化工原理课件

吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
xD
xq
xF
e
d
xW
yq
a
e
d
a
f
c
yq
非理想溶液
理想溶液
xD
xq
xF
xW
c
吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
NT，min 当操作线远离平衡线 NT减少，与对角线重合时达到 NT，min，一般由图解法求取。若体系为双组分理想溶液，则可通过解析法计算 （Fenske方程）：
L
V
L’
V’
F
L
V
L’
V’
F
L
F
F
冷液进料
饱和液体进料
气液混合物进料
饱和蒸气进料
过热蒸气进料
吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
不同 q值对应的 q线方程
进料状况
进料的焓 IF
q值
q线斜率 q/q-1
冷液体
IF<IL
q>1
+
饱和液体
IF=IL
q=1
无穷大
气液混合物
IL<IF<IV
0 < q <1
–
吸收
6.1 理想溶液的气液相平衡
6.1.2 相平衡——相平衡方程 纯液体的挥发度：该液体在一定温度下的饱和蒸气压。 溶液中各组分的挥发度：该组分在蒸气中的分压和与之相平衡的液相中的摩尔分率之比。 相对挥发度：是指溶液中两组分挥发度之比，常以易挥发组分的挥发度为分子。
吸收
6.1 理想溶液的气液相平衡
吸收
6.3 双组分连续精馏塔的计算
对加料板作物料衡算 V’－V＝L’－L－F 令 则有： q 线方程，精馏段操作线和提馏段操作线的交点，但经过 点。

解：
解：（1）结晶产品量 P 及水分蒸发量 W
首先根据题意画出过程示意图。
水，W kg/h
料液
1000kg/h 20%KNO3
蒸发器
S kg/h
50%KNO3
R kg/h
37.5%KNO3
结晶器
结晶产品 P kg/h
4% 水
21
在图中绿色虚线方框所示的范围内作物料衡算。
因过例程0-2中b 无化学反应，且为连续稳定过程，故可写出总物
28
概括
主要内容
化
工
理论基础
原
理
工程学科
课程学习
研究化工 单元操作 的基本原理： 典型化工单元设备的原理、结构 选型以及工艺尺寸的计算。
高等数学 物理学 物理化学
综合运用基础知识，有目的地解决 工程实际问题
目的并不只是 认识一些自然现象， 而是解决真实的、复杂的生产问题。
从复杂事物中排除非主要因素，抽出 关键环节，以合理的简化方式建立物 理和数学模型，解决工程问题。
经验方法 相似准则：利用经验公式和实验曲线进行设计和工程放大。
量纲分析：得出无因次准数方程，使实验参数最少，简化实验。
注：该方法着眼于过程参数的整体变化，不究其微观机理， 得到的结果带局限性 ，不可任意推广。
理论方法 利用基本定律对过程的微观机理进行相应的数学描述——
建立数学模型。
10
课程研究主线
其目的是满足工艺要求。
6
2、化工原理课程的内容 ——具体的单元操作 化工常用单元操作
单元操作 目 的
物态
原 理 传递过程
流体输送 输 送
液或气 输入机械能
搅拌 过滤 沉降
混合或分散

单位体积颗粒床层中空隙的体积为床层的空隙率ε ，即：
ε反映了床层中颗粒堆集的紧密程度，其大小与颗粒的形状、粒度分 布、装填方法、床层直径、所处的位置等有关。 球形：0.26～0.48 乱堆：0.47～0.7
壁效应
化工原理——流体通过颗粒层的流动
ε的测量方法：
充水法： 称量法：
V水
V
V G
p
V
不适于多孔性颗粒
K 2P1s
r0
化工原理——流体通过颗粒层的流动
4.5.2 间歇过滤的滤液量与过滤时间的关系 1. 恒速过滤方程
若Ve＝0，则？ K虽为变量，但应为τ时刻的过滤常数值。
化工原理——流体通过颗粒层的流动
2. 恒压过滤方程
若Ve＝0，则？
若V=Ve ？ qe2 K e
q qe 2 K e
求Ve，τe
(1
- 3
)a
ρu 2
P' L
'
(1- )a 3
u2
单位床层高度的压降， Pa
模型参数
化工原理——流体通过颗粒层的流动
4.3.3 模型的检验和模型参数的估计
1. 康采尼（Kozeny）方程
在流速较低， Re'＜2时（层流），
'
K' Re'
其中：
Re'
deu1
u a(1 )
实验测得
K ' 5.0
p
p (1)
化工原理——流体通过颗粒层的流动
流入的量＝流出的量＋累积量
总量衡算： V悬＝V LA
固体量衡算： V悬 LA(1 ) 由上两式可得： L q
1
一般，＜＜， L q 1

