化工原理讲义-环工教材
化工原理实验简明讲义
化工原理实验简明讲义哈尔滨工业大学绪论化工综合实验课是化工、环境、生物化工等系或专业的重要基础实验技术课。
它的历史悠久，已形成了完整的教学内容与教学体系。
化工综合实验课是化工原理等课程中所涉及的理论和计算方法的实验研究，化工综合实验课在化工类专业课程中占有重要的地位。
一、化工综合实验课的目的和意义1．巩固和深化理论知识2．培养学生从事实验研究的能力3．培养学生从事工程设计研发的能力4. 培养学生实事求是、严肃认真的学习态度二、化工综合实验课的主要内容化工综合实验课程的内容应包括实验理论教学与基础实验教学两大部分，实验理论教学涉及到实验方法论、数据处理、测试技术及典型仪器、仪表的使用。
基础实验为化工原理全国指导委员会规定的8个实验，即（1）伯努力试验；（2）流体流动形态及雷诺数的测定；（3）流体流动阻力的测定；（4）换热器传热系数及传热膜系数的测定；（5）间歇填料精馏柱性能的测定；（6）填料塔液侧传质膜系数的测定；（7）流化床干燥速率曲线的测定。
除此之外，还包括萃取实验及连续填料精馏柱性能的测定等。
根据不同专业、学科的要求及学时数要求，可以选择以上10个基础实验中的若干个作为实验内容。
三、化工综合实验课的基本要求化工原理实验对于学生来说是第一次接触到用工程装置进行实验，学生往往感到陌生，无从下手。
有的学生又因为是2人一组而有依赖心理，为了切实收到教学效果，要求每个学生必须做到以下几点：1．实验前的预习2．实验中的操作训练3．实验后的总结实验一伯努利试验一、实验目的本实验采用一种称之为伯努利试验仪的简单装置，实验观察不可压缩流体在导管内流动时的各种形式机械能的相互转化现象。
并验证机械能衡算方程（伯努利方程）。
通过实验，加深对流体流动过程基本原理的理解。
二、实验原理∑+++=++f 22222111h u 21P gZ u 21P ρρgZ J ·kg -1 （1） 三、实验装置四、实验方法五、实验结果六、思考题1．为什么实验要保持在恒水位条件下进行？2．从实验中，你能从观察现象中解释流体在直管内流动的速度与阻力损失的变化关系吗？3．操作过程中为什么要排气泡？4．实验中所观察的现象，对其它流体是否也相类似，对不同流体，以上现象又将发生怎样变化？实验二流体流动型态及临界雷诺数的测定一、实验目的本实验的目的，是通过雷诺试验装置，观察流体流动过程的不同流型及其转变过程，测定流型转变时的临界雷诺数。
化工原理完整教材课件
深入理解实验的基本原理，为实验操作和结果分析提供理论依据。
实验数据处理与分析方法
数据记录与整理
掌握实验数据的记录方法，以及如何整理和筛选有效数据 。
误差分析
了解误差的来源和其对实验结果的影响，掌握误差分析和 减小误差的方法。
数据分析与处理
掌握常用的数据处理和分析方法，如平均值、中位数、标 准差等。
物质从高浓度区域向低浓度区域 的转移过程。
传质速率
表示物质转移快慢的物理量，与 扩散系数、浓度差和传质面积成
正比。
扩散系数
表示物质在介质中扩散快慢的物 理量，与物质的性质、温度和压
力有关。
吸收
吸收过程
利用混合气体中各组分在液体溶剂中的溶解度差异，使气体混合 物中的有害组分或杂质组分被吸收除去的过程。
在制药工业和食品工业中，化工原理 涉及药物的合成、分离和提纯，以及 食品的加工和保藏等环节。
02
流体流动
流体静力学
总结词
描述流体在静止状态下的压力、密度和重力等特性。
详细描述
流体静力学主要研究流体在静止状态下的压力分布、流体对容器壁的压力以及 流体与固体之间的作用力。它涉及到流体的平衡性质和流体静压力的基本规律 。
利用气体在液体中的溶解度差异，通过鼓入空气或通入其他气体 产生泡沫而实现分离的方法。
05
化学反应工程
化学反应动力学基础
1 2 3
反应速率与反应机理
