化工原理

緒論

一、《化工原理》課程的性質(zhì)、地位和作用

（一）是化工類及其相近專業(yè)的一門基礎(chǔ)技術(shù)課程和主干課程，是由理及工的橋梁，又是

各種化工專業(yè)課程的基礎(chǔ)?！痘ぴ怼穭t屬于工程技術(shù)科學(xué)的范疇。

（二）從學(xué)科性質(zhì)看，本課程是化學(xué)工程學(xué)的一個分支，主要研究化工過程中各種操作，

它來自化工生產(chǎn)實踐，又面向化工生產(chǎn)實踐。進(jìn)行化工技術(shù)和化工過程的開發(fā)、設(shè)計、

生產(chǎn)及單元操作。

（三）課程具有顯著的工程性，要解決的問題是多因素、多變量的綜合性的工業(yè)實際問題。

因此，分析和處理問題的觀點和方法也就與理科課程不同，應(yīng)首先從實際出發(fā)考慮問題。

需從課程學(xué)習(xí)中得到工程設(shè)計的實際訓(xùn)練。

二、化工過程與單元操作

（一）化工過程的特征與構(gòu)成

化工過程可以看成是由原料預(yù)處理過程、反應(yīng)過程和反應(yīng)產(chǎn)物后處理過程三個基本

環(huán)節(jié)構(gòu)成的。

反應(yīng)過程是在各種反應(yīng)器中進(jìn)行的，它是化工過程的中心環(huán)節(jié)。反應(yīng)過程必須在

某種適宜條件下進(jìn)行，例如，反應(yīng)物料要有適宜的組成、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，反應(yīng)要在一定的

溫度、壓強(qiáng)和反應(yīng)器內(nèi)的適宜流動狀況下進(jìn)行等。而進(jìn)入化工過程的初始料通常都會有

各種雜質(zhì)并處于環(huán)境狀態(tài)下，必須通過原料預(yù)處理過程使之滿足反應(yīng)所需要的條件。同

樣，反應(yīng)器出口的產(chǎn)物通常都是處于反應(yīng)溫度、壓強(qiáng)和一定的相狀態(tài)下的混合物，必須

經(jīng)過反應(yīng)產(chǎn)物的后處理過程，從中分離出符合質(zhì)量要求的、處于某種環(huán)境狀態(tài)下的目的

產(chǎn)品，并使排放到環(huán)境中去的廢料達(dá)到環(huán)保的規(guī)定要求：后處理過程的另一任務(wù)是回收

未反應(yīng)完的反應(yīng)物、催化劑或其它有用的物料重新加以利用。

可見，在原料預(yù)處理和反應(yīng)產(chǎn)物后處理過程中都要進(jìn)行一系列的物理變化過程，如

加熱、冷卻、增減壓、使物料發(fā)生相變化（如汽化、冷凝、結(jié)晶、溶解等）、使均相物料

中各組分進(jìn)行分離、使不同相態(tài)的物料彼此分離等.即使在反應(yīng)器中，為了維持適宜的

反應(yīng)條件，也需組織一系列物理過程，如加入或移走熱量、混合、攪拌等。經(jīng)過長期的

化工生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，各種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程所涉及的各種物理變化過程都可歸納成為

數(shù)不多的若干個單元操作。

可見，除反應(yīng)器中的反應(yīng)過程外，流程中包括了流體流動、流體輸送、過濾、混

合、汽化、冷凝冷卻、加熱、吸收、精儲等物理過程，這些過程都是在特定的設(shè)備中進(jìn)

行的?？梢哉f，任何一個化工生產(chǎn)過程都是由若干種完成特定任務(wù)的設(shè)備（包括反應(yīng)器、

完成各單元操作的設(shè)備和貯料設(shè)備）按一定順序、由各種管道和輸料裝置連接起來的組合

體。

（二）單元操作的研究內(nèi)容與分類

1.單元操作：根據(jù)化工生產(chǎn)的操作原理，可將其歸納為應(yīng)用較廣的數(shù)個基本操作過程，

如流體輸送、攪拌、沉降、過濾、熱交換、蒸發(fā)、結(jié)晶、吸收、蒸儲、萃取、吸附及干燥

等，這些基本操作過程稱為單元操作。任何一種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程都是由若干單元操作

及化學(xué)反應(yīng)過程組合而成的。

各種單元操作都是依據(jù)一定的物理或物理化學(xué)原理，在某些特定的設(shè)備中進(jìn)行的特

定的過程。過程和設(shè)備是相互依存的，因此《化工原理》研究內(nèi)容主要是各種單元操作

的基本原理與單元操作過程計算、典型單元操作設(shè)備的合理結(jié)構(gòu)及其工藝尺寸的設(shè)計與

計算、設(shè)備操作性能的分析以及組織工程性實驗以取得必要的設(shè)計數(shù)據(jù)，找出強(qiáng)化過程、

改進(jìn)設(shè)備的途徑。

2.單元操作分類

根據(jù)操作方式，又可將單元操作分為連續(xù)操作和間歇操作兩類。

（1）在連續(xù)操作中，物料與能量連續(xù)地進(jìn)入設(shè)備，并連續(xù)地排出設(shè)備。過程的各個階段是

在同一時間、在設(shè)備的不同空間位置上進(jìn)行的。例如水吸收塔對HCN的吸收。

（2）間歇操作的特點是操作的周期性。物料在某一時刻加入設(shè)備進(jìn)行某種過程，過程完成

后將物料一次卸出，然后開始新的周期。間歇過程的各個階段是在同一設(shè)備空間而在不

同時間進(jìn)行的。如水壺中燒開水是間歇操作，而工業(yè)鍋爐中產(chǎn)生水蒸汽則是連續(xù)操作。

連續(xù)操作適于大規(guī)模生產(chǎn)，其原料消耗、能量損失和勞動力投入都相對較少，因而

操作成本也相應(yīng)較低，同時也較易實現(xiàn)操作控制與生產(chǎn)自動化。間歇操作的設(shè)備較簡單,

因而設(shè)備的投資較低，操作靈活性較大，適于小批量規(guī)模生產(chǎn)以及某些原料或產(chǎn)品品種

與組成多變的場合。

根據(jù)設(shè)備中各種操作參數(shù)隨時間的關(guān)系，又可將單元操作分為：

(1)不定常操作：操作中設(shè)備中各部分的操作參數(shù)隨時間而不斷變化。這種情況通常是由

于同一時間內(nèi)進(jìn)入和離開設(shè)備的物料量和能量并不相同，且隨時間而變化，因而導(dǎo)致設(shè)

