化工原理讲义-环工

化工原理绪论课化工生产工艺研究方法原始20世纪初20年代单元操作第一次飞跃30年代50年代60年代末期相似模拟法数学模拟法三传一反第二次飞跃化学工程学科形成完整体系一、化学工程学科的发展现代科学技术特点：知识相互渗透相互交叉、高度综合新兴学科：生命科学、环境科学能源科学、材料科学等新的分支与生长点：分子化学工程生物化学工程环境化学工程能源化学工程二、课程的性质、研究对象与研究方法◆课程性质：在数学、物理、物化等课程基础上开设的一门技术基础课，是化工、轻工、环保等专业的一门主干课。◆研究对象：化工生产中通用物理操作的共同规律和典型设备。

物理操作——只改变物料的状态或其物理性质，不改变其化学性质的操作。合成氨生产流程示意图高压聚乙烯的生产流程示意图◆研究方法三、课程的主要内容与基本要求◆主要内容

(1)流体流动过程（动量传递）研究流体流动的基本规律以及受这些基本规律支配的单元操作（流体流动、流体输送机械、搅拌、沉降及过滤等）。

(2)传热过程（热量传递）研究传热的基本规律以及受这些规律支配的单元操作（加热、冷却、冷凝、蒸发等）。

(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及受这些规律支配的单元操作（精馏、吸收、吸附、膜分离等）。

(4)同时遵循热量传递、质量传递的过程气体的增湿与减湿、结晶、干燥等单元操作。去除SO2氨-硫铵法工艺流程◆基本要求

(1)掌握各单元操作的基本原理和典型设备的构造及操作特性，会设备选型。

(2)会进行单元操作过程的计算和典型设备的设计，学会利用计算机辅助设计。

(3)会进行各类化工过程分析，对典型的化工设备应具有操作、管理和调节生产过程的能力

(4)应具有过程开发和科学研究的能力。四、四个基本概念1.物料衡算——依据“质量守恒”定律总物料衡算式：∑GI=∑G0+GA

GI——输入G0——输出GA——累积任一组分：GI=G0+GA

若过程中累积的物料量GA为零，称之为稳定操作：∑GI=∑G0

物料衡算的步骤：（1）画出过程示意图（2）确定衡算范围与基准（3）列出衡算式并求解解：i）求W、P（衡算范围：红笔框）总物衡：1000=W+PKNO3：1000×0.2=W×0+P（1-0.04）解得：P=208.3kg/h，W=791.7kg/h

ii）求R、S

总物衡：S=R+P=R+208.3KNO3：S×0.5=R×0.375+208.3×（1-0.04）解得：R=766.6kg/hS=974.9kg/h2.能量衡算——依据“能量守恒”定律∑QI=∑Q0+QL

或写成：∑(WI)I=∑(WI)0+QL∑：指多股物流而言

W：物料的质量，连续过程：kg/s；间歇过程：kg

I：单位质量物料的焓值kJ/kg

注意两个问题：（1）通常规定0℃的液态的焓为零（2）总焓值=显热+潜热解：实际是用饱和水蒸气变为饱和水的相变热，使某种溶液的温度升高∑(WI)I=∑(WI)0+QLWI溶CPΔTI+WI蒸I蒸

=W0CPΔT0+W0水I水

+QL

解得：QL=13.7KW热量损失百分率=6.54%

3.平衡关系定义：若组成不同的两相互相接触，则各组分将在两相间进行传递，直到每一组分在两相的传递速率相等，两相的组成不再发生变化。实际应用

①由平衡关系可以揭示出过程的方向和限度②考察外界参数（如P，T）对平衡的影响，确定适宜的操作条件4.过程速率

化工过程的推动力：压强差、温度差、浓度差

例如：20世纪发明的七大技术信息技术化学合成及分离技术航空航天和导弹技术核科学及核武器技术生物技术纳米技术激光技术

载热体——提供或带走热量的流体（1）

加热剂：烟道气，空气，水蒸气，水，油，联苯混合物，溶盐，液态金属等（2）冷却剂：空气，水，冷冻盐水，氨，氟里昂等载热体的选择条件：（1）要求温度（2)

T调节难易（3）毒性，腐蚀性大小，价格，来源二.传热的基本方式：

1.热传导分子、原子或自由电子振动并与相邻分子碰撞，传递振动能。热传导中物体分子不发生相对位移,也没有物体的宏观位移。2.对流传热流体的宏观运动引起的热量传递，只存在于宏观运动的流体（气体或液体）中。(1)自然对流：各处温度不同,ρ不同(2)强制对流：泵，鼓风机或搅拌等外力引起的流体质点位移

