1、化 工 原 理2013-08-26化化 工工 原原 理理彭 军 霞化 工 原 理2013-08-26教 材p 柴诚敬主编（天津大学化工学院）p 普通高等教育“十一五”国家级规划教材p 化工原理（上册）p 高等教育出版社北京p 2005年6月（第一版）化 工 原 理2013-08-26 柴诚敬,张国亮.化工流体流动与传热.第二版 北京:化学工业出版社,2007 夏清，陈常贵.化工原理，上册.天津:天津大 学出版社,2005 W.L.McCabe,J.C.Smith.Unit Operations of Chemical Engineering,6th ed.New York:McGraw.Hil
2、l Inc.,2001参 考 教 材化 工 原 理2013-08-26 绪论绪论 第一第一章章 流体流动流体流动 第二第二章章 流体输送机械流体输送机械 第三第三章章 非均非均相混合物分离及固体流态化相混合物分离及固体流态化 第四第四章章 液体搅拌液体搅拌 第五第五章章 传热传热 第六第六章章 蒸发蒸发 化 工 原 理2013-08-26能正确理解各单元操作的基本原理；了解典型设备的构造、性能和操作原理，并具有设备选型及校核的基本知识。熟悉主要单元操作过程及设备的基本计算方法；掌握计算公式的物理意义、应用方法和适用范围；具有使用常用工程计算图表、手册、资料的能力。熟悉常见化工单元操作要领。具有
3、选择适宜操作条件、探索强化过程途径和提高设备效能的初步能力；具有运用工程技术观点分析和解决化工单元操作一般问题的初步能力。教 学 目 的化 工 原 理2013-08-26 通过绪论的学习，应了解化工原理课程的通过绪论的学习，应了解化工原理课程的主主要内容要内容，单元操作的分类和特点单元操作的分类和特点，工程学科的研工程学科的研究方法究方法，本课程的学习要求，掌握，本课程的学习要求，掌握单位制及单位单位制及单位换算方法换算方法。绪 论目 的 与 要 求化 工 原 理2013-08-26化工原理课程的内容和特点 绪 论1.化工原理课程内容2.单元操作的分类和特点3.化工原理的研究方法4.化工过程计
4、算过程的理论基础5.本课程的学习要求1.单位和单位制度2.单位换算单位制度及单位换算 主 要 内 容化 工 原 理2013-08-26化学工业：化学工业：化学工业化学工业是将自然界中的各种物质资源通过物理和是将自然界中的各种物质资源通过物理和化学化学的方法加工成具有规定质量的方法加工成具有规定质量的的 物质物质的工业。的工业。化学工业化学工业是一个包含多个行业的工业部门。是一个包含多个行业的工业部门。化学工业化学工业包括石油炼制和裂解、煤焦化及煤焦油工业、基本有机合成工业、高分子包括石油炼制和裂解、煤焦化及煤焦油工业、基本有机合成工业、高分子合合 成成、氯碱、氯碱、制酸、化肥、以及精细化学工业
5、等。制酸、化肥、以及精细化学工业等。1.化工原理课程内容化学工程：化学工程：研究化学工业和研究化学工业和其他过程工业其他过程工业 生产生产中所进行的化学过程和物理过程中所进行的化学过程和物理过程共同规律的共同规律的一一门门 工程工程学科。学科。化学工程化学工程是一门工程技术学科，它研究化工产品生产过程的基本规律，并运用是一门工程技术学科，它研究化工产品生产过程的基本规律，并运用这些这些 规律规律解决化工生产中的问题。解决化工生产中的问题。绪论 化工原理课程的内容和特点化 工 原 理2013-08-26科科 学学 实实 验验应用化学高分子化学教育无机化学有机化学分析化学物理化学化化 工工 生生
6、产产合成氨硫酸制造氯碱工业石油化工制药工业能源工程环境工程化学家化学家化工专家化工专家 绪论 化工原理课程的内容和特点化 工 原 理2013-08-26化学工艺学阶段化学工艺学阶段传递过程阶段传递过程阶段化工单位操作阶段化工单位操作阶段“三传一反三传一反”阶段阶段化工及相关行业I 阶段化学工程发展的四个阶段化学工程发展的四个阶段流体输送沉降、过滤离心分离搅拌固体流态化加热冷却蒸发蒸馏吸收、吸附萃取、干燥结晶II 阶段 1918年动量传递热量传递质量传递III 阶段 1960年化工传递过程化学反应工程学IV 阶段 1970年三传一反 绪论 化工原理课程的内容和特点化 工 原 理2013-08-2
