化工原理課程課件

1、化 工 原 理 緒論 2 第一章 流體輸送 24 第二章 流體輸送機(jī)械 8 第三章 非均相物系分離 6 第四章 液體攪拌（選學(xué)） 0第五章 傳熱 20學(xué) 時(shí) 安 排第六章 蒸發(fā) 4 第七章 傳質(zhì)與分離過程概論 6 第八章 氣體吸收 20 第九章 蒸餾 22第十章 液-液萃取和液-固浸取 6第十一章 固體物料的干燥 6總學(xué)時(shí) 124教 材柴誠敬主編普通高等教育“十五”國家級(jí)規(guī)劃教材化工原理（上冊(cè)、下冊(cè)）北京: 高等教育出版社2006年1月(1) 賈紹義,柴誠敬. 化工傳質(zhì)與分離過程. 第二版 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007 (2) 夏清，陳常貴. 化工原理，下冊(cè). 天津: 天津大 學(xué)出版社,

2、 2005(3) W. L. McCabe, J. C. Smith. Unit Operations of Chemical Engineering, 6th ed. New York: McGraw. Hill Inc., 2001參 考 教 材第一章 流體流動(dòng)Flow of Fluid 具有流動(dòng)性； 無固定形狀，隨容器形狀而變化； 受外力作用時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。不可壓縮流體：流體的體積不隨壓力變化而變化， 如液體；可壓縮性流體：流體的體積隨壓力發(fā)生變化， 如氣體。流體是氣體與液體的總稱。1. 研究流體流動(dòng)問題的重要性煤氣煤氣水孔板流量計(jì)泵水封填料塔水池煤 氣 洗 滌 塔兩類問題：研究流體

3、在流動(dòng)和靜止時(shí)的規(guī)律。流體靜力學(xué)問題流體動(dòng)力學(xué)問題 流體流動(dòng)是最普遍的化工單元操作之一； 研究流體流動(dòng)問題也是研究其它化工單元操作的重要基礎(chǔ)。2 . 連續(xù)介質(zhì)假定 假定流體是由無數(shù)內(nèi)部緊密相連、彼此間沒有間隙的流體質(zhì)點(diǎn)（或微團(tuán)）所組成的連續(xù)介質(zhì)。質(zhì)點(diǎn)：由大量分子構(gòu)成的微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備 尺寸、遠(yuǎn)大于分子自由程。 工程意義：利用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具，從宏觀研究 流體。1.1 流體的物理性質(zhì)1.1.1 密度1.1.2 黏度1.1.3 流體的壓縮性和膨脹性1.1 流體的物理性質(zhì)1.1.1 密度一、定義 單位體積流體的質(zhì)量，稱為流體的密度。kg/m3 二、單組分密度 液體 密度僅隨溫度變化（極高壓力

4、除外），其變 化關(guān)系可從手冊(cè)中查得。 氣體 當(dāng)壓力不太高、溫度不太低時(shí)，可按理想 氣體狀態(tài)方程計(jì)算： 注意：手冊(cè)中查得的氣體密度都是在一定壓力與溫度 下之值，若條件不同，則密度需進(jìn)行換算。三、混合物的密度 混合氣體 各組分在混合前后質(zhì)量不變，則有 或混合氣體的平均摩爾質(zhì)量 氣體混合物中各組分的摩爾(體積)分率。 混合液體 假設(shè)各組分在混合前后體積不變，則有 液體混合物中各組分的質(zhì)量分率。 四.與密度相關(guān)的幾個(gè)物理量 1）比容：單位質(zhì)量的流體所具有的體積，用表示，單位 為m3/kg。 2）比重(相對(duì)密度)：某物質(zhì)的密度與4下的水的密度的比 值，用 d 表示。在數(shù)值上:1.1.2 流體的黏性速度分