備內(nèi)部發(fā)生物料和能量的正的或負(fù)的積累。

（2）定常操作：操作中設(shè)備內(nèi)各種操作參數(shù)統(tǒng)計水平上不隨時間而變。對定常操作的物理

過程，進(jìn)、出設(shè)備的物料量或能量應(yīng)相等，且不隨時間而變，設(shè)備內(nèi)部也不發(fā)生物料或

能量的積累。

3.單元操作的特點：

（1）單元操作進(jìn)行的絕大多數(shù)都是物理過程。這些操作只改變物料的狀態(tài)或物理性質(zhì)。

比如相態(tài)的變化（冷凝）、濃度、組成的變化等，而物料的化學(xué)性質(zhì)不變。

（2）單元操作是化工、制藥、食品生產(chǎn)過程中共有的操作。由于生產(chǎn)中處理的物料種類

繁多，而且物理性質(zhì)千差萬別，所以化工過程是各種各樣的。但是所有的化工過程都是

由上面提到的若干種單元操作組合而成。如聚氯乙烯生產(chǎn)，由流體流動，傳熱，吸收，

精微，干燥過程等單元操作加上反應(yīng)組合而成。合成氨生產(chǎn)是由流體流動,傳熱，吸收,

物料的增壓，加上反應(yīng)組合而成。

（3）雖然各種單元操作在不同化工過程中起著各自的作用，但是同一類單元操作，其基

本原理和所用的設(shè)備均相同。

4.單元操作的研究方法單元操作有共同的研究方法?；ぴ磉@一工程學(xué)科面對的是

真實的、復(fù)雜的生產(chǎn)問題，即特定的物料，在特定的設(shè)備中，進(jìn)行特定的過程。然而實

際問題的復(fù)雜性并不完全在于過程本身，而首先在于化工設(shè)備的復(fù)雜的幾何形狀和千變

萬化物性。對此有兩種基本研究方法：

①數(shù)學(xué)模型法。即半理論半經(jīng)驗的方法。這種方法是立足于對實際問題做出合理的簡化,

從而使方程得以建立。即對實際過程進(jìn)行抽象簡化，抓主要矛盾，忽略次要因素，建立

過程的物理模型，從而建立數(shù)學(xué)模型，最后求解（分析解，數(shù)值解，圖解，計算機(jī)求解）

模型中的一些系數(shù)由實驗驗證。

②實驗?zāi)M法。即經(jīng)驗方法。這是一種傳統(tǒng)的方法，它避免了對復(fù)雜的過程建立方程,

直接用實驗測取各種變量之間的聯(lián)系。如阿司匹林

（三）單元操作與工程觀點

課程的學(xué)習(xí)目的贏是應(yīng)用這些具有一般性的基本概念和知識，針對不同場合和不

同生產(chǎn)對象，具體地去解決某個特定的化工實際過程中需要配置的各種單元操作過程和

設(shè)備的開發(fā)、設(shè)計與操作問題。這些問題都具有強(qiáng)烈的工程性，具體表現(xiàn)在：

1.過程影響因素多

對于每一種單元操作，其影響因素通?？蓜澐譃槲镄砸蛩?、操作因素和結(jié)構(gòu)因

素三類：

（1）物性因素同一類單元設(shè)備可用于不同物系，物料的物理性質(zhì)（如密度、粘度、表面

張力、導(dǎo)熱系數(shù)等等）和化學(xué)性質(zhì)必對過程發(fā)生影響。在很多情況下，物系的物性對于

單元設(shè)備的選型與設(shè)備的操作性能有決定性的影響。

（2）操作因素設(shè)備的各種操作條件，如溫度、壓強(qiáng)、流量、流速、物料組成等，在工

業(yè)實際過程中，它們經(jīng)常會發(fā)生變化并影響過程的結(jié)果。

（3）結(jié)構(gòu)因素是指單元設(shè)備內(nèi)部與物料接觸的各種構(gòu)件的形狀、尺寸和相對位置等因

素，它們首先對物料在設(shè)備內(nèi)的流動狀況發(fā)生影響，并直接或間接地影響傳熱和傳質(zhì)過

程的進(jìn)行。

2.過程制約條件多

在工業(yè)上要實現(xiàn)一個具體的化工生產(chǎn)過程，客觀上存在許多制約條件，如原料來源、

冷卻水的來源與水溫、可供應(yīng)的設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量和規(guī)格、當(dāng)?shù)氐臍鉁睾蜌鈮鹤兓?/p>

范圍等。同時，單元設(shè)備在流程中的位置也制約了設(shè)備的進(jìn)、出口條件。此外，還受安

全防火、環(huán)保、設(shè)備加工、安裝以及維修等條件的制約。

3.效益是評價工程合理性的最終判據(jù)

進(jìn)行工業(yè)過程的目的是為了最大限度地取得經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，這是合理地組織

一個工業(yè)過程的出發(fā)點，也是評價過程是否成功的標(biāo)志。

4.理論分析、工業(yè)性試驗與經(jīng)驗數(shù)據(jù)并重

由于工業(yè)過程的復(fù)雜性，許多情況下，單純依靠理論分析有時只能給出定性的判斷,

往往要結(jié)合工業(yè)性試驗、半工業(yè)性試驗（也稱中間試驗）才能得出定量的結(jié)果。在過程設(shè)

計與操作分析中也廣泛使用各種經(jīng)驗數(shù)據(jù)，它們是在長期的生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的，熟

練地運(yùn)用這些經(jīng)驗數(shù)據(jù)，做到心中有“數(shù)”，對提高工作效率和可靠性將是非常有益的。

（四）單元操作與“三傳”過程

①動量傳遞過程。研究流體的流動和流體與固體接觸時，其間發(fā)生相對運(yùn)動時的基本規(guī)律。

以流體力學(xué)為基礎(chǔ)的各單元操作均屬這種過程。如流體的輸送，沉降，過濾等。

②熱量傳遞過程。研究傳熱的基本規(guī)律，以及主要受這些規(guī)律支配的若干單元操作。如熱

交換，蒸發(fā)等。

③質(zhì)量傳遞過程。研究物體通過相界面的遷移過程的基本規(guī)律，以及受這些規(guī)律支配的若

干單元操作，如精微，吸收，干燥等。

動量傳遞的概念，可以通過力學(xué)上的牛頓第二定律來理解。根據(jù)這一定律，有

F=ma

a=v/t

/.F=mv/t

Ft=mv

式中，F(xiàn)是作用于質(zhì)量為m的物體上的外力，而a是在外力F作用下引起該物體的加

速度。由式中，mv是質(zhì)量與瞬間速度的乘積，也就是物體的瞬間動量，而F就是物體的

瞬間動量隨時間的變化率。因此，牛頓第二定律可理解為外力引起物體本身的動量變化

并等于其動量變化率，作用于物體的外力可以通過其引起的動量變化率來度量。另一方

面，兩物體間的力的作用又可看成是物體間發(fā)生動量傳遞的結(jié)果。例如，一個具有較高

動量的球A在某瞬間與一具有較低動量的球B發(fā)生碰撞。

（1）流體的動量傳遞

在流體流動過程中，一般總存在著不同宏觀速度的流體層與靜止的壁面、不同

速度的流體層之間的作用力以及壁面對流動流體的阻力，它們都是動量傳遞的結(jié)果。這

是因為，在流體中總是存在著無數(shù)流體分子的隨機(jī)熱運(yùn)動，在一定條件下，也會存在流

體質(zhì)點（它是由大量分子構(gòu)成的流體集團(tuán)）的隨機(jī)運(yùn)動，因此總有一部分流體分子和質(zhì)點

是在垂直于宏觀流動方向上運(yùn)動的，它們帶著各自的宏觀速度和宏觀動量互相碰撞，于

是發(fā)生動量的傳遞與交換，也就發(fā)生了上述力的相互作用，并會引起不同速度流體層的

動量變化，即流動情況的變化。因此，通常把流體流動過程看成是一種動量傳遞過程。

（2）熱量傳遞和質(zhì)量傳遞

正是由于流體中存在著分子的隨機(jī)運(yùn)動和流體質(zhì)點的隨機(jī)運(yùn)動，使不同溫度層或濃

度層之間發(fā)生了熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。

大部分單元操作都涉及流體系統(tǒng)，流體的流動情況對熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的速率以

及流動過程中的能量損耗都有顯著影響。因此，在各類單元操作設(shè)備中，合理地組織這

三種傳遞過程，達(dá)到適宜的傳遞速率，是使這些設(shè)備高效而經(jīng)濟(jì)地完成特定任務(wù)的關(guān)鍵

所在，也是改進(jìn)設(shè)備、強(qiáng)化過程的關(guān)鍵所在。

（五）單元操作計算的基本內(nèi)容

1.設(shè)計型計算：

為完成規(guī)定的設(shè)計任務(wù)（一定的處理能力和操作要求），計算過程需要的時間、設(shè)備

的工藝尺寸（如設(shè)備的直徑、高度等）、外加功率和熱量等。它是進(jìn)一步完成設(shè)備的機(jī)械

設(shè)計或選型所必須的。

2.操作型計算：

對于已有的操作設(shè)備（即設(shè)備的工藝尺寸一定），核算其在不同情況（操作因素、物性

因素變化時）下對操作結(jié)果的影響或完成特定任務(wù)的能力。它對確定適宜的操作條件、分

析操作故障、了解設(shè)備性能以及保證設(shè)備正常操作都是十分重要的。

一般都要涉及物料衡算、能量衡算、過程速率、過程的極限以及物性計算。

（1）物料衡算它是以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)的計算：用來確定進(jìn)、出單元設(shè)備（過程）的物

料量和組成間的相互數(shù)量關(guān)系，了解過程中物料的分布與損耗情況，是進(jìn)行單元設(shè)備的

其它計算的依據(jù)。

（2）能量衡算它是以熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律為基礎(chǔ)的計算，用來確定進(jìn)、出單

元設(shè)備（過程）的各項能量間的相互數(shù)量關(guān)系，包括各種機(jī)械能形式的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，為

完成指定任務(wù)需要加入或移走的功量和熱量、設(shè)備的熱量損失、各項物流的焰值等。

3.傳遞過程速率計算

傳遞過程速率的大小決定過程進(jìn)行的快慢，其通用表示式如下：

傳遞過程的推動力

傳遞過程速率二----------------

傳遞過程阻力

在各種單元操作中，傳遞過程的速率對于設(shè)備的工藝尺寸以及設(shè)備的操作性能有決

定性的影響。對于不同的傳遞過程，其速率、推動力和阻力的內(nèi)涵及其具體表達(dá)式是不

同的。例如在傳熱過程中，傳熱速率是用單位時間傳遞的熱量來表示，而傳熱推動力則

用溫度差來表示。

4.過程的熱力學(xué)極限與臨界點計算

當(dāng)設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)過程達(dá)到熱力學(xué)平衡時，過程就停止，平衡狀態(tài)是過程進(jìn)行的

