化工原理-教学课件

化工原理主讲：韩永霞辅导：杨敏参考书*教材*谭天恩等，《化工原理》*天大，姚玉英主编《化工原理》*南京化工，赵汝溥等编《化工原理》*清华《化工原理》*丛德滋等编《化工原理示例与练习》*姚玉英主编《化工原理例题与习题》*《化工原理》及《化学反应工程》公式例解测验*清华，周荣琪等编《化工原理学习指引》*TQ02H96《化工原理学习指导》TQ02-44H5《化工原理学习指导》TQ022.1H2《化工流体流动与传热》TQ0270《化工原理操作型问题的分析》）弯一下？2）泵—类型？结构？原理？修好？0-2化工过程与单元操作（1）化工生产过程“原料→化学反应器→（中间）产品”前处理后处理（2）单元操作*物料的输送*沉降*过滤*流态化*加热与冷却*蒸发*气体吸收*液体蒸馏*固体干燥*液液萃取*膜分离0-3《化工原理》课程（1）内容*基础理论——流体力学、传热学、传质学基础*若干典型单元操作（2）性质属技术基础课（3）作用*单元操作知识与有关的基础理论知识*掌握分析与解决工程问题的方法论0-4单位制与单位换算★(1)CGS制（物理单位制）厘米-克-秒制(2)MKS制（绝对单位制）米-千克-秒制(3)工程单位制米-公斤（力）-秒(4)SI制（国际单位制）以MKS制基础基本单位：长度——米（m)质量——千克(kg)时间——秒(s)温度——开尔文(k)物质的量——摩尔(mol)重要导出单位：力——F=ma；N压强——P=F/面积；N/m2Pa能量、功、热——F×距离；N.mJ功率——功/时间；J/sW比热——热/质量·温度；J/kg.K单位换算？单位换算换算因数：1in.=25.4mm14.251mmin1in.=25.4mminmm14.25114.251mmin1in.=25.4mminmm14.251换算因数？----彼此相等而各有不同单位的两个物理量之比。纯数1【例】已知1atm=1.033kgf/cm2,试将此压强换算为SI单位。解：1kgf=9.81N1m=100cm∴1atm=1.033kgf/cm2221100181.9033.1mcmkgfNcmkgf222110000181.9033.1mcmkgfNcmkgf=1.013×105N/m20-5物料衡算★——质量守恒原理的具体应用（1）确定控制体——即进行衡算的空间范围（2）确定衡算基准——1s或1h（3）列出衡算式mi-mo=ma对于连续生产：mi-mo=00-6能量衡算★机械能、热量、电能、化学能等统称为能量。依据--------能量守恒定律。重点——热量衡算衡算式：式中Qi——随物料进入控制体的热量，kJ或kW;Qo——随物料离开控制体的热量，kJ或kW;QL——向控制体周围散失的热量，kJ或kW。QLQoQi也可写成：式中W——物料的质量，kg或kg/s；H——物料的焓，kJ/kg。适用于间歇过程（kJ)、连续过程（kW)LoiQ(WH))(WH方法：（1）确定控制体（范围）（2）确定衡算基准由于焓是相对值，故应（3）指明基准温度，基准状态。通常以0°C、液态为基准。（4）列出衡算式[例]在换热器里将平均比热为3.56kJ/(kg.°C)的某溶液自25℃加热到80℃，溶液流量为1.0kg/s。加热介质为120℃的饱和水蒸汽，其耗量为0.095kg/s,蒸汽冷凝成同温度的饱和水排出。求此换热器的热损失占蒸汽供热的百分数。25°C溶液1.0kg/s80°C溶液1.0kg/s120°C饱和水蒸汽120°C饱和水解：由P3**附录查出120°C饱和水蒸汽的焓值为2708.9kJ/kg,120°C饱和水的焓值为503.67kJ/kg.