5、布（速度側(cè)形）：速度沿距離的變化關(guān)系。uF0 xu=0yYdudy 平板間的流體剪應(yīng)力與速度梯度一、牛頓黏性定律平板間的流體剪應(yīng)力與速度梯度只有流動(dòng)的流體才體現(xiàn)黏性：黏性內(nèi)摩擦力保持一定的速度梯度克服摩擦力做功消耗能量能量損失牛頓黏性定律：實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)：意義：剪應(yīng)力的大小與速度梯度成正比。 描述了任意兩層流體間剪應(yīng)力大小的關(guān)系。二、 流體的黏度物理意義 動(dòng)力黏度，簡稱黏度單位 SI單位制 ： Pa s ( N s /m2) 物理單位制 ： P(泊) ， 達(dá)因秒/厘米2 ， cP(厘泊) 換算關(guān)系： 1cp=0.01 P=10-3 Pa s=1 mPa s粘度的表示方法m2/s 動(dòng)力黏度 Pa s

6、運(yùn)動(dòng)黏度1St = 1cm2/s = 100cSt = 10-4m2/s恩氏黏度三、 影響因素 液體 粘度隨溫度升高而降低，壓力影響很小。 氣體 粘度隨溫度升高而增大，壓力影響很小。 但在極高壓力下，隨壓力增加有所增加；而在壓力極低情況 下也要考慮壓力的影響。 四、 數(shù)據(jù)來源 各種流體的粘度數(shù)據(jù)，主要由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。在缺少粘度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可按理論公式或經(jīng)驗(yàn)公式估算粘度。對(duì)于壓力不太高的氣體，估算結(jié)果較準(zhǔn)，對(duì)于液體則較差。五、 混合物的粘度 按一定混合規(guī)則進(jìn)行加和 對(duì)于分子不聚合的混合液可用下式計(jì)算常壓下氣體混合物的粘度，可用下式計(jì)算說明：不同流體的粘度差別很大。例如： 在壓強(qiáng)為101.325kPa

7、、溫度為20的條件下，空氣、水和甘油的動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度分別為： 空氣 17.910-6 Pa s， 14.810 -6 m2/s 水 1.0110 -3 Pa s， 1.0110 -6 m2/s 甘油 1.499Pa s， 1.1910 -3 m2/s六、流體類型牛頓型流體：符合牛頓粘性定律的流體。 氣體及大多數(shù)低分子量液體是牛頓型流體。 非牛頓型流體油墨、泥漿七、剪應(yīng)力的計(jì)算例：油在直徑為100mm的管內(nèi)流動(dòng)，在管截面上的速度分布大致用下式表示： 式中： y為截面上的任一點(diǎn)距管壁的徑向距離，m； u為該點(diǎn)上的流速，m/s。求：1.求管中心的流速、管半徑中點(diǎn)處的流速。 2.求管壁處的剪應(yīng)力，

8、又求長100m的管內(nèi)壁面所作用的全部阻力。油的黏度為50cP。解：（1）求流速 管中心 代入 得u=0.5m/s 管半徑中點(diǎn)處 代入 得u=0.375 m/s （2）求管壁處的剪應(yīng)力及管壁阻力 由牛頓粘性定律可算出任一位置上的剪應(yīng)力，計(jì)算時(shí)所需的速度梯度可對(duì)給出的速度分布式求導(dǎo)而得。 管壁處，y=0，故油的粘度故壁面上的剪應(yīng)力為 100m管壁面上的總阻力為： 1.1.3 流體的壓縮性與膨脹性2.膨脹性：流體的熱膨脹性可由體積熱膨脹系數(shù)來衡量對(duì)于理想氣體：當(dāng)溫度變化不太大時(shí)：1.壓縮性：可壓縮：不可壓縮：1.2 流體靜力學(xué)1.2.1 流體的壓強(qiáng)1.2.2 流體靜力學(xué)方程 1.2.1 壓力 流體垂

