《化工原理》教案.pdf

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化工原理教案SpringQQ:

1588006031绪论绪论学习要求1.熟练掌握的内容化工过程的物料恒算与能量恒算的基本概念与计算步骤。

2.理解的内容化工生产过程的构成与分类特征；单元操作的概念、单元操作计算的一般内容及其依据的基本规律与基本关系；量纲与量纲的一致性、单位与单位的一致性。

3.了解的内容化工原理课程的性质、地位和作用；单元操作与“三传”过程。

一、化工原理课程的性质、地位和作用

（一）化工专业课程的基础

（二）化学工程学的一个分支，主要研究化工过程中各种单元操作（三）显著的工程性二、化工过程与单元操作

（一）化工过程的特征与构成化工过程：

原料预处理反应过程反应产物后处理过程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。

（二）单元操作的研究内容与分类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。

研究内容主要是：

各种单元操作的基本原理、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、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。

单元操作的名称及分类基本过程单元操作名称原理及作用流体动力过程（动量传递过程）流体输送沉降过滤搅拌混合流态化利用外力做功将一定量流体由一处输送到另一处。

对由流体与悬浮物（液体或固体）组成的悬浮体系，利用其密度差在力场中发生的非均相分离操作。

使液固或气固混合体系中的流体强制通过多孔性过滤介质，将悬浮的固体物截留而实现的非均相分离过程。

搅动物料使之发生某种方式的循环流动，使物料混合均匀或使过程加速。

使两种或两种以上物料互相分散，以达到一定的均匀程度的操作。

利用流体运动使固体粒子群发生悬浮并使之带有某些流体的表观特征，以实现某种生产过程的操作。

传热过程（热量传递过程）换热蒸发使冷热物料间由于温度差而发生热量传递，以改变物料的温度或相态的操作。

使溶液中的溶剂受热汽化而与不挥发的溶质分离，从而得到高浓度溶液的操作。

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1588006032传质分离过程（质量传递过程）吸收蒸馏萃取浸取吸附离子交换膜分离利用气体组分在液体溶剂中的溶解度不同以实现气体混合物分离的操作。

利用均相液体混合物中各组分的挥发度不同使液体混合物分离的操作。

利用液体混合物中各组分在液体萃取剂中的溶解度不同而分离液体混合物的操作。

用溶剂浸渍固体物料，将其中的可溶组分与固体残渣分离。

利用流体中各组分对固体吸附剂表面分子结合力的不同，将其中一种或几种组分进行吸附分离的操作。

用离子交换剂从稀溶液中提取或除去某种离子。

利用流体中各组分对膜的渗透能力的差别，用固体膜或液体膜分离气体、液体混合物。

热、质传递过程干燥增（减）湿结晶加热湿固体物料，使所含湿分（水分）汽化而得到干固体物料的操作。

通过热量传递以及水分在液相与气相间的传递，以控制空气或其他气体中的水汽含量的操作。

从气体或液体（溶液或熔融物）混合物中析出晶态物质的操作。

热力过程制冷加入功使热量从低温物体向高温物体转移的热力学过程。

粉体工程颗粒分级粉碎将固体颗粒分成大小不同的部分。

在外力作用下使固体物料变成尺寸更小的颗粒。

根据操作方式：

连续操作和间歇操作根据设备中各种单元操作随时间的关系：

定常操作与不定常操作（三）单元操作与工程观点1.过程影响因素多

（1）物性因素

（2）操作因素（3）结构因素2.过程制约条件多3.效益是评价工程合理性的最终判据4.理论分析、工业性试验与经验数据并重（四）单元操作与“三传”过程三传：

动量传递、热量传递和质量传递（五）单元操作计算的基本内容设计型计算：

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、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。

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。

基本计算：

物料恒算、能量恒算、过程速率、过程的极限、物性计算1.物料恒算：

以质量守恒定律为基础的计算2.能量恒算：

以热力学第一定律（能量守恒定律）为基础的计算3.传递过程速率的计算：

传递过程速率=传递过程的阻力传递过程的推动力4.过程的热力学极限与临界点的计算5.物性计算三、单元操作的物料恒算与热量恒算

（一）物料恒算要点1.根据恒算对象选定适当的恒算系统（控制体）化工原理教案SpringQQ:

15880060332.选定物料恒算基准。

目的是为了保证物料恒算计算的一致性3.列出物料恒算式（总恒算式、组分恒算式、归一性方程）各股物流量进入系统的各股物流量离开系统的的积累量系统中物料例题：

P7例0-1P8例0-2物料恒算基本步骤小结：

（1）首先弄清楚恒算目的、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（3）用流程示意图表示恒算对象（4）确定恒算基准（5）列出独立的物料恒算式（6）对计算结果的合理性进行分析（用多余的恒算式和组成归一性方程检验计算结果）

（二）热量恒算要点热量恒算在物料恒算基础上进行。

首先划定恒算范围、选取恒算基准（时间基准、物料量基准、物流焓的基准态）根据能量守恒定律列出恒算式例题：

P10例0-3热量恒算基本步骤小结：

（1）根据题意画出恒算示意图

（2）确定恒算基准，计算各物流的焓值（3）列出热量恒算式，求解未知量四、量纲一致性与单位一致性物理量的量纲（因次）：

通过几个基本物理量的幂次方的乘积表达的关系基本物理量：

长度（L）、时间（T）、质量（M）、温度（）、物质的量（N）、电流强度（A）、发光强度（cd）量纲一致性：

在一个完整的物理方程中，各项的量纲必定相同例题：

P12例0-4

（1）量纲一致性是判断一个物理方程是否正确的一个重要判据

（2）在化工原理中，常要用到各种无量纲数（无因次数或无因次数群）的概念来反映过程或事物的某些基本特征（3）量纲和量纲的一致性是量纲分析法（因次分析法）的基础，量纲分析法是指导工程性实验、建立各种过程影响因素的经验关联式的一个重要手段物理量的单位是表征物理量大小的要素。

