化工原理教案(山大)

1山大《化工原理》教案化学与化工学院王振芳张长桥陆维玮★每章编写概要：1、本章内容大串联:包括主要内容简介、重点难点提示、突出“三基”内容和工程观点。2、典型实例：密切结合生产实例,重在理论联系实际,拟补相关教材“重理论，轻实践”的不足；突出知识的灵活运用；考研题解。3、工程观点及概念补充练习题。★课程特点：化工原理是一门工程性、实用性很强的课程。在课程内容中，既有详细的过程分析，又有大刀阔斧的粗描概略，；既有详尽的理论分析，又有许多的经验总结。作为一门专业基础课，起着承前启后的作用，对于帮助学生建立基本的工程观点、培养专业的学习兴趣至关重要。化工原理也是化工类研究生入学考试的必考课，由于它讨论的各种单元操作也广泛地被应用于其它工业过程，同时也是制药、食品、冶金、纺织、材料等类专业的选考课。目前全国开设此课的院校有百多家，教材种类繁多，其中最有代表性的是华东理工大学、天津大学、谭天恩、清华大学等所编的教材。这些教材编写格局大致相同，局部内容有差异。因此同学在报考不同院校时，首先应注意选择教材，其次应熟悉各院校的出题思路。各院校的命题指导思想，命题原则是基本一致的。即：是否牢固地掌握了基础知识；是否具备定量计算能力；是否树立了工程观点具备理论联系实际的分析和解决问题的能力。无论升学考试还是专业学习，化工原理的教学目的是一致的。因此，教学中，我们十分强调学生能力的培养和工程观点的建立，在每一章后都补充相应的概念题，主要是把重要的工程观点和基本概念通过练习题书面化加强学生这方面的学习。另外在具体知识的讲解中，再三强调方法的重要性。通过具体知识的学习，将实验研究方法、因次理论下的实验研究方法、数学模型法介绍给学生。化工原理主要研究化工单元操作的基本原理、典型设备的设计及操作调节等，又称为化学工程基础或化工单元操作。化工生产中涉及到大大小小几十种单元操作，在有限的学时内，不可能一一介绍，那么对于一个新的单元操作应如何分析和掌握哪些内容呢？★如何着手分析某一单元操作?一、单元操作的目的是什么?二、单元操作的依据是什么?三、采取什么措施?四、典型设备的操作与调节五、过程的经济性单元操作从理论上分析，可归结为三大类：遵循动量传递规律、遵循热量传递规律、遵循质量传递规律。因此化工原理的重点内容为：流体流动及输送、传热、精馏、吸收、干燥等。这也是课程学习中需加深理解、重点掌握的内容。2目录第一、二章流体流动与输送-----------------------------------3主要内容-----------------------------------3典型实例-----------------------------------10概念题----------------------------------11第三章非均相物系的分离-----------------------------------13主要内容------------------------------------13典型实例------------------------------------15概念题------------------------------------16第四、五章传热-------------------------------------17主要内容-------------------------------------17典型实例------------------------------------25第六章精馏------------------------------------29主要内容------------------------------------29典型实例------------------------------------32练习题-------------------------------------34第七章吸收-------------------------------------35主要内容-------------------------------------35典型实例-------------------------------------38补充题-------------------------------------40第八章气液传质设备-------------------------------------41概念题-------------------------------------41第九章液液萃取-------------------------------------42主要内容--------------------------------------42第十章干燥-------------------------------------43主要内容-------------------------------------43典型例题-------------------------------------44概念题-------------------------------------47自学内容--------------------------------------48参考书--------------------------------------483第一章流体流动及输送主要内容流体流动及输送的问题可归结为两个方面：一、管路计算二、以泵为代表的输送设备的性能问题。综合起来，可看作一个由管路基本计算加上若干个问题组成的整体。一、管路计算基本方程1、连续性方程2、柏努利方程3、阻力计算式★特别提示：1、量一定时，流速的大小只与管径有关，流体不因有阻力损失而减速。