化工原理课件

化工原理

PrinciplesofChemicalEngineering緒論化工原理研究內容化工生產中常見的一些問題：在什麼條件下所期望的化學反應才能發生？反應的速率將會是多大？不期望的反應（副反應）速率又會是多大？轉化率為多少？通過什麼樣的工程方法和設備來實現其工藝過程？怎樣才能從工業規模生產中獲得最佳的經濟效益？如何提供反應所需的熱量及使用反應放出的熱量？反應物如何供給、產物又如何分離？化工原理是一門以介紹化工生產中各主要單元操作為基礎知識的課程化工生產定義：有目的的使原料經過一系列的化學或物理變化，獲得產品的工業過程。內容包括：化學反應過程：在反應器中進行，是反應工程研究的內容單元操作：包括流體輸送、加熱、蒸餾等，在化工生產中佔據重要地位；單元操作與其相關設備是化工原理研究的主要內容單元操作

定義：化工生產中不進行化學反應的步驟分類：按照物理作用原則，可分為三類[圖]動量傳遞過程：遵循流體力學基本規律熱量傳遞過程品質傳遞過程：如吸收、蒸餾、萃取、吸附、離子交換等攪拌流態化氣體液化液體汽化蒸發濃縮加熱冷卻結晶精餾液液萃取氣液吸收噴霧乾燥動量傳遞品質傳遞熱量傳遞過濾與沉降流體輸送氣固吸附化工原理的發展

第一本教材：1913年，美國麻省理工學院，PrinciplesofChemicalEngineering

我國於1940年引入，現已成為化工、生工類各專業的主幹課程幾個主要概念

物料恒算：見例1根據品質守恆定律，一定時間t內，輸入的物料品質=輸出物料品質+積存或：ΣF=ΣD+A

在很多情況下，過程中並無物料積存（穩定過程），此時：輸入=輸出

能量恒算：見例2以熱量恒算比較多見，注意基準溫度的選定

ΣHf+q=ΣHp+Aq例1：濕物料原來含水16%（品質%），在乾燥器中乾燥至含水0.8%，試求每噸物料乾燥出的水量。解：1.繪流程圖。濕物料幹物料2.劃定恒算範圍：用一圈封閉虛線表示，以虛線為界，以箭頭表示物流方向，凡是穿越邊界指向內的，都屬於輸入項，反之，屬於輸出項。3.規定恒算基準：本題中以物料的含水量作為基準。含水16%含水0.8%4.列出算式求解：設每噸物料乾燥出的水量為XX1000×16%=（1000-X）×0.8%+XX=153Kg例2：1大氣壓下苯的飽和蒸汽（80.1℃）在換熱器中冷凝並冷卻到70℃。冷卻水於30℃下送入，於60℃下送出。求每千克（重量）苯蒸汽需要多少冷卻水。1大氣壓下苯的汽化潛熱為393.9KJ/Kg，在70~80℃內的平均比熱為1.93KJ/Kg·℃，在0~70℃內的平均比熱為1.76KJ/Kg·℃

。解：換熱器80.1℃，苯（g）70℃，苯（l）30℃,水60℃,水本題選擇0℃下的液態苯作為基準，設冷卻水的用量為xKg。查書本P451附錄“水的物理性質”查得：30℃時水

