化工原理上下册

化工原理主讲：赵海萍电子课件化工原理教程化工原理实验教学化工原理课程设计化工原理例题与习题化工原理试题库化工原理教程绪论第一章流体流动第二章流体输送机械第三章非均相物系分离第四章传热第五章蒸发操作第六章气体吸收第七章液体蒸馏第八章干燥绪论一、化工生产过程化工生产是将其原料经过化工手段加工生成产品的加工过程。化工生产过程，不论其生产规模大小，其核心是化学反应过程及其设备——反应器（发生化学变化的主要场所）。为了使生产过程得以有效的进行，反应器内必须保持一个比较适合的反应条件，如：一定的温度、压力和物料的组成等。因此，原料在进入反应器之前必须进行一定的处理，使其具备一定的温度、纯度和压力等（统称为前处理）。化学反应结束以后，为了得到一定纯度的产品，从反应器出来的混合物必须经过一定的处理，如：冷却、过滤、精制等（统称为后处理）。从上述可以看出：化工生产是将原料通过化学、物理的加工手段，加工成产品的过程。1、化学加工手段：也就是使原料在一定条件下发生化学反应，得到产物的加工手段。（化学工艺课程的范畴）2、物理加工手段：物料输送、提纯、混合、加热（冷却）等过程。（化工原理课程的范畴）。二、化工单元操作的概念上述的前后处理过程，绝大部分都是进行的是纯粹物理过程，但却是化工生产中所不能缺少的步骤，各种化工产品的生产过程中所涉及的各种物理变化过程均可归纳为若干个称之为化工原理单元操作。由于化工生产的多样性（包括产品、原料、过程的多样性），但是对物理加工的过程进行深入研究发现，物理加工主要包括三个大的方面：流体力学过程、传热过程和传质（物质传输过程）。即三大类单元操作。类别单元操作流体动力过程流体输送沉降过滤流态化传热过程加热冷却传质过程蒸发吸收蒸馏萃取干燥具体见下表：举例：电解食盐水生产NaOH的过程（略）。化工原理就是研究这些实现物理变化的单元操作的，研究化工单元操作不仅对化工生产有用，而且对石油、冶金、食品、制药等工业的生产都起到重要作用。三、本课程性质、任务和内容1、课程性质本课程属于工程技术基础课程。2、课程任务通过本课程的学习，掌握各单元操作的基本原理和有关典型设备的工艺尺寸的设计或选型，并熟悉其结构、性能。通过本课程的学习，培养学生从工程观点分析和处理有关化工单元操作中各种问题的能力，以使学生在生产实践中能对生产设备具备操作、管理和设计的能力。3、课程内容主要讨论三大类单元操作：A、流体动力过程B、传热过程C、传质过程根据操作方式，单元操作可以分为连续操作（定态操作）和间歇操作（非定态操作）两大类。四、四个基本概念1、物料衡算以物质守衡定律为基础，分析和计算一定衡算范围内进、出物料和组成之间的数量关系。进行物料衡算，首先定出衡算基准，一般以一定时间内的物料为基准（时间基准）。根据质量守恒定律，输入衡算范围的各段物流量必须等于输出衡算范围的各段物流量与积累于衡算范围的物料量之和。即:∑G1=∑G0+GA式中:∑G1——输入物料的总和;∑G0——输出物料的总和;GA——累积物料的总和。2、热量衡算以能量守衡定律为基础，分析和计算一定衡算范围内进、出能量和各项能量之间的数量关系。与物料衡算不同，除时间基准外，还要选定物流焓的基准态。物流焓的基准态包括：基准压强p0、基准温度t0、基准相态φ。∑Q1=∑Q0+QL∑Q1——随物料进入衡算范围的总热量（KJ或KW）;∑Q0——随物料流出衡算范围的总热量（KJ或KW）;QL——向衡算范围以外损失的总热量（KJ或KW）。3、平衡关系物系在自然发生变化时，其变化必然趋向一定方向，如任其发展，结果必然达到一定的平衡状态。在平衡状态下，物系的温度、组成、压强等均到了宏观的停止。在平衡状态被人为打破后，物系将从新趋向新的平衡。平衡状态是物系变化的极限，是实际操作所追求的理想条件。是我们推知单元操作能否进行和能进行到何中程度的依据，也是我们进行设备工艺尺寸设计的理论依据。4、过程速率物系处于非平衡状态，就必然发生使物系趋向于平衡的过程。