化工原理总复习2011.ppt.Convertor

1、化工原理总复习题型及分值：1、单选题（25分）2、填空题（25分）3、简答题（20分）4、计算题（30分）绪论第1章：流体流动 第2章：流体输送机械 第3章：沉降与过滤 第4章：传热 其他学习要求绪论掌握单元操作的含义，特点第1章：流体流动1、熟悉流体的概念和分类方法；掌握流体静力学基本方程及应用；熟悉压强的表示方法，掌握绝对压强、表压、真空度 之间的关系，会绝对压强相对压强计算及不同压强单位换算，掌握等压面的条件。2、 熟悉流量和流速的换算，掌握流体连续性方程和伯努利方程及其应用，理解稳态流动 。3、 掌握两种流动类型及其判别，熟悉牛顿粘性定律及其物理意义，了解流体在圆形管内流动的速度分布情

2、况。4、掌握流体在管路中流动时流动阻力损失组成及直管阻力损失计算公式、局部阻力损失计算方法；熟悉摩擦系数的影响 因素，掌握水利半径和当量直径的定义。5、熟悉串联管路及并联管路总阻力损失与各分支路阻力损失之间关系。6、熟悉常用流量测量仪表，掌握孔板流量计原理及特点。第2章：流体输送机械1、掌握离心泵主要部件、工作原理、主要性能参数；掌握离心泵的气缚现象和气蚀现象；2、熟悉离心泵特性曲线及离心泵的工作点；3、会有效功率、轴功率、效率的计算。第3章：沉降与过滤1、 掌握重力沉降基本原理、沉降速度的定义；熟悉降尘室的主要性能；2、了解旋风分离器基本结构及性能；3、 掌握两种常用过滤方法。第4章：传热1

3、、掌握热量传递的三种基本方式；2、掌握傅里叶定律表达式及其各项含义3、掌握低黏度流体在圆形直管内作强制湍流时对流给热系数表达式；掌握蒸汽冷凝传热的两种方式；4、熟悉传热速率方程式并会应用，会传热面积传热平均温差等计算。5、 了解常用换热器的分类，熟悉常用间壁式换热器及其特点。了解吸收、精馏、干燥单元操作的基本原理及用途 绪论化工原理是为学习化工单元操作而编写的教材。化学工业中使用的各种物理加工过程，按物理过程的目的、原理和相态等，归纳为很多个基本操作过程，即单元操作。 物理操作共有操作第一章流体流动一、流体概述1、定义：气体和液体的统称。（包括特殊流体）2、分类：（1 ）按状态分为气体、液体等

4、；（2）按可压缩性分为不可压缩流体和可压缩流体；（3） 按是否可忽略分子之间作用力分为理想流体与粘性流体（或实际流体）；（4 ）按流变特性可分为牛顿型和非牛顿型流体；一、流体3、连续性假设：假定流体是由大量质点组成、彼此间没有间隙、完全充满所占空间，流体的物性及运动参数在空间作连续分布，从而可以使用连续函数的数学工具加以描述。第一章流体流动二、流体受力与流体静力学1、受力：体积力和表面力2、 静力学基本方程：ph = p0 +p gh等压面条件静止、连通同一流体同一水平面应用：U型管压差计1、流体的受力（1）体积力 即:场力（非接触力），如重力、静电力等。（2）表面力 即:由与流体表面相接触的

5、物质施加给该表面的作用力，大小正比于作用面积。压力：垂直作用于表面的力。（单位面积上的压力叫压强）剪切力：平行作用于表面的力。（单位面积上的剪切力叫做剪应力）表面张力：液体与不同流体相邻界面上存在的一种特殊作用力。二、流体受力与流体静力学U形管液柱压差计倒U形管压差计斜管液柱压差计微差液柱压差计（也称双液压差计）静压强（惯称压力）定 义：流体垂直作用于单位面积上的压力。 直接按压强定义：N/m2 , Pa （帕斯卡） 间接按流体柱表示：m H20柱，mm Hg柱 以大气压作为计量单位：标准大气压（atm），工程大气压（at）压强（1）定义（2）单位 1atm=1.0133 x 105 Pa =

6、760mmHg=10.33m H2O（3）压强单位的换算绝对压强一以绝对真空为基准测得的压强；真实压强相对压强一以当地大气压为基准测得的压强：表压和真空度当地大气压，表压强=绝对压强-大气压强当地大气压，真空度=大气压强-绝对压强一般为避免混淆，通常对表压、真空度等加以标注，如2000Pa （表压），10mmHg （真空度）等，还应指明当地大气压力。（4）压强的表示基准1、稳态流动：流体流动过程中任意点上的流速、压强等物理参数不随时间而改变。2、流量与流速：3、流型与雷诺数：雷诺实验发现的两种流型：层流与湍流流型判据一一雷诺准数流体流动小于2000层流，大于4000湍流连续性方程：对不可压缩流

7、体：对圆管：连续性方程伯努利方程：单位质量流体的机械能守恒方程。单位重量流体的机械能守恒方程。(1) 作图：先根据题意画岀流程示意图，标岀流动方向，并将主要数据列于图中。(2) 选取截面：实际是确定衡算范围。截面可以有许多，选取已知条件最多的截面，且所求未知数包含在衡算系统内, 是选取截面的原则。(3 )确定基准面：主要是计算截面处的相对位能。一般是选位能较底的那个截面为基准面，此时这个截面的位能为零。(4) 压强的单位要统一：要么都用表压，要么都用绝压。(5) 单位须统一：SI单位制。(6) 上游截面与下游截面的确定。柏努利方程更确切的表达式为：上游截面的三项能量 +从输送机械获得的能量=下

