1、化工原理,田海玲,Principles of Chemical Engineering,呂梁高?；は?緒論,一.化工生產(chǎn)的基本單元過程 二.單位制和單位換算 三.解決化工計(jì)算問題的基本手段,一化工生產(chǎn)的基本單元過程,遵循動量傳遞基本規(guī)律的單元：包括液體和氣體的輸送、攪拌、沉降、過濾。熟悉各種物料輸送規(guī)律和選擇各種物料輸送機(jī)械，將是這個單元過程所要了解的內(nèi)容。 遵循傳熱基本規(guī)律的單元：化工生產(chǎn)離不開熱量的互相傳遞。包括加熱、冷卻、蒸發(fā)、冷凝、熱量綜合利用等。熟悉各種物料不同相態(tài)間的熱量傳遞規(guī)律和選擇適宜的傳熱設(shè)備是本單元過程主要目的。 遵循傳質(zhì)基本規(guī)律的單元：物料狀態(tài)千變?nèi)f化，分離手段和方法也

2、各不相同。常見的分離方法有精餾、吸收、萃取干燥等單元過程。熟悉各種分離過程中質(zhì)量傳遞的基本規(guī)律，對分離過程進(jìn)行計(jì)算，從而對單元操作設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)是這一部分的主要目的。,二單位制和單位換算,目前國際上雖然基本采用國際單位，但有些文獻(xiàn)資料中的數(shù)據(jù)是多種單位制并存，使用這些數(shù)據(jù)時應(yīng)將它們換算成所需單位。包括兩種情況： 1.物理量的單位換算 2.經(jīng)驗(yàn)公式的單位換算,三解決化工計(jì)算問題的基本手段,1物料衡算 依據(jù)質(zhì)量守恒定律得出 2能量衡算 依據(jù)能量守恒定律得出 3速率關(guān)系 4平衡關(guān)系 說明：物料衡算和熱量衡算的基本方法在緒論部分做統(tǒng) 一講解。速率關(guān)系與平衡關(guān)系將在各種單元操作中 分別介紹。,第一章 流體

3、的流動,本章重點(diǎn)掌握的內(nèi)容： （1）靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用 （2）連續(xù)性方程、柏努力方程的物理意義、適用條件、應(yīng)用柏努力方程解題的要點(diǎn)和注意事項(xiàng)。 （3）管路系統(tǒng)總能量損失方程（包括 數(shù)據(jù)的獲得） （4）管路系統(tǒng)的計(jì)算,概述,流體是液體和氣體的總稱，其基本特征是具有流動性，無固定形狀。 流體流動在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用包括： 1.流體的輸送； 完成輸送任務(wù)所需的位差、壓差、能量（輸送設(shè)備的功率） 2.壓強(qiáng)、流量的測量； 3.為傳熱、傳質(zhì)過程提供適宜的條件。,第一節(jié) 靜力學(xué)方程,重點(diǎn)掌握流體靜力學(xué)基本方程式的適用條件及工程應(yīng)用實(shí)例。 應(yīng)用流體靜力學(xué)原理解題的關(guān)鍵是正確選取等壓面。,1.1 基本概念,一.

4、流體的密度（） 密度的定義、單位； 液體密度的取得； 氣體密度的計(jì)算。 二.流體的靜壓強(qiáng)（p） 壓強(qiáng)的定義、各種壓強(qiáng)單位之間的還算； 三種壓強(qiáng)形式之間的關(guān)系： 表壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng) 真空度大氣壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng),1.2 靜力學(xué)方程,一.靜力學(xué)方程 對靜止流體做受力分析并整理可得： 上式即為靜力學(xué)方程。由靜力學(xué)方程可知： 當(dāng)液面上方壓強(qiáng)p0發(fā)生變化時，液體內(nèi)部各點(diǎn)壓強(qiáng)將做同樣大小的變化。 靜止的、連續(xù)的、同一種流體的同一個水平面上各點(diǎn)的壓強(qiáng)都相等。 將靜力學(xué)方程整理成h的表達(dá)式，說明壓強(qiáng)可以用一定高度的液柱來表示。,二. 靜力學(xué)方程應(yīng)用 靜力學(xué)方程的應(yīng)用有三個方面： 壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測量 以靜力學(xué)方程

