《化工原理》以流體流動、傳熱及傳質分離為重點,論述了化工、石油、輕工、食品、冶金工業等的典型過程原理及應用。內容包括流體流動原理及應用(流體流動及輸送機械)、傳熱原理及應用(傳熱理論及設備)、傳質原理及應用(蒸餾、吸收、萃取及相應設備)、固體顆粒流體力學基礎與機械分離、固體干燥、其他單元(蒸發、結晶、吸附、混合、膜分離),每章均配有工程案例分析及習題、思考題。 《化工原理》在關注學科最新發展動態、結合科研的基礎上,對單元操作基本概念及原理進行深入淺出的論述,同時著力突出培養學生的工程能力。可作為大專院校化工及相關專業的教材使用,也可供有關部門從事科研、設計和生產的技術人員參考。
化工原理課程是過程工業中多個專業的一門重要技術基礎課程,是從基礎課程過渡到專業課程的一個橋梁,它的教學目的是初步建立起學生的工程觀念。1999年,青島科技大學化工原理課程被確定為山東省首批教學改革試點課程,經過積極的建設,2004年又被確定為山東省精品課程,本書就是精品課程建設的配套教材。
在多所院校教學學時數不斷減少的教改背景下,如何利用有限的40~60學時來讓學生初步掌握典型單元操作的基本知識和基本技能,并突出我校的教學特色,是我們編寫本書的焦點所在。我們依據厚基礎、重實踐、勤思考的基本思路,在刪改了許多陳舊的教學內容及簡化了一些過于繁雜的計算方法后,注意吸收過程工業領域不斷更新的新理論、新技術、新設備等最新成果,介紹學科的發展動態,并結合我校取得的最新科研成果,以期讓讀者了解如何利用傳統基本理論推動日新月異的工業發展。
本教材以三種傳遞理論為基本脈絡,以流體流動原理及應用(流體流動及輸送機械)、傳熱原理及應用(傳熱理論及設備)、傳質原理及應用(蒸餾、吸收、萃取及相應設備)為講述重點,深入淺出地討論了過程工業常用單元的基本原理及應用,研究了固體顆粒流體力學的基礎理論與機械分離方法,并對干燥、蒸發、結晶、吸附、混合、膜分離等單元過程作了簡要介紹。同時,重點章末均配有典型工程案例分析,通過日常生活和工業生產中一些與所學知識有關的問題,介紹求解思路,激發學習興趣,讓讀者深切體會到“學有所用”的認同感。
參加本書編寫工作的有王曉紅(緒論、第1~3章)、田文德(第4~6章、附錄),王英龍編輯校核了習題,另外,化工原理教研室的多位教師參與了本書編寫方案擬訂工作,對此,一并致以誠摯的謝意。
由于水平有限,書中欠妥之處在所難免,懇請讀者提出寶貴意見。
緒論
0.1 化工原理課程基本內容及特點
0.2 化工原理的研究基礎與方法
0.3 單位制與單位換算
第1章 流體流動原理及應用
1.1 流體基本概念
1.1.1 流體特征
1.1.2 流體力學基本概念
1.1.3 流體密度
1.2 流體靜力學
1.2.1 壓強
1.2.2 流體靜力學基本方程
1.2.3 流體靜力學基本方程應用
1.3 流體流動的基本概念
1.3.1 流量與流速
1.3.2 穩態流動及非穩態流動
1.3.3 牛頓黏性定律
1.3.4 流動型態
1.4 流體流動的質量與能量衡算
1.4.1 質量衡算——連續性方程
1.4.2 總能量衡算
1.4.3 流體流動的機械能衡算式——柏努利方程式
1.5 流體流動阻力計算
1.5.1 直管阻力計算
1.5.2 摩擦系數λ的確定
1.5.3 局部阻力計算
1.6 管路計算
1.6.1 管路組成
1.6.2 簡單管路計算
1.6.3 復雜管路計算
1.7 流體輸送機械
1.7.1 離心式輸送機械
1.7.2 往復式輸送機械
1.7.3 其他類型輸送機械
1.8 流速與流量測量
工程案例分析
習題
思考題
符號說明
第2章 傳熱及傳熱設備
2.1 傳熱基本概念
2.1.1 傳熱基本方式
2.1.2 傳熱速率
2.2 熱傳導
2.2.1 熱傳導基本概念
2.2.2 傅里葉定律
2.2.3 固體平壁穩態熱傳導
2.2.4 固體圓筒壁穩態熱傳導
2.3 對流傳熱
2.3.1 牛頓冷卻定律
2.3.2 無相變對流傳熱系數計算
2.3.3 有相變對流傳熱系數計算
2.4 熱輻射
2.4.1 輻射傳熱基本概念
2.4.2 物體的輻射能力
2.4.3 物體間的輻射傳熱
2.4.4 對流與輻射聯合傳熱
2.5 間壁式換熱器傳熱計算
2.5.1 間壁式換熱簡介
2.5.2 熱量衡算
2.5.3 總傳熱速率方程
2.5.4 總傳熱系數的確定
2.5.5 平均傳熱溫度差的計算
2.5.6 換熱器的傳熱計算
2.6 換熱設備
2.6.1 換熱器類型
2.6.2 強化傳熱途徑
2.6.3 管殼式換熱器設計
工程案例分析
習題
思考題
符號說明
第3章 傳質原理及應用
3.1 傳質基本概念
3.1.1 分子擴散
3.1.2 對流傳質
3.2 蒸餾
3.2.1 氣液相平衡原理
3.2.2 蒸餾方式
3.2.3 精餾原理
3.2.4 物料衡算與操作線方程
3.2.5 熱量衡算
3.2.6 精餾設計計算
3.2.7 回流比的選擇及影響
3.2.8 特殊精餾
