化工原理(流体流动1)

绪论化工原理课程是化工、制药、生物、环境、过程控制与装备的一门主干课程，是综合运用数学、物理、化学、计算技术等基础知识，分析和解决化工类型生产过程中各种物理操作问题的技术基础课。学习绪论，掌握五个方面的内容。一、化工生产过程与单元操作二、化工原理课程的研究方法三、化工原理课程学习的要求四、化工原理课程的五个重要基本概念五、化工常用量和单位一、化工生产过程与单元操作化工生产过程：用化工的手段将原料加工成产品的生产过程，称为化工生产过程。化化工产品成千上万，每种产品均有它自己特定的生产过程。由于原料、产品的多样性及生产过程的复杂性，形成了数以万计的化工生产工艺。例如：乙炔法制取聚氯乙烯的生产是以乙炔和氯化氢为原料进行加成反应以制取氯乙烯单体，然后单体在0.8MPa、55℃左右进行聚合反应获得聚氯乙烯。聚氯乙烯的工艺流程图见图1。C2H2(g)含有少量杂质聚氯乙烯化工生产过程流程示意图HCL单体合成加入成分（（（含有少量杂质H2O水洗碱液碱洗（除未反应的HCL）产品干燥高压聚合全凝器压缩冷凝精馏塔杂质水水液体氯乙烯（CH2=CHCL）（聚氯乙烯）（聚氯乙烯）反应釜（1）化工生产过程的步骤多；(2)各种不同的化工生产过程差别十分大。人们通过不断的探索、研究、实践、发现，各种各样复杂的化工生产过程可以抽象并归纳为这样一种过程框图。原料→前处理→化学反应→后处理→产品(1)化学反应为主的过程(每种产品特有的化学反应过程)(2)物理操作为主的过程化工过程中常用单元操作单元操作目的物态原理传递过程流体输送输送液或气输入机械能动量传递搅拌混合或分散气-液；液-液；输入机械能动量传递固-液过滤非均相混合物分离液-固；气-固尺度不同的截留动量传递沉降非均相混合物分离液-固；气-固密度差引起的沉降运动动量传递加热、冷却升温、降温改变相态气或液利用温度差而传入或移出热量热量传递蒸发溶剂与不挥发性溶质的分离液供热以气化溶剂热量传递气体吸收均相混合物分离气各组分在溶剂中溶解度的不同质量传递液体蒸馏均相混合物分离液各组分间挥发度的不同质量传递萃取均相混合物分离液各组分在溶剂中溶解度的不同质量传递干燥去湿固体供热汽化物料内的湿分热、质同时传递吸附均相混合物分离液或气各组分在吸附剂中的吸附能力质量传递不同.1.2.1.2.3人们这么做的目的有两个：对于任一复杂的化工生产过程，都可以认为是若干个单元操作通过某种适当的组合串联而成的过程。这样分类有利于将主要精力投入到单元研究中，不具体到某一个工艺上。单元操作的特点：均为物理反应的操作；化工过程虽差别大，但均由单元操作适当组合而成，是化工生产过程中的共有操作；基本原理一样，进行过程的设备往往是通用的。二、化工原理课程研究方法（1）实验研究方法（经验法）该方法一般用量纲分析和相似论为指导，依靠实验来确定过程变量之间的关系，通常用无量纲数群（或称准数群）构成的关系来表达。实验研究方法避免了数学方程的建立，是一种工程上通用的基本方法。（2）数学模型法（半经验半理论方法）该方法是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，作出某些合理简化，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，这是一种半经验半理论的方法。三、化工原理课程学习的要求（1）单元操作和设备选择的能力根据生产工艺要求和物性特性，合理地选择单元操作及设备。（2）工程设计能力学习进行工艺过程计算和设备设计，当缺乏现代数据时，要能够从资料中查取，或从生产现场查定或通过实验测取。学习利用计算机辅助设计。（3）操作和调节生产过程的能力学习如何操作和调节生产过程。在操作发生故障时，能够查找故障原因，提出排出故障的措施，了解优化生产过程的途径。（4）过程开发或科学研究的能力四、化工原理五个重要基本概念（1）物料衡算为了弄清化工生产过程中原料、成品以及损失的物料数量，必须要进行物料衡算。