熱力學(xué)極限。

處于平衡狀態(tài)的單相物流，其內(nèi)部各處的熱力學(xué)強(qiáng)度性質(zhì)均一，不再存在溫度、

濃度與壓強(qiáng)的差異，宏觀的傳遞過程不再進(jìn)行。平衡狀態(tài)下的氣相，可以用狀態(tài)方程來

表達(dá)其熱力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系。

兩相物流間達(dá)到平衡時，一般地有：

(1)平衡兩相的溫度和壓強(qiáng)必定相同。

(2)平衡兩相各組分的組成間存在確定的相平衡函數(shù)關(guān)系。這時兩相間不發(fā)生宏觀的質(zhì)量

傳遞與熱量傳遞。

5.物性計算

上述各項計算中都會涉及物系的某些物理和物理化學(xué)性質(zhì)，它們既隨不同物系

而變化，隨物系的相狀態(tài)、溫度、壓強(qiáng)而變化。不同物系的物性，有的可從有關(guān)手冊上

查得，有的需用各種物性關(guān)系式來進(jìn)行估算。一般在進(jìn)行單元操作計算時，應(yīng)先將各己

知條件范圍內(nèi)的有關(guān)物性查算出來。

三、物料衡算與熱量衡算

(一)物料衡算要點

1.根據(jù)衡算對象，選定適當(dāng)?shù)暮馑阆到y(tǒng)。衡算系統(tǒng)可以是一個單元設(shè)備或若干個單元

設(shè)備的組合，也可以是設(shè)備的某一部分或設(shè)備的微分單元。衡算系統(tǒng)也可稱為控制體。

2.選定物料衡算基準(zhǔn)選定基準(zhǔn)包括選定一股基準(zhǔn)物流及其數(shù)量，它是物料衡算的出

發(fā)點，其目的是保證物料衡算計算的一致性。對于間歇操作，常取一批原料或單位質(zhì)量

為基準(zhǔn)；對于連續(xù)操作，通常取單位時間(如1h、Imin等)內(nèi)處理的物料量為基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)的

選擇有一定的任意性，其原則是使計算盡量簡化。

3.列出物料衡算式單元操作涉及的是物理過程，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，根據(jù)質(zhì)量守恒定

律可以直接寫出物理過程物料衡算的文字表達(dá)式：

進(jìn)入系統(tǒng)的物流量-離開各股的物流量=系統(tǒng)中物料的積累量

可以用質(zhì)量單位(如kg或kg/s等)，也可用物質(zhì)的量單位(如kmol等)，但必須注意

保持式中各項的單位一致。對于定常操作過程，系統(tǒng)中物料的積累量為零。

物料衡算基本步驟小結(jié)：

(1)針對提出的實際問題，首先弄清楚衡算目的、已知量和未知量。

(2)根據(jù)問題的類型和性質(zhì)，確定需要補(bǔ)充哪些數(shù)據(jù)，并設(shè)法從各種渠道去得到這些數(shù)據(jù)。

例如，了解原料或產(chǎn)品的數(shù)量、規(guī)格和組成，查算有關(guān)的物性數(shù)據(jù)和相平衡關(guān)系數(shù)據(jù)，

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗或工業(yè)試驗結(jié)果選定某些操作條件等。

(3)用流程示意圖表示衡算對象，即將問題的文字描述轉(zhuǎn)化為圖形描述。用閉合線框出衡算

系統(tǒng)，注明進(jìn)、出系統(tǒng)各物流及其組分的名稱或代號、相狀態(tài)、流量和組成(包括已知量

和未知量，必要時將它們換算為統(tǒng)一單位)。

(4)確定衡算基準(zhǔn)，即選定其中某一股物流及其數(shù)量作為計算基準(zhǔn)。原則是：

a.可按衡算目的和流程順序選取數(shù)量已知的原料物流或產(chǎn)品物流。

b.選取含未知量最少的物流。

c.對間歇操作過程，可選一個操作周期或一批物料量。

d.選用相對數(shù)量較大的物流(可能會減少計算誤差)。

e.基準(zhǔn)物流的數(shù)量通常選用物流的實際量。

(5)按框出的衡算范圍，列出獨立的物料衡算式。為簡化計算過程，應(yīng)當(dāng)選用含未知量最少

的衡算式，盡量避免求解聯(lián)立方程組。其中總衡算式和不變組分衡算式是經(jīng)常被使用的。

計算中要檢查各式中的單位是否一致。

(6)利用多余的物料衡算式和組成歸一性方程來檢驗計算結(jié)果是否正確，并對計算結(jié)果的合

理性進(jìn)行分析。

(二)熱量衡算要點

熱量衡算是化工計算中最常遇到的一種能量衡算。在很多單元操作如換熱、蒸發(fā)、

吸收、蒸饋、干燥等過程中，主要涉及物料溫度和焰的變化以及熱量的傳遞，需要通過

熱量衡算來計算過程進(jìn)行所必須加入或移走的熱量、加熱劑或冷卻劑的用量以及系統(tǒng)的

熱量損失，有時也用來計算系統(tǒng)某一物流的熔值及其溫度。熱量衡算是在物料衡算基礎(chǔ)

上進(jìn)行的。

進(jìn)行熱量衡算時，首先也要劃定衡算范圍、選取衡算基準(zhǔn)。與物料衡算不同的是，

衡算基準(zhǔn)除了選取時間基準(zhǔn)或物料量基準(zhǔn)外，還需選取物流焰的基準(zhǔn)態(tài)。

物流烙的基準(zhǔn)態(tài)包括物流的基準(zhǔn)壓強(qiáng)、基準(zhǔn)溫度和基準(zhǔn)相狀態(tài)。

(1)基準(zhǔn)壓強(qiáng)通常取P=IOOkPa,—般在壓強(qiáng)不高的情況下，壓強(qiáng)對熔的影響?？珊雎浴?/p>

(2)基準(zhǔn)溫度可取0℃。這是因為，從手冊中可以查到的有關(guān)數(shù)據(jù)如比焙、比內(nèi)能、平均

等壓比熱容等數(shù)據(jù)通常都是以為基準(zhǔn)的。采用同一基準(zhǔn)溫度，便于直接引用手冊上的

數(shù)據(jù)。有時也可取某一物流的實際溫度作為基準(zhǔn)溫度，如果忽略壓強(qiáng)的影響，則這一股

物流的焰值為零，可使熱量衡算適當(dāng)簡化。

(3)物流的基準(zhǔn)相態(tài)的選擇可視具體情況而定，例如當(dāng)進(jìn)、出系統(tǒng)的物流都是液相時，基

準(zhǔn)相態(tài)以取液態(tài)為便。

根據(jù)能量守恒定律，若忽略物流的位能、動能和與外界交換的功量，熱量衡算

的文字表達(dá)：

物流帶入的焰+傳入系統(tǒng)的熱量=離開系統(tǒng)物流的焰+傳出系統(tǒng)的熱量

對連續(xù)定常過程，系統(tǒng)內(nèi)焙的積累量為零。

熱量衡算基本步驟小結(jié)：

(1)根據(jù)題意畫出衡算示意圖，注明各物流的數(shù)量、組成、溫度、相狀態(tài)及焰值。一般熱量

衡算均在物料衡算基礎(chǔ)上進(jìn)行。

（2）確定衡算基準(zhǔn)，計算各物流的焰值。這里，除確定物料衡算的基準(zhǔn)（時間或物流量）外，

還要選擇各物流組分焙的基準(zhǔn)態(tài)。由于烙是相對值，基準(zhǔn)態(tài)的選擇有一定任意性在壓強(qiáng)

不高時，主要是確定基準(zhǔn)溫度和基準(zhǔn)相態(tài)。各組分的基準(zhǔn)態(tài)可以不同，但同一組分必須

在同一基準(zhǔn)態(tài)下進(jìn)行計算。

（3）列出熱量衡算式，求解未知量。一個衡算系統(tǒng)只能列出一個熱量衡算式，對于某些復(fù)雜

過程，熱量衡算常需與物料衡算方程聯(lián)立求解。

第一章流體流動

第一節(jié)概述

在化工生產(chǎn)過程中所處理的物料大多數(shù)為流體（氣體和液體）。按化工生產(chǎn)工藝要求,

物料由一個設(shè)備送往另一個設(shè)備，從上一道工序轉(zhuǎn)移到下一工序，逐步完成各種物理變

化和化學(xué)變化，得到所需要的化工產(chǎn)品。因此，化工過程的實現(xiàn)都會涉及到流體輸送、

流量測量、流體輸送機(jī)械所需功率的計算及其選型等問題，要解決這些問題必須掌握流

體流動的基本原理、基本規(guī)律和有關(guān)的實際知識。同時，多數(shù)單元操作都與流體流動密

切相關(guān)，傳熱、傳質(zhì)過程也大都是在流體流動條件下進(jìn)行的。因此，流體流動是本課程

中的一個重要基礎(chǔ)內(nèi)容。

化工生產(chǎn)中常見的流體流動形式有管流、繞流、射流和自由流動等。

1.管流是指流體在閉合的固體邊界通道中的流動，且流體充滿整個通道，如流體在管道、

設(shè)備通道內(nèi)的流動.

2.繞流是指流體繞過物體的流動，物體被流動流體所包圍，如流體掠過換熱器的管束、

固體顆粒和液滴在氣流中的沉降等.

3.射流是指一股流體以一定速度射入另一股流體中時發(fā)生的流動，如在水噴射式真空

泵、氣升泵中的流動.

