化 工 原 理 绪 论 工生产过程与单元操作 1．化工生产过程——用化工手段将原料进行加工处理，使其在物理性能上或在化学性质上发生变化，成为人们所需的产品。 化工生产过程的核心显然应该是化学反应及其设备（反应器） 化工原理——研究前处理和后处理所涉及的物理加工过程的规律和设备。 2．单元操作（unit operation）——化工生产中，具有共同物理操作原理和设备的过程。 单元操作按其理论基础可分为下列三类： 流体流动过程（动量传递过程）：包括流体的输送、搅拌、沉降、过滤等。 传热过程（热量传递过程）：包括热交换、蒸发等。 传质过程（质量传递过程）：包括蒸馏和精馏、吸收、萃取、干燥、结晶、膜分离等。 单元操作有下列特点：(1)它们都是物理性操作，即只改变物料的状态或其物理性质；(2)它们都是化工过程中共有的操作，但不同的化工过程中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异；(3)某单元操作用于不同的化工过程，其基本原理并无不同，进行该操作的设备往往也是通用的。 二、化工单元操作中基本概念 1．物料衡算：依据——质量守恒定律 输入量-输出量=累积量 　　　  稳定过程：输入量=输出量　  　　进行物料衡算的步骤： 　　　　（1） 画出流程示意图，物料的流向用箭头表示； 　　　　（2） 圈出衡算的范围(或称系统)； 　　　　（3） 确定衡算对象及衡算基准； 　　　　（4） 写出物料衡算方程进行求解。 2．能量衡算：依据——能量守恒定律 输入能量-输出能量=累积能量  定态过程：输入能量=输出能量  3．平衡关系 要确立过程能否进行、进行方向、及最终可能状态，必须借助于平衡关系。 4．传递速率 它决定了设备的大小及成本。  5．经济核算 第一章 流体流动 第一节 概述 几个概念： 1．流体：具有流动性的液体和气体统称为流体。 2．连续性介质假定：流体是由连续的流体质点组成的。 3．流体静力学—研究流体处于静止平衡状态下的规律及其应用； 4．流体动力学—研究流体在流动状态下的规律及其应用。 5．不可压缩流体和可压缩流体 第二节 流体静力学 一、流体的密度：单位体积流体的质量 ρ=m/V [kg/m3] 重度—工程单位制中，表示密度的单位，其数值与密度相同。 比重—物料密度与纯水（227K）密度之比，其数值的一千倍等于密度的数值。 比容——密度的倒数。 纯流体的密度 液体的密度随压强变化小，但随温度稍有变化；气体的密度随压强、温度变化大。理想气体ρ（t不太低，p不太高的气体，可用理想气体状态方程） PV=nRT  或 对t低，p高的气体，可用真实气体状态方程计算 混合流体的密度 （1）液体混合物的（1kg基准） (假设为理想溶液) ρi：液体混合物中各纯组分的密度。Wi：液体混合物中各组分的质量分率。 （2）气体混合物（1m3基准）  yi：气体混合物中各组分的体积分率。 流体的静压强 静压强 定义：流体垂直作用于单位面积上的压力。  压强的单位 （1）直接按压强定义：N/m2，Pa（帕斯卡） （2）间接按流体柱表示：m H2O柱，mm Hg柱 （3）与大气压作为计量单位：标准大气压(atm)，工程大气压（at） 单位换算： 1atm=1.0133×105 Pa =760mmHg=10.33m H2O=1.033kgf/cm2 1 at =9.807×104 Pa =735.6mmHg= 10m H2O=1 kgf/cm2 3表示压强的基准 绝对压强—以绝对真空为基准测得的压强； 相对压强—以当地大气压为基准测得的压强：表压和真空度 p(当地大气压， 表压强=绝对压强-大气压强 p(当地大气压， 真空度=大气压强-绝对压强 流体静力学基本方程式 ——研究流体柱内压强沿高度变化的规律 推导： 在垂直方向上，力的平衡： p2A=p1A+G=p1A+(gA（Z1(Z2） p2=p1+(g（Z1(Z2） 若Z1面在水平面上 p2=p0+(gh 2．