介绍反应速率的定义、计算方法以及反应机理的 基本概念，阐述反应速率的测定和影响因素。
反应动力学方程
介绍反应动力学方程的建立、求解及其在化学反 应工程中的应用，包括速率常数、活化能等参数 的确定方法。
对流传热速率方程
化工原理讲义
化工原理绪论一、《化工原理》课程的性质、地位和作用(一)是化工类及其相近专业的一门基础技术课程和主干课程，是由理及工的桥梁，又是各种化工专业课程的基础。
《化工原理》则属于工程技术科学的范畴。
(二)从学科性质看，本课程是化学工程学的一个分支，主要研究化工过程中各种操作，它来自化工生产实践，又面向化工生产实践。
进行化工技术和化工过程的开发、设计、生产及单元操作。
(三)课程具有显著的工程性，要解决的问题是多因素、多变量的综合性的工业实际问题。
因此，分析和处理问题的观点和方法也就与理科课程不同，应首先从实际出发考虑问题。
需从课程学习中得到工程设计的实际训练。
二、化工过程与单元操作(一)化工过程的特征与构成化工过程可以看成是由原料预处理过程、反应过程和反应产物后处理过程三个基本环节构成的。
反应过程是在各种反应器中进行的，它是化工过程的中心环节。
反应过程必须在某种适宜条件下进行，例如，反应物料要有适宜的组成、结构和状态，反应要在一定的温度、压强和反应器内的适宜流动状况下进行等。
而进入化工过程的初始料通常都会有各种杂质并处于环境状态下，必须通过原料预处理过程使之满足反应所需要的条件。
同样，反应器出口的产物通常都是处于反应温度、压强和一定的相状态下的混合物，必须经过反应产物的后处理过程，从中分离出符合质量要求的、处于某种环境状态下的目的产品，并使排放到环境中去的废料达到环保的规定要求；后处理过程的另一任务是回收未反应完的反应物、催化剂或其它有用的物料重新加以利用。
可见，在原料预处理和反应产物后处理过程中都要进行一系列的物理变化过程，如加热、冷却、增减压、使物料发生相变化(如汽化、冷凝、结晶、溶解等)、使均相物料中各组分进行分离、使不同相态的物料彼此分离等。
即使在反应器中，为了维持适宜的反应条件，也需组织一系列物理过程，如加入或移走热量、混合、搅拌等。
经过长期的化工生产实践发现，各种化工产品的生产过程所涉及的各种物理变化过程都可归纳成为数不多的若干个单元操作。
化工原理实验讲义(最终版)
C0 —— 流量系数
1．标定流量曲线 通过计量筒电子称和记时器可测量去流体的重量及对应的时间，从 而测取其质量流量qm，同时又通过压差计读出对应的上、下游压差值 △p；这样根据若干个实验点的qm与△p值，便可绘制流量标定曲线qm～ △p。
2．确定流量系数Co 根据以上流量计的计算式
2．测定直管摩擦系数与雷诺准数Re的关系，将所得的～Re方程与 公认经验关系式比较；
3．测定阀门的阻力系数； 4.了解阀门开度对管路压力的影响。 二、实验意义及原理
流体在管路中流动时，由于粘性剪切力和涡流的存在，不可避免地 要消耗一定机械能。这部分机械能是不能自发地转换成其它机械能形 式，或者说在机械能中“永久”消失了，故在利用柏努利方程解决工程中 流体输送及与流动有关问题时，不可避免地必须将阻力损失项计算出 来。管路通常由直管和管件（如三通、肘管及弯头等）、阀件组成。流 体在直管内流动造成的机械能损失称为直管阻力，而通过管件、阀件等 局部障碍时，因流道截面的方向与大小发生变化而造成的机械能损失称 为局部阻力。
（4-3） 由于差压流量计节流元件的截面A0是不变的，加之介质水的密度不 变。由上述流量曲线标定实验中各流量qm与压差△p之值，便可计算出 对应的流量系数C0值。 又由于雷诺数
（4-4）
其中管径d1为输送管道内径；ρ，μ为水的密度与粘度。流速u1可用下
式计算： （4-5）
故可将流量系数C0与对雷诺数Re的关系标绘在单对数坐标上，便可得 到C0与Re的关系曲线，从而可了解流量的变化规律。