H1

=125.6KJ/Kg，60℃時水H2=251.2KJ/Kg。換熱器80.1℃，苯（g）70℃，苯（l）30℃,水60℃,水

80.1℃，苯（l

）輸入:1)80.1℃時苯的焓差（冷凝熱）：Q1=1393.9=393.9KJ2)80℃下液態苯的焓：H2=1[1.76(70-0)+1.93(80-70)]=142.5KJ3)30℃下冷卻水的焓：H3=125.6x輸出：1)70℃下苯的焓：H4=11.76(70-0)=123.20KJ2)60℃下冷卻水的焓：H5=251.2x輸入=輸出，即Q1+H2+H3=H4+H5，125.6x=413.2x=3.3Kg思考題：採用兩個連續操作的串聯的蒸發器濃縮NaOH溶液。每小時有5噸12%（品質%）NaOH溶液進入第一個蒸發器濃縮到20%後輸送到第二個蒸發器，進一步濃縮成50%的溶液而排出。（1）試分別求出兩個蒸發器每小時蒸發的水量及從第二個蒸發器送出的濃溶液量；（2）若蒸發器1用0.18MPa的水蒸汽加熱，冷凝水在飽和溫度下排出，原料液入口溫度為20℃，在器內的沸點為70℃，溶液比熱為3.8KJ/Kg·℃，熱損失為3×105

KJ/h，溶液的濃縮熱可以忽略，求所需要的水蒸汽量。（2）解：分別求出每小時輸入和輸出蒸發器的熱量，均以0℃的液態為基準。則查P452-P453”飽和水蒸氣表”可知加熱蒸汽的焓H1=2704KJ/Kg，蒸發出的蒸汽的焓（70℃）H2=2624KJ/Kg，0.18MPa下飽和水的焓489KJ/Kg。輸出：1）濃液的焓：Q1=30003.8(70-0)=7.98105KJ/h2）蒸發蒸汽的焓：Q2=20002624=52.48105KJ/h3）冷凝水的焓：Q3=489xKJ/h4）熱損失:Q4=3105KJ/h輸入：1）原料液的焓：Q5=50003.8(20-0)=3.8105KJ/h2）加熱蒸汽的焓：Q6=2704xKJ/h輸入=輸出：Q5+Q6=Q1+Q2+Q3+Q4

3.8105+2704x=(7.98+52.48+3)105+489x

x=2693Kg/h

過程的平衡與速率—分析單元操作的兩個基本方面過程平衡：說明過程進行的方向和所能達到的極限

H2O含NH3空氣含NH3的H2O含NH3空氣平衡H2ONH3過程推動力過程阻力過程速率=

過程速率：表示過程進行的快慢當體系處於不平衡狀態時，過程就將進行小結

要求掌握“單元操作”的概念掌握“品質恒算”與“能量恒算”的概念，並能進行習題的運算第一章

流體力學與應用前言

流體：化工過程處理加工的對象，包括氣體和液體。流體輸送：化工過程中最普遍的單元操作之一。本章學習內容：與流體輸送有關的基本原理。流體的連續性流體質點與連續性質點：保持流體宏觀力學性質的最小流體單元，是由大量分子構成的集團（又稱微團）；其幾何尺寸大大大於分子，而遠遠小於管路或容器的幾何尺寸。連續性：流體是由無數的彼此相連的流體質點組成，是一種連續性介質，流體內部無數質點運動的總和，構成了流體流動，因此流體的物理性質及運動參數也應是連續分佈的。適應範圍：除分子密度稀薄的高真空下不能成立，其餘情況都能成立。流體流動微觀：流體作為一個整體運動時，內部還有相對運動，流體分子間間隙較大，有自由活動的空間流體不連續，運動無規則宏觀：流體的流動是連續的，有規律的，是人們研究的重點選取流體質點作為觀察對象流體的特徵