7、6 绪论 化工原理课程的内容和特点基本内容基本内容 流体动力过程流体动力过程（流体输送、沉降、过滤、搅拌、固定床、流化床）传热过程传热过程（传热、蒸发）传质过程传质过程（吸收、精馏、萃取、干燥、结晶、吸附）共同规律和共同规律和联系联系 动量传递动量传递 热量传递热量传递质量传递共同特点共同特点 共同的研究对共同的研究对象：传递过程象：传递过程实际问题的复实际问题的复杂性杂性过程、体系、设备过程、体系、设备工程性强、计算量大工程性强、计算量大化工生产过程化工生产过程前处理（预处理）物理过程化学反应过程化学过程后处理（加工）物理过程化 工 原 理2013-08-26 绪论 化工原理课程的内容和特点
8、Companies in the 21st century化 工 原 理2013-08-262.单元操作的分类和特点：1.流体动力过程：流体输送、沉降、过滤、搅拌 2.传热过程：换热、蒸发 3.传质过程：蒸馏、吸收、萃取、吸附、浸取、吸附、离子交换、膜分离 4.热质同时传递过程：增减湿、结晶、干燥 绪论 化工原理课程的内容和特点：化工原理是一门实践性很强的工程学科。单元操作的研究内容包括“过程”和“设备”两个方面。所有的单元操作都可分解为动量传递、热量传递、质量传递这三种传递过程 和它们的结合。三种传递过程现象中存在着类似的规律和内在的联系。传递 过程是联系各单元操作的一条主线。化 工 原 理
9、2013-08-26包括流体输送、沉降、包括流体输送、沉降、过滤、离过滤、离心分离、搅拌、固体流态化等心分离、搅拌、固体流态化等以流体力学为基础以流体力学为基础以热量传递理论为基础以热量传递理论为基础以质量传递理论为基础以质量传递理论为基础化工生产中，主要的单元操作可以归纳为三类：化工生产中，主要的单元操作可以归纳为三类：绪论 化工原理课程的内容和特点包括加热、冷却、蒸发等包括加热、冷却、蒸发等包括包括蒸馏、吸收、吸附、萃取、蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离干燥、结晶、膜分离等等化 工 原 理2013-08-263.化工原理课程的研究方法 :用量纲分析和相似论为指导，依靠试验来确定过
10、程变量之间的关系，通过量纲为一数群（或称准数）构成的关系式来表达。是一种工程上通用的基本方法。绪论 化工原理课程的内容和特点：在对实践过程的机理深入分析的基础上，在抓住过程本质的前提下，作出某种合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得出数学模型。通过实验确定模型参数。研究工程问题的方法是联系各单元操作的另外一条主线。化 工 原 理2013-08-264.化工过程计算的理论基础 绪论 化工原理课程的内容和特点间歇操作、连续操作中的开车、波动及故障等间歇操作、连续操作中的开车、波动及故障等。不稳定过程：不稳定过程：某一固定位置上物料组成、某一固定位置上物料组成、温度、温度、压强、流速压强、流速等参
11、数不随时间变化。等参数不随时间变化。稳定过程：稳定过程：物料衡算物料衡算 质量守恒质量守恒能量衡算能量衡算 能量守恒能量守恒平衡关系平衡关系 过程方向及程度过程方向及程度过程速率过程速率 过程难易过程难易化 工 原 理2013-08-265.本课程的学习要求(1)(1)单单元操作和设备选择的能力元操作和设备选择的能力(2)(2)工程设计工程设计能力能力(3)(3)操作操作和调节生产过程的能力和调节生产过程的能力(4)(4)过程开发过程开发或科学研究能力或科学研究能力 (5)(5)实验实验能力能力 绪论 化工原理课程的内容和特点化 工 原 理2013-08-261.单位和单位制度 绪论 单位制度
12、及单位换算 基本单位:质量、长度、时间和温度 导出单位:速度、密度、加速度 绝对单位制:长度、质量、时间 重力单位制:长度、时间、力 根据1960年10月国际计量大会通过 的一种单位制。在SI制基础上制定的，又规定了一些我国选定的单位（见附录一）。化 工 原 理2013-08-26量的量的名称名称单位单位名称名称单位单位符号符号定义定义长度米m米是光在真空中(1/299792458)s时间间隔内所经路径的长度质量千克公斤kg千克等于国际千克原器的质量时间秒s秒是铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁对应的辐射的9192631770个周期的持续时间电流安培A安培是在真空中,截面积可忽略的两根