pm p p p gL / 2
p：液面上的压强； L：加热管底部以上液层高； ρ：液体的平均密度。
§7.2 单效蒸发
14
＝t( pp) t( p)
3. 管道流体阻力产生压降的影响
p < p′ 二次蒸汽饱和温度↓
⊿'''＝1℃ （三） 蒸发器的生产能力和生产强度
生产能力: 单位时间内蒸发的水量, 即蒸发量 kg/h 大小取决于传热速率 Q
（1）循环速度较低，管内流速<0.5m/s；
（2）溶液粘度大、沸点高，有效温差小。
（3）设备的清洗和维修也不够方便。 应用广泛，适用于处理量大、结垢不严重的物系。
§7.4 蒸发设备
2. 悬筐式蒸发器（自然循环型）
优点：加热室可由顶部取出进行 清洗、检修或更换， 而且热损失也较小。
适用于易结晶或结垢溶液的蒸发
23
二、多效蒸发与单效蒸发的比较
多效蒸发单位生蒸汽消耗量D/W比单效蒸发小，
操作费比单效蒸发小； 注意：
操作费减小的幅度并不与效数成正比，
效数越多，操作费减小的幅度成下降趋势。
多效蒸发生产能力比单效蒸发小， 生产强度比单效蒸发小，
设备费比单效蒸发大。
效数越多，设备费增大的幅度越大。
§7.3 多效蒸发
§7.4 蒸发设备
34
缺点：
❖液柱静压头效应引起的温度差损失较大，要求 加热蒸汽有较高的压力。
❖设备庞大，消耗的材料多，需要高大的厂房。
4. 强制循环蒸发器
循环速度的大小可通过泵的流量调节来控制, 一般在2.5m/s以上。 适宜蒸发粘度大、易结晶和结垢的物料。 能耗大。
§7.4 蒸发设备
35
（二）单程型蒸发器

=1.204×105Pa(绝压) 5 5 4 pA=1.204×10 -1.013×10 =1.91×10 Pa(表压)
1.2.4.2 烟囱拔烟
pA=p2+ρ冷gh pB=p2+ρ热gh 由于ρ冷>ρ热,则pA>pB 所以拔风 烟囱拔风的必要条件是什么？
1.2.4.3 浮力的本质
物体上下所受压强不同 取微元： 压差力=(p2-p1)dA=ρghdA=ρgdV排 V排=ΣdV排
4）质量守恒方程（连续性方程） 取控制体作物料衡算（欧拉法）
1u1 A1 2 u 2 A2 .dV t V 定态流动： .dV 0 t V
1u1 A1 2 u 2 A2 c
即：q m 1 q m 2 c — —连续性方程式 对不可压缩流体： c，q v1 q v 2 c u1 A1 u 2 A2 c,
分析方法（数学分析法） ①取控制体 ②作力衡算 ③结合本过程的特点，解微分方程 1.2.1.4 静力学方程应用条件 ①同种流体且不可压缩(气体高差不大时仍可用) ②静止(或等速直线流动的横截面---均匀流) ③重力场 ④单连通 1.2.2 流体的总势能 总势能 （压强能与位能之和） 虚拟压强
1.2.3 压强的表示方法 1.2.3.1 单位
流线演示：
返回
流体黏性：
返回
1.3 流体流动中的守恒原理 1.3.1 质量守恒
1）流量、流速 流量——质量流量qm， kg/s （ρ· qv ） 体积流量qv， m3/s 流速——质量流速G， kg/m2s（ qm /A） 体积流速u， m/s （ qv /A） 2）点速度u 圆管：粘性，速度分布 工程处理方法：平均值
积分得 p+ρgz=常数 或 p1 p2 gz1 gz 2 等高等压，等压面

