绪论 化工原理

化 工 原 理

绪 论

一 化工过程与单元操作

化学工业是将自然界的各种物质经过化学和物理方法处理以获得有用产品的工业。

一种产品的生产过程中，从原料到产品，即有化学反应过程，还有大量的物理加工过程。

按各个物理过程目的、原理、状态等的共性和个性，可将各物理变化归纳为各个基本操作。

如流体输送、搅拌、沉降、过滤、热交换、蒸发、结晶、吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等，这些使物料发生预期的物理变化的基本操作称之为单元操作（Unit Operation）。

任何一种化工产品的生产过程，都是由若干单元操作及化学反应过程组合而成的。

单元操作按其理论基础可分为三类：

（一）流体流动过程：包括流体输送、搅拌、沉降、过滤混合及设备等； （二）传热过程：有热交换、蒸发等；

（三）传质过程：含吸收、蒸馏、萃取、吸附、干燥等。

二 化工原理课程的性质、内容和任务

化工原理的主要任务是介绍流体流动、传热、传质的基本原理及主要单元操作的典型设备构造、操作原理、计算、选型及研究方法，培养学生运用基础理论分析和解决化工单元操作中各种工程实际问题的能力。

三 化工原理的研究方法

主要采取实验研究方法(经验的方法)和数学模型方法(半理论半经验的方法)。

实验研究方法：一般采用因次分析法和相似论为指导，依靠实验建立过程变量之间的关系，通常用无因次数群（准数）构成的关系式来表达；主要用于内在规律尚未进行深入研究阶段的复杂化工问题上。

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数学模型法：在对实际问题的机理作深入的分析的基础上，抓住过程本质作某些合理的简化后，建立物理模型，再以物理化学、传递过程和化工热力学的基本原理出发，得出描述此过程的数学模型。用数学方法求解，由实验确定模型参数。

它是一种半经验、半理论的方法。

四 单元操作中常用的四个基本概念

（1）物料衡算

依据质量守衡定律，进入与离开某一化工过程的物料质量之差，等于该过程中累积的物料质量；即

ΣF－ΣD = A

式中： ΣF—— 输入系统的物料量总和。 ΣD—— 输出系统的物料量总和。 A—— 系统内累计的物料量。

对于连续稳态过程，系统内无物料量积累，各物理量不随时间改变，即处于稳态，A = 0，则 ΣF =ΣD。

（2）能量衡算

依据能量守衡定律，能量有各种不同形式，如机械能、电能、化学能等，大都与热能之间可互相转换。

一般把进、出某划定系统的各种能量之收支平衡关系建立起来，即称为能量衡算式。

热量衡算的基本式为：

∑HF = ∑HP + q

式中： ∑HF —— 单位时间内进入系统的各股物料的热量总值 ∑HP —— 单位时间内离开系统的各股物料的热量总值

q —— 单位时间内系统与环境交换的总热量

（3）物系的平衡关系

任何传递过程都有一个极限，当传递过程达到极限时，其过程进行的推动力为零，此时的传递速率为零，称为平衡。

例如，热量传递中，当冷、热两物体的温差（即传热推动力）等于零时，即达平衡。又如，一定温度下食盐的饱和浓度，就是这个物系的平衡浓度。

（4）过程速率（亦称传递速率）

过程速率是指单位时间内所能传递的能量或物质量。 例如：传热速率为J /s或W，传质速率为 kmol / h 等。

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任何过程的速率均与该过程的推动力成正比，与其阻力成反比： 传递速率∝过程推动力/过程阻力

各过程的推动力的性质决定于过程的机理。

例如：传热过程的推动力是温度差，流体流动过程的推动力是位能差，传质过程的推动力是浓度差（系指气相或液相的实际浓度与平衡浓度的差值）等。

各过程存在的阻力之构成也决定于过程的机理。

例如，传热过程存在的热阻，流体流动过程存在的摩擦阻力，传质过程存在的扩散阻力等都有其各自的机理，将在有关章节中叙述。

五 单位及单位换算 1、单位制

任何物理量的大小都是用数值与计量单位来表示的。因此，物理量的单位与数值应一起纳入运算。

物理量的单位分二类：基本单位和导出单位。

人为的选定几个独立的物理量称基本量，并根据使用方便的原则制定出这些基本量的单位，称为基本单位。如长度 m 、时间 s 等。而所有的导出单位都是由基本单位相互乘除而构成的。基本单位与导出单位总称为单位制。