基准：s控制体：25°C溶液1.0kg/s120°C饱和水蒸汽120°C饱和水80°C溶液1.0kg/sQ2Q1Q3Q4QL作热量衡算：随物料带入换热器的总热量：Qi=Q1+Q2其中：Q1=0.0952708.9=257.3kWQ2=13.56(25-0)=89kW∴Qi=257.3+89=346.3kW随物料带出换热器的总热量：Qo=Q3+Q4其中：Q3=0.095503.67=47.8kWQ4=13.56(80-0)=284.8kW∴Qo=47.8+284.8=332.6kW由Qi=Qo+QL∴QL=Qi-Qo=13.7kW∴热量损失百分数==6.54%%100*8.473.2577.13绪论小结•化工原理在学科体系的地位与作用•化工过程与单元操作•《化工原理》课程•单位制与单位换算•物料衡算•能量衡算第一章流体流动1.1概述1.1.1流体——气体和液体特性：（1）流动性（2）压缩性分类:(1)不可压缩流体：液体；（若P,t变化小，气体）(2)可压缩流体：实际流体，气体1.1.2几个物理名词(1)密度——kg/m3重度——kgf/m3,其数值同密度。比容——m3/kg,密度的倒数。(2)流量——有两种a.体积流量qv——m3/s,m3/h；b.质量流量qm——kg/s，kg/h；qm=qv(3)流速(u)——m/s1.1.3流体流动中的作用力(1)体积力(质量力)重力:G=mg=ρgV离心力:muT2/r=ρVuT2/r(2)表面力压力:表面的力压强:剪力://表面的力剪应力:1.1.4牛顿粘性定律实验性定律，是通过实验得出的江面流速分布示意图在圆管中流动的流体选相邻两薄圆筒流体（1，2）进行分析实验证明，对于一定流体，内摩擦力F′……...dyduAFdyduAF''dyduAF')(A——剪应力,N/m2；——速度梯度；——粘度或动力粘度。式（A）----牛顿粘性定律一句话，即流体内部所受的剪应力与速度梯度成正比。AF'dydu（1）流体分类：★牛顿型流体★非牛顿型流体非﹑﹑﹑﹑﹑有三种：①塑性流体②假塑性流体③涨塑性流体许多高分子溶液、涂料、泥浆等属于非牛顿型流体。（2）流体在圆管内的速度分布a.粘性流体（µ‡0）——实际流体b.理想流体（µ=0）（4）影响粘性的因素a.温度实验表明:t,g,l原因：气体粘性分子热运动液体粘性分子引力b.压强影响很小（5）粘度——衡量流体粘性大小的物理量单位？据牛顿粘性定律：1Pa.S=1000mPaS112msmdydumNSPa物理单位制中：1P（泊）=100cP（厘泊）1cP=10-3Pa.S=1mPa.S另：/=运动粘度（6）流体流动中的机械能位能：mgz,Jgz,J/kg动能：mu2/2,Ju2/2,J/kg压强能：mP/,JP/,J/kg实际流体粘性内摩擦力机械能损失输送机械做功1.2流体静力学弯一下？等问题1.2流体静力学研究静止或相对静止状态的流体……1.2.1流体静力学基本方程A任取1.2.1.1受力分析水平方向：相互抵消垂直方向：上端面的总压力:P1=p1A下端面的总压力:P2=p2A重力：G=Vg=g(Z1-Z2)AZ1Z2GP1P2P0∵液柱静止∴P1+G-P2=0p1A+g(Z1-Z2)A-p2A=0p1+g(Z1-Z2)-p2=0移项：p2=p1+g(Z1-Z2)（1）若液柱的上端面取在容器的液面，P0,液柱高h,则：p2=p0+gh将式（1）移项：p2+gZ2=p1+gZ1（2）式（2）/：——静力学基本方程)3....(..........2211gzpgzp∵液柱是任取的：∴对任意两点1和2：)3....