也会存在流体质点（它是由大量分子构成的流体集团）的随机运动，因此总有一部分流体分子和质点是在垂直于宏观流动方向上运动的，它们带着各自的宏观速度和宏观动量互相碰撞，于是发生动量的传递与交换，也就发生了上述力的相互作用，并会引起不同速度流体层的动量变化，即流动情况的变化。

因此，通常把流体流动过程看成是一种动量传递过程。

（2）热量传递和质量传递

正是由于流体中存在着分子的随机运动和流体质点的随机运动，使不同温度层或浓度层之间发生了热量传递和质量传递。

大部分单元操作都涉及流体系统，流体的流动情况对热量传递和质量传递的速率以及流动过程中的能量损耗都有显著影响。

因此，在各类单元操作设备中，合理地组织这三种传递过程，达到适宜的传递速率，是使这些设备高效而经济地完成特定任务的关键所在，也是改进设备、强化过程的关键所在。

（五）单元操作计算的基本内容

1.设计型计算：

为完成规定的设计任务（一定的处理能力和操作要求），计算过程需要的时间、设备的工艺尺寸（如设备的直径、高度等）、外加功率和热量等。

它是进一步完成设备的机械设计或选型所必须的。

2.操作型计算：

对于已有的操作设备（即设备的工艺尺寸一定），核算其在不同情况（操作因素、物性因素变化时）下对操作结果的影响或完成特定任务的能力。

它对确定适宜的操作条件、分析操作故障、了解设备性能以及保证设备正常操作都是十分重要的。

一般都要涉及物料衡算、能量衡算、过程速率、过程的极限以及物性计算。

（1）物料衡算它是以质量守恒定律为基础的计算：

用来确定进、出单元设备（过程）的物料量和组成间的相互数量关系，了解过程中物料的分布与损耗情况，是进行单元设备的其它计算的依据。

（2）能量衡算它是以热力学第一定律即能量守恒定律为基础的计算，用来确定进、出单元设备（过程）的各项能量间的相互数量关系，包括各种机械能形式的相互转化关系，为完成指定任务需要加入或移走的功量和热量、设备的热量损失、各项物流的焓值等。