由于基本量的选择不同，或对基本单位规定不同，因而产生了不同的单位制。

常见单位制的基本单位

基 本 量 长 度 质 量 力（重 量） 时 间 单 位 制 名称 符号 名称 符号 名称 符号 名称 符号 绝对单位制

（CGS制） 厘米 cm 克 g 秒 s

实用单位制

（MKS制） 米 m 千克 kg 秒 s

国际单位制

（SI制） 米 m 千克 kg 牛顿 N 秒 s

工程单位制 米 m 千克力 kgf 秒 s

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长期以来，整个科学技术领域存在着多种单位制并用的局面，同一个物理量在不同的单位制中具有不同的单位与数值，给计算和交流带来不便和麻烦，并容易引起差错。为改变这种局面以统一计量单位制，1960年10月第十一届国际计量大会通过了一种新的单位制，称为国际单位制，其国际符号为SI。

在SI制中规定了七个基本单位和二个辅助单位，以及具有专门名称的导出单位，即：长度m，质量kg, 时间s，电流A，热力学温度K，物质量mol，发光强度cd（坎德拉）；以平面角的弧度rad和立体角的球面度sr为辅助单位。

专门名称的导出单位有：力、重力N或kg·m/s2, 压力（压强）、应力Pa或N/m2, 能量、功、热J 或N·m，功率、辐射通量W或J/S，摄氏温度0C或t = T－273.15。

SI制有二大优点：

（1）通用性，在自然科学、工程技术乃至国民经济各部门中，所有物理量量的单位都可由上述七个基本单位导出，SI制对所有科学领域都适用。

（2）一贯性，SI制中任何一个导出单位都可由基本单位按物理规律直接导出，不必引入比例常数。

2、单位换算

同一物理量若用不同单位度量时，其数值需相应的改变，这种换算称为单位换算。

（1）物理量的单位换算：

物理量由一种单位换成另一种单位时，量本身无变化，但数值要改变。换算时要乘以两单位间换算因数，也就是彼此相等有不同单位的两个物理量之比。

如： 1N = 100000 dyn

1牛顿的力和100000达因的力是两个彼此相等的物理量，但使用单位不同则数值不同；N与dyn两种单位间的换算因数便是：

100000 dyn /1N = 100000 dyn/N

(2)经验公式的单位变换：

已知数据的单位与公式所规定的单位不同而这公式又要使用时，可把整个公式加以变换，使其中各符号都采用所希望的单位，这就是经验公式的单位变换。

经验公式中各符号只代表物理量的数字部分，并非完整的物理量。 物理量与其单位及数字三者的关系：

物理量 = 数字×单位 数字 = 物理量/单位

若把经验公式中每个符号都写成物理量与规定单位之比的形式（归一性），便可利用单位之间的换算因数，把原来规定的单位换成计算者所希望的单位。

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例：已知 1atm = 1.033 kgf/cm2, 试用国家法定单位Pa来表示压强。

解：先列出有关各量不同单位间的关系：

1kgf = 9.81 N 1cm2 = 10-4 m2 1N/m2 = 1Pa

按归一性，得：

1 = 9.81 N/ kgf 1 = 10-4 m2/ cm2 1 = 1 Pa / N/m2

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= 1.033×9.81×104 N/m2 = 1.0133×10 N/m2 所以：

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1.0133×10 N/m2×1 Pa / N/m2 = 1.0133×10Pa

例：通用气体常数R = 0.08206 L?atm / mol?K, 试用法定单位J / mol?K表示。

解：先列出有关各量不同单位间的关系：

1L = 10-3 m3 1atm = 1.0133×105 Pa 1Nm = 1 J 1 = 10-3 m3 / L 1= 1.0133×105 Pa / atm 1 = 1 J / Nm

所以：

R = 0.08206×L?atm/mol?K×10-3 m3/L ×1.0133×105 Pa/ atm

= 8.313 m3?Pa/ mol?K

又知：

1 Pa = 1 N / m2 = 1 Nm / m3 = 1 J / m3 所以：

R = 8.313m3×1 J / m3 / mol?K = 8.313 J / mol?K

例：将7 kgf / cm2转换成N / m2和mmHg。

解：以知：1 kgf = 9.81 N 1cm2 = 10-4 m2 1kgf / cm2 = 735.6 mmHg 那么：7kgf / cm2 = 7×9.81 N /（10-4）m2 = 6.867×105 N / m2

7kgf / cm

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= 7×735.6 mmHg = 5.149×103 mmHg

— The end —

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