化工原理学习指南

1化工原理学习指南化工教研室2005年4月2目录第一章、流体流动1.复习提要2.典型例题分析3.复习题第二章、流体输送机械1.复习提要2.典型例题分析3.复习题第三章、非均相混合物的分离1.复习提要2.典型例题分析4.复习题第四章、传热1.复习提要2.典型例题分析3.复习题第六章、吸收1.复习提要2.典型例题分析3.复习题本章重点掌握流体静力学基本方程、机械能衡算式及其应用、阻力计算。3第一章流体流动I复习提要一、流体的基本物性（一）流体的密度与比容1.气体密度的确定：=f（P、T）（1）纯气体密度的确定：①查手册。②计算：RTPM，P为绝压，单位KPa（2）混合气体密度的确定：①___mPMRT，P为绝压，单位KPa，__M为平均摩尔质量，__iiMMy，iy表示组分的摩尔分数②1inmiiiy（i=1，2，3…n）2.液体密度的确定：=f（T）（1）液体密度：液体的密度随压强变化很小，常忽略其影响；因此，称液体为不可压缩流体。液体随温度的增加，一般减小，可查手册。（2）混合液体密度的确定：设混合液为理想溶液则：11iniimi（i--为纯组分的质量分数）3.比容、比重（也称相对密度）与密度的关系（1）密度的倒数称为比容。1（2）比重是指某液体的密度与4℃水的密度之比。1000（二）流体的粘性（1）流体的特点：流体内部存在着内聚力，与固体之间存在着附着力，流动时具有粘性。（2）内摩擦力：作用于运动着的流体内部相邻平行流动层间、方向相反、大小相等的相互作用力，称为内摩擦力或粘滞力。4（3）粘性的表示方法：动力粘度：单位：1cp=1mPa·s=0.01P=0.001Pas运动粘度：单位2/ms恩氏粘度00E：200ml试液在测定温度下，从恩氏粘度计中流出所需时间与同量蒸馏水在20℃时流经的时间0的比值。（4）影响粘度的因素及粘度的意义：当温度升高时气体的粘度增大，液体的粘度减小。流体具有粘度，流体流动时层与层之间产生内摩擦力，流体要想以一定的速度向前流动，必须克服内摩擦力消耗能量，这就是流体在运动时产生阻力损失的原因之一。（5）牛顿粘性定律实验证明，在定常层流条件下内摩擦力：F=dyduA[N]剪应力：FA2/Nm满足上述关系的流体称为牛顿型流体，否则称为非牛顿型流体。（三）流体的压缩性与膨胀性1.压缩性：当温度一定时，如果流体的体积随压强的变化率为零，则该流体为不可压缩性流体。否则为可压缩流体如气体。2.膨胀性：在恒压下，流体体积随温度的相对变化率，称流体的膨胀性。流体的热膨胀性可用体积热膨胀系数表示1()PVVT，对理想气体：1T二、流体的压强1.单位：1atm=1.01×105Pa=0.1MPa=10.33mH2O=760mmHg2.表示方法：5①绝压---表示流体的实际压强②相对压强---实际压强与大气压相比，高出大气压的值称为表压。低出大气压的值称为真空度。3.表压、绝压、真空度的关系：表压=绝压-大气压，真空度=大气压-绝压三、流体的静力学基本方程1.流体静压力：静止流体内部任一点的压力，称为该处的流体静压力。2.流体静压力的特点①若通过该点指定一作用平面，则压力的方向垂直于此面。②从各个方向作用于某一点上的流体静压力相等。③在重力场中，同一水平面上各点的流体静压力相等，但随位置高低而变。3.流体静力学方程的推导：根据静止流体的受力平衡，可得静止流体内部某一水平面上的压力与其位置及流体的密度关系式：P2=P1+gh注意：h表示同一种流体的垂直高度。4.等压面的选取：静止的、连通的、处在同一水平面上的同一种流体的各点静压力相等。5.流体静力学基本方程的应用①表压强和压强差的测定------液柱压差计A、普通的U型管压差计：适用于一般压差或压强的测定。B、起放大作用的压差计：倾斜的U型管、倒U型、双液体微差计。