(..........2211gzpgzp常数gZp2211gzpgzp12z2z11.2.1.2几个概念(1)等压面由式(3)(静力学基本方程):当Z1=Z2,1=2p1=p2即(相对)静止的,连续连通的同一种流体(1=2),同一水平面上的压强相等,这样的水平面称为等压面.换句话说,即静压强仅与垂直位置有关,而与水平位置无关..CBAABC(2)压强能与位能P/的单位:故称P/为压强能gZ的单位:故称gZ为位能kgJkgmNmkgmN.//32kgJkgmNgZMM.这说明：静止的流体具有位能和压强能，两项能量总和恒为常量。若位能小，则P/大；反之若gZ大，则P/***明位能和压强能可以相互转换，但总能量守恒。1.2.2压强（1）压强的表示方法A.以PaB.工程上以液柱高度mH2O柱,mmHg柱换算关系：1atm(标准大气压）=1.013105Pa=760mmHg=10.33mH2O1at(工程大气压）=1kgf/cm2=9.807104Pa=10mH2O(2)压强的基准A.绝对真空——绝对压强B.大气压表压（正压）压力表真空度（负压，吸力）真空表0Pa大气压PP1P2绝表真绝0Pa大气压PP1P2绝表真绝P表=P绝-Pa；P真=Pa-P绝；则P表=-P真；注意：P要同一基准。1.2.3流体静力学的应用1.2.3.1压强测量（1）U形管压差计指示液：水银；甘油；水；CCl4等指示液i被测流体取等压面ab(兼基准面)即Pa=Pb据静力学基本方程:Pa=P1+gZ1Pb=P2+g(Z2-R)+igRPa=P1+gZ1Pb=P2+g(Z2-R)+igR整理:(P1+gZ1)-(P2+gZ2)=(i-)gR(P1+gZ1)-(P2+gZ2)=(i-)gR“P1”-”P2”=(i-)gR虚拟压强差“P1”-”P2”=(i-)gR结论:U形压差计测得的读数R是两点的虚拟压强差.注意:(1)当管道水平,Z1=Z2,则P1-P2=(i-)gR压差(i-)越小……(2)指示液△测液体:用Hg或CCl4△测气体:水+染料且∵gi(水）故(i-)iP1-P2=igR(3)测任一处的压强一端通大气,P2=PaP1-Pa=(i-)gRP1表=(i-)gR(4)其它微差/倒U形/斜管…...1.2.3.2液位测量(1)玻璃管液面计(2)远距离测量液位P75,习题2小结:1.2流体静力学1.2.1流体静力学基本方程P1/+gZ1=P2/+gZ2等压面;总势能;虚拟压强1.2.2压强______表示方法基准1.2.3静力学应用__________（虚拟）压强（差）测量液位测量1.3流体流动中的守恒原理1.3.1质量守恒1.3.1.1概念(1)流量体积----:qv,m3/s,m3/h质量----：qm,kg/s,kg/h(2)流速平均----:m3/(m2s)=m/s质量----:kg/(m2s)uAAuAqAqGvmAquv(3)定态与非定态流动A.定态流动u,P,qvf()B.非定态流动u,P,qv=f()1.3.1.2质量守恒方程1122u1u2qm1qm2qm1=qm2∵qm=qv=uAu1A11=u2A22对不可压缩流体：不变：u1A1=u2A21221AAuu对圆管：24dA22221144dudu21221dduu1.3.2机械能守恒J/kg:位能：gz;压强能：P/;动能：u2/21.3.2.1理想流体的机械能守恒无粘性，在流动过程中无摩擦损失。1kg流体：对不可压缩流体：1=2=即：常数柏努利方程222221121122PugZPugZ1122u1u2Z1Z20022uPgZ1.3.2.2实际流体管流的机械能衡算（1）粘性流体（2）外加能量能(入)=能(出)1122u1,P1,Z1u2,P2,Z200ehugZP)2(2111fhugZP)2(2222校正系数工程上:1故:单位:J/kg2)2(