但是以什么样的速度趋向于平衡，这并不决定于平衡关系。而是决定于多种因素。一般我们用过程速率来表示：过程速率=（过程推动力）/（过程阻力）对上述公式中的各因素对于不獤的过程有不同的理解。如：传热的过程推动力是温度差；过程阻力则主要是物质的传热能力。五、量纲一致性、单位一致性量纲就是物理量通过几个基本物理量的幂次方的乘积来表示的关系。根据物理规律建立的理论公式，公式中的每一个符号都代表一个物理量，此方程式中各项的量纲必须一致（即量纲一致性）。单位一致性就是要求公式中使用各个物理量的单位必须是同一套单位制中的单位（要求使用国际单位制中的各个基本单位）。§1流体流动处在液体和气体状态下的物体统称为流体。具有流动性、抗剪性和抗张能力很小，无固定形状，变形很容易。流体是有大量彼此之间有一定间隙的分子组成，是个进行着杂乱无章运动的体系。对一般工程问题我们不需要讨论单个分子的运动。而是将流体看成由无数个质点（或微团）所组成的一个连续介质。这就是我们所谓的连续性假设。实践证明，在绝大部分情况下是成立的。1.1流体的基本性质一、流体的密度单位体积的流体所具有的质量。表达式：式中：m－流体的质量（kg）Ｖ－流体的体积（m３）ρ－流体的密度（kg·m－３）Vm单位质量的流体所具有的体积称为比容。表达式：其单位为m３·kg－１，数值上等于密度的倒数。⑴、液体的密度液体的密度随体积变化很小，一般忽略不计。⑵、气体的密度理想气体的密度医科根据理想气体方程得出：⑶、混合物的密度液体混合物的平均密度：混合气体的密度：vNNvBBvAAwxxx....1vRTMmnRTpVRTpMVmNwNAwAmxx....1二、流体的粘度在外力的作用下，流体内部各层之间产生相对运动。有相对运动则就有相互作用力，该作用力起到“抗拒”相对运动的作用，此特性就是流体的粘性。衡量粘性大小的物理量是粘度，粘度越大，则流体的流动性就越差。1）、牛顿粘性定律如图所示：实验证明：F∝Syu引入比例系数μF=μμ就是流体的粘度。单位面积上的内摩擦力：τ=2）、流体的粘度根据上式可以看出：流体粘度的物理含义是：使流体产生单位速度梯度所需要的内摩擦力（剪应力）。单位：Pa·S（SI制）1厘泊（CP）=10－2泊（P）=10-3Pa·s运动粘度的概念一般使用的是动力粘度。SyudyduμSFuv1.2流体静力学流体静力学主要是研究流体在外力（重力和压力）的作用下，流体处于平衡状态的规律。垂直作用于单位面积上的压力称为流体的静压强，简称为压强。表达式：式中：p－流体的静电压（N·m－２即Pa）；P－垂直作用于流体表面的压力（N）；A－作用的面积（m２）。常用的压强单位一般还有atm（标准大气压）、mmHg（毫米汞柱）、at（工程大气压）等。1atm=760mmHg=10.33mH2O；1at=735.6mmHg=10mH2O。APp2、压强的表达基准1）、表压2）、绝对压强3）、真空度三者的关系如下图：二、流体静力学基本方程1、基本方程的推导如图所示：平面A的面积为A离液面的深度为Z外压为P0则A上的压强PA为：PA=P0+ρgZ具体推导过程略。2、基本方程的应用P=PA-P0=ρgZ三、基本方程的应用1、测量压强与压强差2、液位的测量3、液封高度的计算1.3管内流动的守恒原理流体流动是化工生产的普遍现象，它应当遵守质量守恒、机械能守恒原理。一、流量和流速1、流量单位时间内通过管道任一截面的流体的量为流体的流量。按照“量”的单位不同，可分为：体积流量和质量流量。体积流量：VS（m3/S或m3/h）质量流量：ws（kg/s或kg/h）VS·ρ=ws2、流速单位时间内流体在流动方向上通过的距离，为流速。用u表示。u·A=Vsu·A·ρ=ws[例题]：见课本P29二、质量守恒与连续性方程在流动系统中，若流体在各个截面上的流速、密度、压强等只随位置改变，而不随时间改变，则我们称为定态流动。流体在定态流动时，遵循连续性方程。