化工原理绪论(共116页).ppt

化工原理（1）,学时： 48 教材： 化工原理上册 天津大学出版社 参考书:化工原理上册 化学工业出版社 食品工程原理 中国轻工业出版社,1,2021/11/17,绪论,化工生产过程与单元操作,化学工业:对原料进行化学加工以获得产品 化工生产过程:用化工手段将原料加工成产品的生产过程该生产过程的核心是化学反应过程，为使化学反应经济有效的进行，反应前物料要达到一定纯度,即需要进行前处理;反应器内必须保持最佳反应条件（压强、温度）;反应后还要进行后处理，使产物与反应物分开、产物精制前、后处理中，绝大多数过程是纯物理过程2,2021/11/17,绪论,化工生产过程：是由若干化学反应和物理操作串联的生产过程 例：用乙炔和氯化氢生产聚氯乙烯塑料 乙炔 提纯 单体合成 单体精制 聚合 脱水干燥 氯化氢 提纯,（反应热）,（反应热）,（压缩，冷凝）,在各种化工生产过程中，除化学反应外的其余物理操作称为单元操作(Unit Operation)：流体的流动与输送，沉降，过滤，搅拌，压缩，传热，蒸发，结晶，干燥，精馏，吸收，萃取，冷冻等 化工原理：是研究这些单元操作的基础学科，是各个单元操作的综合和集成3,2021/11/17,化工原理 食品工程原理,奶粉生产工艺：各个单元操作串联操作的生产过程 牛奶 预热杀菌 真空浓缩 过滤 喷雾干燥,生物化工原料的某些成分如蛋白质、酶之类都是生物活性物质，在加工过程中会引起变性、钝化或破坏。

热敏性和氧化变质及易腐性是动、植物原料的共有特点食品加工的科学化和工程化的标志-单元操作的引入和应用 食品工程是在化学工程基础上发展起来的一个新领域-相同的理论基础和单元操作4,2021/11/17,本课程是在高等数学、物理学及物理化学、化学等课程的基础上开设的一门专业基础课程，其主要任务是研究化工单元操作的基本原理，典型设备的构造及工艺尺寸的计算或设备选型本课程作为化学工程学的一个基础组成部分，是化工、生物、制药、食品等专业的主干课程之一（学科基础课），其在基础课和专业课之间，起着承上启下，由“理”过渡到“工”的桥梁作用5,2021/11/17,3.本课程的内容，特点及学习方法,内容：以“三传”-流体流动过程（动量传递）；传热过程（热量传递）；传质过程（质量传递）为核心和主线，讲述单元操作的基本原理，典型设备的结构原理，操作性能和设计计算 教学环节：理论课教学，实验，课程设计 特点：内容多，范围广，难度大 学习方法：重点掌握基本概念，基本原理和基本计算6,2021/11/17,1）基本量，导出量 （物理量） 任何物理量均可由几个彼此独立的基本量表示其性质和特征 基本量：长度 L m ；质量 m kg ；时间 t s ；温度 T K 导出量：如速度 u=L/t m/s。

2 ）单位制（基本单位与导出单位的总和） （1）绝对单位制（cgs制）：力，达因，dyn （2）工程单位制：力，公斤（力）, kg(f ) （3）国际单位制（SI）：力，牛顿，N 1N=1kg m/s2 =1/9.81kgf=105dyn,4.单位制与单位换算,7,2021/11/17,SI基本单位,量的名称量的符号单位名称单位符号 长度 l(L) 米 m 质量 m 千克 kg 时间 t 秒 s 电流 I 安（培 ） A 热力学温度 T 开（尔文） K 发光强度 I(IV) 坎（德拉） cd 物质的量 n 摩尔 mol,导出单位：力 （ N）； 压强 Pa（N/m2）； 功 ，能，热（ J）；功率（ W）,8,2021/11/17,1) 流体流动过程（动量传递） 研究流体流动及流体和与之接触的固体间发生相对运动时的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如流体的输送、沉降、过滤、搅拌及固体的流态化等 2) 传热过程（热量传递） 研究传热的基本规律以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如热交换、蒸发等5.传递过程,9,2021/11/17,3) 传质过程（质量传递） 研究物质通过相界面迁移过程的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如液体的蒸馏、气体的吸收、固体的干燥及结晶等。

