化工原理天大上册(完整版)

1《化工原理》（上册）制作人：夏清2总学时56（授课50、课堂研讨4、机动2）绪论1第一章流体流动13第二章流体输送机械8第三章非均相混和物分离及固体流态化8第四章液体搅拌2第五章传热14第六章蒸发4学时安排3教材柴诚敬主编普通高等教育“十五”国家级规划教材化工原理（上册）北京:高等教育出版社2005年6月（第一版）4(1)柴诚敬,张国亮.化工流体流动与传热.第二版北京:化学工业出版社,2007(2)夏清，陈常贵.化工原理，上册.天津:天津大学出版社,2005(3)W.L.McCabe,J.C.Smith.UnitOperationsofChemicalEngineering,6thed.NewYork:McGraw.HillInc.,2001参考教材5网络课程辅助教学《化工原理及实验》网络课程网址：202.113.179.1816网络课程站点《化工原理及实验》网络课程虚拟课堂演示实验图片汇总动画汇总思考题汇总作业汇总讨论与答疑网上自测教师主页附件下载网络课程辅助教学7通过绪论的学习，应了解化工原理课程的主要内容，单元操作的分类和特点，工程学科的研究方法，本课程的学习要求，掌握单位制及单位换算方法。学习目的与要求绪论80.1化工原理课程的内容和特点绪论9化学工业和化学工程化学工业是将自然界中的各种物质资源通过物理和化学的方法加工成具有规定质量的物质的工业。化学工程是一门工程技术学科，它研究化工产品生产过程的基本规律，并运用这些规律解决化工生产中的问题。化学工业是一个包含多个行业的工业部门。化学工业包括石油炼制和裂解、煤焦化及煤焦油工业、基本有机合成工业、高分子合成、氯碱、制酸、化肥、以及精细化学工业等。产品归纳起来可分为25类化工产品根据技术密集高低、附加值利润大小、品种类型、产量多少、更新速度快慢以及应用范围不同又可分为两大类。一类是通用化学品，另一类是精细化学品10化工产品种类繁多，制取的化工原料却有限。可分为无机和有机原料两大类。无机原料主要有空气水和化学矿物；有机主要是煤、石油、天然气和生物质等。原料选择原则1、考虑原料品位能否满足生产要求，来源是否充足稳定可靠。2、分析原料的经济性。要对原料路线和工艺路线的技术经济指标权衡。3、从综合利用原料资源考察原料使用合理性。在遵守国家有关资源保护的法令和条例，兼顾联合审查、发产品回收及三废处理等方面尽可能提高原料利用率发挥原料单位相互力所能创造的经济效益。11化学工业特点(1)化学工业是独特、不可取代的工业部门。(2)化工产品品种繁多，工艺复杂(3)是装置型工业，具有规模经济性(4)是资金密集，技术密集的工业部门(5)是能耗大户(6)易污染、重污染的工业部门12化学工程的发展化学工程发展的四个阶段化学工艺学阶段化工单元操作阶段传递过程阶段“三传一反”阶段13化学工业领域的地位物理化学高分子科学实验分析化学应用化学有机化学无机化学化学教育化学家制药工业环境工程化工生产复合材料能源工程石油化工氯碱工业硫酸制造合成氨化工专家化工原理传递过程反应工程分离工程化工热力学系统工程等14一、化工原理课程内容化工生产过程化学反应单元操作反应工程化工原理三传一反15化工生产过程分析前处理(预处理)化学反应过程后处理(加工)物理过程化学过程物理过程16二、单元操作的分类和特点1、流体动力过程：流体输送、沉降、过滤、搅拌2、传热过程：换热、蒸发3、传质过程：蒸馏、吸收、萃取、吸附、浸取、吸附、离子交换、膜分离4、热质同时传递过程：增减湿、结晶、干燥分类17化工原理是一门实践性很强的工程学科。单元操作的研究内容包括“过程”和“设备”两个方面。所有的单元操作都可分解为动量传递、热量传递、质量传递这三种传递过程和它们的结合。三种传递过程现象中存在着类似的规律和内在的联系。传递过程是联系各单元操作的一条主线。