13、相距1m的无限长平行圆直导线内通以等量恒定电流时,若导线间相互作用力在每米长宽上为210-7N,则每根导线中的电流为1A热力学温度 开尔文K开尔文是水的三相点热力学温度的1/273.16物质的量摩尔mol摩尔是一系统的物质的量,该系统中包含的基本单元数与0.012kg碳12的原子数目相等,在使用摩尔时,基本单位应予指明,可以是原子、分子、离子、电子及其他粒子,或是这些粒子的特定组合发光强度坎德拉cd坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度,该光源发出频率weu5401012Hz的单色辐射,且在此方向上的辐射强度为(1/688)W/srSI基本单位基本单位:绪论 单位制度及单位换算化 工 原 理20
14、13-08-26国际单位制（国际单位制（SI制）制）;物理物理单位制（单位制（CGS制制）；公制）；公制（MKS制制）；工程）；工程单位制（单位制（at制制）：以以长度（米）、时间（秒）和力（公斤力长度（米）、时间（秒）和力（公斤力）为基本单位，）为基本单位，质量为导出单位质量为导出单位。绪论 单位制度及单位换算一物体在一物体在1kgf的作用下，得到的作用下，得到1m/s2的加速度，该物体的质量为的加速度，该物体的质量为1质量工程单位（质量工程单位（kgf.s2/m）9.81kg1m/s9.81kg.m/s1m/s1kgf2221质量工程单位质量工程单位=1质量工程单位的数值相当于质量工程单位
15、的数值相当于SI质量的质量的9.81倍倍：在真空中以公制中的在真空中以公制中的1公斤质量公斤质量(kg)的物质在重力加速度的物质在重力加速度为为9.81m/s2下所受到的重力称为下所受到的重力称为 1公斤力公斤力(kgf)1kgf=1kg9.81m/s2 =9.81kg.m/s2 =9.81N化 工 原 理2013-08-26几种单位制比较几种单位制比较单位制单位制长度长度质量质量时间时间速度速度力力功功功率功率SImkg sms-1kgms-2kgm2s-2kgm2s-3MKSmkg sms-1kgms-2kgm2s-2kgm2s-3CGScmg scms-1gms-2gcm2s-2gcm2
16、s-3atmkgfs2m-1 sms-1kgms-2kgm2s-2kgm2s-3 绪论 单位制度及单位换算化 工 原 理2013-08-262.单位换算 1.先查出同一因次不同单位制的换算系数，写成比例形式。先查出同一因次不同单位制的换算系数，写成比例形式。2.将需要换算的量和单位根据其间的关系写成数字附带单位连乘、连除的将需要换算的量和单位根据其间的关系写成数字附带单位连乘、连除的式子，再进行式子，再进行运算运算。绪论 单位制度及单位换算 属于属于不同因次的单位，不能进行加减乘除等数学运算，相同因次而不同单位不同因次的单位，不能进行加减乘除等数学运算，相同因次而不同单位要运算时，须先将其转换
17、成相同的单位，才能进行加加减乘除等数学运算。要运算时，须先将其转换成相同的单位，才能进行加加减乘除等数学运算。化 工 原 理2013-08-26 基本物理量中为基本物理量中为1m物理单位制中物理单位制中100cm英制英制3.2808ft（a）物理方程）物理方程（b）经验）经验方程方程（例如：换算（例如：换算方法见例方法见例02）绪论 单位制度及单位换算化 工 原 理2013-08-26 依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中依据质量守恒定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量，即累积的物料质量，即 输入量输入量输出量累积量输出量累积量
18、 对于对于连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即稳定操作状态时，连续操作的过程，若各物理量不随时间改变，即稳定操作状态时，过程中过程中不不应有物料的积应有物料的积 累累。则物料衡算关系为。则物料衡算关系为 输入量输入量输出量输出量 用用物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。物料衡算式可由过程的已知量求出未知量。3.几个基本概念 绪 论化 工 原 理2013-08-26VDFVxDxFxVDF1、画出流程示意图，标出物料、画出流程示意图，标出物料流向与流量、组成等流向与流量、组成等；2、用虚线划出衡算范围；、用虚线划出衡算范围；3、定出衡算基准；、定出衡算基准；4、列出衡算式并求解。、列出衡