适用于压差较小时的测定。C、复式压差计：相当于两个或多个普通U型管压差计的串联，适用于压差较大时的测定。注意：在测定管子某两截面压强差时，管子必须水平放置，否则压差计上的读数不等于压差。②液位的测定：6③液封高度的确定；四、连续性方程（一）流量与流速1.流量：质量流量Ws---单位时间内流经通道某一截面的流体质量kg/s体积流量Vs---单位时间内流经通道某一截面的流体体积，单位m3/sWs=Vs2.流速：平均流速u—单位时间内流体在流动方向上流过的距离。u=Vs/A质量流速Gs—单位时间内流体流经通道单位径向截面积的质量。Gs=Ws/A3.流量、流速的关系：Ws=Vs=uA=24sduGA（二）流体定常流动过程的物料衡算——连续性方程1.定常流动：流体在管内流动时，任一截面上的流速、密度、压强等物理参数不随时间而变的流动称为定常流动。2.连续性方程：在定常条件下，流体通过任一截面的质量流量都相等。Ws1=Ws2=Ws3=常数（uA）1=（uA）2=（uA）3对不可压缩流体在圆形管中作连续性定常流动时，有21222211uAduAd以上各式均称为连续性方程。注意：对定常流动系统中不可压缩流体，任一截面上的流速，只和该截面积有关。五、柏努利方程与机械能衡算方程（一）柏努利方程1.理想流体：无粘性流体（0）称为理想流体。理想流体在流动过程中没有机械能损失。2.柏努利方程：1221221222upupgzgz=常数3.柏努利方程中的几个注意问题（1）适用条件：不可压缩的理想流体，从截面1→截面2没有其他外力作用和7外加能量，作定常流动的系统。方程中各项的单位均为J/Kg（2）方程表明：定常流动系统中任一截面上，总机械能恒为常数，在一定条件下，不同形式的机械能可以相互转换。（3）若系统处于静止状态，则u1=u2=0，方程变为：1212ppgzgz——流体静力学基本方程。（4）对可压缩流体，若两截面上绝压变化（P1－P2）/P1×100%20%，则柏努利方程仍可用，但式中要用ρm=（ρ1+ρ2）/2来代替ρ。（5）若以单位重量流体为基准，方程为：22upZgg=常数[m]若以单位体积流体为基准，方程为：22ugzp常数[Pa]方程中压强可用不同表示方法，但方程两端压强的表示方法必须一致。（二）实际流体的机械能恒算式1、实际流体都具有粘性，在流动过程中，要消耗部分机械能，称为阻力损失∑hf[J/kg]。为保证流体定常流动，外界要向流体输入一定机械能We[J/kg]。对实际不可压缩流体，有1221221222fupupgzWegzh[J/kg]1221221222feuhWpupzzgggggg[J/N]1222112222fuugzpWegzph[J/m3]上式为扩展了的柏努利方程。习称柏努利方程。2、机械能恒算式的应用机械能恒算式的应用是本章的重点，应多作各类习题，以熟练掌握其概念和解题方法，应用机械能恒算式解题步骤见教材第36页。根据机械能恒算式可得出柏努利方程和流体静力学方程。六、实际流体的流动现象（一）流体的流动类型雷诺实验表明，在流体流动中存在着截然不同的两种流动形态，即层流和湍流。81．层流：流体质点沿轴方向作直线运动，即分层流动；质点间不发生宏观混合；流体的摩擦力遵循牛顿粘性定理；流体内的动量、热量、质量传递靠分子运动来进行。2.湍流：流体质点总体上沿管轴方向流动，同时还在各个方向上作剧烈的随机运动，流体的内摩擦力不服从牛顿粘性定理；流体内的动量、热量、质量传递是通过质点和分子的随机运动共同完成的。质点随机运动强化传热过程。（二）流动类型的判断条件Redu=2uud，雷诺数等于惯性力2u与粘性力ud之比。当Re2000时，为层流。当Re4000时，为湍流。当Re=2000-4000时，可能是层流，也可能是湍流，依外界条件定，此区域称为过渡流。