化工原理上册0 绪论.ppt

1、流体力学与传热,化学与化工学院 张亚君 2010.8.30-2011.1.8,教材及参考书,教材 钟理，伍钦，马四朋主编，化工原理上册，化学工业出版社,主要参考书 Warren L. McCabe, Julian C. Smith and Peter Harriott. Unit Operations of Chemical Engineering, Seventh Edition. International Edition, McGRAW-HILL. 夏清，陈常贵主编，姚玉英主审，化工原理上册，修订版，天津大学出版社。2005年第1版。 姚玉英，陈常贵，柴诚敬编著，化工原理学习指南，天津大

2、学出版社，2003年。,课程有关事项,考试 包括期中考试和期末考试，各占总成绩的20%和60% 课后作业 每次课后有2-3题的课后作业，占总成绩的10% 课堂提问 占总成绩的10%,0 绪论,0.1 概述,0.1.1 课程的基本内容 化工生产过程泛指对原料进行化学加工，最终获得有价值产品的生产过程。 化学（生物）反应 （核心） 物理操作：为化学（生物）反应准备适宜的反应条件及将反应物分离提纯而获得最终产品。 单元操作,一、单元操作的分类 遵循流体动力学基本规律的单元操作 流体输送、沉降、过滤、物料混合等。 遵循热量传递的基本规律的单元操作 加热、冷却、冷凝、蒸发。 遵循质量传递基本规律的单元操

3、作 蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。（分离操作） 同时遵循热质传递规律的单元操作 气体的增湿与减湿、结晶、干燥。,二、单元操作的理论 三传理论 动量传递、热量传递、质量传递 动量传递 热量传递 质量传递,0.1.2 课程的研究方法 实验研究方法（经验法） 量纲分析、相似理论、无量纲数群（准数） 数学模拟法（半经验半理论方法） 通过合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得到数学模型，通过实验测定模型参数。 解析法 建立数学模型及方程式，直接进行求解。,0.1.3 课程的学习要求 “科学”与“技术”的融合。强调理论联系实际。 单元操作和设备选择的能力； 工程设计能力； 操作和调节生产过程的能力；

4、 过程开发或科学研究能力。,0.2 单位制与单位换算,0.2.1 物理量的单位 基本量和基本单位 长度，时间，质量，温度等 导出量和导出单位 速度，加速度，力等,0.2.2 单位制 国际单位制（SI制） 基本量： 长度（米m） ，质量（千克kg） ，时间（秒s），温度（开尔文K），元素的单位（摩尔mol） 导出量： 力（牛顿N），1N=1kgms-2 功、能和热（焦耳J），1J=1Nm=1kgm2s-2 功率，压力（大气压atm，bar)，标准重力加速度(gn),英制单位制（fps制） 基本量: 长度（英尺ft），质量（磅lbm） ，时间（秒s）, 温度（ F） 导出量: 重力加速度（gc），

5、1gc=32.174fts-2 力（磅lbf），1lbf= 1lbmgc=32.174 lbmfts-2 压力psi（pound per square inch)，1psi=1lbfin-2 功率（1hp），1hp=550ftlbfs-1 热，功，能（Btu），1Btulbm-1F-1=1calITg-1C-1,物理单位制（cgs系统） 基本量 长度（厘米cm） ，质量（克g） ，时间（秒s） 导出量 力（达因dyn），1dyn=1gcms-2 热量（erg），1erg=1dyncm 重力加速度（g），1g=980.665cms-2,0.2.3 单位换算 CGS制与SI制的关系 1g=110-

6、3kg 1cm=1 10-2m 1dyn=1gcms-2=1 10-5N 1erg=1dyncm=1 10-7J,fps制与SI制的关系 1lbm=0.45359kg 1ft=12inch=0.30480m 1lbf=4.4482N 1ftlbf=1.35582Nm=1.35582J 1hp=745.7W 1Btu=1.05418 103J TF=32+t1.8C，1C=1.8F,物理量单位的换算 【例0-1】以英制单位制表示的常温下苯的热导率为0.0919Btuft-1h-1F-1，将该热导率的单位换算成Wm-1C-1。 解：根据单位的换算关系，有： 1Btu=1.05418 103J，1f

