化工原理講義-環(huán)工

化工原理緒論課化工生產(chǎn)工藝研究方法原始20世紀(jì)初20年代單元操作第一次飛躍30年代50年代60年代末期相似模擬法數(shù)學(xué)模擬法三傳一反第二次飛躍化學(xué)工程學(xué)科形成完整體系一、化學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)特點(diǎn)：知識相互滲透相互交叉、高度綜合新興學(xué)科：生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)能源科學(xué)、材料科學(xué)等新的分支與生長點(diǎn)：分子化學(xué)工程生物化學(xué)工程環(huán)境化學(xué)工程能源化學(xué)工程二、課程的性質(zhì)、研究對象與研究方法◆課程性質(zhì)：在數(shù)學(xué)、物理、物化等課程基礎(chǔ)上開設(shè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，是化工、輕工、環(huán)保等專業(yè)的一門主干課。◆研究對象：化工生產(chǎn)中通用物理操作的共同規(guī)律和典型設(shè)備。

物理操作——只改變物料的狀態(tài)或其物理性質(zhì)，不改變其化學(xué)性質(zhì)的操作。合成氨生產(chǎn)流程示意圖高壓聚乙烯的生產(chǎn)流程示意圖◆研究方法三、課程的主要內(nèi)容與基本要求◆主要內(nèi)容

(1)流體流動過程（動量傳遞）研究流體流動的基本規(guī)律以及受這些基本規(guī)律支配的單元操作（流體流動、流體輸送機(jī)械、攪拌、沉降及過濾等）。

(2)傳熱過程（熱量傳遞）研究傳熱的基本規(guī)律以及受這些規(guī)律支配的單元操作（加熱、冷卻、冷凝、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)律及受這些規(guī)律支配的單元操作（精餾、吸收、吸附、膜分離等）。

(4)同時遵循熱量傳遞、質(zhì)量傳遞的過程氣體的增濕與減濕、結(jié)晶、干燥等單元操作。去除SO2氨-硫銨法工藝流程◆基本要求

(1)掌握各單元操作的基本原理和典型設(shè)備的構(gòu)造及操作特性，會設(shè)備選型。

(2)會進(jìn)行單元操作過程的計算和典型設(shè)備的設(shè)計，學(xué)會利用計算機(jī)輔助設(shè)計。

(3)會進(jìn)行各類化工過程分析，對典型的化工設(shè)備應(yīng)具有操作、管理和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的能力

(4)應(yīng)具有過程開發(fā)和科學(xué)研究的能力。四、四個基本概念1.物料衡算——依據(jù)“質(zhì)量守恒”定律總物料衡算式：∑GI=∑G0+GA

GI——輸入G0——輸出GA——累積任一組分：GI=G0+GA

若過程中累積的物料量GA為零，稱之為穩(wěn)定操作：∑GI=∑G0

物料衡算的步驟：（1）畫出過程示意圖（2）確定衡算范圍與基準(zhǔn)（3）列出衡算式并求解解：i）求W、P（衡算范圍：紅筆框）總物衡：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

總物衡：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——依據(jù)“能量守恒”定律∑QI=∑Q0+QL

或?qū)懗桑骸?WI)I=∑(WI)0+QL∑：指多股物流而言

W：物料的質(zhì)量，連續(xù)過程：kg/s；間歇過程：kg

I：單位質(zhì)量物料的焓值kJ/kg

注意兩個問題：（1）通常規(guī)定0℃的液態(tài)的焓為零（2）總焓值=顯熱+潛熱解：實(shí)際是用飽和水蒸氣變?yōu)轱柡退南嘧儫?，使某種溶液的溫度升高∑(WI)I=∑(WI)0+QLWI溶CPΔTI+WI蒸I蒸

=W0CPΔT0+W0水I水

+QL

解得：QL=13.7KW熱量損失百分率=6.54%

3.平衡關(guān)系定義：若組成不同的兩相互相接觸，則各組分將在兩相間進(jìn)行傳遞，直到每一組分在兩相的傳遞速率相等，兩相的組成不再發(fā)生變化。實(shí)際應(yīng)用

