化工原理上冊化工流體流動與傳熱

1、緒 論一、本門課程的產(chǎn)生化學(xué)工業(yè)是對原料進(jìn)行化學(xué)加工以獲得有用的產(chǎn)品。顯然，其核心是化學(xué)反應(yīng)過程及其設(shè)備，為使化學(xué)反應(yīng)經(jīng)濟(jì)有效的進(jìn)行，反應(yīng)器內(nèi)必須保持某些最佳反應(yīng)條件，如適宜的壓強(qiáng)、溫度和物料的純度。這些過程統(tǒng)稱為前處理。 反應(yīng)后， 產(chǎn)物與反應(yīng)物必須分開， 產(chǎn)物必須精制， 這些過程稱為后處理。 前后處理中，絕大多數(shù)過程是純物理過程。從諸多化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中如何找出規(guī)律性的東西。解剖麻雀：碳酸氫氨的制造冷氣熱氣NH 3CO2H 2ONH 4HCO3Q首先制備原料NH 33H 2N 22NH 3Q循環(huán)冷氣經(jīng)合成塔內(nèi)外壁環(huán)隙從上而下，由熱交換器的管間進(jìn)入從中心管上升入觸媒層。壓強(qiáng)為31.392 103

2、k Pa溫度為 480 C 520 C。動量傳遞（冷氣入塔） （物理學(xué)中：動量=質(zhì)量速度 Ns ）熱量傳遞質(zhì)量傳遞（氨水吸收二氧化碳制造碳酸氫氨）化學(xué)反應(yīng)工程。（合成爐）除化學(xué)反應(yīng)外，其余步驟皆可歸納為若干基本物理過程如輸送、壓縮、傳熱、沉降、過濾、蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥、蒸餾、吸收、萃取、冷凍等。共同的過程：傳遞過程（三傳一反）（1）、實(shí)驗研究方法即經(jīng)驗的方法（避免了方程式的建立、直接用實(shí)驗測取各變量之間的關(guān)系）。共同的方法：（2）、數(shù)學(xué)研究模型方法即半理論半經(jīng)驗方法 抓住影響過程的主要因素，大體上反映了過程的真實(shí)面貌，建立數(shù)學(xué)方程。任何一個學(xué)科（或?qū)W科分支）之所以能成為一門學(xué)科，必須有統(tǒng)一的研究

3、對象、統(tǒng)一的研究方法。統(tǒng)一對象即傳遞過程，也是聯(lián)系各單元操作的一條主線；各單元操作有著共同的研究方法，這樣以單元操作為內(nèi)容，以傳遞過程和研究方法為主線組成了“化工原理”這一門課。共同的過程 共同的方法產(chǎn)生一門學(xué)科即：化工原理。二、化工原理課程的性質(zhì)、地位和作用化工原理是在高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)及物理化學(xué)、化學(xué)等課程的基礎(chǔ)上開設(shè)的一門基礎(chǔ)技術(shù)課程，其主要任務(wù)是研究化工單元操作的基本原理，典型設(shè)備的構(gòu)造及工藝尺寸的計算或設(shè)備選型。通過本課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決有關(guān)單元操作問題的能力，如：設(shè)備選型能力、工程設(shè)計能力、調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程能力、生產(chǎn)研發(fā)能力，以便在化工生產(chǎn)、科研和設(shè)計工作中達(dá)到強(qiáng)化生產(chǎn)過程，提

4、高產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備能力及效率，降低設(shè)備投資及產(chǎn)品成本、節(jié)約能耗、防止污染以及加速新技術(shù)開發(fā)等方面的目的。任務(wù)綜合為三個字，選、算、用。選：過程與設(shè)備的選擇；算：過程的計算和設(shè)備的設(shè)計；用：如何操作和調(diào)節(jié)以適應(yīng)生產(chǎn)的要求。化工原理是綜合性技術(shù)學(xué)科化學(xué)工程學(xué)的一個基礎(chǔ)組成部分，起到為自然科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)搭橋的作用。它包括三傳：1、 流體流動過程（動量傳遞）研究流體流動及流體和與之接觸的固體間發(fā)生相對運(yùn)動時的基本規(guī)律，以及主要受這些基本規(guī)律支配的若干單位操作，如流體的輸送、沉降、過濾、攪拌及固體的流態(tài)化等。2、 傳熱過程（熱量傳遞）研究傳熱的基本規(guī)律以及主要受這些基本規(guī)律支配的若干單元操作，如熱交換