（1-1） 式中：——圆管内径，m；
u —— 流速，m/s； —— 流体密度，kg/m3； ——流体粘度，Pa·s。 一般认为Re＜2000时，流动型态为层流；Re＞4000，流动型态为 湍流。Re数在两者之间时为过渡区，有时为层流，有时为湍流，流动型 态与环境有关。 对一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺数仅与流速有关。本 实验通过改变水在管内的流速，观察流体在管内流动型态的变化。 三、思考题 1．影响流动型态的因素有哪些？
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雷诺演示实验一、实验目的1 观察流体流动时的不同流动型态2 观察层流状态下管路中流体的速度分布状态3 熟悉雷诺准数（Re）的测定与计算4 测定流动型态与雷诺数（Re）之间的关系及临界雷诺数二、实验原理流体在流动过程中由三种不同的流动型态，即层流、过渡流和湍流。
主要取决于流体流动时雷诺数Re的大小，当Re大于4000时为湍流，小于2000 时为层流，介于两者之间为过渡流。
影响流体流动型态的因素，不仅与流体流速、密度、粘度有关，也与管道直径和管型有关，其定义式如下：1.1-1式中： d 管子的直径mu 流体的速度m/sρ流体的密度kg/m 3μ流体的粘度 Pa· s三、实验装置雷诺演示实验装置如图1.1所示，其中管道直径为20 mm。
图1.1 雷诺演示实验装置图1—有机玻璃水槽；2 —玻璃观察管；3 —指试液；4，5 —阀门；6 —转子流量计四、实验步骤1 了解实验装置的各个部件名称及作用，并检查是否正常。
2 打开排空阀排气，待有机玻璃水槽溢流口有水溢出后开排水阀调节红色指示液，消去原有的残余色。
3 打开流量计阀门接近最大，排气后再关闭。
4 打开红色指示液的针形阀，并调节流量（由小到大），观察指示液流动形状，并记录指示液成稳定直线，开始波动，与水全部混合时流量计的读数。
5 重复上述实验3～5次，计算Re临界平均值。
6 关闭阀1、11，使观察玻璃管6内的水停止流动。
再开阀1，让指示液流出1～2 cm 后关闭1，再慢慢打开阀9，使管内流体作层流流动，观察此时速度分布曲线呈抛物线形状。
7 关闭阀1、进水阀，打开全开阀9排尽存水，并清理实验现场。
五、数据处理及结果分析1 实验原始数据记录见下表：序号123456q（l/h）U(m/s)Re2 利用Re的定义式计算不同流动型态时的临界值，并与理论临界值比较，分析误差原因。
六、思考题1雷诺数的物理意义是什么？2 有人说可以只用流体的流速来判断管中流体的流动型态，当流速低于某一数值时是层流，否则是湍流，你认为这种看法对否？在什么条件下可以只用流速来判断流体的流动型态？流体流动阻力系数的测定一、实验目的1 学习管路阻力损失( h f ) 、管路摩擦系数（λ）、管件局部阻力系数（ζ）的测定方法，并通过实验了解它们的变化规律，巩固对流体阻力基本理论的认识。
《化工原理》教学大纲(环境工程专业)
《化工原理》教学大纲课程编号：C018130503课程名称：化工原理课程类型：专业基础课英文名称：Principles of Chemical engineering适用专业：环境工程专业总学时：64（理论58+实验6）学分：4一、本课程的性质、目的和任务《化工原理》是环境工程专业重要的一门必修专业基础课，由“化工原理”理论课和“化工原理实验”组成，其教学目的是使学生掌握化工单元操作的基本原理、典型设备的结构原理、操作性能和设计计算，培养有分析和解决单元操作中各种问题的能力，即在科学研究的生产实验中对设备应具有操作管理、设计、强化与过程开发的本领，为学生学习后续专业课程和将来从事工程技术工作，实施常规工艺、常规管理和常规业务打好基础。