3.热辐射

物体（固体或流体）在自身温度大于0K时，将本身具有的热量通过电磁波的方式四周传播。

管路热损失的计算为减少热损失，在外径

150mm的饱和蒸汽管处覆盖厚度为100mm的保温层，保温层的导热系数

=0.103+0.000198t（式中t单位为

C）。已知饱和蒸汽温度为180

C，并测得保温层中央即厚度为50mm处的温度为100

C，试求：1.由于热损失每米管长的蒸汽冷凝量为多少？2.保温层的外侧温度为多少？

解：（1）由附录查得180°C饱和蒸汽的汽化热r=2.019

106J/kg，每米管长的冷凝量为：设保温层外侧温度为t3，则

m为保温层内、外侧平均温度下的导热系数。t3未知，需要试差求解。（2）设t3=45°C假设t3=45°C偏高，设t3=41°C，则t3的计算值与假设值接近，计算结果有效界面温度的求取某炉壁由下列三种材料组成耐火砖

1=1.4W/(m.C)，1=225mm保温砖

2=0.15W/(m.C)，2=125mm建筑砖

3=0.8W/(m.C)，3=225mm已测得内外表面温度分别为930C和55C

，求单位面积的热损失和各层间接触面的温度。平壁的热损失为：则单位面积的热损失为：解：

温差最大各层的温差及各层接触面的温度为：管内强制湍流时给热系数的确定某列管式换热器由38根

25×2.5mm的无缝钢管组成。苯在管内流动，由20°C被加热到80°C，苯的流量为8.32kg/s。外壳中通入水蒸气进行加热。试求管壁对苯的给热系数；又问当苯的流量提高一倍，给热系数有何变化？n=38

25×2.5mmqm=8.32kg/s求:1.管壁对苯的给热系数

2.qm’=2qm时，’=？圆形直管强制湍流的给热系数公式的条件：低粘度

Re>1040.7<Pr<160l/d>30-40求：RePr苯在列管式换热器中的平均温度t=(20+80)/2=50°C50°C的苯

=860kg/m3p371=0.45mPa.sp375=0.14W/(m.°C)p378cp=1.80kJ/(kg.°C)p377u=qv/nA=(8.32/860)/(38×0.785×0.022)=0.81m/sRe=30960>100000.7<Pr=5.79<160=0.45mPa.s<2流量增加一倍，如苯进出口温度不变，则热空气在冷却管外流过，α2=90W/(m2.k)，冷却水在管内流过α1=1000W/(m2.k)，冷却管外径d2=16mm,壁厚δ=1.5mm,λ=40W/(m.k)。求：1.K=?2.α2增加至2α2，K=?3.α1增加至2α1，K=?传热系数的计算=80.8W/(m2.k)以外表面作为传热面积计算解：其中(1)要使K增大需提高较小的α2值有一换热器中，热流体从1200C降至800C，其流量qm1=0.5kg/s,Cp1=3kJ/(kg.0C)。冷却水的进、出口温度为t1=300C,t2=400C。求：（1）并流时的△tm及逆流时的△tm（2）冷却水量（3）换热器的热流量.并流和逆流对数平均温差的比较解：1.并流时T12080t3040△t

90402.逆流时T12080t4030△t

8050（2）冷却水平均温度t=(40+30)/2=35oC时查表Cp2=4.174kJ/(kg.oC)Q=qm1Cp1(T1-T2)=qm2Cp2(t2-t1)=0.5

3

(120-80)=qm24.174(40-30)qm2=1.44kg/s（3）Q=qm1Cp1(T1-T2)=0.5

3

(120-80)=60W

有一逆流操作的换热器，热流体为空气，α1=100W/(m2.℃),冷却水走管内，α2=2000W/(m2.℃)。已测得冷、热流体进出口温度为t1=20℃,t2=85℃,T1=100℃,T2=70℃，管壁热阻可以忽略。当水流量增加一倍时，试求

(1)水和空气的出口温度t2’和T2’;(2)热流量Q’比原热流量Q增加多少？第一类命题的操作型计算

解：(1)求t2’和T2’原工况：（a）新工况：（b）（c）由热量衡算式得联立（c）（d）两式求出T2’=59.8℃t2’=68.3℃（d）(2)新旧两种工况的热流量之比即热流量增加了34%-35%。第二类命题的操作型计算冷却器总传热面积为20m2，将流量为1.4kg/s的热气体从500C冷却到350C。使用的冷却水初温为250C，逆流流动。K＝230W/(m.0C),气体的平均比热容为Cp1＝1.0kJ/(kg.0C)。求：1.冷却水用量qm2=?2.出口水温t2=?解：其中已知：qm1=1.4kg/s，cp1=1.0kJ/(kg.

C)T1=50

C，T2=35

C，cp2=4.18kJ/(kg.

C)t1=25

C，K=230W/(m.

C)，A=20m2（a）（b）恒壁温加热过程的操作型计算有一蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝给热系数

1＝10000W／(m2.

°

C)；冷却水给热系数

2＝1000W／(m2.