5、為測量原理的測壓儀表有： U管壓差計(jì) 測量公式為 斜管壓差計(jì) 微差壓差計(jì) 液位的測量 液面計(jì) 液位遠(yuǎn)距離測量裝置 液封高度計(jì)算 液封 安全液封,Flash動畫演示,U管壓差計(jì)動畫 壓差法測量液位動畫 鼓泡式液柱測量動畫,第二節(jié) 流體在管內(nèi)的流動,本節(jié)以連續(xù)方程及柏努利方程為重點(diǎn)，掌握這兩個方程式推導(dǎo)思路、適用條件、用柏努利方程解題的要點(diǎn)及注意事項(xiàng)。通過實(shí)例加深對這兩個方程式的理解。 正確確定衡算范圍（上、下游截面的選?。┘盎鶞?zhǔn)水平面是解題的關(guān)鍵。,2.1 基本概念,一.流量和流速 1.流量 單位時間內(nèi)流過管道任一截面的流體量， 稱為流量。有兩種形式:體積流量Vs,質(zhì)量流量s, s=Vs 2.流

6、速 流體質(zhì)點(diǎn)單位時間內(nèi)在流動方向上所流過的距離，稱為流速，以u表示。其單位為m/s s=Vs=uA 3.流量方程及管徑的選取 對于圓形管道，以d表示其內(nèi)徑，則有: 上式中Vs一般由生產(chǎn)任務(wù)規(guī)定，而適宜流速則需通過操作費(fèi)和基建費(fèi)之間的經(jīng)濟(jì)權(quán)衡來確定。工藝管線則可以選用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù).,某些流體在管道中的常用流速范圍,二.定態(tài)與非定態(tài)流動 定態(tài)流動（定態(tài)流動動畫） 各截面上流體的有關(guān)參數(shù)（如流速、物性、壓強(qiáng)）僅隨位置而變化，不隨時間而變，如動畫所示流動系統(tǒng)。 非定態(tài)流動（非定態(tài)流動動畫） 流體流動有關(guān)物理量隨位置和時間均發(fā)生變化，如動畫所示流動系統(tǒng)。,2.2 連續(xù)性方程,連續(xù)性方程式是質(zhì)量守恒定律的一種

7、表現(xiàn)形式， 對于定態(tài)系統(tǒng)，有以下集中形式： ws1ws2 ： Vs1Vs2 (對于不可壓縮流體) u1A1u2A2 u 1/u 2=(d 2/d1)2,2.3 柏努利方程,一.柏努利方程 柏努利方程是通過對流動系統(tǒng)的能量衡算，從解決流體流動問題的實(shí)際需要出發(fā)，采用逐步簡化的方法：流動系統(tǒng)的總能量衡算（包括內(nèi)能和熱能）流動系統(tǒng)的機(jī)械能衡算不可壓縮流體定態(tài)流動的機(jī)械能衡算。,二.柏努利方程討論,理想流體在管道內(nèi)作定態(tài)流動而又沒有外功加入時，其總機(jī)械能 是守恒的，但不同形式的機(jī)械能可以互相轉(zhuǎn)換。 單位時間內(nèi)輸送機(jī)械所做的有效功率稱為有效功率，用Ne表示，其單位為W， 流體靜力學(xué)基本方程式是柏努利方程