3.2.9 間歇精餾
3.3 吸收
3.3.1 吸收基本原理
3.3.2 氣液相平衡關系
3.3.3 吸收速率
3.3.4 填料塔簡介
3.3.5 吸收劑用量計算
3.3.6 吸收設計計算
3.3.7 其他
3.4 萃取
3.4.1 萃取原理
3.4.2 液液相平衡
3.4.3 萃取過程計算
3.4.4 新型萃取過程簡介
3.5 傳質設備
3.5.1 板式塔
3.5.2 填料塔
3.5.3 萃取設備
工程案例分析
習題
思考題
符號說明
第4章 固體顆粒流體力學基礎與機械分離
4.1 固體顆粒特性
4.1.1 單一顆粒特性
4.1.2 顆粒群的特性
4.1.3 粒徑測量
4.2 固體顆粒在流體中運動時的阻力
4.3 沉降分離
4.3.1 重力沉降
4.3.2 離心沉降
4.4 過濾
4.4.1 過濾原理
4.4.2 過濾基本方程式
4.4.3 過濾設備
4.4.4 過濾操作的改進
4.5 固體流態化
4.5.1 固體流態化現象
4.5.2 固體流態化流體力學特性
4.5.3 分布板對流化質量的影響
4.5.4 固體流態化技術的應用
4.6 其他機械分離技術
4.6.1 靜電除塵
4.6.2 濕法捕集
工程案例分析
習題
思考題
符號說明
第5章 固體干燥
5.1 干燥基本概念
5.1.1 干燥的傳質傳熱基本原理
5.1.2 濕空氣性質
5.2 干燥工藝計算
5.2.1 物料衡算
5.2.2 熱量衡算
5.3 干燥動力學
5.3.1 物料中水分分類
5.3.2 恒定干燥條件下的干燥速率
5.4 干燥設備
5.4.1 干燥器的類型
5.4.2 干燥器的選型
5.4.3 干燥器的設計
工程案例分析
習題
思考題
符號說明
第6章 其他單元
6.1 蒸發
6.1.1 蒸發器的結構
6.1.2 單效蒸發的工藝計算
6.1.3 多效蒸發
6.1.4 蒸發過程常用的節能措施
6.2 結晶
6.2.1 結晶過程分類
6.2.2 晶體的幾何形態
6.2.3 結晶中的平衡溶解度
6.2.4 溶液結晶過程的計算
6.2.5 溶液結晶設備
6.2.6 熔融結晶過程及設備
6.2.7 結晶過程的強化與展望
6.3 吸附
6.3.1 概述
6.3.2 吸附劑
6.3.3 吸附原理
6.3.4 吸附速率
6.3.5 吸附操作與設備
6.4 混合
6.4.1 混合機理
6.4.2 影響混合作用的各種物理性質
6.4.3 攪拌裝置的結構
6.4.4 打旋現象
6.4.5 攪拌功率
6.4.6 葉輪類型
6.4.7 攪拌槽的放大
6.5 膜分離
6.5.1 概述
6.5.2 膜分離過程分類
6.5.3 膜裝置
6.5.4 新型膜過程
工程案例分析
思考題
符號說明
附錄
1.常用法定計量單位
2.單位換算表
3.某些氣體的重要物理性質
4.某些液體的重要物理性質
5.常用固體材料的密度和比熱容
6.固體材料的熱導率
7.某些固體材料的黑度
8.某些液體的熱導率
9.干空氣的重要物理性質
10.水的重要物理性質
11.水在不同溫度下的黏度
12.飽和水蒸氣性質表(一)
13.飽和水蒸氣性質表(二)
14.液體黏度共線圖
15.氣體黏度共線圖
16.液體比熱容共線圖
17.氣體比熱容共線圖
18.液體汽化潛熱共線圖
19.無機物水溶液在大氣壓下的沸點
20.某些氣體溶于水的亨利系數
21.某些二元物系的氣液平衡組成
22.管子規格
23.IS型離心泵性能表
24.Y型離心油泵(摘錄)
25.F型耐腐蝕泵
26.4-72-11型離心泵通風規格(摘錄)
27.管殼式熱交換器系列標準(摘錄)
參考文獻
第1章 流體流動原理及應用
1.1 流體基本概念
1.1.1 流體特征
氣體和液體總稱為流體,流體具有流動性且無固定形狀。過程工業中所處理的物料,包括原料、半成品及產品等,大多數是流體。流體的輸送、傳熱、傳質或化學反應,大多是在流體流動的情況下進行的,因而流體流動狀態對這些過程有很大影響,它是過程工業的基礎。
1.1.2 流體力學基本概念
流體力學是研究流體在相對靜止和運動時所遵循的宏觀基本規律,同時研究流體與固體相互作用的學科,流體力學有許多分支,例如“水利學”及“空氣動力學”等。“流體流動”是為“化工原理”課程的需要而編寫的流體力學最基礎的內容,主要是研究流體的宏觀運動規律,其介紹范圍主要局限在流體靜力學、流體在管道內流動的基本規律及流量測量等方面。
運用流體流動的基本知識,可以解決管徑的選擇及管路的布置;估算輸送流體所需的能量、確定流體輸送機械的型式及其所需的功率;測量流體的流速、流量及壓強等;為強化設備操作及設計高效能設備提供最適宜的流體流動條件。
由于討論流體流動問題時,著眼點不在于研究流體復雜的分子運動,因此本章采用連續性假設,即把流體看成是由大量質點(又稱分子集團)組成的連續介質,因為質點的大小與管道或設備的尺寸相比是微不足道的,可認為質點間是沒有間隙的,可用連續函數描述。但是,高真空下的氣體,連續性假定不能成立。