流动过程中流体损失的不是动能，而是总势能（p/ρ+gz）。2、（1）流体静止时，静止的流体内部总势能守恒，静压能和位能可以相互转换。应用：U型管压差计测量流动流体的压差（p1+ρgz1）-(p2+ρgz2)=(ρHg-ρ)gRR值的大小反映了虚拟压强差，或即R值的大小与总势能降有关。（2）理想流体（无粘性流体）机械能守恒粘性----运动着的流体内部产生内摩擦的特性，是流体微观运动的宏观表现。粘性流体应用伯努力方程时，平均动能项用平均速度表示，需引进一动能校正系数a。高速湍流时，a=1（3）可压缩性流体21221dduu212222121122fehugzpWugzp22udllhef2211gzpgzpgRgzpgzpHg22112222auuTP4当压强变化小于20%时，用ρm代替ρ。（4）缓变的非定态（任意截面上的参数不仅随位置而异，也随时间变化）流动，可拟定态处理，列瞬间的柏努利方程。3．（1）流动类型滞流湍流Re2000Re4000τ=-μdu/dyτ=-(μ+e)du/dyur=umax[(1-(r/R)2)ur=umax[1-(r/R)2]nu=0.5umaxu=0.817umax(n=1/7)层流湍流的区别（1）有无径向速度脉动（2）速度分布不同（3）阻力形式不同（4）阻力系数与雷诺数的关系不同（2）流动边界层在固体壁面附近，存在较大速度梯度的流体层称为流动边界层。湍流边界层中紧靠壁面处仍有一滞流内层，Re值愈大，滞流内层厚度愈薄。边界层的脱体（分离）当流体绕过曲面时，边界层中的流体在流道减扩的过程中减速加压。此时在摩擦阻力损失消耗动能和在流动方向上逆压强梯度的阻碍的双重作用下，近壁处流体速度随离壁的近远依次降为零，在壁面和流体之间产生了空白区，称为边界层的脱体。倒流的流体产生大量漩涡，大大增加了机械能损失。该项损失称为形体阻力损失。4．直管阻力计算通式其关系曲线变化趋势图可划分为：1区为滞流区（又称一次方区）λ=f（Re）hf∝u2区：湍流区λ=f（Re，ε/d）hf∝un（1n2）3区：完全湍流区（阻力平方区）λ=f（ε/d）hf∝u2湍流摩擦系数λ由实验研究的方法确定过程分析确定影响因素ΔPf=Φ（d，l，u，ρ，μ，ε）因次分析得：线性化：22.021121mpppefRdluh64,322qkbfddudlKup2dqRkdlbKupeflglglglglg2dRfudlhef/,225在固定（ε/d）和（l/d）的条件下，将（Δpf/ρu2）和Re的实验值在对数坐标纸上进行标绘，若所得为一条直线，则证明待求函数可以用幂函数逼近，该直线的斜率为-k。同样可以确定b和k的值，常数K可由直线的截距求出。将所得公式与直管阻力计算通式进行比较，即可得到湍流时摩擦系数的经验关联式。非园管de=4rH=4（流通截面积/润湿周边长）5、局部阻力计算式局部阻力是摩擦阻力与形体阻力之和。主要源于流道的急剧变化促使边界层脱体，产生大量的漩涡，消耗了机械能。突然缩小管的阻力损失来自于缩脉处的突然扩大。两种估算方法:(1)局部阻力系数法:式中u为小管中的速度(2)当量长度法:6、阻力对管内流动的影响（难点）(1)简单管路（如图2）当阀门由全开转为半开时，局部阻力系数ζ增大，hfA-B增大，流速u减小，hf1-a减小，上游压强pA增大，hFb-2减小，下游压强pB减小。结论：1）、管路是一个整体，任何局部阻力系数的增加将使管内各处的流速下降。2）、下游阻力增大将使上游压强上升。3）、上游阻力增大将使下游压强下降。4）、在任何时刻，阻力损失表现为流体势能（以虚拟压强Р0表示）的降低。(2)分支管路（如图3）A阀关小，局部阻力系数ζA增大，阻力hf0-2增大，u2减小，Р0增大，u3增大，u0下降。关小阀门使所在支管的流量下降，与之平行的支管内流量上升，但总流量还是减小。★两种极端情况：1）.支管阻力为主：u0很小，Р0≈Р1且接近一常数。任意支管情况的改变不至影响其1,5.022ecfuh22udlhef6它支管的流量。2）.总管阻力为主：Р0与Р1或Р2相近，总管中的总流量将不因支管情况而变。阀A的启闭不影响总流量，仅改变各支管间的流量分配。(3)汇合管路（如图4）：阀门关小，u3下降，交汇点0虚拟压强Р0升高。此时u1、u2同时降低，但Р2Р1下降更快。当阀门关小到一定程度时，因Р0=Р2，致使u2=0；继续关小阀门则u2作反向流动。任一管段或局部的条件变化都将会破坏整个管路原有的能量平衡，并根据新的条件建立新的平衡。★柏努利方程转换为管路特性曲线方程（u1=u2，λ=常数）1）路状态参数B=f（λ，l，le，ζ，d），视其大小可分为高阻管路和低阻管路。2）K为终止与起始状态间单位重量流体所具有的总势能差，分三种情况：（1）高能位流向低能位K0（2）循环管路K=0（3）低能位流向高能位K0二、离心泵特性曲线1．离心泵基本方程式后弯叶片β2900,ctgβ20,B0QT=πD2b2Cr22.离心泵的特性曲线由实验测定H=A-B’Q2★问题：1）实验装置布置。2）需测定什么参数。3）实际操作中注意的问题。4）性能参数（H，η，N）随流量Q的变化趋势。最高效率点下对应的流量，称为额定流量。对应一组最佳工况参数。轴功率3.物性的改变对离心泵特性曲线的影响：1）密度ρ：压头、流量、效率与密度无关，轴功率随密度的增大而上升。2）粘度μ：压头、流量、效率随粘度的增大而下降，轴功率增大。4.离心泵的工作点——管路特性曲线与泵特性曲线的交点管路特性曲线方程He=K+BQe2泵特性曲线方程H=A-B’Q2eeeeBQKgAQdllzggpH2222TTTBQAQbDgctguguH222222102QHN7