4.自由流動主要指液體在流動方向上存在一個自由表面，在表面上方的壓強(qiáng)基本保持不

變，如液膜沿表面的下落、水在明渠中的流動等。

一、流體的連續(xù)介質(zhì)模型

流體是由許多離散的即彼此間有一定間隙的、作隨機(jī)熱運(yùn)動的單個分子構(gòu)成的。

從工程實際出發(fā)討論流體流動問題時，常把流體當(dāng)作無數(shù)流體質(zhì)點組成的、完全

充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)，流體質(zhì)點之間不存在間隙，因而質(zhì)點的性質(zhì)是連續(xù)變化的。

這里所謂質(zhì)點，它是由大量分子構(gòu)成的流體集團(tuán)（或稱流體微團(tuán)），其大小與容器或管道

的尺寸相比是微不足道的，但比起分子平均自由程則要大得多。對流體作這樣的連續(xù)性

假定后，才能把研究流體的起點放在流體“質(zhì)點”上，可以運(yùn)用連續(xù)函數(shù)和微積分工具來

描述流體的物性及其運(yùn)動參數(shù)。

二、流體的密度與比容

（一）密度與比容的定義

單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度，其表示式為

P=V/m

式中m—流體的質(zhì)量，kg；

V—流體的體積，m3。

單位質(zhì)量流體所具有的體積稱為流體的比容，其單位為mWkg,在數(shù)值上等于密度

的倒數(shù)。

V=1/P

（二）純組分流體的密度

1.液體的密度

液體的密度隨壓強(qiáng)變化很小，常可忽略其影響；而隨溫度變化的關(guān)系可查表求

取。

2.氣體的密度其值隨溫度、壓強(qiáng)有較大的變化。一般在溫度不太低、壓強(qiáng)不太高的情

況下，氣體的密度與溫度、壓強(qiáng)間的關(guān)系可用理想氣體狀態(tài)方程表示：

PV=nRT=（m/M）RT

P——氣體的壓強(qiáng)，kPa；

T——氣體的溫度，K；

n——氣體的千摩爾質(zhì)量（數(shù)值上等于氣體的分子量），kg/kmol；

R——通用氣體常數(shù)，8.314kJ/（km01.K）o

（三）混合物的密度

化工生產(chǎn)中常遇到各種氣體或液體混合物，在無實測數(shù)據(jù)時，可用一些近似公式進(jìn)行

計算。

三、流體的粘性

流體與固體的一個顯著差別是流體具有流動性，它無固定的形狀，隨容器的形狀

而變化，但不同流體的流動性即粘性不同，氣體的粘性比液體要小，流動性比液體要好;

油和水同是液體，油的粘性要比水大，油的流動性就比水差?？梢姡黧w的粘性只有在

流體流動時才能顯現(xiàn)出來。

（一）牛頓粘性定律

作用于運(yùn)動著的流體內(nèi)部相鄰平行流動層間、方向相反、大小相等的相互作用力稱

為流體的內(nèi)摩擦力，這種內(nèi)摩擦力正是由于流體的粘性而產(chǎn)生的，故又稱粘滯力。

表面力：即作用于流體上的力，它與流體的表面積成正比。若取流體中任一微小的

平面，作用于其上的表面力可分為壓力和剪力。

①垂直與表面的力P,稱為壓力。單位面積上所受的壓力稱為壓強(qiáng)P。

1MPa（兆帕）=106Pa（帕斯卡）

注意：國內(nèi)許多教材習(xí)慣上把壓強(qiáng)稱為壓力。

②平行于表面的力F,稱為剪力（切力）。單位面積上所受的剪力稱為應(yīng)力T。

牛頓粘性定律：即流層間的剪應(yīng)力與其法向速度梯度成正比

服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體（大多數(shù)如水、空氣），否則稱為非牛頓

型流體（如泥漿、某些高分子溶液、懸浮液、血液、牙膏等）。

流體粘度：按照牛頓粘性定律，流動的流體內(nèi)部相鄰的速度不同的兩流體層間存在相互

作用力，即速度快的流體層有著拖動與之相鄰的速度慢的流體層向前運(yùn)動的力，而同時

速度慢的流體層有著阻礙與之相鄰的速度快的流體層向前運(yùn)動的力。流體內(nèi)部速度不同

的相鄰兩流體層之間的這種相互作用力就稱為流體的內(nèi)摩擦力或粘性力。

1.粘度物理意義

是流體的粘性所引起的流體層間單位面積上的內(nèi)摩擦力，數(shù)值上等于流體的粘度。

2.混合物的粘度

不同純流體的粘度均由實驗測取，可在有關(guān)手冊中查得?；旌衔锏恼扯仍谌狈?/p>

驗數(shù)據(jù)時，可從文獻(xiàn)中選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗公式進(jìn)行估算。

3.粘度的影響因素

液體的粘度隨溫度升高而降低；氣體的粘度隨溫度升高而增加。

壓強(qiáng)對于液體粘度的影響可忽略不計?：對氣體則只有在相當(dāng)高或極低的壓強(qiáng)條件

下才考慮其影響，一般情況下也可忽略。

氣體的粘度比液體的粘度小得多。

四、流體的壓縮性與膨脹性

流體的體積隨壓強(qiáng)而變化的特性稱為流體的壓縮性，而隨溫度變化的特性則稱為熱

膨脹性。由于液體的體積隨壓強(qiáng)變化很小，常把液體當(dāng)作不可壓縮流體。流體的熱膨脹

性可由其體積熱膨脹系數(shù)來衡量，體積熱膨脹系數(shù)的物理意義是在恒壓下物體體積隨溫

度的相對變化率。

第二節(jié)流體靜力學(xué)

一、流體的壓強(qiáng)

（一）壓強(qiáng)的定義

垂直作用于單位面積上且方向指向此面積的力，稱為壓強(qiáng)，其表示式為

P=F/A

式中F—垂直作用于表面的力，N；

A—作用面的面積，m2；

P—作用在該表面A上的壓強(qiáng)，N/m2,即Pa（稱帕斯卡）。

在法定計量單位使用之前，常用的壓強(qiáng)單位有：物理大氣壓（atm）、工程大氣壓

（kg/cm》、巴（bar）、液體柱高（如mmHg柱、mmWO柱等）等等，在有關(guān)手冊、書籍和工

程實際中仍有應(yīng)用，因此，應(yīng)當(dāng)正確掌握它們之間的相互換算關(guān)系（可以查表）。

習(xí)慣上也常把壓強(qiáng)稱為壓力。

1.絕對壓強(qiáng)（簡稱絕壓）是指流體的真實壓強(qiáng)。更準(zhǔn)確地說，它是以絕對真空為基準(zhǔn)

測得的流體壓強(qiáng)。

2.表壓強(qiáng)（簡稱表壓）是指工程上用測壓儀表以當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為基準(zhǔn)測得的流體

壓強(qiáng)值，它是流體的真實壓強(qiáng)與外界大氣壓強(qiáng)的差值，即:表壓強(qiáng)=絕對壓強(qiáng)-（外界）大氣

壓強(qiáng)

3.真空度當(dāng)被測流體內(nèi)的絕對壓強(qiáng)小于當(dāng)?shù)兀ㄍ饨纾┐髿鈮簭?qiáng)時，使用真空表進(jìn)行測

量時真空表上的讀數(shù)稱為真空度。真空度表示絕對壓強(qiáng)比（外界）大氣壓強(qiáng)小了多少，即

有真空度=（外界）大氣壓強(qiáng)-絕對壓強(qiáng)

在這種條件下，真空度值相當(dāng)于負(fù)的表壓值。

因此，由測壓表或真空表上得出的讀數(shù)必須根據(jù)當(dāng)時當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)進(jìn)行校正，才能

得到測點的絕壓值。

在重力場中，當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時，流體除受重力（即地心引力）作用外，還受

到壓力的作用。流體處于靜止是由于這些作用于流體上的力達(dá)到平衡的結(jié)果。流體靜力

學(xué)就是研究流體處于靜止?fàn)顟B(tài)下力的平衡關(guān)系。

（一）流體靜力學(xué)方程的推導(dǎo)

如圖所示，敞口容器內(nèi)盛有密度為盧的靜止液體，液面上方受外壓強(qiáng)P1的作用。

取任意一垂直液柱，其上、下端截面積為A,若以容器底面為基準(zhǔn)水平面，則液柱的上、

下端面與器底的垂直距離分別為z1和z2,作用在上、下端面上并指向此兩端面的壓強(qiáng)分

別為P2和Pi。

P2=Pi+pg（Z2-zi）P=Po+Pgh

（二）靜力學(xué)方程的討論

1.上式適用于重力場中P為常數(shù)的靜止單相連續(xù)液體；氣體具有較大的壓縮性，在密度

變化不大時，式也可應(yīng)用，此時P可用平均密度計算。

2.上式表明靜止流體內(nèi)部某處的壓強(qiáng)大小僅與所處的垂直位置有關(guān)，而與水平位置無關(guān)。

位置愈低，壓強(qiáng)愈大。換言之，在同一靜止連續(xù)流體內(nèi)部同一水平面上各處的壓強(qiáng)是相

等的。壓強(qiáng)相同的面稱為等壓面，在靜止流體中，水平面即為等壓面。而壓強(qiáng)的指向僅

隨所取的作用面的方向而變。

3.由式還可知，若液面上方所受壓強(qiáng)Po變化時，P將隨之同步增減，即液面上方所受壓

強(qiáng)能以同樣大小傳遞到液體內(nèi)部的任一點上（巴斯喝原理）。

4.若將式各項除以Pg,則方程變?yōu)?/p>

說明，壓強(qiáng)差（或壓強(qiáng)）的大小可以用一定高度的流體柱來表示，但必須注明該流

體的密度值。

（三）靜力學(xué)方程的應(yīng)用

流體靜力學(xué)基本方程常用于某處流體表壓或流體內(nèi)部兩點間壓強(qiáng)差的測量、貯罐

內(nèi)液位的測量、液封高度的計算、流體內(nèi)物體受到的浮力以及液體對壁面的作用力的計

算等等。

1.表壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差的測定運(yùn)用流體靜力學(xué)基本原理測定流體的表壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差的儀器