10,2021/11/17,1) 物料衡算 根据质量守恒定律而进行的质量平衡计算向设备输入的物料质量减去从设备输出的物料质量，必等于积累在设备里的物料质量，即：,输入物料的总和 输出物料的总和 积累物料量,11,2021/11/17,2) 能量衡算 根据能量守恒定律而进行的能量平衡的计算在生产中能量可能是热能、电能、机械能或其它能如果是热能，则称为热量衡算随物料进入系统的总热量，kJ或kW,随物料离开系统的总热量，kJ或kW,向系统周围散失的热量，kJ或kW,12,2021/11/17,1) 平衡关系 平衡关系予告过程或反应能够达到的极限如连通器液面最终达到同一水平面，传热的极限是冷热流体温度相同，气体吸收的极限是当时条件下的饱和溶解度，反应的极限是当时条件下的平衡转化率13,2021/11/17,2) 过程速率,14,2021/11/17,第 1 章 流体流动,概述 液体和气体都具有流动性，通常总称为流体 在化工和食品生产过程中，所处理的原料、半成品、 产品以及辅助材料大多数以流体的状态存在流体的流动和输送既是一个单元操作，又与其他各种单元操作密切相关 水、空气、水蒸气 典型流体 牛顿流体（流体力学规律） 牛奶、果汁、盐水 稀薄流体 蜂蜜、脂肪、果酱 稠厚流体 非牛顿流体（流变学规律）,15,2021/11/17,应用流体流动的基本原理和规律可以解决如下工程问题： (1)流体输送：流体流速u，管道直径d，输送设备选择、操作及其功率计算 (2)流体压强，流量和流速的测量 (3)强化设备：为强化其他单元操作（设备）提供适宜条件,16,2021/11/17,1.1 流体的物理性质,流体的物理性质与作用力 1 ) 流 体 特 征：易流动，无固定形状 气体：气体分子间距大，相互作用力小，无一定自由表面和体积，充满整个容器。

在外力作用或温度变化时，体积改变较大，一般不能忽略（可压缩和膨胀性），称之为可压缩流体 液体：不可压缩流体2 ) 连续介质模型（1753年，欧拉） 不考虑流体的微观分子运动，把流体看作由无穷多个流体质点稠密无间隙所组成的连续介质，以研究流体的宏观运动规律17,2021/11/17,3 ) 流体的密度和比容 单位体积流体所具有的质量 称为密度（kgm3） =m/V 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 称为比容（m3kg） =V/m,18,2021/11/17,气体密度随温度，压力的改变有较大变化，通常在温度不太低，压力不太高的情况下，可用理想气体方程式计算： 式中： p气体的绝对压强，Pa M气体的摩尔质量，kgmol R通用气体常数，8.315J(molK) T气体的热力学温度，K,19,2021/11/17,1.1.2 流体的粘度 1.牛顿粘性定律 流体流动时存在内摩擦力，流体流动时必须克服内摩擦力作功这种内摩擦力就是一种平行于流体微元表面的表面力，通常又称作剪切力当各流体层速度不同时，层与层之间会发生相对运动和相互作用力流体的这种内部相邻层间相互作用力就是流体内部的内摩擦力或粘滞力。