3.传递过程速率计算

传递过程速率的大小决定过程进行的快慢，其通用表示式如下：

传递过程的推动力

　　传递过程速率＝————————

　　　　　　　　　　传递过程阻力

　　　在各种单元操作中，传递过程的速率对于设备的工艺尺寸以及设备的操作性能有决定性的影响。

对于不同的传递过程，其速率、推动力和阻力的内涵及其具体表达式是不同的。

例如在传热过程中，传热速率是用单位时间传递的热量来表示，而传热推动力则用温度差来表示。

4．过程的热力学极限与临界点计算

当设备或系统内过程达到热力学平衡时，过程就停止，平衡状态是过程进行的热力学极限。

　　处于平衡状态的单相物流，其内部各处的热力学强度性质均一，不再存在温度、浓度与压强的差异，宏观的传递过程不再进行。

平衡状态下的气相，可以用状态方程来表达其热力学性质间的关系。

　　两相物流间达到平衡时，一般地有：

（1）平衡两相的温度和压强必定相同。

（2）平衡两相各组分的组成间存在确定的相平衡函数关系。

这时两相间不发生宏观的质量传递与热量传递。

　5．物性计算

上述各项计算中都会涉及物系的某些物理和物理化学性质，它们既随不同物系而变化，随物系的相状态、温度、压强而变化。

不同物系的物性，有的可从有关手册上查得，有的需用各种物性关系式来进行估算。

一般在进行单元操作计算时，应先将各已知条件范围内的有关物性查算出来。

三、物料衡算与热量衡算

（一）物料衡算要点

1．根据衡算对象，选定适当的衡算系统。

衡算系统可以是一个单元设备或若干个单元设备的组合，也可以是设备的某一部分或设备的微分单元。

衡算系统也可称为控制体。

2．选定物料衡算基准选定基准包括选定一股基准物流及其数量，它是物料衡算的出发点，其目的是保证物料衡算计算的一致性。

对于间歇操作，常取一批原料或单位质量为基准；对于连续操作，通常取单位时间（如1h、lmin等）内处理的物料量为基准。

基准的选择有一定的任意性，其原则是使计算尽量简化。

3．列出物料衡算式单元操作涉及的是物理过程，不发生化学反应，根据质量守恒定律可以直接写出物理过程物料衡算的文字表达式：

进入系统的物流量-离开各股的物流量=系统中物料的积累量

可以用质量单位（如kg或kg/s等），也可用物质的量单位（如kmol等），但必须注意保持式中各项的单位一致。

对于定常操作过程，系统中物料的积累量为零。

物料衡算基本步骤小结：

（1）针对提出的实际问题，首先弄清楚衡算目的、已知量和未知量。

（2）根据问题的类型和性质，确定需要补充哪些数据，并设法从各种渠道去得到这些数据。

例如，了解原料或产品的数量、规格和组成，查算有关的物性数据和相平衡关系数据，根据生产经验或工业试验结果选定某些操作条件等。

（3）用流程示意图表示衡算对象，即将问题的文字描述转化为图形描述。

用闭合线框出衡算系统，注明进、出系统各物流及其组分的名称或代号、相状态、流量和组成（包括已知量和未知量，必要时将它们换算为统一单位）。

（4）确定衡算基准，即选定其中某一股物流及其数量作为计算基准。

原则是：

a.可按衡算目的和流程顺序选取数量已知的原料物流或产品物流。

b.选取含未知量最少的物流。

c．对间歇操作过程，可选一个操作周期或一批物料量。

d．选用相对数量较大的物流（可能会减少计算误差）。

e．基准物流的数量通常选用物流的实际量。

（5）按框出的衡算范围，列出独立的物料衡算式。

为简化计算过程，应当选用含未知量最少的衡算式，尽量避免求解联立方程组。

其中总衡算式和不变组分衡算式是经常被使用的。

计算中要检查各式中的单位是否一致。

（6）利用多余的物料衡算式和组成归一性方程来检验计算结果是否正确，并对计算结果的合理性进行分析。

（二）热量衡算要点

热量衡算是化工计算中最常遇到的一种能量衡算。

在很多单元操作如换热、蒸发、吸收、蒸馏、干燥等过程中，主要涉及物料温度和焓的变化以及热量的传递，需要通过热量衡算来计算过程进行所必须加入或移走的热量、加热剂或冷却剂的用量以及系统的热量损失，有时也用来计算系统某一物流的焓值及其温度。

热量衡算是在物料衡算基础上进行的。

进行热量衡算时，首先也要划定衡算范围、选取衡算基准。

与物料衡算不同的是，衡算基准除了选取时间基准或物料量基准外，还需选取物流焓的基准态。

物流焓的基准态包括物流的基准压强、基准温度和基准相状态。

（1）基准压强通常取P＝l00kPa，一般在压强不高的情况下，压强对焓的影响常可忽略。

（2）基准温度可取0℃。

这是因为，从手册中可以查到的有关数据如比焓、比内能、平均等压比热容等数据通常都是以0℃为基准的。

采用同一基准温度，便于直接引用手册上的数据。

有时也可取某一物流的实际温度作为基准温度，如果忽略压强的影响，则这一股物流的焓值为零，可使热量衡算适当简化。

（3）物流的基准相态的选择可视具体情况而定，例如当进、出系统的物流都是液相时，基准相态以取液态为便。

根据能量守恒定律，若忽略物流的位能、动能和与外界交换的功量，热量衡算的文字表达：

物流带入的焓+传入系统的热量＝离开系统物流的焓+传出系统的热量

对连续定常过程，系统内焓的积累量为零。

热量衡算基本步骤小结：

（1）根据题意画出衡算示意图，注明各物流的数量、组成、温度、相状态及焓值。

一般热量衡算均在物料衡算基础上进行。

（2）确定衡算基准，计算各物流的焓值。

这里，除确定物料衡算的基准（时间或物流量）外，还要选择各物流组分焓的基准态。

由于焓是相对值，基准态的选择有一定任意性在压强不高时，主要是确定基准温度和基准相态。

各组分的基准态可以不同，但同一组分必须在同一基准态下进行计算。

（3）列出热量衡算式，求解未知量。

一个衡算系统只能列出一个热量衡算式，对于某些复杂过程，热量衡算常需与物料衡算方程联立求解。

第一章流体流动

第一节概述

在化工生产过程中所处理的物料大多数为流体（气体和液体）。

按化工生产工艺要求，物料由一个设备送往另一个设备，从上一道工序转移到下一工序，逐步完成各种物理变化和化学变化，得到所需要的化工产品。

因此，化工过程的实现都会涉及到流体输送、流量测量、流体输送机械所需功率的计算及其选型等问题，要解决这些问题必须掌握流体流动的基本原理、基本规律和有关的实际知识。

同时，多数单元操作都与流体流动密切相关，传热、传质过程也大都是在流体流动条件下进行的。

因此，流体流动是本课程中的一个重要基础内容。

化工生产中常见的流体流动形式有管流、绕流、射流和自由流动等。

1.管流是指流体在闭合的固体边界通道中的流动，且流体充满整个通道，如流体在管道、设备通道内的流动.

2.绕流是指流体绕过物体的流动，物体被流动流体所包围，如流体掠过换热器的管束、固体颗粒和液滴在气流中的沉降等.

3.射流是指一股流体以一定速度射入另一股流体中时发生的流动，如在水喷射式真空泵、气升泵中的流动.