統(tǒng)稱為液柱壓差計，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。常見的有如下幾種：

（1）普通U形管壓差計如圖所示，在U形玻璃管內(nèi)裝有密度為P的指示液A（一般指示液

裝入量約為U形管總高的一半），U形管兩端口與被測流體B的測壓點相連接（連接管內(nèi)與

指示液液面上方均充滿流體B）。

對指示液的要求是：A與B不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、互不相溶，且PA>PB。常用的指示液有水、

四氯化碳、水銀等。

（2）傾斜U形管壓差計當(dāng)被測壓差值很小時，為了放大壓差計讀數(shù)，可采用如圖所示的

傾斜U形管壓差計，傾角a愈小，讀數(shù)R愈大，AP與R關(guān)系為：

AP=Rsina

（3）倒U形管壓差計當(dāng)被測系統(tǒng)為液體時，也可選用比被測液體密度小的流體（液體或氣

體）作指示劑，采用如圖示的倒U形管壓差計進(jìn)行測量。

測量前，先打開壓差計上端旋塞，將兩管端與待測液體B連通，在P1=P2條件下

放入B,約管總高的一半，使左、右管內(nèi)B的液面達(dá)水平；然后通過旋塞充入指示劑A,

使A充滿U形管上部（因PA<PB）,關(guān)上旋塞，檢查A、B分界面是否達(dá)到水平。

當(dāng)P1>P2時，管左端的B液面將升高而右端液面降低，出現(xiàn)如圖所示的高差R。

取過左端液面的水平面為流體A的等壓面，運(yùn)用靜力學(xué)方程可得

Pl-P2=（PB—PA）gR

類似，當(dāng)（PB-PA）減小時,R值將被放大。

當(dāng)指示劑A選用氣體（一般為空氣）時，由于PB?PA,所以

Pi-P2=PBgR

（4）雙液柱微差計當(dāng)流體B的系統(tǒng)被測壓差值非常小時（一般為氣體系統(tǒng)），用上述壓差

計測得的讀數(shù)都將很小而不夠精確，可在U形壓差計頂部增加兩個擴(kuò)大室，在U形管下部

裝入指示液A,上部裝入指示液C,構(gòu)成如圖所示的雙液柱微差計。指示液A與C互不相

溶,且它們的密度關(guān)系滿足：PA>PC>PB。擴(kuò)大室截面積比U形管的截面積要大得多，

故當(dāng)測量微壓差（P1-P2）時，R的變化對擴(kuò)大室內(nèi)C的液面高度的影響極小并可忽略，取A

的低端液面為等壓面，可得

Pi-P2=(PA—pc)gR?

顯然，當(dāng)P「P2值很小時，為獲得較大的讀數(shù)R,應(yīng)當(dāng)選擇密度接近的指示液A和C。

2.液位的測定

化工生產(chǎn)中常常需要測定各種容器內(nèi)液體物料的液位。圖所示是最簡單的液位測

量方法：

(a)是工廠中常見的一些常壓容器或貯罐所使用的玻璃管液位計，它是運(yùn)用單相靜止

液體連通器內(nèi)同一水平面上各點壓強(qiáng)相等的原理。

(b)是利用液柱壓差液位計來測量液位的，在U形管底部裝入指示液A,左端與被測液

體B的容器底部相連(PA>

PB),右端上方接一擴(kuò)大室(稱平衡室)，與容器液面上方的氣相支管(稱氣相平衡管)相連，

平衡室中裝入一定量的液體B,使其在擴(kuò)大室內(nèi)的液面高度維持在容器液面允許的最高

位置。測量時，壓差計中讀數(shù)R指示容器內(nèi)相應(yīng)的液位高，顯然容器內(nèi)達(dá)到最高允許液

位時，壓差計讀數(shù)R應(yīng)為零；隨容器內(nèi)液位降低，讀數(shù)R將隨之增加。

(c)是一種浮球液面計，它是利用部分浸沒在流體中的物體上受到的浮力的作用來指示

液面高度的。浮球部分地浸沒在液體中，調(diào)整浮球本身的質(zhì)量使浮球的重力與作用于浮

球上的浮力達(dá)到力平衡，于是浮球穩(wěn)定地漂浮在液面，隨液面的高低而起伏，并即可在

容器外部直接讀出浮球(即液面)的高度位置。

3.液封高度的計算對于常壓操作的氣體系統(tǒng)，常采用稱為液封的附屬裝置。根據(jù)液封

的作用不同，大體可分為以下三類，它們都是根據(jù)流體靜力學(xué)原理設(shè)計的。

(1)安全液封如圖(a)所示，從氣體主管道上引出一根垂直支管，插到充滿液體(通常為

水，因此又稱水封)的液封槽內(nèi)，插入口以上的液面高度應(yīng)足以保證在正常操作壓強(qiáng)P(表)

下氣體不會由支管溢出。

當(dāng)由于某種不正常原因，系統(tǒng)內(nèi)氣體壓強(qiáng)突然升高時，氣體可由此處沖破液封濁

出并卸壓，以保證設(shè)備的安全。這種水封還有排除氣體管中凝液的作用。

(2)切斷水封有些常壓可燃?xì)怏w貯罐前后安裝切斷水封以代替笨重易漏的截止閥，如

圖(b)所示。正常操作時，水封不充水，氣體可以順利繞過隔板出入貯罐；需要切斷時(如

檢修)，往水封內(nèi)注入一定高度的水，使隔板在水中的水封高度大于水封兩側(cè)最大可能的

壓差值。

(3)溢流水封許多用水(或其它液體)洗滌氣體的設(shè)備內(nèi)，通常維持在一定壓力P下操作,

水不斷流入同時必須不斷排出，為了防止氣體隨水一起流出設(shè)備，可采用圖(c)所示的溢

流水封裝置。這類裝置的型式很多，都可運(yùn)用靜力學(xué)方程來進(jìn)行設(shè)計估算。

在應(yīng)用流體靜力學(xué)方程時，應(yīng)當(dāng)注意：

A.正確選擇等壓面。等壓面必在連續(xù)、相對靜止的同種流體的同一水平面上。

B.基準(zhǔn)面的位置可以任意選取，選取得當(dāng)可以簡化計算過程，而不影響計算結(jié)果。

C.計算時，方程中各項物理量的單位必須一致。

第三節(jié)流體動力學(xué)

一、流量與流速

(—流量

1.體積流量：單位時間內(nèi)流經(jīng)通道某一截面的流體體積，用Vs,表示，其單位為m3/s(或

m3/h)o

2.質(zhì)量流量：單位時間內(nèi)流經(jīng)通道某一截面的流體質(zhì)量，用Ws表示，其單位為kg/s(或

kg/h)。

當(dāng)流體密度為P時，體積流量y,與質(zhì)量流量Ws的關(guān)系為：

Ws=VsP

應(yīng)當(dāng)注意，氣體的體積隨溫度、壓強(qiáng)而變化，所以當(dāng)使用體積流量時應(yīng)注明所處

的溫度和壓強(qiáng)值。

(-)流速

1.流速；單位時間內(nèi)流體微團(tuán)在流動方向上流過的距離，其單位為m/s。

2.平均流速實驗證明，當(dāng)流體在通道內(nèi)流動時，通道任一截面上徑向各點的流速(局部

流速)并不相等，在壁面處為零，至通道中心處達(dá)最大值。因此，在工程計算中常使用通

道截面積上的平均流速，其表示式為：

u=Vs/A

式中u—通道截面上的平均流速，m/s；

Vs——流體的體積流量，m3/s；

A——垂直于流向的通道徑向截面積，m2.