9、直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓強(qiáng)，習(xí)慣上又稱為壓力。 二、壓力的單位 SI制：N/m2或Pa；一、壓力的定義或以流體柱高度表示 ：注意：用液柱高度表示壓力時(shí)，必須指明流體的種類，如600mmHg，10mH2O等。 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的換算關(guān)系：1atm = 1.013105Pa=101.3kPa=0.1013MPa=760mmHg =10.33m H2O=1.033kgf/cm2三、 壓力的表示方法 絕對(duì)壓力 以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力。 表壓或真空度 以大氣壓為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力。表 壓 = 絕對(duì)壓力 大氣壓力真空度 = 大氣壓力 絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力 絕對(duì)壓力 絕對(duì)真空 表壓 真空度 大氣壓 當(dāng)用

10、表壓或真空度來表示壓強(qiáng)時(shí)，應(yīng)分別注明。 如：4103Pa（真空度）、200KPa（表壓）。 壓力表真空表四、壓力的特性 （1）流體壓力與作用面垂直，并指向該作用面； （2）任意界面兩側(cè)所受壓力，大小相等、方向相反； （3）作用于任意點(diǎn)不同方向上的壓力在數(shù)值上均相同1.2.2 流體靜力學(xué)平衡方程 一、靜力學(xué)基本方程 重力場(chǎng)中對(duì)液柱進(jìn)行受力分析：（1）上端面所受總壓力 （2）下端面所受總壓力 （3）液柱的重力設(shè)流體不可壓縮，p0p2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下液柱處于靜止時(shí)，上述三項(xiàng)力的合力為零:靜力學(xué)基本方程 設(shè)液面上方的壓強(qiáng)為P0討論：（1）適用于重力場(chǎng)中靜止、連續(xù)的同種不可壓縮性流

11、體； （2）液體內(nèi)部壓強(qiáng)P是隨P0和h的改變而改變的，即： （3）當(dāng)容器液面上方壓強(qiáng)P0一定時(shí)，靜止液體內(nèi)部的壓強(qiáng)P僅與垂直距離h有關(guān)，即： 在靜止的、連續(xù)的同種流體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)的壓力處處相等。壓力相等的面稱為等壓面。等壓面概念等壓面的選取例：如圖所示的測(cè)壓管分別與三個(gè)設(shè)備A、B、C相連通，連通管的下部是水銀，上部是水，三個(gè)設(shè)備內(nèi)的水面在同一水平面上。問：1、2、3三處壓力是否相等。 4、5、6處壓力是否相等。 若h1=100mm， h2=200mm且設(shè)備A直接通大氣，求B、C兩設(shè)備內(nèi)水面上方的壓力。 （4）當(dāng)液面上方的壓強(qiáng)改變時(shí)，液體內(nèi)部的壓強(qiáng)也隨之改變，即：液面上所受的壓強(qiáng)能以

12、同樣大小傳遞到液體內(nèi)部的任一點(diǎn)。（5）可以改寫成 壓強(qiáng)差的大小可利用一定高度的液體柱來表示，這就是液體壓強(qiáng)計(jì)的根據(jù)，在使用液柱高度來表示壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差時(shí)，需指明何種液體。靜力學(xué)基本方程 壓力形式 Pa能量形式位能形式 m靜力學(xué)方程的幾種不同形式討論：單位質(zhì)量流體所具有的位能，J/kg；單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能，J/kg。 在同一靜止流體中，處在不同位置流體的位能和靜壓能各不相同，但二者可以轉(zhuǎn)換，其總和保持不變 。二、靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用 1. 壓力及壓力差的測(cè)量 （1）U形壓差計(jì) 設(shè)指示液的密度為 ，被測(cè)流體的密度為 。 A與A面 為等壓面，即而p1p2mRAA普通的起放大作用復(fù)式壓差計(jì)所以整