特徵：流體分子間距離較大，當受到外部剪切力作用時，易變形產生流動分類

可壓縮流體：通常為氣體，密度變化較明顯不可壓縮流體：液體（外壓很大情況下除外），壓力改變對密度影響很小的流體作用在流體上的力

品質力：作用於每個流體質點上，在數值上與加速度相等表面力：作用於流體接觸面上的力，並與接觸面積成正比分類切向力：也稱為剪力法向力：也稱為總壓力剪應力

：單位面積上受到的剪力，由流體粘性引發（靜止流體無）。壓強p：單位面積上受到的總壓力。牛頓粘性定律u5u4u3u2u1yyuFU=0

yu5u4u3u2u1dudyu在兩塊面積很大，間距很小的平板間充滿液體，剪應力τ與上下兩板間速度隨距離的變化率成正比。ΔuΔyF=Aτ=

AμΔuΔy如右圖，流體在圓管內流動時，Δu與Δy的關係不成直線。則將寫成(速度梯度)：

ΔuΔydudydudy牛頓粘性定律：F=±μAdudyF=Aτ=A

μ粘度記作μ，Pa·s，cgs制中單位為g·s·

cm-1，稱為“泊”。

1Pa·s=10P(泊)=1000cP(厘泊)粘度是流體的運動屬性，只有在運動中表現出來，其大小表示流體粘性大小；靜止流體無粘性。液體粘度隨溫度上升減小，氣體粘度隨溫度上升增加。流體靜力學

流體的密度壓強及其表示方法流體靜力學流體靜力學基本方程在工程中的應用流體的密度

定義：單位體積流體的品質，記為ρ，Kg·m-3。對理想氣體：理想氣體狀態方程：標準狀態下氣體密度：對理想氣體混合物：對混合液體：成立條件：忽略混合前後體積的變化比體積（比容）：υ=1/ρ，m3·Kg-1

相對密度（比重）：d=

ρ/ρ水，4℃,無因次准數ρ==

mVMpRTM22.4MP0RTρ0==ρ==

ρ0pp0T0TM22.4pp0T0TM=y1M1+y2M2+…+ynMn1ρm

=++…+ω1

ρ1ρ2ω2

ωn

ρn壓強

流體壓強：流體垂直作用於單位面積上的力，Pa，cgs制中，單位為Kg(f)·cm-2。常用單位之間換算關係：1atm=101300Pa=101.3Kpa=10330Kg(f)•m-2=1.033Kg(f)•cm-2=10.33(mH2O)=760mmHg

壓強的表示方法

P表=P絕-Pa

絕對壓強比大氣壓高出的值

P真=Pa-P絕絕對壓強比大氣壓低的值P=0P0真空度表壓絕壓（實際大氣壓）注意：1.壓強數值用表壓或真空度表示時，應分別注明，如：200KPa（表壓），700mmHg（真空度）；若未注明，便視為絕對壓力。2.記錄真空度或表壓時，應注明當地大氣壓；若未注明，便認為大氣壓強為1標準大氣壓。流體靜力學方程如右圖：P1=P0+ρg(Z0-Z1)P2=P0+ρg(Z0-Z2)則：P2-P1=ρg(Z1-Z2)（1）

P=P0+ρgh

（2）（1）式中，若Z1=Z2，則P1=P2。等壓面：同一水平面上各點壓強相等。結論：靜止流體內任意兩平面的壓強差是由兩平面的高度差別引起的，流體密度一定時，h↑,ΔP↑。P0P1P2Z1Z0Z2

上述結論成立條件：流體密度必須為常數。液體密度一般為常數；氣體密度隨高度的變化可忽略，視為常數。

P2-P1=ρg(Z1-Z2)→Z1+(P1/ρg)=Z2+(P2/ρg)，若設P/ρg為靜壓能，Z為位能，則靜止流體中任一平面的位能與靜壓能之和為常數。流體靜力學基本方程在工程中的應用

流體壓強的測量—液柱壓差計指示液液體A：與被測流體不互溶，不發生化學反應，且ρA>ρ。

雙液體U形管微差計指示液A和B：密度相近，不互溶，不發生化學反應。液封高度計算液位測量適用範圍：兩點間壓強差小，而流體與指示液的密度差較大。計算公式：P1-P2=(ρA-ρC)Rg

流體流動現象

流動過程與基本概念穩定流動：維持水平面高度不變，則排水管中每一截面的水準均速度恒定，不隨時間而變化，各點的流動參數（如：u，P，ρ）只隨位置變化而變化。又稱定態流動。