因此其質(zhì)量流量Ws=VsP=uAP

3.質(zhì)量流速由于氣體的體積流量隨溫度和壓強(qiáng)而變化，氣體的流速也將隨之而變，因

此在工程計算中引入質(zhì)量流速，即單位時間內(nèi)，流體流經(jīng)通道單位徑向截面積的質(zhì)量，

用G表示，其表示式為：

G=Ws/A=VsP/A=uAP其單位為kg/(m2-s)。

市場供應(yīng)的管材均有一定的尺寸規(guī)格，所以在使用上式求得管徑d值后，應(yīng)根

據(jù)給定的操作條件圓整到管子的實際供應(yīng)規(guī)格。

由上式可知，對一定的生產(chǎn)任務(wù)，即Vs一定，管子直徑的大小取決于所選擇的流

速u,流速選得愈大，所需管子的直徑就愈小，即購買及安裝管子的投資費用愈小，但輸

送流體的動力消耗和操作費用將增大，因此流速的選擇要適當(dāng)。生產(chǎn)中常用的流體流速

范圍可從相關(guān)資料表中查到。一般密度較大和粘度較大的流體，流速要取小一些。

Ws1=Ws2

U1A1PUU2A2P2

即Ws=uAp=常數(shù)

Vs=uA=常數(shù)

三、流體定常流動過程的機(jī)械能衡算——柏努利方程

（一）理想流體定常流動時的機(jī)械能衡算

無粘性的流體稱為理想流體，因此，理想流體在流動過程中沒有機(jī)械能的損失，這

是為便于討論而采用的一種假想流體模型。這里先討論不可壓縮的理想流體的流動系統(tǒng)

中機(jī)械能形式及它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

1.流動流體具有的機(jī)械能形式

（I）內(nèi)能

內(nèi)能是貯存于液體內(nèi)部的能量，是由于原子與分子的運(yùn)動及其相互作用存在的能量。

因此液體的內(nèi)能與其狀態(tài)有關(guān)。內(nèi)能大小主要決定于液體的溫度，而液體的壓力影響可

以忽略。

單位質(zhì)量流體所具有的內(nèi)能U=f（t）,J/Kg.

（2）位能

在重力場中，液體高于某基準(zhǔn)面所具有的能量稱為液體的位能。液體在距離基準(zhǔn)面高

度為z時的位能相當(dāng)于流體從基準(zhǔn)面提升高度為z時重力對液體所作的功單位質(zhì)量流體所

具有的位能gz

（3）動能

液體因運(yùn)動而具有的能量，稱為動能.單位質(zhì)量流體所具有的動能。

（4）壓強(qiáng)能

流體自低壓向高壓對抗壓力流動時;流體由此獲得的能量稱為壓強(qiáng)能。

單位質(zhì)量流體所具有的壓強(qiáng)能

2.理想流體的機(jī)械能衡算——理想流體的柏努利方程

由于理想流體流動過程無機(jī)械能的損失，因此，根據(jù)機(jī)械能守恒定律，在管路

中沒有其它外力作用和外加能量的條件下，1kg理想流體帶入與帶出衡算系統(tǒng)的機(jī)械能總

和應(yīng)相等，即總能量不變。推導(dǎo)出的方程稱為柏努利方程，方程中各項的單位均為J/kg。

顯然，柏努利方程適用的條件是不可壓縮理想流體作定常流動，在流動管路中沒有其它

外力或外部能量的輸入（出）。

3.柏努利方程的討論

（1）上式說明理想流體作定常流動時，每kg流體流過系統(tǒng)內(nèi)任一截面（與流體流動方向相

垂直）的總機(jī)械能恒為常數(shù)，而每個截面上的不同機(jī)械能形式的數(shù)值卻并不一定相等。這

說明各種機(jī)械能形式之間在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)換的，此減彼增，但總量保持不變,

即機(jī)械能守恒。

（2）如果系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，任意兩截面間的流速為0,則可得此式即為靜力學(xué)基本方程P

gzi+Pi=Pgz2+P2,可見柏努利方程也可反映靜止流體的基本規(guī)律，靜止流體是流動

流體的特例。

（3）方程中等式兩端的壓強(qiáng)能項中的壓強(qiáng)P可以同時使用絕壓或同時使用表壓，視計算要求

而定。

（二）實際流體定常流動時的機(jī)械能衡算

工程實際問題中遇到的都是實際流體，即流體具有粘性，在流動過程中要克服各

種阻力，使一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鵁o法利用，這部分損失掉的機(jī)械能稱為阻力損失。

這部分能量需要在輸送通道的兩截面間有機(jī)械功的輸入。

因此，在不可壓縮的實際流體定常流動的管路系統(tǒng)中，按機(jī)械能守恒，應(yīng)有：

機(jī)械能的輸入=機(jī)械能的輸出+機(jī)械能損失

因此有等式：

z與流體的位置高度有關(guān)稱為位頭。

N/2與流體的速度有關(guān)稱為速度頭（動壓頭）。

p/pg與流體壓強(qiáng)和密度有關(guān)稱為壓頭（靜壓頭）。

He=We/g可理解為流體輸送設(shè)備所提供的壓頭（即輸入壓頭），其所作的功可將流體升起

到一定高度。

Hf=￡h"g稱為壓頭損失。

因而上式也可理解為進(jìn)入系統(tǒng)的各項壓頭之和等于離開的各項壓頭之和加上壓

頭損失。

［例］用泵將貯槽中的稀堿液送到蒸發(fā)器中進(jìn)行濃縮，如圖所示。泵的進(jìn)口管為089mmX

3.5mm的鋼管，堿液在進(jìn)口管的流速為1.5m/s,泵的出口管為076mmX3mm的鋼管。貯

槽中堿液的液面距蒸發(fā)器人口處的垂直距離為7m,堿液經(jīng)管路系統(tǒng)的機(jī)械能損失為

40J/kg,蒸發(fā)器內(nèi)堿液蒸發(fā)壓力（表壓）保持在20kPa,堿液的密度為1100kg/m3。試計算

所需的外加機(jī)械能。

解:取貯槽液面1-1為基準(zhǔn)面，蒸發(fā)器入口處管口為2-2截面，在1-1與2-2截面間列伯努利方

程：

22

P14口。2%口

Z]H-------1------FHe=Z?H------1——+%

P82pg2

即移項得功He：

2

rr,c,、p2-p\U：-M,rr

He=(z2-zl)g+------—+——-+Hf

PP

堿液在泵的出口管中的流速為

22

u2=uo(do/d2)=1.5X(82/70)

=2.06m/s

因貯槽液面比管路截面大得多，故可認(rèn)為ul=O。所需外加機(jī)械能為

He=7X9.81+20000/1100+2.062+40

=68.7+18.2+2.12+40=129J/kg

(1)根據(jù)題意，作出流動系統(tǒng)示意圖，明確流體的流動方向，并注明必要的物理量.

(2)確定衡算系統(tǒng)(或衡算范圍)，正確選取上、下游截面。

(3)截面應(yīng)與流體流動方向相垂直。

(4)所求未知物理量一般應(yīng)處于被選的一個截面上，為便于解題，另一被選截面應(yīng)當(dāng)是已知

條件最多的截面。

(5)兩截面間的流體必須是定常連續(xù)流動的，并充滿整個衡算系統(tǒng)。

(6)選取計算位能的基準(zhǔn)水平面。這種選擇有任意性，為計算方便，常選取通過一個截面中

心的水平面作為基準(zhǔn)水平面，使該截面上的位能為零。

四、實際流體的基本流動現(xiàn)象

(一)流體的流動類型

雷諾實驗在討論牛頓粘性定律時，板間液體是分層流動的，互相之間沒有宏觀

的擾動。實際上流體的流動型態(tài)并不都是分層流動的。1883年雷諾通過實驗揭示了流體

流動的兩種截然不同的流動型態(tài)。

實驗結(jié)果表明，在水溫一定的條件下，當(dāng)管內(nèi)水的流速較小時，染色液在管內(nèi)沿

軸線方向成一條清晰的細(xì)直線，如圖(a)所示；當(dāng)開大調(diào)節(jié)閥，水流速度逐漸增至某一定

值時，可以觀察到染色細(xì)線開始呈現(xiàn)波浪形，但仍保持較清晰的輪廓，如圖(b)所示；再

繼續(xù)開大閥門，可以觀察到染色細(xì)流與水流混合，當(dāng)水流速增至某一值以后，染色液體

一進(jìn)入玻璃管后即與水完全混合，如圖⑹所示。

2.兩種流動類型

(1)層流(又稱滯流)流體質(zhì)點沿管軸線方向作直線運(yùn)動，與周圍流體間無宏觀的混合。

層流時，流體各層間依靠分子的隨機(jī)運(yùn)動傳遞動量、熱量和質(zhì)量。自然界和工程上會遇

到許多層流流動的情況，如管內(nèi)的低速流動、高粘性液體的流動(如重油輸送)、毛細(xì)管

和多孔介質(zhì)中的流體流動等。

(2)湍流(又稱紊流)在這類流動狀態(tài)下，流體內(nèi)部充滿大小不一的、在不斷運(yùn)動變化著的

旋渦，流體質(zhì)點(微團(tuán))除沿軸線方向作主體流動外，還在各個方向上作劇烈的隨機(jī)運(yùn)動。

在湍流條件下，既通過分子的隨機(jī)運(yùn)動，又通過流體質(zhì)點的隨機(jī)運(yùn)動來傳遞動量、熱量

和質(zhì)量，它們的傳遞速率要比層流時高得多，所以實驗中的染色液與水迅速混合。化工

單元操作中遇到的流動大都為湍流。

3.雷諾準(zhǔn)數(shù)當(dāng)采用不同管徑和不同種類液體進(jìn)行實驗時，可以發(fā)現(xiàn)影響流體流動類型

的因素是管內(nèi)徑d、流體的流速u、流體的密度P和流體的粘度口四個物理量，雷諾將這

四個物理量組成一個數(shù)群，稱作雷諾準(zhǔn)數(shù)，簡稱雷諾數(shù)，用Re表示：

一般Re<2000總是層流.

