化工原理

化工原理梁燕波绪论根据专业人才培养的目标和《化工原理》课程的教学目的，我们选择了由何潮洪、冯宵编写的教材《化工原理》。该课程是一门重要的技术基础课，在整个专业教学过程中是承前启后，由理及工的桥梁。要求学生了解工业生产中所涉及的问题，掌握解决问题的途径，并能运用经济观点综合处理问题，提高分析和解决问题的能力。为学生在今后的学习和工作中，正确而有效地联系工业生产打下基础。课程介绍化工原理是一门工程学科,是工科类化工、制药、食品、发酵、等专业学生的专业课.它以工业生产中的物理加工过程为背景，研究工业生产过程中的基本规律，应用这些规律解决工业生产中的实际问题。了解物理、化学规律在生产中的应用;认识实际生产的复杂性和具体过程的特点,化工原理需要用特定的工程规律和方法来解决实际生产中的问题。该课程的设置目的是使学生能将所学理论知识与工程实际衔接起来，使学生能够学会从工程和经济的角度去考虑技术问题，并逐步实现由学生向工程技术人员的转变。课程内容本课程紧密结合专业特点，围绕单元操作原理和应用为主题，以动量传递、热量传递、质量传递理论为基础，系统介绍液体流动、流体输送机械、传热、精馏、吸收等各单元操作的基本原理、基本计算方法、工程应用。通过本课程的学习，使学生掌握各单元操作的基本原理及典型设备的设计计算方法，为进一步学习专业课程及从事工程实践奠定必要的理论基础。本课程通过课堂教学及实验教学、课程见习等实践性环节相结合，使学生牢固建立起“单元操作”的概念，培养学生工程分析方法及独立分析问题和解决问题的能力。化工原理课程的要求化工原理分为：理论课和实践课(实验、见习)1、理论课要求1、上课时间2、所用教材：由冯宵、何潮洪主编由科学出版社出版的“十一五“国家级规划教材，《化工原理》上下册。3、教学内容：上册流体力学基础、流体输送机械、热量传递基础、传热过程计算与换热器。下册质量传递基础、气体吸收、蒸馏、气—液传质设备。4、上课要求：课堂做笔记、每次有作业，使用计算器，每周交作业，每章有测试。2、实验课要求实验独立考试1、实验过程操作2、实验报告3、卷面考试2、实验课要求1、上课时间：第8-15周2、实验教材：化学化工学院编教材3、实验内容：化工原理实验和化工原理实训和化工原理仿真4、实验要求：第8-15周做实验具体要求、专门讲解。5、工业见习：一次，具体时间、具体要求、专门讲解。考试要求考试成绩由：1、期中考试2、期末考试3、平时作业4、出勤5、见习第一章流体力学基础教学目标：1.掌握流体流动中的作用力和机械能2.掌握压强的表示方法及静力学测量方法3.掌握质量守衡、机械能守衡、动量守衡的原理及有关计算4.掌握流体流动的型态及基本特征5.掌握湍流时直管阻力损失的实验研究方法及局部阻力损失的计算6.掌握简单管路的计算方法§1、1概述1、什么是流体：具有流动性的气体和液体统称流体。2、什么是流体力学：研究流体流动规律的科学称为流体力学，包括流体静力学和流体动力学。本章研究的内容：结合化工过程特点，对流体静力学原理及其在化工生产中的应用和流体动力学基本方程的应用进行详细的介绍。§1、2流体静力学及其应用1、流体静止时的性质：质量m,体积V密度ρ压强P=压力P静止流体所受力---压强（压力）1）压强的定义：静止流体单位面积上所受到的压力称为压强，习惯上称压力。