物料衡算质量守恒定律，即：AOIGGGIG输入物料的总和OG输出物料的总和AG累积的物料量注意：①无化学反应时，混合物中任何一组分服从此通式②当有化学反应时，它只适用于任一元素的衡算③若过程中累积的物料量为零，则OIGG基准选择的原则：（1）对于间歇操作，常用一次投料为基准。（２）对于连续操作，常用单位时间为基准。hkmol/例1:含有A、B、C、D四种组分各0.25（摩尔分率，下同）某混合液，以1000的流量送入精馏塔内分离，得到塔顶与塔釜两股产品。进料中全部A组分，96%B组分及4%C组分存在于塔顶产品中；全部D组分存在于塔釜产品中，试计算塔顶和塔釜产品的流量及其组成。解：依题意画出如本题附图所示的流程图。hkmol/hkmol/塔顶产品DDCDBDAxxx塔釜产品wWDWCWBxxxPCx25.025.025.025.0FDFCFBFAxxxx原料液F=1000Kmol/h25025.01000FADAFxDx24025.0100096.096.0FBDBFxDx1025.0100004.004.0FCDCFxDx50010240250)(DCDBDAxxxD在全塔范围内列各组分的衡算式，取h为衡算基准。组分A：上三式相加，得：1DCDBDAxxxhkmolD/5005.0500250DAx48.0500240DBx02.050010DCx因故由式（a）得：由式（b）得：由式（c）得：hkmolDFWWDF/5005001000WBDBFBWxDxFx在全塔范围内列总物料衡算，得：再在全塔范围内列组分B及C的衡算，得：WCDCFCWxDxFxWCWBxx50002.050025.0100050048.050025.01000或：由上二式分别解得：5.048.002.01)(148.002.0WCWBWDWCWBxxxxx（2）能量衡算能量衡算能量守恒定律机械能、热能、电能、磁能、化学能、原子能等统称为能量。各种能量之间可以相互转换，但在化工中往往不是能量间的转换问题，而是总能量衡算，有时甚至简化为热能或热量衡算。热量衡算的本质是焓的计算，对热量衡算：LOIQQQIQKWKJ/--------随物料进入系统的总能量，OQKWKJ/--------随物料离开系统的总能量，LQKWKJ/--------向系统周围散失的热量，上式也可写成：LOIQWHWH)()(kgskg/式中：W--------物料的质量或质量流量，或H--------物料的焓kgKJ/注意点：①热量衡算和物料衡算一样，要规定衡算基准和范围；②焓是相对值，要指明基准温度，习惯上选0℃为基准温度，规定0℃时液态物质的焓为零。（3）平衡关系化工过程中的每一单元操作或化学反应可称为过程，研究过程的规律，目的是使过程向有利于生产的方向进行。平衡关系，就是研究过程的方向和过程的极限（过程进行的最大限度）。平衡关系就是指在一定条件下，过程的变化达到了极限，即达到了平衡状态。例如，高温物体自动地向低温物体传热，直至两个物体的温度相等。宏观上热量不再进行传递，即达到了传热的平衡状态。（4）过程速率过程速率是指在单位时间内过程的变化，即表明过程进行的快慢。在化工生产中，过程进行的快慢远比过程的平衡更重要。过程速率=过程阻力过程推动力式中：过程推动力指的是直接导致过程进行的动力，例如温差等。过程阻力因素较多，与体系物性、过程性质、设备结构类型、操作条件都有关系。（5）经济效益经济效益也称为经济效果，一般指经济活动中，所取得的成果与劳动消耗之比，即经济效益=劳动消耗劳动成果式中，劳动成果是指最终的合格产品的价值；劳动消耗包含操作费用（人力、原材料、水电、维修等），设备折旧费用（设备的造价和使用年限折算）以及占用的固定资产和流动资金。五、化工常用量和单位（1）化工常用量量是指物理量，任何物理量都是用数字和单位联合表达的。