本课程的教学任务：本课程兼有工程科学与工程技术的双重教育任务，重在培养工程创新能力。
1.能正确理解各主要单元操作（流体流动、传热、传质）的基本原理、计算方法，了解主要单元操作的典型设备构造、性能和操作原理，并具有设备选型及校核的基本知识。
2.以“三传”现象基本原理为主线，以物料衡算、能量衡算、物系平衡关系、传递速率及经济核算观点5个基本概念为理论依据，理解单元操作通用的学习方法和分析问题的基本思路，掌握基本计算公式的物理意义、应用方法和适用范围；掌握主要单元操作过程及设备的基本计算方法；具有查阅和使用常用工程计算图表、手册、资料的能力。
3.培养理论联系实际的观点方法，在数学模型法基础上进一步掌握“因次分析”为主的实验研究方法，并建立“工艺流程”、“工程装置”、“过程操作”等专业工程概念，为培养分析解决工程实际问题的实验研究技能起过渡桥梁作用，密切联系生产实际运用基础理论知识分析和解决化工单元操作中各种工程实际问题的能力。
4.初步掌握单元操作操作管理、设计、强化与过程开发的基本程序，具有运用工程技术观点分析和解决化工单元操作一般问题的初步能力。
为化工原理课程设计及专业课学习和今后工作打下坚实的基础。
化工原理实验讲义讲解
化工原理实验讲义专业:环境工程应用化学教研室2015.3实验一 流体机械能转化实验一、实验目的1、了解流体在管内流动情况下，静压能、动能、位能之间相互转化关系，加深对伯努利方程的理解。
2、了解流体在管内流动时，流体阻力的表现形式。
二、实验原理流动的流体具有位能、动能、静压能、它们可以相互转换。
对于实际流体， 因为存在内摩擦，流动过程中总有一部分机械能因摩擦和碰撞，而被损失掉。
所以对于实际流体任意两截面，根据能量守恒有：2211221222f p v p v z z H g g g g ρρ++=+++上式称为伯努利方程。
三、实验装置（d A =14mm ，d B =28mm ，d C =d D =14mm ，Z A -Z D =110mm ）实验装置与流程示意图如图1-1所示，实验测试导管的结构见图1-2所示：图1-1 能量转换流程示意图图1-2实验导管结构图四、操作步骤1.在低位槽中加入约3/4体积的蒸馏水，关闭离心泵出口上水阀及实验测试导管出口流量调节阀和排气阀、排水阀，打开回水阀后启动离心泵。
2.将实验管路的流量调节阀全开，逐步开大离心泵出口上水阀至高位槽溢流管有液体溢流。
3.流体稳定后读取并记录各点数据。
4.关小流量调节阀重复上述步骤5次。
5.关闭离心泵出口流量调节阀后，关闭离心泵，实验结束。
五、数据记录和处理五、结果与分析1、观察实验中如何测得某截面上的静压头和总压头，又如何得到某截面上的动压头？2、观察实验，对于不可压缩流体在水平不等径管路中流动，流速与管径的关系如何？3、实验观测到A、B截面的静压头如何变化？为什么？4、实验观测到C、D截面的静压头如何变化？为什么？5、当出口阀全开时，计算从C到D的压头损失？六、注意事项1．不要将离心泵出口上水阀开得过大以免使水流冲击到高位槽外面，同时导致高位槽液面不稳定。
2．流量调节阀开大时，应检查一下高位槽内的水面是否稳定，当水面下降时应适当开大泵上水阀。
化工原理实验讲义
目录实验守则 (2)前言 (3)实验一、流体流动型态及临界雷诺数的测定 (8)实验二、伯努利实验 (12)实验三、管路流体阻力的测定 (17)实验四、套管换热器液-液热交换实验 (24)实验五、纯净水的生产 (31)附录 (32)实验守则1、实验前应认真准备，弄清实验目的、任务和实验方法，写出预习报告，做好实验前的一切准备，以保证实验任务的胜利完成。
2、按时进入实验室，进入后要严肃认真，不得喧哗、嬉笑、打闹，不得抽烟和随地吐痰。
3、注意安全，不得赤足或穿拖鞋进入实验室，谨防触电，有辫子的女生应将辫子扎好，以防机械扎住，造成事故。