我国目前使用的是以国际单位制为基础的法定计量单位。

单位一致性：

一个计算式中各项的单位必须一致。

它是检验计算正确性的一项判据化工原理教案SpringQQ:

1588006034第一章流体流动本章学习要求1.熟练掌握的内容流体主要物性和压强的定义、单位及换算；流体静力学基本方程式、连续性方程、机械能衡算方程及其应用；流体的流动类型、雷诺准数及其计算；流体在圆形直管内的阻力及其计算。

2.理解的内容边界层的基本概念；非圆形管内的阻力计算，当量直径；局部阻力的计算；简单管路的计算；测速管，孔板流量计、文氏流量计与转子流量计的结构、测量原理及使用要求。

3.了解的内容圆形管内流动的速度分布；复杂管路的计算。

学习本章的意义：

学习本章的意义：

1流体存在的广泛性。

在化工厂中，管道和设备中绝大多数物质都是流体（包括气体、液体或气液混合物）。

只是到最后，有些产品才是固体。

2通过研究流体流动规律，可以正确设计管路和合理选择泵、压缩机、风机等流体输送设备，并且计算其所需的功率。

3流体流动是化工原理各种单元操作的基础，对强化传热、传质具有重要的实践意义。

因为热量传递，质量传递，以及化学反应都在流动状态下进行，与流体流动密切相关。

所以大家要认真学习这一章，充分打好基础。

第一节概述1.流体（具有流动性的液体和气体统称为流体）流动在本课程中的重要性流体流体主要主要特征特征具有流动性；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。

流体种类流体种类如果流体的体积不随压力变化而变化，该流体称为不可压缩性流体不可压缩性流体；若随压力发生变化，则称为可压缩性流体可压缩性流体。

一般液体的体积随压力变化很小，可视为不可压缩性流体；而对于气体，当压力变化时，体积会有较大的变化，常视为不可压缩性流体，但如果压力的变化率不大时，该气体也可当作不可压缩性流体处理。

2.流体流动形式：

管流：

流体在闭合的固体边界通道中的流动，且流体充满整个管道。

绕流：

流体绕过物体的流动，物体被流动流体所包围。

射流：

一股流体以一定速度射入另一股流体中时发生的流动。

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。

一、流体的连续介质模型流体是由大量的单个分子组成，而每个分子之间彼此有一定的间隙，它们将随时都在作无规则随机的运动。

所以，若把流体分子作为研究对象，则流体将是一种不连续介质，这将使研究非常困难。

好在在化工生产过程中，我们对流体流动规律的研究感兴趣的并非是单个分子的微观运动，而是流体宏观的机械运动。

所以我们不取单个分子作为考察对象，而取比分子平均自由程大得多，比设备尺寸小得多的这样一个流体质点作为最小考察对象，质点是由大量分子组成的微团，它可以代表流体的性质。

流体可以看成是由大量微团组成的，质点间无空流体可以看成是由大量微团组成的，质点间无空隙，而是充满所占空间的连续介质，隙，而是充满所占空间的连续介质，从而可以使用连续函数的数学工具对流体的性质加以描述。

从而可以使用连续函数的数学工具对流体的性质加以描述。

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1588006035二、流体的密度与比容

（一）密度与比容的定义单位体积流体的质量，称为流体的密度，表达式为Vm（1-1）式中流体的密度，kg/m3；m流体的质量，kg；V流体的体积，m3。

对一定的流体，其密度是压力和温度的函数，即）,（Tpf在研究流体流动时，若压力与温度变化不大时，则可认为液体的密度为常数。

密度为常数的流体称为不可压缩流体。

严格说来，真实流体都是可压缩流体,不可压缩流体只是在研究流体流动时，对于密度变化较小的真实流体的一种简化。

本章中如不加说明均指不可压缩流体。

单位质量流体的体积称为流体的比容，用表示1mVv（1-2）其单位为m3/kg。

（二）纯组分流体的密度1.液体密度液体密度通常液体可视为不可压缩流体，认为其密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可由手册中查得。

2.气体密度气体密度对于气体，一般来说是可压缩的，称为可压缩流体。

当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算RTpM（1-3）式中p气体的绝对压力，Pa；M气体的摩尔质量，kg/mol；T绝对温度，K；R气体常数，其值为8.314J/（molK）。

一般在手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下的，若条件不同，则密度需进行换算。

当已知指定条件（p0、T0）下的0后，操作条件（p、T）下化工原理教案SpringQQ:

1588006036=0TT00pp（1-4）（三）混合物的密度化工生产中遇到的流体，大多为几种组分构成的混合物，而通常手册中查得的是纯组分的密度，混合物的平均密度m可以通过纯组分的密度进行计算。

1.液体混合物各组分的浓度常用质量分率来表示。

若混合前后各组分体积不变（理想溶液），则1kg混合液的体积等于各组分单独存在时的体积之和。

混合液体的平均密度ml为：

ml1=niii1（i=1,2,n）（1-5）式中i-液体混合物中各纯组分的密度，kg/m3；i-液体混合物中组分i的质量分数。

1.气体混合物理想气体mg=niiiy1）（i=1,2,n）（1-6）yi-气体混合物中组分i的摩尔分数。

或mg=RTpMm（1-6a）混合气体平均千摩尔质量Mm=）（1niiiyM（1-7）例题：

P16例1-1P16例1-2三、流体的粘性

（一）

（一）牛顿粘性定律牛顿粘