讨论 静止液体内任一点压强，与深度有关，越深，压强越大； 在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点，因深度相同，压强也相同； 巴斯葛原理—液面上方p0发生变化，内部各点压强发生同样的变化。 3。静力学方程的几种形式：  表示：静压头+位压头=常数  表示：静压能+位压能=常数 静力学基本方程式的应用 压强的测量 （1）U形管液柱压差计 指示剂要求：不与被测液互溶、反应； 密度大于被测液体。 常用的有：水，水银，四氯化碳 pa=pb p1((g（m+R）= p2((gm((0g R p1( p2=（(0( (）gR 在测量气体压强时，(0(( ( 所以 p1( p2=(0gR 倒U形管压差计 斜管液柱压强计 微差液柱压强计 2．液面的测定 结论： 3.确定液封高度 作用：当设备内压强超过规定值时，气体就从液封管排出，以确保设备操 作的安全。若设备要求压强不超过p1，按静力学基本方程式，则 水封管口的液面高度h：  第三节流体在管内流动 前节讨论了静止流体内部压强的变化规律，对于流体输送过程中遇到的问题，必须要找出流体在管内的流动规律——连续性方程式与柏努利方程式。 出发点——质量、动量、能量守恒 一、流量与流速 1．流量：在单位时间内流过管道任一截面的流体量。 质量流量：用质量来计量，以G表示[kg/s] 体积流量：用体积来计量，以V表示[m3/s] G=Vρ 2．流速：单位时间内，流体质点在导管中流动方向上所流过的距离（点速度） 实验证明，在导管截面上各点的流速是不同的，具有速度分布。 在工程上为方便起见，通常使用平均速度概念：  [m/s] 质量流速： [kg/m2.s] w = uρ 3．管径d   计算后管径要圆整 讨论： V—由工艺生产任务定； u—关键选择，若u大，管道阻力大，动力消耗大，操作费用大；d可小 若u小，管道阻力小，但d大，建设成本大。 所以，设计管道时，需要综合考虑这两个互相矛盾的经济因素。 一般情况下，液体流速u = 0.5-3m/s; 气体流速u = 10-30m/s 介绍：公称压力 公称直径 无缝钢管与水煤气管 二、定常态流动与非定常态流动 定常态流动——流体在管道中流动时，流体在任一点上的流速、压强等有关物理参数都不随时间而改变，这种流动称为定常态流动。 非定常态流动——若流体在截面上的只要有一个物理量随时间而变，则称为非定常态流动。 三、流体定态流动时的连续性方程式 推导：以管内壁，截面1-1与2-2为衡算范围 G1 = G2 (1A1u1 = (2A2u2 若不可压缩流体：A1u1 = A2u2   说明：u只与截面积有关，而与管路上任何设备无关。 四、柏努利方程式（Bernowlli Equation） ——流动系统的机械能衡算 理想流体的柏努利方程式  对不可压缩流体：ρ=const， 则：  对气体，若压力变化不大，，可看成不可压缩性流体，误差约5%，用平均密度， 实际流体柏努利方程式的几种形式 流体具有粘度，流动时有摩擦阻力；管路中有能量输入机械。  [J/kg] ——单位质量流体的机械能守恒方程。  [J/N]或[m流体柱] ——单位重量流体的机械能守恒方程。 各项为：位压头，动压头，静压头，有效压头（外加压头），压头损失 静力学方程是柏努利方程式的一个特例。 3．柏努利方程式的应用 柏努利方程是流体流动的基本方程，应用范围很广， 具体有：1）分析和解决流体输送问题 体流动过程中流量的测定 器间的相对位置，流体压强 确定输送设备的有效功率 举例： 解题要点： 绘出流程，注明流向，列出已知条件； 确定计算系统——取截面，截面与流动方向垂直，两截面间要连续，稳定； 且已知条件最多，要包括未知条件， 一般规律：取起点与终点 取容器的液面，u = 0，p = p0 基准高度的选取——(z为相对值， 一般取地平面，水平面等较低截面； 单位的一致性——SI制； 5．注意压强，计算时应使用绝对压强。 