4、听从教师及工作人员指导。
5、遵守实验设备、仪器的操作规程，在弄清其流程和用法后，经教师同意方可启用。
6、节约水、电、汽及化学药品等物，爱护仪器设备。
7、如损坏仪器设备等，应立即报告教师，登记在册，按学校规定制度处理。
8、实验结束后，清理仪器设备，使之复原，并打扫场地。
前言化工原理是一门关于化学加工过程的技术基础课，是建立在实践基础上的科学。
它不仅有完整的理论体系，而且具有独特的实验方法。
让学生直接观察到某些生动现象，直接体验某些理论和规律，直接测取某些设备的性能参数，不仅是帮助加深对理论知识的理解和获得实践知识的重要手段，也是应用实验研究的独特方法和处理技巧以培养学生分析问题和实际操作能力的重要手段。
化工原理实验是教学过程中的重要环节。
一、化工原理实验的目的1、验证有关的化工单元操作的理论，巩固和加深对理论的认识和理解。
2、熟悉实验装置的结构、性能和流程，并通过实验操作和对实验现象的观察，使学生掌握一定的基本实验技能。
二、化工原理实验的要求为达到上述目的，要求学生做到以下几点：1、根据实验的要求，参照实验指导、教材，复习好有关的原理，了解实验目的要求、方法和步骤、设备的流程、仪器的使用方法，写出实验预习报告。
2、经教师考查达到要求后，方可进行实验，要认真进行操作，细心观察实验现象，如实记录实验数据，注意可能出现的问题，深入思考和分析。
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一、化学工程学科的发展
20世纪初 化工生产工艺研究 20年代
方法原始
单元操作 第一次飞跃
30年代
60年代末期
相似模拟法 数学模拟法
化学工程学科 形成完整体系
50年代
三传一反
第二次飞跃
单元操作 反传应递工工程程 化工系统工程 化工过程控制理论
• 现代科学技术特点：知识相互渗透 相互交叉、高度综合
例如：
传热速率
温度差 热阻
t R
20世纪发明的七大技术
• 信息技术 • 化学合成及分离技术 • 航空航天和导弹技术 • 核科学及核武器技术 • 生物技术 • 纳米技术 • 激光技术
载热体——提供或带走热量的流体 （1） 加热剂：
烟道气，空气，水蒸气，水，油， 联苯混合物，溶盐，液态金属等 （2）冷却剂： 空气，水，冷冻盐水，氨，氟里昂等
物理操作——只改变物料的状态或其物理性质，不改
变其化学性质的操作。
合成氨生产流程示意图
高压聚乙烯的生产流程示意图
◆研究方法
三、课程的主要内容与基本要求
◆主要内容
(1) 流体流动过程（动量传递）
研究流体流动的基本规律以及受这些基本规律支配的单元操 作（流体流动、流体输送机械、搅拌、沉降及过滤等）。
1.由于热损失每米管长的蒸汽冷凝量为多少？ 2.保温层的外侧温度为多少？
解： （1）
Q t1 t2
tБайду номын сангаас t2
/ Am /( A2 A1 )
ln A2
t1 t2
2l(t1 t2 )
/( 2l(r2 r1 ))
ln r2
ln r2
r1
A1
r1
Q l
2 (t1 t2 )
ln r2
（1） 通常规定0℃的液态的焓为零 （2）总焓值 = 显热 + 潜热
解：实际是用饱和水蒸气变为饱和水的相变热，使某种 溶液的温度升高
∑(WI)I = ∑(WI)0 + QL WI溶CPΔTI + WI蒸I蒸 = W0CPΔT0 +W0水I水 + QL 解得：QL = 13.7 KW
热量损失百分率 = 6.54%
• 新兴学科：生命科学、环境科学 能源科学、材料科学等
• 新的分支与生长点：分子化学工程 生物化学工程 环境化学工程 能源化学工程
二、 课程的性质、研究对象与研究方法
◆ 课程性质：在数学、物理、物化等课程基础上开设的 一门技术基础课，是化工、轻工、环保等专业的一门 主干课。