8、式的特例 當(dāng)系統(tǒng)中流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時，二者具有相同的形式。 對于可壓縮流體的流動，當(dāng) 壓強(qiáng)變化小于20時，仍可用柏努利方程計(jì)算，但式中的要用兩截面間的平均密度m代替。 柏努利方程還有以單位重量和單位質(zhì)量為基準(zhǔn)的另外兩種形式。,三.應(yīng)用柏努利方程的注意事項(xiàng),作圖與確定衡算范圍 根據(jù)題意畫出流動系統(tǒng)的示意圖，并指明流體的流動方向。定出上、下游截面，以明確流動系統(tǒng)的衡算范圍。 截面的選取 兩截面均應(yīng)與流動方向相垂直，并且在兩截面間的流體必須是連續(xù)的。所求的未知量應(yīng)在截面上或在兩截面之間，且截面上的Z、u、p等有關(guān)物理量，除所需求取的未知量外，都應(yīng)該是已知的或能通過其它關(guān)系計(jì)算出來。 兩截面上的u、p

9、、Z與兩截面間的hf都應(yīng)相互對應(yīng)一致。 基準(zhǔn)水平面的選取 基準(zhǔn)水平面可以任意選取，但必須與地面平行。如衡量系統(tǒng)為水平管道，則基準(zhǔn)水平面通過管道的中心線，Z=0。 兩截面上的壓強(qiáng) 兩截面的壓強(qiáng)除要求單位一致外，還要求基準(zhǔn)一致。 單位必須一致 在用柏努利方程式解題前，應(yīng)把有關(guān)物理量換算成一致的單位，然后進(jìn)行計(jì)算。,四.柏努利方程應(yīng)用舉例,確定管道中流體的流量 確定設(shè)備間的相對位置 確定輸送設(shè)備的有效功率 確定管路中流體的壓強(qiáng),第三節(jié)：流體在管內(nèi)流動時的摩擦阻力,3.1流動產(chǎn)生的原因內(nèi)摩擦,3.2牛頓粘性定律與流體的粘度,流體流動時的內(nèi)摩擦應(yīng)力和速度梯度成正比： 式中的比例系數(shù)為流體粘度，是流體的物

10、理性質(zhì)，國際單位為Pas，常用單位有P（泊）和cP（厘泊）。,式中的比例系數(shù)為流體粘度，是流體的物理性質(zhì)，國際 單位為Pas，常用單位有P（泊）和cP（厘泊）。,3.3流動類型和雷諾準(zhǔn)數(shù),雷諾實(shí)驗(yàn).swf,由雷諾實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知流體在管內(nèi)流動有兩種截然不同的類型：滯流和湍流。影響因素有流速u、管徑d、流體的粘度和密度都能引起流型的變化?？蓪⑦@些影響因素組合成為一個數(shù)群來作為流型的判斷依據(jù)，此數(shù)群被稱為雷諾數(shù)，用Re表示，其表達(dá)式為： 當(dāng)： 時是層流流動； 當(dāng)： 時是湍流流動； 當(dāng) ： 有時出現(xiàn)層流，有時出現(xiàn)湍流，是一個不穩(wěn)定的區(qū)域，稱為過渡區(qū)。在一般工程計(jì)算中，當(dāng)時可按湍流處理。,3.4滯流與湍流

11、的比較,流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方式不同 流體在管內(nèi)的速度分布不同 滯流時： 速度分布為拋物線 湍流時： 速度分布不再是拋物線 流體的摩擦阻力形式不同,四：滯流與湍流的比較,流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方式不同 流體在管內(nèi)的速度分布不同 滯流時： 速度分布為拋物線 湍流時： 速度分布不再是拋物線 流體的摩擦阻力形式不同,3.5 流動阻力計(jì)算,1直管阻力的計(jì)算,1.直管阻力計(jì)算通式,經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，流體流過直管的阻力與其流體的動能u2/2、管長成正比，與其管徑成反比，即： 滯流時： 湍流時：,2.非圓形直管阻力,對于非圓形截面的通道，可以用一個與圓形管直徑d相當(dāng)?shù)摹爸睆健眮泶妫Q作當(dāng)量直徑，用de表示。當(dāng)量直徑等