不穩定流動：與上相反。又稱非定態流動。化工生產中，大多數流動為穩定流動。

流線與流管

概念辨析流線：描述暫態經過流場某一點的各個質點的流速變化，表示同一時間、不同質點的速度方向。軌跡線：同一質點在連續瞬間的位置。

流線特徵：流線不能相交；流體質點流動時不能穿越流線。流管：在流場中取一封閉曲線，過此曲線上每一點作流線，流線組成的管狀表面稱為流管。流量與流速

流量：單位時間內流過管截面的流體量，分為體積流量（qv,m3/s）和品質流量（qm,Kg/s）。其中：qm=ρqv。通常，流量大小由生產任務決定。

平均流速u：單位時間內單位截面面積流過的流體體積，簡稱流速(u,m/s)，u=qv/A。

品質流速G：G（Kg/m2•s）=

ρu。

流量、平均流速和品質流速間的關係

流速經驗範圍：液體：0.5—3m/s；氣體：10—30m/sqmqvuG流動型態

層流與湍流層流：流體質點作平行管軸運動，無碰撞，又稱滯流。湍流：流體質點在沿管軸作主流運動時，在其他各方向作隨機脈動，從而相互碰撞混合，又稱紊流。

判斷依據：雷諾數Re雷諾數

流動型態的影響因素流體性質：ρ、μ設備尺寸：d流速：umrduRe=穩定型態mrduRe=粘性力慣性力==duumr2Re<2000，層流區Re>4000，湍流區2000<Re<4000，過渡區（不穩定，總要轉變）abr2r1非圓形截面管道的當量直徑de4=

=流體浸潤周邊流通截面積4

RHd代表圓管尺寸，對非圓形管路要用當量直徑de表示。湍流的特徵

脈動：指瞬時速度變化不規則，總在某一平均值作上下波動。脈動速度：瞬時速度對時均速度的偏離，其時均值為零。ut’uxux’層流管內速度分佈

層流的數學分析在管中心處：r=0，則平均速度和最大速度的關係：

哈根-泊謖葉方程

湍流管內速度分佈

經驗公式：平均流速與最大速度的關係

可見，Re越大，速度分佈越均勻。流體在作湍流流動時，近管壁薄層流速很小，作層流流動，稱層流底層。邊界層流體速度梯度集中在管壁附近，則剪應力也集中在管壁附近。而遠離壁面處流體速度變化小，作用於流體與壁面的剪應力可忽略不計，視作理想流體。邊界層：從近壁面處流速為0到流速為99%u∞(主體流速)的流體之間的區域。

進口管長度：從邊界層開始形成，到邊界層厚度不再增加，這段長度稱為進口段長度（L0）。層流邊界層湍流邊界層層流內層邊界層界限u∞u∞u∞xyLouoxxxd進口段層流：L0=0.05Re·d;湍流:（40-50）d邊界層分離倒流

分離點u0

DAC’CBxAB：流道縮小，順壓強梯度，加速減壓BC：流道增加，逆壓強梯度，減速增壓CC’以上：分離的邊界層CC’以下：在逆壓強梯度的推動下形成倒流，產生大量漩渦品質、能量和動量衡算

總衡算：以劃定的某一封閉空間作為衡算系統，該對象稱為控制體。衡算時不考慮控制體內發生什麼變化，只考慮控制體相對外部的變化。微分衡算歐拉法（Euler）拉格朗日法（Lagrange）歐拉法以流動的空間為觀察對象，觀察不同時刻各空間點上流體質點的運動參數，將各時刻的情況匯總可描述整個流動。歐拉變數：x,y,z,t拉格朗日法

把流體的運動看作是無數個質點運動的總和，以個別質點為觀察對象加以描述，整個流動為各質點運動的匯總。

拉格朗日變數：a,b,c,t連續性方程1122對於穩定流動系統，有：輸入=輸出，用品質流量表示：流入體系的品質流量=流出體系的品質流量。達芬奇(1452-1519）