物理量分为基本量和导出量（2）单位制和单位换算1、基本量与基本单位一般先选几个独立的物理量，如我们通常所说的长度、时间、质量等，并以使用方便为原则规定出它们的单位。这些物理量称为基本量，其单位称为基本单位。2、导出单位如速度、加速度的单位则根据其本身的物理意义，由相关的基本单位组合构成，这种单位称为导出单位。基本单位+导出单位=单位制化工原理课程采用国际单位制(简称SI制)。在国际单位制中，规定了7个基本单位：长度单位米（m）质量单位千克（kg）时间单位秒（s温度单位开尔文（K）物质的量单位摩尔（mol）电流强度单位安培（A）发光强度单位坎德拉（cd）两个辅助量：平面角单位弧度（rad）立体角单位球面度（sr）其他单位均由这7个基本单位导出。化工计算中常用前5个基本单位。在化工生产中，经常使用一些非SI的法定计量单位，如时间单位中的min(分)、h(小时)、d(日)、a(年)；温度单位还常使用℃(摄氏温度)，旋转速度用r／min(转／分)等。由于历史原因，年代久远一点的化工文献、手册、资料中的数据常常是一些非SI或非法定计量单位，如压力单位使用物理大气压(atm)、工程大气压(欢＞、巴(b3r)、毫米汞桂(mmH2)、毫米水拄(mmHzO)等。在化工原理使用的数据中，过去常用的非国际单位制有：工程单位制、厘米·克·秒制和米·千克·秒制。在工程单位制中(又称重力单位制)．选长度单位米、时间单位秒、力的单位千克作为基本单位，质量是导出单位。在厘米·克“秒制(简称cGs制，又称物理单位制)中，选长度单位厘米、质量单位克、时间单位秒作为基本单位，其他物理量的单位可以通过物理或力学的定律导出。在米‘千克”秒制中f简称MKs制)，选长度单位米、质量单位千克、时间单位秒作为基本单位，其他单位均由这三个基本单位导出。在化工计算中，计算前必须把不同的单位换算成统一的单位进行计算。第1章流体流动概述1.1流体的物理性质1.2流体静力学基本方程式1.3流体流动的基本方程1.4流体流动现象1.5流体在管内的流动阻力1.6管路计算1.7流量测量概述流体是一种物质，主要指气体和液体。化工生产中处理的物料多数是流体。连续介质在研究流体流动时，常将流体视为由无数流体微团组成的连续介质。所谓流体微团或流体质点是指这样的小块流体：它的大小与容器或管道相比是微不足道的，但是比起分子自由程长度却要大得多，它包含足够多的分子，能够用统计平均的方法来求出宏观的参数(如压力、温度)，从而可以观察这些参数的变化情况。连续性的假设首先意味着流体介质是由连续的液体质点组成的；其次还意味着质点运动过程的连续性。但是，高度真空下的气体．就不再视为连续性介质了。不可压缩性流体流体的体积如果不随压力及温度变化，这种流体称为不可压缩性流体。可压缩性流体如果流体的体积随压力及温度变化，则称为可压缩性流体。本章流体流动解决两个中心问题。1、确定流体输送所用的动力，并由此决定输送机械的大小和功率。2、测定流量的各种方法，来确保输送的可靠与正常。1.1流体的物理性质1.1.1流体的密度流体的密度：单位体积流体具有的质量。其表达式为当时，的极限值即为流体某点的密度。通常用的是平均密度。------流体的质量，------流体的体积，流体的密度一般可在物理化学手册或有关资料中查得。实际上，某状态下理想气体的密度可按下式进行计算：Vm0VVmVm3/mkgmkgV3m或RTpM004.22TppMTMkmolkg/)/(10315.83KkmolJ式中：-----气体的摩尔质量；R------气体常数，其值为下标“0”表示标准状态。对于液体混合物，各组分的组成常用质量分数表示。现以混合液体为基准，若各组分在混合前后其体积不变，则混合物的体积等于各组分单独存在时的体积之和，即式中--------液体混合物中各纯组分的密度，；-------液体混合物中各组分的质量分数。对于气体混合物，各组分的组成常用体积分数来表示。现以混合气体为