七、管内流动阻力（一）流动阻力分类：（1）直管阻力：流体通过等径直管时所产生的阻力损失。（2）局部阻力：流体通过管件、阀门、截面突然变化所引起的阻力损失。（二）阻力损失的直观表现—压强降在一水平等径直管上任取两截面列柏努利方程有：12ffpppgh上式表明，直管的阻力损失表现为压强降。即阻力损失是由流体的压强能提供的。（三）直管阻力的计算通式——范宁公式22fluhd[J/Kg]22ffluphd[Pa]922fluHdg[m]上面范宁公式的三种表达式，对层流和湍流均适用，可视情况选择。应用上式的关键是求λ。（四）摩擦系数λ的确定1.层流时摩擦系数：64eR将此式代入范宁公式，有2443232sfVllhudd由此式可得到两点结论：（1）层流时，阻力损失与流速或流量的一次方成正比。（2）层流时，阻力损失与管内径四次方成反比。2.湍流时的摩擦系数λ：由无因次分析法研究可得，湍流时摩擦系数(,),eRd可通过实验找出λ、Re和相对粗糙度d间的关系，较常用的是摩擦系数图，见教材图（1-34），该图可分为四个区域。（1）层流区，Re≤2000，64eR（2）过渡区，Re=2000-4000，λ一般按湍流查取。（3）湍流区，Re4000，一定d下，λ随Re增大而减小。Re一定时，λ随d的增加而增大。（4）完全湍流区，d一定时λ与Re无关，并为常数。由范宁公式：∑2225224sfVlulhdd由上式得到：A、完全湍流时，阻力损失与流速或流量的平方成正比又称阻力平方区。B、完全湍流时，阻力损失与管径的五次方成反比。（五）非圆形直管阻力的计算计算非圆形直管阻力时，仍可用范宁公式，但应将式中和Re中的圆管直径换成非圆管的当量直径de。10（六）局部阻力的计算当流体流过管路上的部件如管件、阀门、管子进出口、截面突然变化时，流动阻力显著增加，这类流动阻力统称为局部阻力。计算方法有：1.阻力系数法22fuh[J/Kg]式中称为局部阻力系数，其值由实验定。2.当量长度法el将流体的局部阻力损失折合成相当于流体流过直径相同的长度为Le的直管时所产生的阻力损失。22efLuhd[J/Kg]式中当量长度Le值由实验定。上两式中的u均采用较小截面处的流速。（七）流体在圆管内流动的总阻力计算管路系统的总阻力包括了所取两截面间全部直管阻力和局部阻力。1.当管路为等径管路时：∑2()2fluhd[J/Kg]22eflluhd[J/Kg]2.对不同直径的管段组成的管路，利用上两式分段计算，然后加和计算出总阻力。八、管路计算（一）管路特点1.简单管路特点由等径的或不同管径的管道组成的串联管路，特点是：（1）连续性方程成立。即111222uAuA（2）管路总阻力等于各段直管阻力与局部阻力之和。112.并联管路特点（1）主管的流量等于各并联支路流量之和。（2）各并联支路的阻力相等即123fffhhh，计算时任选一支管路即可。（3）各支路流量分配按123fffhhh自动进行。3.分支与汇合管路特点（1）主管流量等于各支管流量之和。（2）分支点或汇合点处的单位质量流体的总机械能为一定值。（3）因主管上分支点或汇合点后流量变化，主管的阻力损失必须分段计算。（二）简单管路计算内容1.设计型问题：对于给定的输送任务，选择适宜的管径，设计管路的走向，确定管路中需配置的管件和阀门等。2.操作型问题：对已有的管路系统，核算在给定条件下的输送能力等。九、流量测量（一）皮托管用来测量管路中某点速度的装置，与U型管压差计配合使用。所测流速为02()AgRuC注意：1.皮托管可测定管截面上的速度分布。2.皮托管安装时，测点前、后应保证一定直管长度（稳定段），稳定段长大于50倍管内径。3.皮托管外径0dd/50，可减少对流动的干扰，安装时管口必须垂直于流动方向。（二）孔板流量计用来测定管路中流体流量的装置，与U型管压差