5、、蒸發(fā)等。3、 傳質(zhì)過程（質(zhì)量傳遞）研究物質(zhì)通過相界面遷移過程的基本規(guī)律，以及主要受這些基本規(guī)律支配的若干單元操作，如液體的蒸餾、氣體的吸收、固體的干燥及結(jié)晶等。在研究各種單元操作時，為了搞清過程始末和過程中各股物料的數(shù)量、組成之間的關(guān)系及搞清過程中吸收或釋放的能量，必須作物料衡算及能量衡算。此外，為了計算所需設(shè)備的工藝尺寸，必須依據(jù)平衡關(guān)系，了解過程進(jìn)行的方向與極限，依賴速率關(guān)系分析過程進(jìn)行的快慢。平衡關(guān)系和速率關(guān)系是研究各種單元操作原理的基本內(nèi)容。三、化工過程中的一些基本規(guī)律1、物料衡算根據(jù)質(zhì)量守恒定律，向設(shè)備輸入的物料質(zhì)量減去從設(shè)備輸出的物料質(zhì)量，必等于積累在設(shè)備里的物料質(zhì)量，即：G1G

6、0 GA （ 01）（此式既適用于間歇過程，也適用于連續(xù)過程）式中G1輸入物料的總和；G0 輸出物料的總和；G A 積累的物料量。無積累G1G0進(jìn)行物料衡算的注意事項：（ 1）確定衡算范圍（或稱系統(tǒng)），它可以在一個單一的設(shè)備或其中一部分進(jìn)行，也可以包括幾個處理階段的全流程。2）確定衡算對象。對有化學(xué)變化的過程，衡算對象可找未發(fā)生變化的物質(zhì)為惰性物質(zhì)等。3）確定衡算基準(zhǔn)。對于間歇過程，常以一次（一批）操作為基準(zhǔn)，對于連續(xù)過程，則以單位時間為基準(zhǔn)。總結(jié)五字解題方法：分（分析題意）、圖（畫出圖形） 、選（選定基準(zhǔn)） 、算（計算結(jié)果） 、分（分析結(jié)果是否合理） 。分：認(rèn)真分析題意。圖：畫出正確的圖形，

7、 （用虛線方框圖圈住恒算范圍，或設(shè)備的簡略外形） ，箭頭指向方框者是輸入項，箭尾指向方框者是輸出項，總輸入等于總輸出。選：選基準(zhǔn)， 在間歇操作中一般以一次操作為基準(zhǔn)；在連續(xù)操作過程中則以單位時間為基準(zhǔn)如一小時。物料基準(zhǔn)常以質(zhì)量或mol 數(shù)表示，不宜用體積表示。衡算對象只以不變化的物料或惰性組分為基準(zhǔn)，單位基準(zhǔn)、溫度基準(zhǔn)、壓強(qiáng)基準(zhǔn)等（統(tǒng)一單位、溫度、壓強(qiáng)）。算：計算，首先查明公式適用范圍、各符號意義及單位，列出方程計算。如從普通公式出發(fā)解題，最后推導(dǎo)出適合題中特殊情況的計算式，然后再代入已知數(shù)字，從而可達(dá)到簡化計算的目的。分：分析答案，是否符合實(shí)際。2、能量衡算根據(jù)能量守恒定律而進(jìn)行的能量平衡的

8、計算。在生產(chǎn)中能量可能是熱能、電能、機(jī)械能或其它能。如果是熱能，則稱為熱量衡算。進(jìn)行熱量衡算的基本方法與物料衡算的方法相同，明確衡算范圍、衡算對象與衡算基準(zhǔn)。Q1Q0QL式中Q1 伴隨各股輸入物料進(jìn)入系統(tǒng)的熱（焓）流量，kW；Q0伴隨各股輸出物料離開系統(tǒng)的熱（焓）流量，kW；QL系統(tǒng)向環(huán)境散失的熱流量，或稱“熱損失”， kW；H焓，單位質(zhì)量的物質(zhì)所具有的熱量稱為焓，其單位J kg1。物料的焓值與其狀態(tài)有關(guān)，而且是相對值，所以在進(jìn)行熱量衡算時為確定物料的焓值，必須首先規(guī)定基準(zhǔn)溫度，當(dāng)有相變化時，還必須規(guī)定基準(zhǔn)狀態(tài)，通常以00C ，液態(tài)為計算基準(zhǔn)。如從附錄9中查得 1000C 飽和水蒸氣焓值為26