2000<Re<4000為過渡類型.

Re>4000總是湍流.

（二）圓管內(nèi)的速度分布

流體在管內(nèi)作定常流動時，管截面上各點的速度隨該點與管中心距離而變化，這

種變化關(guān)系稱作速度分布。不論管內(nèi)是層流還是湍流，在靜止管壁處流體質(zhì)點的流速總

為零，到管中心處達(dá)到最大?

1.層流時管內(nèi)的速度分布

由實驗可以測得層流流動時的速度分布。速度分布為拋物線形狀。管中心的速度

最大，越靠近管壁速度越小，管壁處速度為零。

層流速度的拋物線分布規(guī)律并不是流體剛?cè)牍芸诰土⒖绦纬傻?，而是要流過一段

距離后才能充分發(fā)展成拋物線的形狀。流體在流入管口之前速度分布是均勻的。在進(jìn)入

管口之后，則靠近管壁的一層非常薄的流體層因附著在管壁上，其速度突然降為零。流

體在繼續(xù)流動的過程中，靠近管壁的各層流體由于黏性的作用而逐漸滯緩下來。又由于

各截面上的流量為一定值，管中心處各點的速度必然增大。當(dāng)流體深入到一定距離之后，

管中心的速度等于平均速度的兩倍時，層流速度分布的拋物線規(guī)律才算完全形成。尚未

形成層流拋物線規(guī)律的這一段稱為層流的進(jìn)口起始段。

u平均=u狼大/2

2.湍流時管內(nèi)的速度分布由于湍流流動時流體質(zhì)點的運(yùn)動情況要復(fù)雜得多，其速度

側(cè)形一般通過實驗測定。如圖所示，靠近管壁處速度梯度較大，管中心附近（湍流核心）

速度分布較均勻，這是由于湍流主體中質(zhì)點的強(qiáng)烈碰撞、混合和分離，大大加強(qiáng)了湍流

核心部分動量傳遞，于是各點的速度彼此拉平。管內(nèi)流體的Re值愈大，湍動程度愈高，

曲線頂部愈平坦。在通常流體輸送情況下，湍流時管內(nèi)流體平均速度為

u平均心0.82UM大

由湍流時速度分布可知，靠近管壁處的流體薄層速度很低，仍保持層流流動，這

個薄層稱為層流內(nèi)層（或稱粘性內(nèi)層），其厚度隨Re值的增加而減小，從層流內(nèi)層到湍流

核心間還存在一個過渡層。層流內(nèi)層的厚度對傳熱和傳質(zhì)過程都有很大的影響。

（三）流動邊界層的基本概念

在實際流體以定常均勻流速平行流過平板時，由于壁面的存在和流體粘性的影

響，緊貼板面的流體速度為零。在層間剪應(yīng)力的影響下，產(chǎn)生了垂直于流體流動方向上

的速度梯度，于是可將平板上方的流動分成兩個區(qū)域：

（1）板面附近流速變化較大（存在速度梯度）的區(qū)域，稱為流動邊界層（或簡稱邊界層），流

體阻力集中在此區(qū)域內(nèi)；

（2）邊界層以外流速基本不變的區(qū)域稱為主流區(qū)，此區(qū)內(nèi)速度梯度為零。

一般以主流流速的99%處作為兩個區(qū)域的分界線。

實驗證明，從平板前緣開始的一段長度內(nèi)，邊界層內(nèi)總是處于層流狀態(tài)，稱為層流

邊界層；隨與平板前緣的距離增加，層流邊界層逐漸加厚，當(dāng)距離達(dá)到某一臨界值x時,

邊界層厚突然增加，壁面的阻力也突然增加，邊界層的流動由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。在湍?/p>

邊界層中，離壁較遠(yuǎn)的區(qū)域為湍流，但靠近板面的一薄層流體的流速仍很小并保持層流,

也就是層流內(nèi)層。

當(dāng)定常均勻流動的流體流過流道逐漸擴(kuò)大的壁面或流道形狀和尺寸突然改變時，原

來緊貼壁面前進(jìn)（壁面處速度為零）的邊界層會離開壁面，形成一個以零速度為標(biāo)志的間

斷面，間斷面的一側(cè)為主流區(qū)，另?側(cè)則會生成許多額外的旋渦并引起很大的機(jī)械能損

失，這種現(xiàn)象稱為邊界層分離。

第四節(jié)管內(nèi)流動阻力

化工管路是由直管和各種部件（管件、閥門等）組合構(gòu)成的。流體通過管內(nèi)的流動阻

力包括流體流經(jīng)直管的阻力與流經(jīng)各種管件、閥門的阻力兩部分。

一、化工管路的構(gòu)成

（一）化工用管

由于化工生產(chǎn)中的物料和所處的工藝條件各不相同，用于連接設(shè)備和輸送物料的

管子除滿足強(qiáng)度和通過能力的要求外，還必須適應(yīng)耐溫（高溫或低溫）、耐壓（高壓或真空）、

耐腐蝕（酸、堿等）、導(dǎo)熱等性能的要求。

a.低壓流體輸送用焊接鋼管，俗稱水煤氣管，適用于輸送水、煤氣、壓縮空氣、油和

取暖蒸氣等一般無腐蝕性的低壓流體。根據(jù)承受壓強(qiáng)大小不同，分為普通管和加厚管，

其極限工作壓強(qiáng)分別為1MPa和1.6MPa（表壓），一般使用溫度為0-140℃（隨使用溫度增

高，極限工作壓強(qiáng)將隨之下降）。根據(jù)它是否鍍鋅，又分為鍍鋅管和黑管（不鍍鋅管）兩種。

其規(guī)格用公稱口徑mm表示，它是內(nèi)徑的近似值，習(xí)慣上也用in（英寸）表示。

b.無縫鋼管：分為熱軋和冷拔管兩種，多用作較高壓強(qiáng)和較高溫度的無腐蝕性流體輸

送之用，其規(guī)格用外徑X壁厚表示，單位為mm。

c.合金鋼管：主要用于高溫或腐蝕性強(qiáng)烈的流體。合金鋼管種類很多，以銀珞不銹鋼

管應(yīng)用最為廣泛。不同合金鋼材對被輸送流體的耐蝕性能是不同的，應(yīng)慎重選擇。

d.紫銅管和黃銅管：重量較輕，導(dǎo)熱性好，低溫下沖擊韌性高。宜作熱交換器用管及

低溫輸送管（但不能作為氨的輸送管），適用溫度W250℃,黃銅管可用于海水處理，紫

銅管也常用于壓力傳遞（如液壓部件用管）。

e.鉛管：性軟，易于鍛制和焊接，但機(jī)械強(qiáng)度差，不能承受管子自重，必須鋪設(shè)在支

承托架上，能抗硫酸、60%的氫氟酸、濃度小于80%的醋酸等，最高使用溫度為200℃,

多用于硫酸工業(yè)及其它工業(yè)部門作耐酸管道，但硝酸、次氯酸鹽和高鎰酸鹽類等介質(zhì)不

宜使用。

f.鋁管：能耐酸腐蝕但不耐堿及鹽水、鹽酸等含氯離子的化合物，多用于輸送濃硝酸、

醋酸等，最高使用溫度為200℃（在受壓時應(yīng)W140℃）,也可用于深冷設(shè)備。

這些有色金屬管的規(guī)格一般也用外徑和壁厚來表示。

g.陶瓷管及玻璃管：耐腐蝕性好，但性脆，強(qiáng)度低，不耐壓。陶瓷管多用于排除腐蝕

性污水，而玻璃管由于透明，有時也用于某些特殊介質(zhì)的輸送。

h.塑料管：種類很多，常用的有聚氯乙烯管、聚乙烯管、玻璃鋼管等，質(zhì)輕，抗腐蝕

性好，易加工（可任意彎曲和拉伸），但一般耐熱及耐寒性較差，強(qiáng)度較低，故不耐壓。

一般用于常壓、常溫下酸、堿液輸送，也用于蒸鐳水或去離子水輸送以避免污染。

i.橡膠管：能耐酸、堿，抗腐蝕性好，且有彈性，能任意彎曲，但易老化，只能用作臨

時性管道。

2.管路的連接一般生產(chǎn)廠出廠的管子都有一定的長度，在管路的敷設(shè)中必然會涉及

到管路的連接問題，常見的管路連接方法有如下幾種：

（1）螺紋連接一般適用于管徑W50mm，工作壓強(qiáng)低于1MPa、介質(zhì)溫度W10（TC的黑管、

鍍鋅焊接鋼管或硬聚氯乙烯塑料管的管路連接。

（2）焊接連接適用于有壓管道及真空管道，視管徑和壁厚的不同選用電焊或氣焊。這種

連接方式簡單、牢固且嚴(yán)密，多用于無縫鋼管，有色金屬管的連接；

（3）承插連接適用于埋地或沿墻敷設(shè)的低壓給、排水管，如鑄鐵管、陶瓷管、石棉水泥

管等，采用石棉水泥、瀝青瑪蹄脂，水泥砂漿等作為封口。

（4）法蘭連接廣泛應(yīng)用于大管徑、耐溫耐壓與密封性要求高的管路連接以及管路與設(shè)備

的連接。法蘭的型式和規(guī)格已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了，可根據(jù)管子的公稱口徑、公稱壓力、材料和