4、 列出上下游截面处各已知物理量、未知物理量的数值，对两 截面之间的各参数进行确定。
5、 列出衡算系统的Bernoulli方程式。
6、 求解未知量。
例1：如图示水的虹吸，忽略阻力损失，求水的流速及各处压力。
解：〈1〉如图示选择1-1面、2-2面（出口内侧）
取2-2面为基准水平面。 ∵he=0, hf=0
（3）流 速： u= qv /A
（4）质量流速： G= qm /A= qv /A=u
(m3/s) (kg/s ) (m/s)
(kg/㎡s)
3. 管路直径的初步确定
u
qv A
qv
4
d2
qv 0.785d 2
d qV 0.785u
流量取决于生产需要，合理的流速应根据经济衡算确定。
一般液体流速为0.5~3m/s 气体流速为10~30m/s
1.2.2 稳定流动与不稳定流动
稳定流动：
同一位置处与流体流动有关的物理量，如速度、压力、 密度 等不随时 间而变化。
不稳定流动：
同一位置处与流体流动有关的物理量随时间而变化。
1.2.3 流体物料衡算—连续性方程
对于稳定过程： 系统输入速率=输出速率
1
2
1
2
若流体不可压缩， =常数，则有
u1A1 u2 A2 qV 常数
压力表读数为30.4kPa，而阀门开启后，压力表读数降至20.3kPa，设总 压头损失为0.5m（水柱），求水的流量为若干m3/h？
解：取池内水面为截面1-1；出水管压力表处为截面 2，且作为基准面,则有z2=0,d2=0.05m (1)阀门全闭时
p1=0, p2=30.4×103 Pa，u1=0, u2=0,hf=he=0

以 F = 1000 kg/h 的流量送入蒸发器，在422K下蒸发 出部分水得到50%的浓KNO3溶液。然后送入冷却结晶器， 在311K下结晶，得到含水0.04 的KNO3结晶和含KNO3 0.375的饱和溶液。前者作为产品取出, 后者循环回到 蒸发器。过程为稳定操作，试计算KNO3结晶产品量P、 水分蒸发量W和循环的饱和溶液量R。
返回 30 03:06:50
4. 流体的特征
具有流动性； 无固定形状，随容器形状而变化； 受外力作用时内部产生相对运动。
不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化， 如液体；
可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化， 如气体。 返回 31
13.7
QL 13.7kW
热损失：
100% 6.54%
257.3 47.8
返回 23 03:06:50
例4 非稳定热量衡算举例
罐内盛有20t重油，初温
T1=20℃，用外循环加热法 水蒸气
进行加热，重油循环量
W=8t/h。循环重油经加热
冷 凝
器升温至恒定的100℃后又 水
W=8t/h T3=100℃
基本单位：7个，化工中常用有5 个，即长度（米），质量（千 克），时间（秒），温度（K）， 物质的量（摩尔）
➢ 物理单位 基本单位：长度（厘米cm），质 制（CGS制） 量（克g），时间（秒s）
➢ 工程单 位制
基本单位：长度（米），重量或力 （千克力kgf），时间（秒）
我国法定单位制为国际单位制（即SI制） 返回 11
化工生产过程中，流体（液体、气体）的流动 是各种单元操作中普遍存在的现象。如：
传热 — 冷、热两流体间的热量传递； 传质 — 物料流间的质量传递。 流体流动的强度对热和质的传递影响很大。 强化设备的传热和传质过程需要首先研究流体的流动 条件和规律。 因此，流体流动成为各章都要研究的内容。流体 流动的基本原理和规律是“化工原理” 的重要基础。

R Rmin R 1
上述计算中，与实际回流比 R 对应的 NT 和与全回流对 应的 Nmin，均不包括再沸器的全塔理论板层数。
例（P284例6－8)
如果用相图来求Rmin及Nmin?
解： （1）确定最小回流比 Rmi
因为泡点进料q=1，xq=xF＝0.44
m DW 2.6 2.34 2.47
出 Rmin，并选择适宜的 R；
(2) 求出全回流下的 Nmin，对于接 近理想物系的溶液，可用 Fenske公式计算；
(3) 计算出 (R-Rmin)/(R+1)，查吉利 兰图得 (NT-Nmin)/(NT +1) ，即 可求得所需的 NT ；
(4) 确定进料板位置。
NT Nmin NT 1
吉利兰图
Rmin 1 xD xq
Rmin
xD yq
yq xq
注意：
由于交点在平衡线上，所以 yq与xq 互为平衡关系。即：
yq
1
xq ( 1)xq
1.0
1.0
a
y
yq
qd
yq
b
xD Rmin 1
c
0 xW
0 xW
xq xqxFxx F
xD1.0
xD 1.0
不同加料热状态下的 q 线
正常操作下的yq与xq 关系还是平衡关系？
➢ 进料不变则 q 线不变。操作线交点 d 将向平衡线靠近。
当交点 d 至平衡线上时，R=Rmin
最小回流比(Rmin)：操作线交点 d 落在平衡线上，所需的理论
板数为无穷多。
d 点称为挟紧点，
其附近称为恒浓区或挟紧区。
1.0
qd
yd
xD Rmin 1