2）压强的符号：P3）压强的单位：1atm=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033at4）压强大小的表征：表压=绝对压强—当地大气压真空度=当地大气压—绝对压强压强大小的表征补充例题：比较下列压强大小并排序PA=2atm（绝对压强），PB=900mmHg（表压），PC=6420Pa（真空度）解：统一单位、统一基准PA=2atm（绝对压强）=202650Pa（绝对压强）PB=900mmHg（表压）=221315Pa（绝对压强）PC=6420Pa（真空度）=101325-6420=94905Pa（绝对压强）结论：PBPAPC作业：比较下列压强大小，并排序1、PA=40000Pa（表压）2、PB=2atm（绝对压强）3、PC=500mmHg（真空度）4、Pd=15mH2O(表压)（用表压和Pa单位表示）2、流体静力学方程2、流体静力学方程以图1-2为例推倒公式1-3和1-4首先复习用液柱表示压强P=ρgh该压强为点压强或同一平面的压强，ρ是流体密度，g为9.8，h为该点或该平面上方的液柱高度，单位为米。解：根据图1-2得P1=ρg(h-z1)P2=ρg(h-z2)P2-P1=ρg(h-z1)-ρg(h-z2)=ρg(z1-z2)；P2=P1+ρg(z1-z2)；（P2/ρg）=（P1/ρg）+(z1-z2)上两式为流体静力学方程。补充练习我们可以用汞柱和水柱表示压强，也可以用空气柱表示。P=ρgh；101325=1.29*9.8*h；h=8015m一个大气压相当于10.33mH2O，760mmHg，8015m空气柱。静力学方程的应用静力学方程适用于重力场中静止、连续、均匀、不可压缩流体。等压面是指在连通体内，具有相同高度的平面上的各个点的压强相等。判断连通体，找出等压面。例1-1如图所示有三个容器A、B、C内均装有水，容器C敞口。密闭容器A、B间的液位差Z1=1m,容器B、C间液位差Z2=2m，两U形管下部液体均为汞，其密度为13600kg/m3，高度差分别为R=0.2m,H=0.1m,试求容器AB上方压力表的读数PA、PB的大小。课堂作业如图所示有三个容器A、B、C内均装有水，容器C敞口。密闭容器A、B间的液位差Z1=1.2m,容器B、C间液位差Z2=2.3m，两U形管下部液体均为汞，其密度为13600kg/m3，高度差分别为R=0.2m,H=0.15m,试求容器AB上方压力表的读数PA、PB的大小。习题1画图抄题解题答如图所示用一U形管压力计测量密封器罐中的压力，指示液为水，密度ρ0=1000kg/m3。因气体易溶于水，故在水和气体之间用惰性溶剂（ρ=890kg/m3）将二者隔开。现已知h=10cm,R=24cm,求器罐内的绝对压力和表压（分别用Pa和mH2o表示）。P1=P+ρ0ghP1’=Pa+ρgR因为P1=P1’所以P=Pa+ρgR-ρ0gh=101325+1000×9.81×0.24-890×9.81×0.1=102806Pa(绝对压强)=1481Pa（表压）P=(102806×10.33)/101325=10.48mH2o(绝对压强)=10.48—10.33=0.15mH2o（表压）答：器罐内的绝对压力为102806Pa和10.48mH2o，表压为1481Pa和0.15mH2o§1、3流体流动的基本方程流体在流动的过程中遵循1、质量守恒定律2、能量守恒定律3、动量守恒定律将他们应用在流体流动过程，可以获得流体流动的基本方程1、连续性方程2、运动方程3、能量方程§1、3流体流动的基本方程§1、3.1基本概念（1）稳定流动与不稳定流动：图示说明，目前研究的主要是稳定流动。（2）流速和流量：定义符号u,V,m单位表达式:m=ρVV=A×u=(πd2/4)×u（3）粘性：定义符号μ单位1pa●s=10P(泊)=1000cP(厘泊)（4）非牛顿型流体：（5）流动类型和雷诺数：当流体流动时，在不同条件下，可以观察到两种截然不同的流型。这一现象是由雷诺在1883年发现的。Re=duρ/μ（无量纲准数）雷诺准数各项的物理意义及单位。工程上一般认为：流体在圆形直管流动，当Re2000时为层流，当Re4000时为湍流，当Re介于2000~4000之间时，流动处于一种过渡状态，称为过渡区流动。对非圆形管道，可用当量直径de来代替直径d，也可求对应雷诺准数。