12、于4倍水力半徑rH。水力半徑rH定義為流體在流道里的流通截面A與潤濕周邊之比，即： de4流通截面積/潤濕周邊長 流體在非圓形管內(nèi)作湍流流動時，在計(jì)算hf及Re的有關(guān)表達(dá)式中，均可用de代替d。但需注意： （1）不能用de來計(jì)算流體通道的截面積，流速和流量。 （2）滯流時，的計(jì)算式須修正,=C/Re,某些非圓形管的常數(shù)C值,3.局部阻力計(jì)算,阻力系數(shù)法 克服局部阻力所引起的能量損失，與管路中流體的動能成正比，即： 式中管件閥門的阻力系數(shù)值可查有關(guān)資料 .化工原理課件第一章局部阻力.swf,當(dāng)量長度法 為了便于管路計(jì)算，常將流體流過某管件或閥門時的局部阻力折算成同樣流體流過具有相同直徑，長度為的

13、直管阻力，這個直管長度稱為該管件或閥門的當(dāng)量長度。此時的局部阻力所造成的能量損失計(jì)算公式可仿照直管阻力計(jì)算公式寫成，即：,4. 管路中的總能量損失,當(dāng)管路管徑相同的時候： 對于異徑管路則要分段進(jìn)行計(jì)算。 實(shí)際生產(chǎn)中為了減小阻力，可采取以下措施： （1）合理布局，盡量減少管長，少裝不必要的管件閥門； （2）適當(dāng)加大管徑并盡量選用光滑管； （3）在允許條件下，將氣體壓縮或液化后輸送； （4）高粘度液體長距離輸時，可用加熱方法（蒸汽伴管），或強(qiáng)磁場處理，以降低粘度； （5）允許的話，在被輸送液體中加入減阻劑； 但是有時為了某工程目的，需人為地造成局部阻力或加大流體湍動（如液體攪拌，傳熱傳質(zhì)過程的強(qiáng)化

14、）。,第五節(jié) 管路計(jì)算,掌握不同結(jié)構(gòu)管路（簡單管路，并聯(lián)管路及分支管路）的特點(diǎn)； 掌握簡單管路計(jì)算方法和步驟； 了解管路計(jì)算中的試差法。,5.1 概述,管路計(jì)算內(nèi)容和基本關(guān)系式 1.設(shè)計(jì)型計(jì)算 是給定輸送任務(wù)，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的輸送管路系統(tǒng)，其核心是管徑。 2.操作型計(jì)算 是對一定的管路系統(tǒng)求流量或?qū)σ?guī)定的輸送流量計(jì)算所需能量。 3.管路計(jì)算的基本關(guān)系式是連續(xù)性方程，柏努力方程（包括靜力學(xué)方程）及能量損失計(jì)算式（含的確定）。 管路分類 1.按管路布局可分為簡單管路與復(fù)雜管路（包括并聯(lián)管路和分支管路） 2.按計(jì)算目的有三種命題： （1）對于已有管路系統(tǒng)，規(guī)定流量，求能量損失或We； （2）對于已有管路系統(tǒng)，規(guī)定允許的能量損失或輸送條件，求流體的輸送量； （3）規(guī)定輸送任務(wù)和推動力，選擇適宜的管徑。,5.2 簡單管路計(jì)算,簡單管路操作型計(jì)算 對一定的流體輸送管路系統(tǒng)，核算在給定條件下的輸送量或能量損失等。 簡單管路設(shè)計(jì)型計(jì)算 對于規(guī)定流量和輸送條件求管徑 ，需要用試差法，試差起點(diǎn)可以是先選流速u，也可以先選摩擦系數(shù)。,第六節(jié) 流量測量,根據(jù)流體流動時各種機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換關(guān)系而設(shè)計(jì)的流速計(jì)與流量計(jì)分為兩大類，即 差壓（定截面）