4.自由流动主要指液体在流动方向上存在一个自由表面，在表面上方的压强基本保持不变，如液膜沿表面的下落、水在明渠中的流动等。

一、流体的连续介质模型

流体是由许多离散的即彼此间有一定间隙的、作随机热运动的单个分子构成的。

从工程实际出发讨论流体流动问题时，常把流体当作无数流体质点组成的、完全充满所占空间的连续介质，流体质点之间不存在间隙，因而质点的性质是连续变化的。

这里所谓质点，它是由大量分子构成的流体集团（或称流体微团），其大小与容器或管道的尺寸相比是微不足道的，但比起分子平均自由程则要大得多。

对流体作这样的连续性假定后，才能把研究流体的起点放在流体“质点’’上，可以运用连续函数和微积分工具来描述流体的物性及其运动参数。

二、流体的密度与比容

（一）密度与比容的定义

单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，其表示式为

ρ=V/m

式中m—流体的质量，kg；

V—流体的体积，m3。

单位质量流体所具有的体积称为流体的比容，其单位为m3/kg，在数值上等于密度的倒数。

v=1/ρ

（二）纯组分流体的密度

1.液体的密度

液体的密度随压强变化很小，常可忽略其影响；而随温度变化的关系可查表求取。

2.气体的密度其值随温度、压强有较大的变化。

一般在温度不太低、压强不太高的情况下，气体的密度与温度、压强间的关系可用理想气体状态方程表示：

PV=nRT=（m/M）RT

P——气体的压强，kPa；

T——气体的温度，K；

n——气体的千摩尔质量（数值上等于气体的分子量），kg/kmol；

R——通用气体常数，8.314kJ／（km01.K）。

（三）混合物的密度

化工生产中常遇到各种气体或液体混合物，在无实测数据时，可用一些近似公式进行计算。

三、流体的粘性

流体与固体的一个显著差别是流体具有流动性，它无固定的形状，随容器的形状而变化，但不同流体的流动性即粘性不同，气体的粘性比液体要小，流动性比液体要好；油和水同是液体，油的粘性要比水大，油的流动性就比水差。

可见，流体的粘性只有在流体流动时才能显现出来。

（一）牛顿粘性定律

作用于运动着的流体内部相邻平行流动层间、方向相反、大小相等的相互作用力称为流体的内摩擦力，这种内摩擦力正是由于流体的粘性而产生的，故又称粘滞力。

表面力：

即作用于流体上的力，它与流体的表面积成正比。

若取流体中任一微小的平面，作用于其上的表面力可分为压力和剪力。

①垂直与表面的力P，称为压力。

单位面积上所受的压力称为压强p。

1MPa（兆帕）＝106Pa（帕斯卡）

注意：

国内许多教材习惯上把压强称为压力。

②平行于表面的力F，称为剪力（切力）。

单位面积上所受的剪力称为应力τ。

牛顿粘性定律：

即流层间的剪应力与其法向速度梯度成正比

服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体（大多数如水、空气），否则称为非牛顿型流体（如泥浆、某些高分子溶液、悬浮液、血液、牙膏等）。

流体粘度：

按照牛顿粘性定律，流动的流体内部相邻的速度不同的两流体层间存在相互作用力，即速度快的流体层有着拖动与之相邻的速度慢的流体层向前运动的力，而同时速度慢的流体层有着阻碍与之相邻的速度快的流体层向前运动的力。

流体内部速度不同的相邻两流体层之间的这种相互作用力就称为流体的内摩擦力或粘性力。

1.粘度物理意义

是流体的粘性所引起的流体层间单位面积上的内摩擦力，数值上等于流体的粘度。

2.混合物的粘度

不同纯流体的粘度均由实验测取，可在有关手册中查得。

混合物的粘度在缺乏实验数据时，可从文献中选用适当的经验公式进行估算。

3．粘度的影响因素

液体的粘度随温度升高而降低；气体的粘度随温度升高而增加。

压强对于液体粘度的影响可忽略不计；对气体则只有在相当高或极低的压强条件下才考虑其影响，一般情况下也可忽略。

气体的粘度比液体的粘度小得多。

四、流体的压缩性与膨胀性

流体的体积随压强而变化的特性称为流体的压缩性，而随温度变化的特性则称为热膨胀性。

由于液体的体积随压强变化很小，常把液体当作不可压缩流体。

流体的热膨胀性可由其体积热膨胀系数来衡量，体积热膨胀系数的物理意义是在恒压下物体体积随温度的相对变化率。

第二节流体静力学

一、流体的压强

（一）压强的定义

垂直作用于单位面积上且方向指向此面积的力，称为压强，其表示式为

P=F/A

式中F—垂直作用于表面的力，N；

A—作用面的面积，m2；

P—作用在该表面A上的压强，N／m2，即Pa（称帕斯卡）。

在法定计量单位使用之前，常用的压强单位有：

物理大气压（atm）、工程大气压（kg/cm2）、巴（bar）、液体柱高（如mmHg柱、mmH2O柱等）等等，在有关手册、书籍和工程实际中仍有应用，因此，应当正确掌握它们之间的相互换算关系（可以查表）。

习惯上也常把压强称为压力。

1．绝对压强（简称绝压）是指流体的真实压强。

更准确地说，它是以绝对真空为基准测得的流体压强。