①由平衡關(guān)系可以揭示出過程的方向和限度②考察外界參數(shù)（如P，T）對平衡的影響，確定適宜的操作條件4.過程速率

化工過程的推動力：壓強(qiáng)差、溫度差、濃度差

例如：20世紀(jì)發(fā)明的七大技術(shù)信息技術(shù)化學(xué)合成及分離技術(shù)航空航天和導(dǎo)彈技術(shù)核科學(xué)及核武器技術(shù)生物技術(shù)納米技術(shù)激光技術(shù)

載熱體——提供或帶走熱量的流體（1）

加熱劑：煙道氣，空氣，水蒸氣，水，油，聯(lián)苯混合物，溶鹽，液態(tài)金屬等（2）冷卻劑：空氣，水，冷凍鹽水，氨，氟里昂等載熱體的選擇條件：（1）要求溫度（2)

T調(diào)節(jié)難易（3）毒性，腐蝕性大小，價格，來源二.傳熱的基本方式：

1.熱傳導(dǎo)分子、原子或自由電子振動并與相鄰分子碰撞，傳遞振動能。熱傳導(dǎo)中物體分子不發(fā)生相對位移,也沒有物體的宏觀位移。2.對流傳熱流體的宏觀運(yùn)動引起的熱量傳遞，只存在于宏觀運(yùn)動的流體（氣體或液體）中。(1)自然對流：各處溫度不同,ρ不同(2)強(qiáng)制對流：泵，鼓風(fēng)機(jī)或攪拌等外力引起的流體質(zhì)點(diǎn)位移

3.熱輻射

物體（固體或流體）在自身溫度大于0K時，將本身具有的熱量通過電磁波的方式四周傳播。

管路熱損失的計算為減少熱損失，在外徑

150mm的飽和蒸汽管處覆蓋厚度為100mm的保溫層，保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)

=0.103+0.000198t（式中t單位為

C）。已知飽和蒸汽溫度為180

C，并測得保溫層中央即厚度為50mm處的溫度為100

C，試求：1.由于熱損失每米管長的蒸汽冷凝量為多少？2.保溫層的外側(cè)溫度為多少？

解：（1）由附錄查得180°C飽和蒸汽的汽化熱r=2.019

106J/kg，每米管長的冷凝量為：設(shè)保溫層外側(cè)溫度為t3，則

m為保溫層內(nèi)、外側(cè)平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)。t3未知，需要試差求解。（2）設(shè)t3=45°C假設(shè)t3=45°C偏高，設(shè)t3=41°C，則t3的計算值與假設(shè)值接近，計算結(jié)果有效界面溫度的求取某爐壁由下列三種材料組成耐火磚

1=1.4W/(m.C)，1=225mm保溫磚

2=0.15W/(m.C)，2=125mm建筑磚

3=0.8W/(m.C)，3=225mm已測得內(nèi)外表面溫度分別為930C和55C

，求單位面積的熱損失和各層間接觸面的溫度。平壁的熱損失為：則單位面積的熱損失為：解：

溫差最大各層的溫差及各層接觸面的溫度為：管內(nèi)強(qiáng)制湍流時給熱系數(shù)的確定某列管式換熱器由38根

25×2.5mm的無縫鋼管組成。苯在管內(nèi)流動，由20°C被加熱到80°C，苯的流量為8.32kg/s。外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱。試求管壁對苯的給熱系數(shù)；又問當(dāng)苯的流量提高一倍，給熱系數(shù)有何變化？n=38

25×2.5mmqm=8.32kg/s求:1.管壁對苯的給熱系數(shù)