°C)。

已知冷却水进、出口温度分别为t1＝30°

C,，t2＝35°

C。若将冷却水流量增加一倍，则蒸汽冷凝量增加多少？(蒸汽在100°

C下冷凝）解：原工况：（a）新工况：（b）（a）（b）两式相除，得2003年考试题（10分）在温度为300K的车间内放置一块厚度为100cm的钢板，其底面被加热至800K，且保持此温度不变；在板面之上有空气流过，其平均温度为400K。试求钢板上表面的温度及板面上辐射（可看作内包系统）与对流的热流率之比。已知钢板的黑度

=0.8，导热系数

=45W/(m.K)，板面与空气之间的对流给热系数

=20W/(m2.K)，斯蒂芬-波尔兹曼常数C0=5.67W/(m2.K4)。单相传质机理：符号说明扩散流主体流动漂流因子符号说明要点要点要点例8-5塔高的计算在一逆流操作的吸收塔中用清水吸收氨-空气混合气中氨，混合气流量为0.025kmol/s，混合气入塔含氨摩尔分数为0.02，出塔含氨摩尔分数为0.001。吸收塔操作时的总压为101.3kPa，温度为293K，在操作浓度范围内，氨水系统的平衡方程为y=1.2x，总传质系数Kya=0.0522kmol/(m2.s)。塔径为1m，实际液气比为最小液气比的1.2倍，所需塔高为多少？已知：x2=0，J=0.025kmol/s，y1=0.02（低浓度气体吸收），y2=0.001，y=1.2x，Kya=0.0522kmol/(m2.s)，

D=1m，求：HH=HOGNOG=HOLNOL=HgNg=HlNl对数平均推动力法吸收因素法吸收因素法

例8-7L/G=2.1

=0.95y=1.18xKya=BG0.8G’=1.2GL’=Ly1’=y1x2’=x2=0(1)

’=?

求y2’与y1的关系(2)

(3)

求x1’与y1的关系解：物料恒算式分离膜的主要性能●选择性（selectivity）－分离效果▲最大孔径/平均孔径（MF）▲截留分子量（UF）▲截留率（UF，NF）▲脱盐率（RO，NF）▲分离系数（GS,PV）●渗透性(permeability)－产率▲透过速率J（通量）187●机械性能(mechanicalproperty)▲抗压强度▲拉伸强度▲伸长率▲剥离强度●稳定性(stability)▲化学稳定性（抗氧化性，耐酸碱性，耐溶剂性，耐氯性，耐水解性……）▲抗污染性▲耐微生物侵蚀性▲热稳定性（注：以上两项决定膜的使用寿命）188189截留分子量曲线：测定具有相似化学性质、不同分子量的一系列基准物的截留率所得的曲线190膜结构●膜材料结构

－化学结构－凝聚态结构●膜本体结构－膜表层结构－膜断面结构●支撑体结构191膜结构/膜性能相关性●选择性－膜材料结构－膜表层结构●渗透性－膜材料结构－膜表面结构－膜断面结构●机械性能－膜材料结构－膜结构●稳定性－膜材料结构－膜结构192各类膜组件性能比较

膜组件类型比较项目管式平板式卷式中空纤维式组件结构简单非常复杂复杂简单膜装填密度（m2/m3)33～330160～500650～16001600～30000膜支撑体结构简单复杂简单不需要膜清洗易易难难膜更换成本低中较高高对水质要求低较低较高高水质前处理成本低中高高要求泵容量大中小小按比例放大易难难难193各种分离方法及其适用范围分离方法分离机理适用范围绢网、布纤维过滤筛分粗粒子（10～103μm)重力沉浮比重微粒、粒子、粗粒子（1～103μm)浮选分离表面活性大分子、微粒、粒子、粗粒子（0.1～103μm)离心分离比重大分子、微粒、粒子、粗粒子（0.06～600μm)194凝胶色谱扩散离子、大分子、微粒、粒子、粗粒子（0.007～100μm)微滤筛分大分子、微粒（0.1～10μm)超离心分离比重、表面活性离子、大分子（0.005～1μm)萃取溶解度离子、大分子（0.001～1μm)蒸馏/冰冻蒸汽压差温度差离子、大分子（0.001～1μm)超滤筛分、优先吸附细菌、大分子（0.005～0.1μm)195透析扩散离子、大分子（0.0005～0.01μm)电渗析电荷、扩散、电位差离子、大分子（0.0005～0.01μm)离子交换电荷离子、大分子（0.0005～0.01μm)反渗透优先吸附、毛细孔流（溶解、扩散）离子、小分子（0.0005～0.01μm)气体分离溶解、扩散气体分子(0.00026～0.0005μm)渗透汽化溶解、扩散气体分子(0.00026～0.0005μm)196197膜分离方法特点●

高效、优质、节能、简便、无二次污染、设备紧凑▲多数无相变,能耗低▲多数在常温下分离，适宜于热敏性物质分离