9、77.0 kJ kg1kg 00C 水H 1418 .6kJ kg1000C 水H 22258.4 kJ kg1000C 汽HH 1H 2418.62258.42677.0 kJ kg顯熱（一定量物質(zhì)不發(fā)生相變化時，溫度升高或降低產(chǎn)生的熱量變化。） QmCpt潛熱（單位質(zhì)量的物質(zhì)在一定溫度下發(fā)生相變化時所吸收或放出的熱量）。3、平衡關(guān)系：平衡關(guān)系予告過程或反應(yīng)能夠達(dá)到的極限。如連通器液面最終達(dá)到同一水平面，換熱的極限是冷熱流體溫度相同，氣體吸收的極限是當(dāng)時條件下的飽和溶解度，反應(yīng)的極限是當(dāng)時條件下的平衡轉(zhuǎn)化率。4、過程速率：過程推動力壓差傳熱速率溫度過程阻力 R如 流動速率傳熱阻力流動阻力濃

10、度 差吸收速率傳質(zhì)阻力在實(shí)際工作中，一個過程以多快的速率由不平衡向平衡移動是極為重要的問題。四、量綱一致性與單位一致性物理量 ：表示物質(zhì)物理性質(zhì)的參數(shù)，如長度l 、面積 A 、體積 V 、密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、溫度 T 、壓強(qiáng) p 等。這些物理量可通過幾個彼此獨(dú)立的基本物理量 來表示，其大小則用各種單位來量度稱為基本單位 。常用的基本單位長度L 、力 F 或質(zhì)量 m ，時間和溫度 T 等，基本量以外的其它物理量，可通過物理量之間的規(guī)律（定義或定律），從基本量推導(dǎo)出來稱為 導(dǎo)出物理量 ，他們的單位稱為導(dǎo)出單位 。應(yīng)用這些基本量以表示物理量特性的式子稱為因次（或量綱）式 。因次式中各物理量的指數(shù)稱

11、為它的因次或量綱（有時也把物理量的量綱式簡稱為物理量的量綱）。因次可正、可負(fù)、整數(shù)、分?jǐn)?shù)等任意有理數(shù)。如流速ull1m s 1（ u 導(dǎo)出量l、 基本量1 中的1因次l1 因次式m s 1導(dǎo)出單位）。表示各物理量大小除了數(shù)字部分外，還要看該物理量的單位。1、國際單位制SI 制7 個基本單位， 2 個輔助單位，其余皆為導(dǎo)出單位。（1）常用的基本單位：物理量單位國際符號長度米m長質(zhì)量千克（公斤）kg質(zhì)時間秒s時溫度開爾文K溫物質(zhì)的量摩爾mol量（2）常用的導(dǎo)出單位：物理量單位國際符號用 SI 制基本單位表示力牛頓Nm kg s 2 （力 =質(zhì)量加速度）力壓強(qiáng)帕斯卡Pakg m 1s 2p力壓面積能、功、熱量焦耳Jm2kgs 2功力距離能功率瓦特Wm2kg s 3功率功率時間單位順序規(guī)律：一般是長度、質(zhì)量、時間順序，如長度為負(fù)值，則把長度與質(zhì)量互換。如Pa kg m 1s 2。2、工程單位制（重力單位制）常用的基本單位：物理量單位長度米長力公斤（重）力時間秒時溫度0C溫3、 絕對單位制CGS制（物理單位制）MKS制（實(shí)用單位制）C GS制物理量單位符號長度厘米cm長質(zhì)量克g質(zhì)時間秒s時溫度0C溫M KS制物理量單位符號長度米m長質(zhì)量千克（公斤質(zhì)）kg質(zhì)時間秒s時溫度0C溫注意：單位的符號一般用小寫正體如mm o lkg m3 ，若單位名稱來源于專用名詞第一個字母符號一定