密封要求選用。

（二）常用管件

管件主要用來連接管子以達(dá)到延長管路、改變流向、分支或合流等目的。

1.用以改變流向者有：90度彎頭、45度頭、180度回彎頭等；

2.用以堵截管路者有：管帽、絲堵（堵頭）、盲板等；

3.用以連接支管者有：三通、四通，有時三通也用來改變流向，多余的一個通道接頭

用管帽或盲板封上，在需要時打開再連接一條分支管；

4.用以改變管徑者有：異徑管（大小頭）、內(nèi)外螺紋接頭等；

5.用以延長管路者有：管箍（束節(jié)）、螺紋短節(jié)、活接頭、法蘭等。在閉合管路上必須

設(shè)置活接頭或法蘭，在需要維修或更換的閥門附近也宜適當(dāng)設(shè)置，因為它們可以就地拆

開，就地連接。法蘭多用于焊接連接管路，而活接頭多用于螺紋連結(jié)管路。

（三）常用閥門

閥門是用來啟閉或調(diào)節(jié)管路中流體流量的部件，種類繁多。

1.閘閥主要部分為一閘板，通過閘板的升降以啟閉管路。這種閥門全開時流體阻力

小，全閉時較嚴(yán)密，多用于大直徑管路上作啟閉閥，在小直徑管路中也有用作調(diào)節(jié)閥的。

但不宜用于含有固體顆?；蛭锪弦子诔练e的流體，以免引起密封面的磨損和影響閘板的

閉合。

2.截止閥主要部分為閥盤與閥座，流體自下而上通過閥座，其構(gòu)造比較復(fù)雜，流體

阻力較大，但密閉性與調(diào)節(jié)性能較好，也不宜用于粘度大且含有易沉淀顆粒的介質(zhì)。

如果將閥座孔徑縮小配以長錐形或針狀閥芯插入閥座，則在閥芯上下運(yùn)動時，閥座

與閥芯間的流體通道變化比較緩慢而均勻，即構(gòu)成調(diào)節(jié)閥或節(jié)流閥，后者可用于高壓氣

體管路的流量和壓強(qiáng)的調(diào)節(jié)。

3.止回閥是一種根據(jù)閥前，后的壓強(qiáng)差自動啟閉的閥門，其作用是使介質(zhì)只作一定

方向的流動，它分為升降式和旋啟式兩種。升降式止回閥密封性較好，但流動阻力大；

旋啟式止回閥用搖板來啟閉?安裝時均應(yīng)注意介質(zhì)的流向與安裝方位。

止回閥一般適用于清潔介質(zhì)。

4.球閥閥芯呈球狀，中間為一與管內(nèi)徑相近連通孔，結(jié)構(gòu)比閘閥；截止閥簡單，啟

閉迅速，操作方便，體積小，重量輕，零件少，流體阻力小。適用于低溫、高壓及粘度

大介質(zhì)，但不宜用于調(diào)節(jié)流量。

5.旋塞其主要部分為一可轉(zhuǎn)動的圓錐形旋塞，中有孔道，當(dāng)旋塞旋轉(zhuǎn)至90度時管流

即全部停止。這種閥門的主要優(yōu)點與球閥類似，但由于閥芯與閥體的接觸面比球閥大，

需要較大的轉(zhuǎn)動力矩；溫度變化大時容易卡死；也不能用于高壓。

6.隔膜閥閥的啟閉件是一塊橡膠隔膜，位于閥體與閥蓋之間，隔膜中間突出部分固

定在閥桿上，閥體內(nèi)襯有橡膠，由于介質(zhì)不進(jìn)入閥蓋內(nèi)腔，因此無需填料箱。這種閥結(jié)

構(gòu)簡單，密封性能好，便于維修，流體阻力小，可用于溫度小于200C、壓強(qiáng)小于10MPa

的各種與橡膠膜無相互作用的介質(zhì)和含懸浮物的介質(zhì)。

除此以外，尚有蝶閥、減壓閥、安全閥、疏水閥等，它們各有自己的特殊構(gòu)造與

作用。

從這些管件、閥門的基本構(gòu)造可以看到，除了管箍、活接頭和法蘭等由于其中心

軸與管軸重合，通孔與管路基本相同，基本上不影響流體的流速和流向，其阻力仍可認(rèn)

為是直管阻力外；其余的管件、閥門都會造成局部阻力，且閥門開啟度不同，其阻力值

也會隨之變化。

二、直管內(nèi)的流動阻力

(一)直管阻力計算通式

如圖示，不可壓縮流體以流速Um在內(nèi)徑為d、長為I的水平管內(nèi)作定常流動。則可以推導(dǎo)

出以下公式。該式為圓形直管內(nèi)阻力損失的計算通式，稱為范寧公式，對層流和湍流均適

用。公式中除摩擦系數(shù)入外其它都易知。

(二)層流的摩擦阻力損失計算

①層流當(dāng)Re〈2000時，流體在管內(nèi)作層流流動，由式

可以得到A.=64/Re

②湍流的摩擦阻力損失

當(dāng)Re>4000時：

當(dāng)流體在光滑管中運(yùn)動時，e/d的影響可忽略，可用

柏拉修斯公式：適用范圍Re=5000T0000

顧毓珍公式：適用范圍Re=3000-3X10‘

③摩擦因數(shù)圖

前面學(xué)過的摩擦因數(shù)人，除了層流時和光滑管的柏拉修斯公式比較簡單外，其余各

公式都比較復(fù)雜，用起來比較不方便。在工程計算中為了避免試差，一般是將通過實驗

測出的人與Re和e/d的關(guān)系，以￡/d為參變量，以人為縱坐標(biāo)，以Re為橫坐標(biāo)，標(biāo)繪在

雙對數(shù)坐標(biāo)紙上。此圖稱為莫狄摩擦因數(shù)圖。

由圖可以看出，摩擦因數(shù)圖可以分為以下五個區(qū)：

①層流區(qū)：②過渡區(qū)。③湍流粗糙管區(qū)④湍流光滑管區(qū)

⑤完全湍流區(qū)

e相同的管道，直徑d不同，對入的影響就不同。故一般用相對粗糙度e/d來考慮對

人的影響。

①層流：層流時，管壁上凹凸不平的地方都被有規(guī)則的流體層所覆蓋，而流速又比較緩

慢，流體質(zhì)點對管壁凸出部分不會有碰撞作用，所以層流時人與人無關(guān)，粗糙度的大小

并未改變層流的速度分布和內(nèi)摩擦規(guī)律。

②湍流時，流體層流流動時，由于流速較小，管壁粗糙度的大小對流體的速度分布沒有

影響，所以對流體的摩擦阻力損失或摩擦系數(shù)值沒有影響。

在流體湍流流動條件下，如果層流底層的厚度大于壁面的絕對粗糙度圖(a)所示，流

體如同流過光滑管壁。這種情況的流動稱為光滑管流動(smoothpipeflow)。

隨著流體的Re增大，湍流主體的區(qū)域擴(kuò)大，層流底層厚度變薄。如圖(b)所示，管壁

表面有一部分較高的突出點穿過層流底層，伸入湍流主體，阻擋流體的流動，產(chǎn)生旋渦,

使摩擦阻力損失增大。Re越大，層流底層越薄，壁面上較小的突出點也會伸入湍流主體

中。當(dāng)Re增大到一定程度，層流底層很薄，壁面的突出點全部伸入湍流主體中。這種情

況下的流體流動，稱為完全湍流(completeturbulence),管子稱為完全粗糙管(fullyrough

pipe)?

在一定的Re條件下，管壁粗糙度越大，則流體的摩擦阻力損失就越大。

實際管得當(dāng)量粗糙度

管壁粗糙度對阻力系數(shù)x的影響首先是在人工粗糙管中測定得。

人工粗糙管是將大小相同得砂粒均勻地粘著在普通管壁上，人為地造成粗糙度，因而

其粗糙度可以精確測定。工業(yè)管道內(nèi)壁得凸出物形狀不同，高度也參差不齊，粗糙度無

法精確測定。實踐上通過試驗測得阻力損失并計算入值，然后反求該處相當(dāng)?shù)孟鄬Υ植?/p>

度，稱為實際管道得當(dāng)量相對粗糙度。由當(dāng)量相對粗糙度可以求出當(dāng)量得絕對粗糙度￡.

(五)非圓形管得當(dāng)量直徑

三、局部阻力

流體在流動中由于流速的大小和方向發(fā)生改變而引起的阻力稱為形體阻力，而流

體與固體壁面間由于粘性而引起的阻力稱為摩擦阻力。當(dāng)流體流經(jīng)管路上的局部部件，

如各種管件、閥門、管入口、管出口等處時，必然發(fā)生流體的流速和流動方向的突然變

化，流動受到干擾、沖擊或引起邊界層分離，產(chǎn)生旋渦并加劇湍動，使流動阻力顯著增

加，這類流動阻力統(tǒng)稱為局部阻力