第四节 流体在管内的流动阻力 本节主要讨论流体流动阻力产生的原因、影响因素及其计算。 流体流动必须克服阻力，产生阻力的根本原因是流体具有粘度。 一、牛顿粘性定律和粘度 1．牛顿粘性定律  μ——比例系数，也称动力粘度 ——速度梯度 粘度 物理意义—在du/dy=1时，单位面积上所产生的内摩擦力大小。 粘度单位—[Ns/m2]，即[Pa·s] 常用粘度单位— 物理制：[μ]=P（泊）， 1cP=0.001[Pa·s] 运动粘度, 单位为m2/s, cm2/s(st) 4．牛顿型流体——服从牛顿粘性定律的流体，如气体和大多数液体。 非牛顿型流体——不服从牛顿粘性定律的流体。 二、流体流动类型与雷诺准数 在讨论流体流动阻力产生的原因及其影响因素时，必然会想到阻力与速度有关，下面是1883年著名法国科学家雷诺作的一个实验。 雷诺实验 表面上看，流体流动类型由流速决定，低于某一流速，质点作直线运动，属滞流型，称滞流临界速度。实验发现，不同流体的滞流临界速度不同。 2．雷诺数Re及流动类型判断  流型判断 Re——层流 2000〈Re〈4000——不稳定的过度区 Re≥4000——湍流 雷诺数Re的含义：反映了与阻力有关的惯性力与粘性力的对比关系。  3．流体流动相似原理 在两根不同的管中，当流体流动的Re数相同时，只要流体的边界几何条件相似，则流体的流动状态也相似。 三、流体在圆管内的速度分布 层流与湍流的本质区别——内部质点的运动方式 1．流体在圆形管中层流时的速度分布 实验证明： 其速度分布为抛物线形状。管中心流速最大，向管壁方向渐减，靠管壁的流速为零。平均速度为最大速度的一半。 速度的抛物线分布规律，并不是流体刚入管口就形成的，而是要经过一段距离—起始段长度X0=0.05dRe 速度分布方程式：  最大流速（r =0）  流量  平均流速  哈根泊谡叶方程式  2．流体在圆管中湍流时的速度分布 特点：流体质点的运动方向和速度大小随时在变化。 速度分布只能用实验方法得到。 实验测定：湍流速度分布线形状—截头抛物线 平均流速u=0.82umax 层流底层（laminar sublayer）—— 四、流体流动的阻力计算 阻力损失的分类： 直管阻力损失——流体流经直管时所引起。 局部阻力损失——流体流经阀门及出入口等局部障碍所引起。 阻力分类并不意味着质的不同，而只是起因于不同的外部原因而已。 流体在直管中的流动阻力（沿程阻力）  [J/kg] 实验可知：阻力与u、l成正比，与d成反比；其单位可用动能u2/2来表示。 （1）流体在直管中作层流时的阻力损失 由  得  （2）流体在直管中湍流时的阻力损失 原因： 流动时，流体质点间相互碰撞而进行的湍流动量传递。 1）管壁粗糙度对阻力损失的影响。 工业中金属管按光滑程度分类：光滑管 粗糙管 绝对粗糙度ε—管壁粗糙面突出部分的平均高度。 相对粗糙度ε/d 在一定的Re下，粗糙度ε↑ → hf↑. 流动类型对绝对粗糙度ε的影响： 滞流—层流层掩盖了粗糙面， (与(无关 湍流—在低速下，Re不大，层流层掩盖了粗糙面， (与(无关 在高速下，Re大，粗糙面部分暴露在湍流中，引起旋涡，阻力增加。  2）因次分析法 得：   3）湍流时的摩擦系数——实验得双对数坐标图。 层流区：，与(/d无关 过度区：处于不稳定状态，一般按湍流结果计算 湍流区：虚线以下的区域，λ与Re, 均有关。 完全湍流区：虚线以上的区域 (与Re无关，（称阻力平方区） 非圆形管内的流动阻力 在计算Re数时，采用当量直径de代替d。 定义：   例：圆形管—— de=d 方形管—— de=a 矩形管—— de=2ab/（a+b） 套管环隙— de=D内-d外 对非圆形管，， C有不同的值 管路的局部阻力 定义：流体流经各种局部装置所产生的附加阻力损失。 管件和阀门的介绍 产生局部阻力的原因：由于流体流过的截面积发生变化，使流速大小、方向发生激烈变化，引起旋涡，增加分子的碰撞，增大了阻力，使更多的机械能转变为热能。 