◆ 研究对象：化工生产中通用物理操作的共同规律和典 型设备。
3.平衡关系
定义：若组成不同的两相互相接触，则各组分
将在两相间进行传递，直到每一组分在两相的 传递速率相等，两相的组成不再发生变化。
实际应用
①由平衡关系可以揭示出过程的方向和限度 ②考察外界参数（如P，T）对平衡的影响，
确定适宜的操作条件
4.过程速率
过程速率
过程推动力 过程阻力
化工过程的推动力：压强差、温度差、浓度差
去除SO2氨-硫铵法工艺流程
◆基本要求
(1) 掌握各单元操作的基本原理和典型设备的构造及 操作特性，会设备选型。
(2) 会进行单元操作过程的计算和典型设备的设计， 学会利用计算机辅助设计。
(3) 会进行各类化工过程分析，对典型的化工设备应具 有操作、管理和调节生产过程的能力
(4) 应具有过程开发和科学研究的能力。
m
0.103
r1
0.000198tm
0.103
0.000198 t1
t2 2
0.103 0.000198180 100 0.13W /(mC) 2
Q l
2 3.14 0.13 (180 100) 128.6W / m
ln 0.25
0.15
由 附 录 查 得 180°C 饱 和 蒸 汽 的 汽 化 热 r=2.019106J/kg，每米管长的冷凝量为：
四、四个基本概念
1.物料衡算——依据“质量守恒”定律
总物料衡算式：
∑GI = ∑ G0 + GA
GI——输入 G0——输出
GA——累积
任一组分：
GI = G0 + GA
若过程中累积的物料量GA为零，称之为稳定操作：
∑GI = ∑ G0
物料衡算的步骤：
（1）画出过程示意图 （2）确定衡算范围与基准
（3）列出衡算式并求解
(2) 传热过程（热量传递）
研究传热的基本规律以及受这些规律支配的单元操作（加热、 冷却、冷凝、蒸发等）。
(3) 传质过程（质量传递）
研究物质通过相界面迁移过程的基本规律及受这些规律支配的 单元操作（精馏、吸收、吸附、膜分离等）。 (4)同时遵循热量传递、质量传递的过程 气体的增湿与减湿、结晶、干燥等单元操作。
点位移
3.热辐射
物体（固体或流体）在自身温度大于0K时， 将本身具有的热量通过电磁波的方式四周传播。
管路热损失的计算
• 为减少热损失，在外径150mm的饱和蒸汽管 处覆盖厚度为100mm的保温层，保温层的导热 系数 =0.103+0.000198t（式中t单位为 C ）。 已知饱和蒸汽温度为180 C，并测得保温层中 央即厚度为50mm处的温度为100 C ，试求：
解：i）求W、P（衡算范围：红笔框）
总物衡： 1000 = W + P
KNO3： 1000×0.2 = W×0 + P（1-0.04） 解得： P = 208.3 kg/h， W = 791.7 kg/h
ii）求R、S
总物衡： S = R + P = R + 208.3
KNO3 ： 0.04）
S×0.5 = R×0.375 + 208.3× （ 1-
解得： R = 766.6 kg/h S = 974.9 kg/h
2.能量衡算——依据“能量守恒”定 律
或写成：
∑QI = ∑ Q0 + QL
∑(WI)I = ∑(WI)0 + QL ∑：指多股物流而言
W：物料的质量，连续过程：kg/s；间歇过程：kg
I：单位质量物料的焓值 kJ/kg
注意两个问题：
载热体的选择条件： （1）要求温度 （2 ) T调节难易 （3）毒性，腐蚀性大小，价格，来源
1.热传二导 .传热的基本方式：
分子、原子或自由电子振动并与相邻分子碰撞， 传递振动能。
热传导中物体分子不发生相对位移,也没有物 体的宏观位移。
2.对流传热 流体的宏观运动引起的热量传递，只存在于宏观
运动的流体（气体或液体）中。 (1)自然对流：各处温度不同, ρ不同 (2)强制对流：泵，鼓风机或搅拌等外力引起的流体质