2-21-1Ws1Ws2如上图所示：根据质量守恒定律，有：Ws1=Ws2而Ws1=u1·A1·ρ1Ws2=u2·A2·ρ2A1=d12·π/4A2=d22·π/4代入有：u1/u2=d22/d12，此式即为连续性方程。三、能量守恒与柏努利方程流体在做定态流动时，根据能量守恒定律，对任意截面进行能量衡算。1、定态流动时的总能量衡算A、内能物质内部能量的总和，用U表示。单位是:kJ/kgB、位能物体因受重力作用，在不同的高度所具有的能量。m.g.z(kJ/kg)C、动能物体因运动而具有的能量。m·u2/2D、静压能流体的静压强是推动流体流动的动力，即静压强对流体做功。p·Vs（kJ/kg）E、热流体温度变化，而带来的热能的变化，被加热则为为正，被冷却则为负。用Q来表示。（kJ/kg）F、功流体流动获得机械能为正（用We来表示）；流体损失机械能为负(用Hf表示)。2、定态流动时的机械能衡算和柏努利方程如前图：对1-1和2-2截面进行能量衡算。上式中：若物质的内能无变化，则U1=U2p·Vs=p·ws/ρ上式若以1kg流体为衡算对象，则有：3、关于柏努利方程的讨论见课本P36（略）4、柏努利方程的应用[例1]：见课本P37[例2]：见课本P38[例3]：见课本P39221211122222essfuuUmgzmWpVQUmgzmApVH2211221222efupupgzwgzh1.4流体流动现象一、流体流动类型1、雷诺实验1883年雷诺通过实验揭示了流体流动有两中不同的流动类型：层流和湍流。2、两种流动形态层流和湍流3、雷诺准数在雷诺实验中，还发现流体以何种流动形态流动，与管道直径d、流体密度ρ、流体粘度μ和流速u有关。将四个参数构成数群：式中Re为雷诺准数（简称雷诺数）。实验证明：Re≤2000为层流；2000≤Re≤4000为过渡流态；Re≥4000为湍流。duRe二、层流与湍流1、流体质点的区别层流时，流体的质点是沿着管轴进行规则平行分层运动、质点之间既不碰撞，也不相互混合。湍流时，流体的质点是作不规则的杂乱的运动、质点之间有碰撞，也相互混合，从而产生大大小小的旋涡。2、速度分布A、层流时的速度分布式中：u为平均流速umax为最大流速流速分布如图。5.0maxuu2、湍流时的速度分布湍流时的速度分布与Re数的大小有关。如图。的值与Re数有关。具体见课本P45页关联图。三、流体边界层板面附近流速变化大（存在较大的速度梯度）的区域称为流动边界层。从平板前缘开始一段长度内，边界层总是处于滞流状态，称为滞流边界层。maxuu1.5阻力损失流体在管道中流动，由于受到阻力的作用，必然要克服阻力而做功，对流体而言就是能量损失。根据阻力产生部位的不同，可以分为直管阻力和局部阻力。直管阻力是流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦力（即粘性力）而产生的阻力。局部阻力主要是由于体流经管路中管件、阀门及管截面形状和尺寸突然扩大和缩小等局部地方引起流体边界层分离造成的阻力。一、化工管路化工管路设计是化工设计的重点工作之一，而化工管路由两部分组成：直管和管件。1、直管（管子）直管有以下几种材料的：A、钢管（包括无缝钢管、有缝钢管）B、铸铁管C、有色金属管（包括铜管、铝管、铅管等）D、非金属材料管（包括陶瓷管、玻璃管、橡胶管、塑料管等）2、管件要将管子连接成管路，必须使用各种管件，是管路延长、转向或分（合流）等。A、改变管路流向的B、形成支路的C、改变管路直径的D、连接管路的E、控制流体流量的3、阀门A、截止阀B、闸阀C、节流阀D、止回阀E、旋塞（考克）二、流体在直管中的阻力损失计算流体的阻力损失包含了两项：hf和h’f。其中：hf为直管阻力损失。1、直管阻力计算的通式如图：所示为一水平直管内流体作定态流动。在1-1和2-2截面间进行衡算。因为管路中无局部阻力产生的管件。同时Z1=Z2；u1=u2则可以列出柏努利方程如下：可以简化成：