2.qm’=2qm時，’=？圓形直管強(qiáng)制湍流的給熱系數(shù)公式的條件：低粘度

Re>1040.7<Pr<160l/d>30-40求：RePr苯在列管式換熱器中的平均溫度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，如苯進(jìn)出口溫度不變，則熱空氣在冷卻管外流過，α2=90W/(m2.k)，冷卻水在管內(nèi)流過α1=1000W/(m2.k)，冷卻管外徑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=?傳熱系數(shù)的計算=80.8W/(m2.k)以外表面作為傳熱面積計算解：其中(1)要使K增大需提高較小的α2值有一換熱器中，熱流體從1200C降至800C，其流量qm1=0.5kg/s,Cp1=3kJ/(kg.0C)。冷卻水的進(jìn)、出口溫度為t1=300C,t2=400C。求：（1）并流時的△tm及逆流時的△tm（2）冷卻水量（3）換熱器的熱流量.并流和逆流對數(shù)平均溫差的比較解：1.并流時T12080t3040△t

90402.逆流時T12080t4030△t

8050（2）冷卻水平均溫度t=(40+30)/2=35oC時查表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

有一逆流操作的換熱器，熱流體為空氣，α1=100W/(m2.℃),冷卻水走管內(nèi)，α2=2000W/(m2.℃)。已測得冷、熱流體進(jìn)出口溫度為t1=20℃,t2=85℃,T1=100℃,T2=70℃，管壁熱阻可以忽略。當(dāng)水流量增加一倍時，試求

(1)水和空氣的出口溫度t2’和T2’;(2)熱流量Q’比原熱流量Q增加多少？第一類命題的操作型計算

解：(1)求t2’和T2’原工況：（a）新工況：（b）（c）由熱量衡算式得聯(lián)立（c）（d）兩式求出T2’=59.8℃t2’=68.3℃（d）(2)新舊兩種工況的熱流量之比即熱流量增加了34%-35%。第二類命題的操作型計算冷卻器總傳熱面積為20m2，將流量為1.4kg/s的熱氣體從500C冷卻到350C。使用的冷卻水初溫為250C，逆流流動。K＝230W/(m.0C),氣體的平均比熱容為Cp1＝1.0kJ/(kg.0C)。求：1.冷卻水用量qm2=?2.出口水溫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）恒壁溫加熱過程的操作型計算有一蒸汽冷凝器，蒸汽冷凝給熱系數(shù)

1＝10000W／(m2.

°

C)；冷卻水給熱系數(shù)

2＝1000W／(m2.

°C)。

已知冷卻水進(jìn)、出口溫度分別為t1＝30°

C,，t2＝35°

C。若將冷卻水流量增加一倍，則蒸汽冷凝量增加多少？(蒸汽在100°

C下冷凝）解：原工況：（a）新工況：（b）（a）（b）兩式相除，得2003年考試題（10分）在溫度為300K的車間內(nèi)放置一塊厚度為100cm的鋼板，其底面被加熱至800K，且保持此溫度不變；在板面之上有空氣流過，其平均溫度為400K。試求鋼板上表面的溫度及板面上輻射（可看作內(nèi)包系統(tǒng)）與對流的熱流率之比。已知鋼板的黑度

=0.8，導(dǎo)熱系數(shù)

=45W/(m.K)，板面與空氣之間的對流給熱系數(shù)

=20W/(m2.K)，斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)C0=5.67W/(m2.K4)。單相傳質(zhì)機(jī)理：符號說明擴(kuò)散流主體流動漂流因子符號說明要點(diǎn)要點(diǎn)要點(diǎn)例8-5塔高的計算在一逆流操作的吸收塔中用清水吸收氨-空氣混合氣中氨，混合氣流量為0.025kmol/s，混合氣入塔含氨摩爾分?jǐn)?shù)為0.02，出塔含氨摩爾分?jǐn)?shù)為0.001。吸收塔操作時的總壓為101.3kPa，溫度為293K，在操作濃度范圍內(nèi)，氨水系統(tǒng)的平衡方程為y=1.2x，總傳質(zhì)系數(shù)Kya=0.0522kmol/(m2.s)。塔徑為1m，實(shí)際液氣比為最小液氣比的1.2倍，所需塔高為多少？已知：x2=0，J=0.025kmol/s，y1=0.02（低濃度氣體吸收），y2=0.001，y=1.2x，Kya=0.0522kmol/(m2.s)，

