化工原理课件(天大版).ppt

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25,1,化工原理PrinciplesofChemicalEngineering,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，1993,02:

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25,2,0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,5蒸馏,6吸收,7蒸馏和吸收塔设备,8液液萃取,9干燥,4传热,02:

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25,3,0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,02:

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25,4,0绪论,0.1化工原理课程的性质和基本内容1.化工生产过程,02:

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25,5,02:

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25,6,02:

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25,7,2.单元操作（UnitOperation）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；,02:

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25,8,02:

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25,9,单元操作的研究内容与方向：

研究内容,研究方向,02:

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25,10,0.2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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25,11,二、常用单位制,我国法定单位制为国际单位制（即SI制）,02:

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25,12,三、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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25,13,以单位时间为基准，如：

h，min，s。

参数=f（x,y,z）,以每批生产周期所用的时间为基准。

参数=f（x,y,z,）,稳定操作非稳定操作,0.3物料衡算与能量衡算,02:

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25,14,衡算,

（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。

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。

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25,15,物料衡算可以表示为：

GI=GO+GA（0-2）,此式为总物料衡算式，也适用于物料中的某个组分。

如精馏：

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。

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25,16,例1（清华版，P6）：

稳态时的总物料衡算及组分物料衡算,解：

首先根据题意画出过程的物料流程图,生产KNO3的过程中，质量分率为0.2的KNO3水溶液，以F=1000kg/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KNO30.375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。

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25,17,蒸发器422K,冷却结晶器311K,F=100020%,S50%,R,37.5%,W,0.0%,P1-0.04,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。

GI=GO+GA,02:

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25,18,KNO3组分的物料衡算：

F20%=W0%+P（1004）%100020%=0+P96%则：

P=208.3kg/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=FP=1000208.3=791.7kg/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+208.3,02:

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25,19,KNO3组分物衡：

0.5S=0.375R+0.96P,两式联立解得：

R=766.6kg/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%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。

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25,20,在d时间内，对有机气体的“体积”作衡算：

根据GI=GO+GA，有,1.5m3/s空气0d=1.5m3/s有机气vd+,整理并积分：

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25,21,

（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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25,22,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）,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?

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25,23,解：

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。

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,如图虚线为衡算范围,Q1=0.0952708.9=257.3kwQ2=13.56（250）=89kwQ3=0.095503.67=47.8kwQ4=13.56（800）=284.8kw,即：

热损失：

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25,24,例4非稳定热量衡算举例,W=8t/hT3=100,水蒸气,冷凝水,G=20t,罐内盛有20t重油，初温T1=20，用外循环加热法进行加热，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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25,25,在d时间内：

输入系统重油的焓=WCpT3d输出系统重油的焓=WCpTd系统内积累的焓=GCpdT,则：

热衡式：

WCpT3d=WCpTd+GCpdT化简得：

W（T3T）d=GdT,积分有：

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25,26,第一章流体流动FlowofFluid,02:

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25,27,1.1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,02:

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25,28,1.研究流体流动问题的重要性,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。

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。

传热冷、热两流体间的热量传递；传质物料流间的质量传递。

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：

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25,29,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。

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；静止流体的规律流体静力学；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,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!

流体流动的研究方法：

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25,30,3.流体在流动中受到的力,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。

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。

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25,31,4.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。

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25,32,1.1流体的物理性质,1.1.1密度一、定义单位体积流体的质量，称为流体的密度。

kg/m3,二、单组分密度,液体密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得。

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25,33,气体当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：

注意：

手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下之值，若条件不同，则密度需进行换算。

M气体的摩尔质量;R8.315103J/（kmolK）下标“”表示标准状态,实际上，某状态下理想气体的密度可按下式进行计算：

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25,34,三、混合物的密度,混合气体各组分在混合前后质量不变，则有,气体混合物中各组分的体积分率。

或,混合气体的平均摩尔质量,气体混合物中各组分的摩尔（体积）分率。

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25,35,混合液体假设各组分在混合前后体积不变，则有,液体混合物中各组分的质量分率。

四、比容,单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。

m3/kg,02:

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25,36,流体静力学,流体静力学主要研究流体静止时流体内部各种物理量的变化规律，特别是在重力场作用下，静止流体内部的压力变化规律。

1.2流体静力学基本方程式,02:

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25,37,1.2.1静止流体的压力,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。

一、压力的特性流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。

二、压力的单位,SI制：

N/m2或Pa；,02:

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25,38,或以流体柱高度表示：

注意：

用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，如600mmHg，10mH2O等。

标准大气压的换算关系：

1atm=1.013105Pa=760mmHg=10.33mH2O,三、压力的表示方法,绝对压力以绝对真空为基准测得的压力。

表压或真空度以大气压为基准测得的压力。

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25,39,表压=绝对压力大气压力真空度=大气压力绝对压力,注：

表压强和真空度均需加以标注。

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25,40,1.1.3流体静力学基本方程式,一、静力学基本方程,重力场中对液柱进行受力分析：

（1）上端面所受总压力,

（2）下端面所受总压力,（3）液柱的重力,设流体不可压缩，,方向向下,方向向上,方向向下,p1,p2,02:

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25,41,液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:

静力学基本方程,压力形式,能量形式,02:

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25,42,讨论：

（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；

（2）物理意义：

单位质量流体所具有的位能，J/kg；,单位质量流体所具有的静压能，J/kg。

在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。

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25,43,（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。

压力相