19、算式并求解。绪 论化 工 原 理2013-08-26在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是在化工生产中，能量的消耗是一项重要的技术经济指标，它是衡量衡量工艺工艺过程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一。过程、设备设计、操作制度是否先进合理的主要指标之一。能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完备的物料衡算后才能作能量衡算的基础是物料衡算，只有在进行完备的物料衡算后才能作出能量衡算。出能量衡算。能量衡算依据于能量守恒定律：能量衡算依据于能量守恒定律：输入的输入的能量能量=输出输出的能量的能量+积累的能量积累的能量 绪 论化 工 原 理2013-08-26l 平衡平衡是在一
20、定条件下物系变化可能达到的极限。是在一定条件下物系变化可能达到的极限。l 通过通过平衡关系可以判断过程能否进行，及进行的方向和平衡关系可以判断过程能否进行，及进行的方向和能达到的程度。能达到的程度。l 平衡平衡关系对于分析化工生产过程具有重要的意义。关系对于分析化工生产过程具有重要的意义。绪 论化 工 原 理2013-08-26l化工原理中涉及传热速率和传质速率，称为过程速率。化工原理中涉及传热速率和传质速率，称为过程速率。l过程速率的大小，直接影响设备的尺寸大小，生产能力及经济效益过程速率的大小，直接影响设备的尺寸大小，生产能力及经济效益等。过程速率是过程推动力和过程阻力的比值等。过程速率是
21、过程推动力和过程阻力的比值阻力推动力速率 绪 论化 工 原 理2013-08-26 为为生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料生产定量的某种产品所需要的设备，根据设备的型式和材料的不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作参数的不同，可以有若干设计方案。对同一台设备，所选用的操作参数不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核算确定最经济不同，会影响到设备费与操作费。因此，要用经济核算确定最经济的设计方案。的设计方案。绪 论化 工 原 理2013-08-26化工开发过程的程序和步骤化工开发过程的程序和步骤 绪 论化 工 原 理2013-08-261.1 流体流体的重要
22、的重要性质性质1.2 流体静力学流体静力学1.3 流体流动概述流体流动概述1.4 流体流动的基本方程流体流动的基本方程1.5 动量传递想象动量传递想象1.6 流体在管内流动的阻力流体在管内流动的阻力1.7 流体输送管路的计算流体输送管路的计算1.8 流量的测量流量的测量1.9 非牛顿流体的流动非牛顿流体的流动 第一章 流体流动第一章 流体流动 通过通过本章的学习，应掌握流本章的学习，应掌握流体在管内流动过程的体在管内流动过程的基本原理和基本原理和规律规律，并运用这些原理和规律，并运用这些原理和规律分分析和计算析和计算流体流动过程中的有关流体流动过程中的有关问题。问题。化 工 原 理2013-0
23、8-26假定流体是由连续分布的流体质点所组成，表征流体物理性质和运动假定流体是由连续分布的流体质点所组成，表征流体物理性质和运动参数的物理量在空间和时间上是连续的分布函数。参数的物理量在空间和时间上是连续的分布函数。第一章 流体流动-流体的重要性密度：密度：流体流体空间某点上单位体积流体的质量空间某点上单位体积流体的质量流体的密度是位置流体的密度是位置(x,y,z)和时间和时间的函数的函数Vmvvlim),(zyx在在SI单位中，单位中，的单位为的单位为kg/m3，常见密度的见附录常见密度的见附录化 工 原 理2013-08-26气体混合物，混合前后质量不变气体混合物，混合前后质量不变液体混合