13、理得若被測(cè)流體是氣體， ，則有討論：（1）U形壓差計(jì)可測(cè)系統(tǒng)內(nèi)兩點(diǎn)的壓力差，當(dāng)將U形管一端與被測(cè)點(diǎn)連接、另一端與大氣相通時(shí)，也可測(cè)得流體的表壓或真空度； 表壓真空度p1pap1pa（2）指示液的選取： 指示液與被測(cè)流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 其密度要大于被測(cè)流體密度。 應(yīng)根據(jù)被測(cè)流體的種類及壓差的大小選擇指示液。 （2）雙液體U管壓差計(jì) 擴(kuò)大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10 。 密度接近但不互溶的兩種指示 液A和C ；適用于壓差較小的場(chǎng)合。（3） 倒U形壓差計(jì) 指示劑密度小于被測(cè)流體密度，如空氣作為指示劑 （5） 復(fù)式壓差計(jì) （4） 傾斜式壓差計(jì) 適用于壓差較小的情況。適用于壓差較大的情況。注

14、意：等壓面如何選?。?.傾斜液柱壓差計(jì)R1=R/sin R= R1 sin 2、液位的測(cè)定 液位計(jì)的原理靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用。 液柱壓差計(jì)測(cè)量液位的方法： 由壓差計(jì)指示液的讀數(shù)R可以計(jì)算出容器內(nèi)液面的高度。 當(dāng)R0時(shí)，容器內(nèi)的液面高度將達(dá)到允許的最大高度，容器內(nèi)液面愈低，壓差計(jì)讀數(shù)R越大。液位的測(cè)量3. 液封高度的計(jì)算 液封作用： 確保設(shè)備安全：當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力超過規(guī)定值時(shí)，氣體從液封管排出； 防止氣柜內(nèi)氣體泄漏。液封高度：液封 氣體R真空表氣氣水RRpp例 題觀察瓶 壓縮空氣HRh1、為測(cè)量腐蝕性液體貯槽中的存液量，采用圖示的裝置。測(cè)量時(shí)通入壓縮空氣，控制調(diào)節(jié)閥使空氣緩慢地鼓泡通過觀察瓶。今測(cè)得

15、U形壓差計(jì)讀數(shù)為R=130mm，通氣管距貯槽底面h=20cm，貯槽直徑為2m，液體密度為980kg/m3。試求貯槽內(nèi)液體的貯存量為多少噸？ 2、附圖為一氣柜，其內(nèi)徑9m，鐘罩及其附件共重10t，忽略其浸在水中部分所受浮力，進(jìn)入氣柜的氣速很低，動(dòng)能及阻力可忽略。求：1.氣柜內(nèi)壓強(qiáng)多大時(shí)，才能將鐘罩頂起來？2.氣柜內(nèi)儲(chǔ)氣量增加時(shí)（鐘罩升高）壓強(qiáng)是否變化？3.鐘罩內(nèi)外的水位差h（即“水封高”)為多少？p00水氣體 h 氣柜p0p03、附圖所示的氣液直接接觸混合式冷凝器，蒸汽被水冷凝后，凝液與水沿大氣腿流到地溝排出，現(xiàn)已知器內(nèi)真空度為82kPa，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?00 kPa，問器內(nèi)絕對(duì)壓強(qiáng)為多少？并估計(jì)

16、大氣腿內(nèi)的水柱高度H為多少米？4、為了控制乙炔發(fā)生器內(nèi)的壓力不超過80mmHg（表壓），在爐外裝有安全液封裝置，其作用是當(dāng)爐內(nèi)壓力超過規(guī)定值時(shí)，氣體從液封管排出，試求此爐的安全水封管應(yīng)插入槽內(nèi)水面以下的深度。1.3 流體在管內(nèi)的流動(dòng)1.3.1 流體的流量與流速 1.3.2 定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)1.3.3 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量守恒 連續(xù)性方程 1.3.4 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量守恒 柏努利方程 1.3 流體動(dòng)力學(xué) 1. 體積流量 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體體積。 VSm3/s或m3/h2.質(zhì)量流量 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量。 WSkg/s或kg/h。 二者關(guān)系：一、流量1.3.1 流