当量直径de=（4×流体流过的横截面积）/流体湿润周边。套管环隙的当量直径de=D-d(大圆内径-小圆外径)例1-320°C的水在内径50mm的圆形管内流动，质量流量为0.2t/h.试计算：雷诺准数Re，并判断流动形态；使管内保持湍流的最小流速。补充作业：套管换热器的内管为Φ24×1.5，外管为Φ57×3.5的无逢钢管。液体以5400kg/h的流量流过环隙，液体的密度为1200kg/m3,黏度为2×10-3pa●s。试判断液体在环隙中的流动形态。（Re=1.28×104）§1.3.2质量恒算方程——连续性方程1、宏观质量恒算：对稳态流动有m1=m21、宏观质量恒算：对稳态流动有m1=m2ρ1u1A1=ρ2u2A2若ρ1=ρ2=ρ则u1A1=u2A2对圆形管道而言：(πd12/4)×u1=(πd22/4)×u2整理得：d12×u1=d22×u2u1/u2=d22/d12对有分支的情况：则m0=m1+m2例4-1车间要求将20°C水以15kg/s的流量送入某设备中，若选取平均流速为1.1m/s，试计算所需管子的尺寸。若在原水管上再接出一根Φ159×4.5的支管，如图所示，以便将水流量的一半该送至另一车间。求当总水量不变时，此支管内水流速度。§1、3.4总能量衡算——机械能衡算方程首先考虑流体在流动过程中的能量：（1）动能(1/2)mu2〔J〕;（2）位能mgz〔J〕;（3）静压能mp/ρ〔J〕在1-1截面上mgZ1+(1/2)mu12+mp1/ρ=Et1在2-2截面上mgZ2+(1/2)mu22+mp2/ρ=Et2对理想流体而言；在1-1截面上机械能总和=在2-2截面上机械能总和mgZ1+mu12/2+mp1/ρ=mgZ2+mu22/2+mp2/ρ(1)同除mg得：理想状态的伯努利方程Z1+u12/2g+p1/ρg=Z2+u22/2g+p2/ρg(2)Z：位压头〔m〕；u2/2g：动压头〔m〕;p/ρg：静压头〔m〕;理想流体的伯努利方程Z1+u12/2g+p1/ρg=Z2+u22/2g+p2/ρg(2)gZ1+u12/2+p1/ρ=gZ2+u22/2+p2/ρ(3)2式各项的单位为m，3式各项的单位为J/kg.实际流体的伯努利方程gZ1+u12/2+p1/ρ+we=gZ2+u22/2+p2/ρ+wf(4)Z1+u12/2g+p1/ρg+he=Z2+u22/2g+p2/ρg+hf(5)wf:摩擦损失或阻力损失；we：外界做的功；he：外加压头；hf：损失压头；各个方程的意义，各项的意义，各物理量的单位，理想状态与实际状态的区别。关于机械能恒算方程的讨论使用机械能恒算方程时应注意的事项例1—6关于能头转化例1-7轴功的计算如图所示用泵将河水打入洗涤塔中经喷嘴喷出，喷淋下来后流入废水池。已知管道尺寸为Φ114×4，流量为85m3/h,水在管路中流动时的总摩擦损失为10J/kg,喷头处压力较塔内压力高20kPa，水从塔中流入下水道的损失忽略。求泵的有效功率。泵的有效功率泵的有效功率=泵的理论功率=Ne泵的轴功率=泵的实际功率=NaNe=Vρghe=mghe=mweNa=Ne/ηη=Ne/NaNe的值是计算得来的，Na的值是买泵时标注在泵上的功率数。分析：Na—Ne—（he，we）--应用伯努力方程—在流体流动的方向上选两个截面—列出各截面上的Z、u、p值---带入伯努力方程进行计算解：已知d=114-8=106mm=0.106mV=85m3/h=85/3600=0.0236m3/s,wf=10J/kg,p1=0,u1=0，Z1=0，Z2=7U2=4V/πd2=(4×0.0236)/3.14×0.1062=2.68m/s,根据公式gZ1+u12/2+p1/ρ+we=gZ2+u22/2+p2/ρ+wf要求we，必须知道p2/ρ。可以通过p3/ρ，求p2/ρ根据公式gZ3+u32/2+p3