7、t=0.30480m，1h=3600s ，1C=1.8F 所以，苯的热导率为：,经验公式的换算 【例0-2】管壁面与周围空气的对流传热经验公式为： ,式中h为管壁与空气的对流传热系数Btuft-2h-1F-1 ，G为空气的质量速率，lbmft-2h-1；D为管外径，ft。要将上式中对流传热系数的英制单位变换为SI制单位Wm-2C-1，G的单位改为kgm-2s-1，D的单位改成m。 解：根据单位的换算关系，有： 1Btu=1.05418 103J，1ft=0.30480m，1h=3600s ，1C=1.8F,0.3 单元操作的几个基本定律及关系,0.3.1 质量衡算 质量守恒定律 进入与离开某一

8、化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量 F为输入量的总和；D为输出量的总和；A为累积量。 对于稳态，有,【例0-3】在生产KNO3的过程中，20%的KNO3纯水溶液以1000kgh-1的流量送入蒸发器，在422K下蒸发出部分水而得到50%的KNO3浓溶液，然后送入冷却结晶器，在311K结晶，得到含水4%的KNO3结晶和含37.5%的饱和溶液。前者作为产品取出，后者循环回到蒸发器。过程为定态操作。试计算KNO3结晶产品量、水蒸发量和循环的饱和溶液量。 解：首先给出物料流程 （1）结晶产量P 以总系统为研究对象，以溶质（KNO3）的量做衡算： 1000 20%=(1-4%) P，P=2

9、08.3kgh-1 （2）水蒸发量W 以总系统为研究对象，根据总物料的平衡，有1000=W+P，W=1000-P=791.1kgh-1,（3）循环的饱和溶液量R 以冷凝结晶器为研究对象，分别对物料总量和溶质量进行质量衡算 S=P+R （S=208.3+R） S 50%=P （1-4%）+R 37.5% （ S 50%=208.3 （1-4%）+R 37.5% ） 得到： S= 974.9kgh-1 ，R=766.6kgh-1,0.3.2 能量衡算 能量守恒定律 进入与离开某一化工过程的物料能量之差，等于该过程中累积的物料能量 QI为输入能量的总和；QO为输出能量的总和； QI 为系统向外损失的

10、能量；QA为系统中累积的能量。 对于稳态，有,【例0-4】在换热器里将平均比热容为3.56kJkg-1C-1的某种溶液自25C加热到80C，溶液流量为1.0kgs-1。加热介质为120C的饱和水蒸汽，其消耗量为0.095kgs-1，蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。试计算此换热器的热损失占水蒸汽所提供热量的百分比。 解：首先给出过程示意图 查表，得到120C的饱和水蒸汽的焓为： 2708.9kJkg-1，120C饱和水的焓为： 503.67kJkg-1 物料进入系统输入的能量 物料流出系统输出的能量,根据能量守恒方程，热量损失为： 热损失占水蒸汽所提供热量的百分比为:,0.3.3 过程的平衡与速率 过程的平衡 传热过程 吸收过程 过程的速率 过程进行的快慢，传递速率。,作业 热空气与冷水间的总传热系数K值约为42.99kcalm-2h-1C-1，试从基本单位换算开始，将K值的单位改为Wm-2C。 将A，B，C，D四种组分各为0.25（摩尔分数，下同）的混合溶液，以1000molh-1的流量送入精馏塔内分离，得到塔顶与塔釜两股产品，其中塔顶产品中包含进料的全部A组分，96%B组分及4%C组分；全部D组分存在于塔釜产品中。试计算塔顶和塔釜产品的流量及组成。 每小时将200kg过热氨气（压强为1