17、體的流量與流速WS= VS二、流速2. 質(zhì)量流速 單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量。流速 （平均流速）單位時(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離。 kg/（m2s）流量與流速的關(guān)系： m/s對(duì)于圓形管道：流量VS一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。流速選擇：三、管徑的估算 d 設(shè)備費(fèi)用 流動(dòng)阻力 動(dòng)力消耗 操作費(fèi)均衡考慮uu適宜費(fèi)用總費(fèi)用設(shè)備費(fèi)操作費(fèi)常用流體適宜流速范圍： 水及一般液體 13 m/s粘度較大的液體 0.51 m/s低壓氣體 815 m/s壓力較高的氣體 1525 m/s 生產(chǎn)實(shí)際中，管道直徑應(yīng)如何確定？選管徑程序：取經(jīng)驗(yàn)u 圓整d校驗(yàn)u 1.3.2 定常流動(dòng)與非定常流動(dòng)定常流動(dòng)：各截面上

18、的密度、壓強(qiáng)、流速、溫度等物理量僅隨位置變化，而不隨時(shí)間變化； 非定常流動(dòng)：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時(shí)間變化。1.3.3 定常流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量守恒連續(xù)性方程 對(duì)于定常流動(dòng)系統(tǒng)，在管路中流體沒有增加和漏失的情況下： 推廣至任意截面 連續(xù)性方程1122不可壓縮性流體，圓形管道 ： 即不可壓縮流體在圓形管路中任意截面的流速與管內(nèi)徑的平方成反比 。例1-3 如附圖所示，管路由一段894mm的管1、一段1084mm的管2和兩段573.5mm的分支管3a及3b連接而成。若水以9103m/s的體積流量流動(dòng)，且在兩段分支管內(nèi)的流量相等，試求水在各段管內(nèi)的速度。 3a123b 管1的內(nèi)徑為 1

19、23b3a 附圖解： 則水在管1中的流速為 管2的內(nèi)徑為水在管2中的流速為 管3a及3b的內(nèi)徑為 又水在分支管路3a、3b中的流量相等，則有 即水在管3a和3b中的流速為 1.3.4 定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的能量守恒柏努利方程 一、總能量衡算（1）內(nèi)能 貯存于物質(zhì)內(nèi)部的能量。 mkg流體具有的內(nèi)能為U（J）。衡算范圍：1-1、2-2截面以及管內(nèi)壁所圍成 的空間衡算基準(zhǔn)：mkg流體基準(zhǔn)面：0-0水平面（2）位能 流體受重力作用在不同高度所具有的能量。 1kg的流體所具有的位能為1zg（J/kg）。 （4）靜壓能 靜壓能= 1kg的流體所具有的靜壓能為 (J/kg)（5）熱 設(shè)換熱器向1kg流體提供的熱量為

20、 (J/kg)。 lAV（3）動(dòng)能 1kg的流體所具有的動(dòng)能為 (J/kg)（6）外功(有效功) 1kg流體從流體輸送機(jī)械所獲得的能量為We (J/kg)。以上能量形式可分為兩類： 機(jī)械能：位能、動(dòng)能、靜壓能及外功，可用于輸 送流體； 內(nèi)能與熱：不能直接轉(zhuǎn)變?yōu)檩斔土黧w的能量。2實(shí)際流體的機(jī)械能衡算 假設(shè) 流體不可壓縮， 則 流動(dòng)系統(tǒng)無熱交換，則 流體溫度不變， 則 (1) 以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn) 設(shè)1kg流體損失的能量為hf（J/kg），有： (1)式中各項(xiàng)單位為J/kg。并且實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)有能量損失。（2）以單位重量流體為基準(zhǔn) 將(1)式各項(xiàng)同除重力加速度g :式中各項(xiàng)單位為z 位壓頭 動(dòng)壓頭He外加壓頭或有效壓頭。靜壓頭總壓頭Hf壓頭損失（3）以單位體積流體為基準(zhǔn) 將(1)式各項(xiàng)同乘以 :式中各項(xiàng)單位為（3）壓力損失3理想流體的機(jī)械能衡算 理想流體是指流動(dòng)中沒有摩擦阻力的流體。即無粘性流體。 理想流體在流動(dòng)過程中沒有機(jī)械能損失和外功的加入。（4