D=1m，求：HH=HOGNOG=HOLNOL=HgNg=HlNl對數(shù)平均推動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’與y1的關(guān)系(2)

(3)

求x1’與y1的關(guān)系解：物料恒算式分離膜的主要性能●選擇性（selectivity）－分離效果▲最大孔徑/平均孔徑（MF）▲截留分子量（UF）▲截留率（UF，NF）▲脫鹽率（RO，NF）▲分離系數(shù)（GS,PV）●滲透性(permeability)－產(chǎn)率▲透過速率J（通量）187●機(jī)械性能(mechanicalproperty)▲抗壓強(qiáng)度▲拉伸強(qiáng)度▲伸長率▲剝離強(qiáng)度●穩(wěn)定性(stability)▲化學(xué)穩(wěn)定性（抗氧化性，耐酸堿性，耐溶劑性，耐氯性，耐水解性……）▲抗污染性▲耐微生物侵蝕性▲熱穩(wěn)定性（注：以上兩項決定膜的使用壽命）188189截留分子量曲線：測定具有相似化學(xué)性質(zhì)、不同分子量的一系列基準(zhǔn)物的截留率所得的曲線190膜結(jié)構(gòu)●膜材料結(jié)構(gòu)

－化學(xué)結(jié)構(gòu)－凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)●膜本體結(jié)構(gòu)－膜表層結(jié)構(gòu)－膜斷面結(jié)構(gòu)●支撐體結(jié)構(gòu)191膜結(jié)構(gòu)/膜性能相關(guān)性●選擇性－膜材料結(jié)構(gòu)－膜表層結(jié)構(gòu)●滲透性－膜材料結(jié)構(gòu)－膜表面結(jié)構(gòu)－膜斷面結(jié)構(gòu)●機(jī)械性能－膜材料結(jié)構(gòu)－膜結(jié)構(gòu)●穩(wěn)定性－膜材料結(jié)構(gòu)－膜結(jié)構(gòu)192各類膜組件性能比較

膜組件類型比較項目管式平板式卷式中空纖維式組件結(jié)構(gòu)簡單非常復(fù)雜復(fù)雜簡單膜裝填密度（m2/m3)33～330160～500650～16001600～30000膜支撐體結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜簡單不需要膜清洗易易難難膜更換成本低中較高高對水質(zhì)要求低較低較高高水質(zhì)前處理成本低中高高要求泵容量大中小小按比例放大易難難難193各種分離方法及其適用范圍分離方法分離機(jī)理適用范圍絹網(wǎng)、布纖維過濾篩分粗粒子（10～103μm)重力沉浮比重微粒、粒子、粗粒子（1～103μm)浮選分離表面活性大分子、微粒、粒子、粗粒子（0.1～103μm)離心分離比重大分子、微粒、粒子、粗粒子（0.06～600μm)194凝膠色譜擴(kuò)散離子、大分子、微粒、粒子、粗粒子（0.007～100μm)微濾篩分大分子、微粒（0.1～10μm)超離心分離比重、表面活性離子、大分子（0.005～1μm)萃取溶解度離子、大分子（0.001～1μm)蒸餾/冰凍蒸汽壓差溫度差離子、大分子（0.001～1μm)超濾篩分、優(yōu)先吸附細(xì)菌、大分子（0.005～0.1μm)195透析擴(kuò)散離子、大分子（0.0005～0.01μm)電滲析電荷、擴(kuò)散、電位差離子、大分子（0.0005～0.01μm)離子交換電荷離子、大分子（0.0005～0.01μm)反滲透優(yōu)先吸附、毛細(xì)孔流（溶解、擴(kuò)散）離子、小分子（0.0005～0.01μm)氣體分離溶解、擴(kuò)散氣體分子(0.00026～0.0005μm)滲透汽化溶解、擴(kuò)散氣體分子(0.00026～0.0005μm)196197膜分離方法特點(diǎn)●

高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、簡便、無二次污染、設(shè)備緊湊▲多數(shù)無相變,能耗低▲多數(shù)在常溫下分離，適宜于熱敏性物質(zhì)分離