24、物，混合前后体积不变液体混合物，混合前后体积不变液体：液体：基本不随压力变化（极高压力除外），随温度略有变化。基本不随压力变化（极高压力除外），随温度略有变化。气体：气体：密度随温度、压力改变。低压下可按照理想气体状态方程计算密度随温度、压力改变。低压下可按照理想气体状态方程计算RTpMVmnnmwww 11111nmn2211 组分的质组分的质量分数量分数组分的体组分的体积分积分 第一章 流体流动-流体的重要性化 工 原 理2013-08-26或或 流体流体的可压缩性通常用体积的可压缩性通常用体积压缩系数压缩系数来来表示。其意义为在一定温度表示。其意义为在一定温度下，外力每增加一个单位时，流
25、体体积的相对缩小量下，外力每增加一个单位时，流体体积的相对缩小量体积压缩系数体积压缩系数dpdvv1dpd1v是单位质量流体的体积（流体的比容：是单位质量流体的体积（流体的比容：m3/kg）第一章 流体流动-流体的重要性化 工 原 理2013-08-26不可压缩流体不可压缩流体0 的流体为的流体为可压缩流体可压缩流体气体气体在一般情况下是在一般情况下是可压缩流体可压缩流体 需要指出，实际流体都是可压缩的，不可压缩流体乃是为便于需要指出，实际流体都是可压缩的，不可压缩流体乃是为便于处理密度变化较小的某些流体所作的假设而已。处理密度变化较小的某些流体所作的假设而已。=0 的流体为可压缩流体的流体为
26、可压缩流体大多数大多数液体可视为不可压缩流体液体可视为不可压缩流体。值越大，流体越容易被压缩值越大，流体越容易被压缩。第一章 流体流动-流体的重要性化 工 原 理2013-08-26（1）牛顿牛顿黏性定律黏性定律 黏性黏性：流体流体在运动时，相邻流体层之间是有相互作用的，这种相互抵抗的作用力在运动时，相邻流体层之间是有相互作用的，这种相互抵抗的作用力称称 为为剪切力，流体所具有的这种抵抗两层流体相对运动速度的性质称为流体的黏性。剪切力，流体所具有的这种抵抗两层流体相对运动速度的性质称为流体的黏性。黏性黏性是流体的固有属性之一，不论流体处于静止还是流动，都具有黏性。是流体的固有属性之一，不论流体
27、处于静止还是流动，都具有黏性。图图 平板平板间黏性流体的速度变化间黏性流体的速度变化 上板以恒定速度上板以恒定速度沿沿x x的正方向运动的正方向运动 第一章 流体流动-流体的重要性化 工 原 理2013-08-26实验实验证明：证明：对于多数流体，任意两毗邻流体层之间作用的剪切力对于多数流体，任意两毗邻流体层之间作用的剪切力 与两流体层与两流体层的速度的速度差及其差及其作用面积作用面积 成正比，与两流体层之间的垂直距离成正比，与两流体层之间的垂直距离 成反比成反比AyuFx单位面积的剪切力称为剪切应力（内摩擦力，以单位面积的剪切力称为剪切应力（内摩擦力，以表示）表示）yuAFdydu当当y0,
28、牛顿黏性定律牛顿黏性定律 第一章 流体流动-流体的重要性化 工 原 理2013-08-26牛顿型流体牛顿型流体(Newtonian fluid)遵循遵循牛顿黏性定律的流体牛顿黏性定律的流体 所有所有气体和大多数低分子量液体均属牛顿型流体，如水、空气等。气体和大多数低分子量液体均属牛顿型流体，如水、空气等。非非牛顿型牛顿型流体流体(non-Newtonian fluid)凡凡不遵循牛顿黏性定律的流体为非牛顿型流体不遵循牛顿黏性定律的流体为非牛顿型流体(non-Newtonian fluid)。某些某些高分子溶液、悬浮液、泥浆、血液等属于非牛顿流体。高分子溶液、悬浮液、泥浆、血液等属于非牛顿流体。
29、第一章 流体流动-流体的重要性化 工 原 理2013-08-26由于由于P的单位较大，一般的单位较大，一般以泊的以泊的1/100的厘泊（的厘泊（cP）来表示黏度。来表示黏度。在在SI单位制中，黏度的单位为单位制中，黏度的单位为Pas，在物理单位制上，其单位为在物理单位制上，其单位为P（泊），（泊），smkgspmsmpdyduaa11 Pscmgcmsdyscmscmcmdyn2112（2）流体的黏度）流体的黏度 第一章 流体流动-流体的重要性化 工 原 理2013-08-26 SI单位为单位为m2/s；在物理单位；在物理单位cm2/s（St，斯），斯），1St=100 cSt(厘斯厘斯)=10-4 m2/s运动运动黏度黏度理想流体理想流体（3）理想流体与黏性流体）理想流体与黏性流体0的流体的流体 第一章 流体流动-流体的重要性