二、单元操作的分类和特点特点18三、化工原理课程的研究方法1、实验研究方法（经验法）:用量纲分析和相似论为指导，依靠试验来确定过程变量之间的关系，通过量纲为一数群（或称准数）构成的关系式来表达。是一种工程上通用的基本方法。192、数学模型法（半经验半理论方法）在对实际过程的机理深入分析的基础上，在抓住过程本质的前提下，作出某种合理简化，建立物理模型，进行数学描述，得出数学模型。通过实验确定模型参数。研究工程问题的方法是联系各单元操作的另一条主线。三、化工原理课程的研究方法20四．化工过程计算的理论基础设计型计算操作型计算质量守恒能量守恒平衡关系速率关系所用基本关系：化工计算分为21五．本课程的学习要求学习中，应注意以下几个方面能力的培养：(1)单元操作和设备选择的能力(2)工程设计能力(3)操作和调节生产过程的能力(4)过程开发或科学研究能力(5)实验能力22绪论0.1化工原理课程的内容和特点0.2单位制度及单位换算23一．单位和单位制度1、基本单位和导出单位基本单位导出单位质量、长度、时间和温度速度、密度、加速度2、绝对单位制和重力单位制绝对单位制重力单位制长度、质量、时间长度、时间和力243、国际单位制（SI制）根据1960年10月国际计量大会通过的一种单位制。4、《中华人民共和国法定计量单位》在SI制基础上制定的。一．单位和单位制度25二、单位换算1、物理量的换算基本物理量中为1m＝物理单位制中100cm＝英制3.2808ft2、经验公式（或数字公式）的单位换算（a）物理方程（b）经验方程换算方法见例0－2。26第一章流体流动通过本章的学习，应掌握流体在管内流动过程的基本原理和规律，并运用这些原理和规律分析和计算流体流动过程中的有关问题。学习目的与要求27第一章流体流动1.1流体的重要性质1.1.1连续介质假定28连续介质假定假定流体是由连续分布的流体质点所组成，表征流体物理性质和运动参数的物理量在空间和时间上是连续的分布函数。连续介质假定29第一章流体流动1.1流体的重要性质1.1.1连续介质假定1.1.2流体的密度30流体的密度流体空间某点上单位体积流体的质量limVVmρV流体的密度是位置(x,y,z)和时间θ的函数(,,,)xyz密度31流体的密度mpMVRT纯物质的密度：液体：基本不随压力变化（极高压力除外），随温度略有变化。气体：密度随温度、压力改变。低压下可按照理想气体状态方程计算32气体混合物，混合前后质量不变液体混合物，混合前后体积不变12n12n1...m1122nn...m组分的质量分数组分的体积分数混合物的密度：流体的密度33第一章流体流动1.1流体的重要性质1.1.1连续介质假定1.1.2流体的密度1.1.3流体的可压缩性与不可压缩流体34一、流体的可压缩性1dvvdp或1ddp（1-4）（1-5）流体的可压缩性通常用体积压缩系数β来表示。其意义为在一定温度下，外力每增加一个单位时，流体体积的相对缩小量体积压缩系数35二、不可压缩流体β值越大，流体越容易被压缩。可压缩流体β≠0的流体为可压缩流体不可压缩流体β=0的流体为不可压缩流体气体在一般情况下是可压缩流体大多数液体可视为不可压缩流体。36需要指出，实际流体都是可压缩的，不可压缩流体乃是为便于处理密度变化较小的某些流体所作的假设而已。二、不可压缩流体37第一章流体流动1.1流体的重要性质1.1.1连续介质假定1.1.2流体的密度1.1.3流体的可压缩性与不可压缩流体1.1.4流体的黏性38一、牛顿黏性定律流体在运动时，相邻流体层之间是有相互作用的，这种相互抵抗的作用力称为剪切力，流体所具有的这种抵抗两层流体相对运动速度的性质称为流体的黏性。黏性是流体的固有属性之一，不论流体处于静止还是流动，都具有黏性。