计算方法 （1）阻力系数法  [J/kg] (——局部阻力系数 扩大损失： 突然缩小： 注意：1方程中u指小管（1-1截面）中的流速 2流体出口：(=1.0 流体进口：(=0.5 （2）当量长度法 此法是将流体管件，阀门所产生的局部阻力，折合成相当于流体流过长度为le的相同直径的管道时所产生的阻力。 le——当量长度。 此时  [J/kg]  [J/kg] 第五节管路计算 依据——连续性方程，帕努利方程和能量损失计算式 简单管路的计算 简单管路指直径相同或不同的管路所组成的串联管路。 1．已知V、d、l，求管路的压头损失(hf和外加能量We 解：V+d→u→Re→判断流型→(→(hf→We或He→Ne→N 有效功率 Ne=WeVg =HeV(g [W] 电机功率 N=Ne/( 若计算不出Re或Re为未知，就必须试差。 已知管径d、l、(、(hf，求V或u 解：由于u未知，无法由u计算Re→( 又由于(和u受(hf的约束， 从理论上讲，联解上述两个关系，可求(和u，但由于(和u不能用一个方程表示（对湍流），故必须使用试差。 1）设一个(，由(hf→u→Re→(1，比较，重复试差，直到(n=( 2）设一个u，→Re→(→u1，比较，重复试差，直到un=u 为避免试差，本书介绍应用查图法：   目的在于消去未知量u， 再由( Re2，(/d，Re图→Re→u→V 3．已知l、u、(hf，求管径d 解：由于d未知，无法由d→Re→( 又由于(和d受(hf的约束， 所以，考虑消去d，否则要使用试差。  再由( Re-1，(/d，Re图→Re→d 二、复杂管路的计算 复杂管路指并联管路和分支管路 1. 并联管路 特点— 主管中流量等于各支路流量之和； V=V1+V2+V3 G=G1+G2+G3 各支路阻力相等； (hf=(hf1=(hf2=(hf3 各支路流量的分配如下：   2. 分支管路 特点： 1）主管流量=分管流量之和 VAB=VBC+VBD 2）各分管流量分配原则也是依各分管的压强 如 ，uC、uD必须满足B-C、B-D间的柏努利方程。    第六节流量的测定 流体流量是化工生产过程中的重要参数之一。 测量流体流量的方法很多，在化工生产中较常用的流量计是利用流体流动过程中机械能转化原理而设计的。 一、测速管（毕托管，pitot tube） 用途—测量导管中流体的点速度 1．结构和原理—  称冲压能  u1——点速度 若测气体： 2．应用： 测速管对流体阻力小，一般无需校正。不适用含有固体粒子的流体测定。 测速管管径越小越好，一般d外径＜D/50 二、孔板流量计——节流装置流量计 孔板流量计构造简单，使用可靠，是目前化工生产中应用最多的一种流量测量仪表。 1．结构与原理 永久压降(p=p1-p3，(p与V有一一对应关系。 2．流量方程式  co——孔板系数，流量系数，由实验测得。 co=f（Re，(2，(/d） (2=Ao/A1=（do/D）2 3．应用及安装 为保证通过孔板之前流速分布稳定，孔板流量计安装位置的上下段，要有一段内经不变的直管，通常要求上游直管长度为50D，下游直管为10D，不得在此设弯头、阀门等管件。 优点—制造容易，易调整，调换孔板方便。 缺点—能量损失大，孔口边缘易腐蚀、磨损。 其它节流装置流量计—喷嘴流量计，文丘里流量计。 三、转子流量计 1．结构 原理——力的平衡 垂直向上推动力：(pAf 垂直向下的净力：转子重量-转子浮力=Vfg（(f-(） (pAf= Vf g（(f -(）  流量公式 = AR——环隙截面积m2 CR——转子流量计的流量系数 转子流量计的校正 气体转子流量计—以20℃及101.325kPa的空气标定； 液体转子流量计—以20℃的水标定。 当被测流体与标准不同时，需校正， 液体流量校正式：  气体流量校正式：  在(f (((空气，(气 则： 优点—读数方便、直观，流体阻力小，测量精度高，适用性广，适用于腐蚀性流体的测量，不易发生故障。 缺点—不耐高温、高压，在使用过程中玻璃易破碎。