達芬奇在1500年左右，提出了定常流動的體積流量守恆原理，他說：“沿河流任何一部分，在相同的時間裏，應通過相同流量的水，不管河流的寬度、深度、坡度、粗糙度和曲折度如何”，他還發現對“一深度均勻的河流，窄的地方較寬的地方水流速度要快”。1628年被重新發現，命名為達芬奇-卡斯帕裏原理。1755年L.歐拉（1707-1783）得到連續性微分方程。流體流動的總能量衡算假設：在每單位時間內有品質為m（Kg）的流體從截面1-1’，必然有m(Kg)流體從截面2-2’流出。單位品質流體進入劃定體積時帶入體系的能量：（1）內能U1：單位品質流體內能，J/Kg；品質為m的流體具有內能mU1,J;(2)位能z1g：單位品質流體，J/Kg;品質為m流體位能mgz1，J;(3)動能u12/2：單位品質流體，J/Kg;品質為m流體動能mu12/2，J;(4)靜壓能p1

1(比容)：單位品質流體，J/Kg;品質為m流體靜壓能P1V1，J。其他進入體系的能量：泵做功：Ws，J/Kg；得到為“+”，輸出為“-”；換熱器提供熱：Q，J/Kg；品質為m的流體的熱mQ,J。品質為m的流體進入系統時的能量：mU1+mgz1+mu12/2+P1V1+Q+Ws品質為m的流體離開系統時帶出的能量：mU2+mgz2+mu22/2+P2V2。穩定流動系統中，輸入的總能量=輸出的總能量，則有（1）式；對單位品質流體，則有（2）式。將（2）式中的非機械能（熱能）轉化為機械能形式：各項除以g位壓頭，m靜壓頭，m外加壓頭,m動壓頭，m損失壓頭，m流體阻力與範寧公式

流體流動時，內部存在粘性應力阻礙流體流動，從而造成機械能損失。化工管路阻力包括：直管阻力局部阻力：流體流經管件時的阻力直管阻力如左圖，在1-2截面間列出機械能衡算式：以流體流動方向作為正方向，管長l，管徑為d，管內流速為u：層流時阻力損失的計算湍流時阻力損失的計算

湍流時阻力損失的情況比較複雜，通常用經驗公式計算。湍流的摩擦係數計算湍流阻力損失的經驗公式光滑管Blasius式:Nikuradse式：計算湍流阻力損失的經驗公式粗糙管：Colebrook公式

若只取決於相對粗糙度，與Re無關。阻力損失與流速平方成正比，則此區域稱為完全平方區。/d=5.6610-3,Re=1.2105

=0.032

局部阻力損失局部阻力:流體流經管件或設備時,由於流道的急劇變化,產生邊界層分離,從而消耗的機械能稱為局部阻力.

阻力係數法:突然擴大引起的局部阻力損失突然縮小引起的局部阻力損失

突然縮小造成的阻力損失主要在於突然擴大.

突然縮小的阻力係數

c隨著管截面積之比而變化.

當流體由大設備或大氣進入管內時,c=0.5.A1/A200.20.40.60.81.0

c0.50.450.360.210.070當量長度法當量長度法:認為流體通過管件的局部阻力與流體流過同直徑某長度的直管阻力是相等的,即:

流體流動和靜力學方程的應用

已學方程：靜力學方程:連續性方程:機械能衡算式:柏努利方程:範寧公式:簡單管路計算管路計算的內容情況已知條件要計算的專案123d例1如圖所示流動系統，閥門全開時，p1、pA、pB、p2為已知，管內各處流速相同。問：閥門從全開關至半開，管內流速、各處壓力、各段阻力如何變化。關小閥門，ξ值增大，流速u減小列機械能守恆方程結論：關小閥門，局部阻力增大，流速減小，上游壓力升高，下游壓力下降。例2：附圖中所示的高位槽液面維持恒定，管路中ab和cd兩段的長度、直徑及粗糙度均相同。某液體以一定流量流過管路，液體在流動過程中溫度可視為不變。問：（1）液體通過ab和cd兩管段的能量損失是否相等？（2）此兩管段的壓強差是否相等？並寫出它們的運算式；（3）兩U管壓差計的指示液相同，壓差計的讀數是否相等？例3：圖示的管路上裝有一個閥門，如減小閥門的開度。試討論：（1