单位面积上的内摩擦力就是剪应力20,2021/11/17,21,2021/11/17,剪应力，Nm2 F剪力，N S流体层间的接触面积，m2 du/dy法向速度梯度，1s 比例系数，称为粘性系数或动力粘度，简称粘度,牛顿粘性定律：,22,2021/11/17,粘度单位: SI: = /(du/dy) =N s/ m2 = Pas cgs : = dyn s/cm2 = P（泊） 1泊=100cP（厘泊） Pas = 10P =1000cP,2.流体的粘度,粘度的物理意义: 促使流体产生单位速度梯度的剪应力,23,2021/11/17,粘性：确定流体流动时内摩擦力大小的物理性质 粘度：衡量流体粘性大小的物理量称动力粘度，简称粘度 温度对粘度的影响： 液体：温度上升， 则粘度减小 气体：温度上升，则粘度增大24,2021/11/17,理想流体: 粘度为零的流体 牛顿流体： 服从牛顿粘性定律的流体 非牛顿流体：不服从牛顿粘性定律的流体,3. 理想流体,4. 非牛顿流体简介,非牛顿流体,粘性流体,粘弹性流体,与时间无关,与时间有关,无屈服应力,有屈服应力,触变性流体,流凝性流体,25,2021/11/17,塑性流体（污水泥浆，巧克力浆） = y +du/dy,假(涨)塑性流体（高分子溶液，涂料，蜂密，果浆，淀粉溶液） = k(du/dy)n,牛顿流体（所有气体，大多数液体） = du/dy,du/dy,无屈服应力：假塑性流体，涨塑性流体,有屈服应力：宾汉塑性流体,26,2021/11/17,1.2 流体静力学基本方程式 1.2.1 静止流体的压力,1) 压力与静压强 垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。

把流体单位面积上所受的压力称为流体的静压强，简称压强，用p表示， 即： p=P/A 式中 p静压强，Nm2或Pa（帕） P垂直作用于流体表面的压力，N A作用面的表面积，m2,27,2021/11/17,习惯上还采用一些其他单位，如atm(标准大气压)、某液柱高度、bar(巴)或kgfcm2、工程大气压(at)等它们之间的换算关系为： latm=1.033kgfcm22O 1.0133bar1.0133105 Pa latlkgfcm2735.6mmHg10mH2O 0.981bar9.81104 Pa,28,2021/11/17,2) 压强表示:按度量压强的基准（零点）,A,B,绝对压强：以绝对零压（真空）为基准（真实压强）,表压强和真空度：以大气压为基准,当被测流体的绝对压强大于外界大气压强时，所用的测压仪表称为压强表压强表上的读数表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，即： 表压强= 绝对压强大气压强,当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时，用真空表进行测量真空表的读数表示被测流体的绝对压强低于当地大气压强的数值，称为真空度，即： 真空度大气压强绝对压强 = 表压强,29,2021/11/17,1.2.2 流体静力学基本方程,流体静力学方程研究处于相对静止的流体在重力和压力作用下，处于平衡状态的规律。

作用于薄层下底 的总压力pA； 作用于薄层上底的总压力(p+dp)A； 向下作用的重力gAdz 当流体处于静止状态时：,pA(p+dp)AgAdz=0 dp+gdz0,30,2021/11/17,dp+gdz0 若密度为常数，则上式积分得：p/+gz=常数 若积分的上、下限取高度为z1和z2的二个平面， 而作用于这二个平面的压强分别为p1和p2，则得： (p2 p1)/ g = z1 z2 或 p2 p1+g(z1 z2),31,2021/11/17,流体静力学基本方程讨论,0+g h 当容器内液面上方的压强p0一定时，静止液体内部任一点压强p的大小与液体本身的密度和该点距液面的深度h有关 在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点压强都相等 当液面上方的压强p0改变时，液体内部各点的压强p也发生同样大小的变化 压强或压强差可以用一定高度的流体柱h表示，即： (p2 p1)/ g = z1 z2=h,p2 p1+g(z1 z2),1p0,2h,p,p1,p2,点1处于容器的液面上，设液面上方的压强为p0，距液面h处的点2压强为p32,2021/11/17,1.2.3 流体静力学方程的应用,1）U形管压差计 （不互溶指示液，指 ） pa=pb pa=p1+hg+Rg pb=p2+hg+R0g p1-p2= g R(0-) 当 0（被测流体为气体时） p1-p2 = g R0,33,2021/11/17,3气体时，试分别计算两点间压强差。

解 指示液：0=1630 k。