3. 离心泵安装时，应注意选用较大的吸入管路，减少吸入管路的弯头、 阀门等管件，以减少吸入管路的阻力损失。
4. 当液体输送温度较高或液体沸点较低时，可能出现[Hg]为负的情况， 此时应将离心泵安装于贮槽液面以下。
化工原理——流体输送机械
2.2.6 离心泵的类型与选用 1. 类型 ① 清水泵——单级、多级、双吸 ②耐腐蚀泵——用耐腐蚀材料 ③油泵——密封良好 ④液下泵——轴封要求不高 ⑤屏蔽泵——无密封、无泄漏
qV' D' qV D
H
' e
He

D' D
2
Pa' Pa


D' D
3
——切割定律
化工原理——流体输送机械
2.2.4 离心泵的工作点与流量调节 1. 管路特性曲线
K：由管路特性决定， 一般为高度湍流，与流 量无关
化工原理——流体输送机械
管路特性的影响因素 化工原理——流体输送机械
7. 效率：有效功率与轴功率之比，即
Pe
Pa
化工原理——流体输送机械
8. 泵内的能量损失 a. 容积损失
高压液体泄漏到低压处，qV
b. 水力损失 液体内摩擦及液体与泵壳的碰撞，He c. 机械损失 轴与轴承，轴封的摩擦
化工原理——流体输送机械
轴功率：电机提供给泵轴的功率，W
Pa

Pe
H串 2 A 2BoqV2串
并联时的特性曲线为：
H并

A
Bo

qV并 2
2
H串＜2H单 qV串＞qV单
qV 并＜2qV 单 H并＞H单
化工原理——流体输送机械

联结线的斜率＜0
kA＜1， yA＜xA
§12.1 萃取的基本概念
11
2）分配曲线
yA f (xA)
§12.1 萃取的基本概念
12
4. 温度对相平衡关系的影响
物系的温度升高，组分间的互溶度加大
温度升高，分层区面积缩小
T1＜T2＜T3
§12.1 萃取的基本概念
13
四、三角形相图在单级萃取中的应用
1
§12.1 萃取的基本概念 一、液液萃取简介 1. 萃取原理 利用液体混合液中各组分在萃取剂中的溶解度差异 实现分离的一种单元操作。 溶质 A ：混合液中欲分离的组分 稀释剂（原溶剂）B：混合液中的溶剂
§12.1 萃取的基本概念
2
萃取剂S： 所选用的溶剂
2. 基本过程描述
原料液 A+B
萃取剂 S
2. 萃取剂S与稀释剂B的互溶度
组分B与S的互溶度影响溶解度曲线的形状和分层面积。
§12.1 萃取的基本概念
16
Em ax
Em ax
B、S互溶度小，分层区面积大，可能得到的萃取液的最 高浓度ymax’较高。 B、S互溶度愈小，愈有利于萃取分离。
§12.1 萃取的基本概念
17
3. 萃取剂回收的难易
对应
最大 萃取
Em ax
液浓 E
度
S MF F MS
F●
R R
E RF R EF
E R F
E MR
E
R ME
M
§12.1 萃取的基本概念
14
五、萃取剂的选择
1. 萃取剂的选择性和选择性系数
1）萃取剂的选择性
A在萃取相中的质量分率 B在萃取相中的质量分率