黏性39图1-1平板间黏性流体的速度变化一、牛顿黏性定律上板以恒定速度沿x的正方向运动40实验证明：对于多数流体，任意两毗邻流体层之间作用的剪切力与两流体层的速度差及其作用面积成正比，与两流体层之间的垂直距离成反比FuAy牛顿黏性定律：xdudy（1-7）一、牛顿黏性定律41一、牛顿黏性定律牛顿型流体(Newtonianfluid)遵循牛顿黏性定律的流体所有气体和大多数低分子量液体均属牛顿型流体，如水、空气等。42凡不遵循牛顿黏性定律的流体为非牛顿型流体(non-Newtonianfluid)。某些高分子溶液、悬浮液、泥浆、血液等属于非牛顿流体。非牛顿型流体(non-Newtonianfluid)一、牛顿黏性定律43二、流体的黏度一般以泊的1/100的厘泊（cp）来表示黏度。11[]/PakgPasdudymsmms2112[]dyncmdynsgPcmscmcmcms在SI单位制中，黏度的单位为Pa·s，在物理单位制上，其单位为P（泊），44运动黏度/SI单位为m2/s；在物理单位cm2/s称为沲，以St表示。二、流体的黏度421St100cSt10m/s45的流体称为理想流体。自然界不存在真正的理想流体。0三、理想流体与黏性流体理想流体46练习题目思考题作业题:1、21．何谓单元操作？如何分类？2.联系各单元操作的两条主线是什么?3.比较实验研究方法和数学模型的区别与联系。4.何谓单位换算因子?5.什么是连续性假设？质点的含义是什么？47第一章流体流动1.2流体静力学48流体静力学流体静力学主要研究流体静止时流体内部各种物理量的变化规律，特别是在重力场作用下，静止流体内部的压力变化规律49第一章流体流动1.2流体静力学1.2.1流体的受力50外界作用于流体上的力体积力表面力51一、体积力ggFVv体积力(bodyforce)又称为场力，质量力，是一种非接触力。地球引力，带电流体所受的静电力，电流通过流体产生的电磁力等均为体积力。本书只涉及重力：设流体密度为ρ，体积为V，则其所受的重力为体积力52表面力（又称接触力或机械力）与流体元相接触的环境流体（有时可能是固体壁面）施加于该流体元上的力。表面力又称为机械力，与力所作用的面积成正比。二、表面力53图1-2作用在流体上的力二、表面力54二、表面力ttdFdAvrnndFdAvr切向应力法向应力单位面积上的表面力称为表面应力。表面应力55第一章流体流动1.2流体静力学1.2.1流体的受力1.2.2静止流体的压力特性56静止流体的压力特性静止的流体内部没有剪应力，只有法线方向的应力，通常将该法向应力称为流体的静压力，以p表示。PpA流体的静压力57静止流体的压力特性在SI单位制中，压力单位是N/m2或Pa。其他单位还有：1atm＝101300N/m2＝101.3kPa＝1.033kgf/cm2＝10.33mH2O＝760mmHg不同基准压力之间的换算压力的单位表压力=绝对压力－大气压力真空度=大气压力－绝对压力真空度=-表压力58第一章流体流动1.2流体静力学1.2.1流体的受力1.2.2静止流体的压力特性1.2.3流体静力学方程59流体静力学方程图1-3流体静力学方程的推导微元立方流体边长:dx、dy、dz密度:ρ60流体静力学方程z方向上的力（向上为正）仅为重力和静压力()ppdzdxdypdxdyz与（2）作用整个微元体的重力为gdxdydz（1）作用于微元体上、下底面的表面力（压力）分别为61流体静力学方程则z方向上力的平衡式为()0ppdxdypdzdxdygdxdydzz化简得0pgz静止流体的欧拉(Euler)方程62同理，在x，y方向上：0pxy轴0pyx轴流体静力学方程631212ppgzgz或0ppgh当流体不可压缩（ρ=常数）时，积分可得流体静力学方程pgz常数或(1-11)(1-12)(1-14)总势能守恒等压面6421pphg静力学基本方程式可改写为因此，压差的大小可用一定的液柱高度来表示流体静力学方程(1-