3. 电解食盐水制烧碱
水
大块食盐
碾磨
加热、搅拌、溶解
Cl2
电解反应
澄清、过滤
浑盐水
H2
烧碱液
蒸发浓缩结晶
烧碱
•12
0.1 化工过程与单元操作
物理操作在生产过程中占极重要地位。 化工生产中普遍采用、遵循共同操作原理，设 备相近，具有相同作用的一些基本的物理性操作， 称为“化工单元操作”。
•13
0.1 化工过程与单元操作
——各组分的体积分率。
•42
1.1 流体静力学基本方程式
已知各组分质量分率
1 xw1 xw2 xwn
m 1 2
n
(4)
xw1, xw2 xwn
——液体混合物中各组分的质量分率。
•43
1.1 流体静力学基本方程式
已知各组分摩尔分率
M i xi M1x1 M 2 x2 M n xn
(5)
化工原理
考核方式
• 提倡并鼓励同学之间讨论作业，但最终应独立完 成作业，作业1/3以上未交的不能参加考试。
• 缺勤3次以上的不能参加考试。 • 考核方式：期末（70%）+平时成绩（30%）（作
业+笔记+考勤+期中+实验）。
•2
参考书
• 化工原理(第三版) ， 陈敏恒。化学工业 出版社。
• 化工原理（新版），姚玉英主编。天津 大学出版社。
三、单位换算 1．定义：同一物理量若用不同单位度量时，其数值
需相应地改变，这种换算称为单位换算。 2．单位换算的基本方法 例：一标准大气压的压力等于1.033kgf/cm2，将其换
算成SI单位。
•25
0.4 单元操作中常用的基本概念

对流传热：流体与固体壁面间的热量传递过程。
自然对流：由于温度不同导致密度差异 而引起的移动；
方式 强制对流：由于外力引起的移动；
3、热辐射 传热机理：通过发射电磁波的形式向外辐射能量； 特 点：传热过程不需要介质； 注：实际传热过程中三种方式结合进行。
三、工业换热器的类型
◆换热器：用于热量交换的设备。
2、对流传热膜系数总准数关联式 （1）无相变化时，对流传热系数的特征关联式
（2）通过 量纲分f 析的u 无, 量l 纲,数为, ： ,,c p ,g t
努塞尔准数 雷诺数 普兰特准数 格拉斯霍夫准数
lAlu ac pfl3 2g 2th
3、流体无相变化时的对流传热系数关联式 （1）圆形直管内强制对流
(1)灰体：对各种波长具有相同吸收率的理想化物体。 A=ε
(2)辐射能： 二、两固体间的热辐射
EA E 0
总辐射系数，W/(m2.K4) 角系数 （见P165表4-11）
Q12 C12A1T10041T2004
三、辐射对流联合传热
1、对流传热：
Q Ca C A W T W T
辐射传热：
统一形式： 壁面散失的总热量为：
K
Q S
Ktm
第三节 传热速率与热负荷 一、热负荷：生产要求换热器单位时间
传递的热量。
二、热负荷与传热速率 传热速率：换热器单位时间传递的热量，是换
热器的生产能力。
热负荷：生产要求换热器单位时间传递的 热量，是生产任务。
生产上，为保证完成任务，要求换热器的传热速率大于或等于热负荷。
三、热量衡算与热负荷的确定
W/m2; σ0-辐射常数， σ0=5.67×10-8 W/(m2.K4)。

du
dy
黏度的单位：

du

Pa m/s
Pa s
dy m
黏度的物理意义： 促使流体流动产生单位速度梯度的剪切力
对于一定条件下的确定的流体，黏度为定值


du
dy
速度梯度最大的地方，剪切力最大； 速度梯度为零的地方，剪切力为零。
注意速度梯度与速度的差别
流体流动速度越大，黏度不一定越大； 静止流体不考虑黏度；
解： 长度单位：1 m＝3.2808 ft； 热量单位：1 J＝9.486×10-4 BTU; 温度差：1 ˚C＝1.8 ˚F 时间：1 h＝3600 s
0 .0 9 1 9 B T U /(fth F )
(0.0919ftBT hUF)(3.2808m ft)(9.4861J04BTU) (1.8F)( h )
化工原理
东南大学成贤学院化工与制药工程系
总学分：5，学时数80；
上册学分：3，学时数：48；
下册学分：2，学时数：32；
教材：《化工原理》，天津大学出版社；
参考书：《化工原理课程学习指导》，天 津大学出版社；
授课方式：讲解为主，兼顾讨论，适当练 习；
作业；
课程考核办法 理论课闭卷考试； 有期中考试； 总评成绩构成：平时成绩10%，期中考试 20%，期末考试70%。
非牛顿流体
牛顿黏性定律为： d u
dy
设
du dy
则有：
流变方 程
a：牛顿型流体；b：假塑性流体 c：涨塑性流体；d：宾汉塑性流体
流体静力学基本方程式
静止流体的压力
压力
压强＝ 受 力 面 积
P A