8、游截面的三项能量 +管道中的摩擦损失能量柏努利方程的应用注意事项伯努利方程牛顿粘性定律：两流体层之间单位面积上的内摩擦力或切向应力或剪应力与垂直于流动方向的速度梯度成正比(牛顿经 过大量的实验研究，于1686年提岀)即：一速度梯度卩一比例系数，也称动力粘度(简称粘度)单位：N.s/m2，即Pa s粘度的物理意义：在 du/dy=1时，单位面积上所产生的内摩擦力大小。符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体黏性不可压缩流体在圆管内流速分布：在圆形直管内作层流流动时：流速分布在圆形直管内作湍流流动时：截头抛物线1、直管阻力：层流时：湍流时：当量直径：阻力系数与当量长度法总阻力：直管阻力+局部阻力管路的

9、阻力损失2、局部阻力：摩擦系数曲线图(Friction factor chart )穆迪(Moody )图：以 Re和 /d为参数，在双对数坐标中标绘测定的摩擦系数值(1) 层流区(Rew 2000)入与Re为直线关系阻力损失与流速的一次方成正比Moddy图存在四个不同的区域：(2) 过渡区(2000Re 4000以及虚线以下的区域）入是Re和 /d的函数即：摩擦系数曲线图（Friction factor chart ）（4） 完全湍流区（阻力平方区）（虚线以上的区域）入与Re无关，只与 /d有关。 由阻力损失与流速的平方成正比。另外，对于光滑管（ /d t 0）,入只与Re有关。摩擦系数曲线

10、图（Friction factor chart ）简单管路并联管路管路的计算流量的测定测速管（皮托管，Pitot tube ）用途：测量导管中流体的点速度原理：由流体冲压能（动压能与静压能之和）与静压能之差检测流速。结构：为一同心套管，内管前端开口，外管前端圭封闭，距端头一定距离在外管壁上沿周向开有几个小孔。 测速管原理：通过改变流体在管道中的流通截面积而引起动能与静压能改变来检测流量。结构：其主要元件是在管道中插入的一块中心开圆孔的板。用U型管测量孔板前后的压力变化。流体流经孔板时因流道缩小，动能增加，且由于惯性作用从孔口流岀后继续收缩形成一最小截面（缩脉）2-2。该截面处流速最大因而静压相

11、应最低。孔板流量计优点：构造简单，制作、安装都方便，因而应用十分广泛。缺点：被测介质阻力损失大，原因在于：孔板的锐孔结构使流体流过时产生突然缩小和突然扩大的局部阻力损失。（改进：喷嘴、文丘里管）孔板流量计安装要求优缺点孔板流量计安装需保证：上、下游要各有一定长度直管距离，一般上游大于10d1，下游大于5d1。从转子的悬浮高度直接读取流量数值。结构与原理力的平衡原理。转子流量计垂直安装，且下进、上出，安装支路，以便于检修。安装要求优缺点优点：读数方便、直观，流动阻力很小，测量范围宽，测量精度较高，适用于腐蚀性流体的测量，不易发生故障。；缺点：玻璃管不能经受高温和高压，在安装使用过程中玻璃容易破碎

12、。1、根据输送介质性质（1）液体：泵Pumps（2）气体：通风机fans、鼓风机 blowers、压缩机 Compressors、真空泵 Vacuum pumps2、根据工作原理（1）动力式（叶轮式）：借助于高速旋转的叶轮使流体获得能量。包括离心式、轴流式输送机械（2）容积式（正位移式）：利用活塞或转子的挤压使流体升压以 获得能量。包括往复式、旋转式输送机械（3）流体动力作用式：依靠能量转换原理以实现输送流体任 务。如喷射泵。流体输送机械分类1. 离心泵的主要部件和工作原理 主要部件叶轮（Impeller，是离心泵的心脏部件）:作用是将原动机的机械能直接传给液体，以增加液体的静压能和动能（主要

13、增加静压能）。（开式、半开式、闭式）泵壳：泵体的外壳，包围叶轮的截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道。作用不仅汇集由叶轮甩岀的液体，同时又是一个能 量转换装置。叶轮被泵轴带动旋转，对位于叶片间的流体做功，流体受离心力的作用，由叶轮中心被抛向外围。当流体到达叶轮外 周时，流速很大，动能很高。泵壳汇集从各叶片间被抛岀的液体，这些液体在壳内顺着蜗壳形通道逐渐扩大的方向流动，使流体的动能转化为静压 能。所以泵壳的作用不仅在于汇集液体，它更是一个能量转换装置。1. 离心泵的主要部件和工作原理（2）工作原理液体自吸原理：叶轮高速旋转迫使叶轮中心的液体以很高的速度被抛开（加速减压），从而在叶轮中心形成低压（真空），

14、低位槽中的液体因此被源源不断地吸上。为防止气缚，离心泵启动前要用液体将泵壳内空间灌满，这一操作称为灌泵。为防止灌入泵壳内的液体因重力流入低 位槽内，在泵吸入管路的入口处装有止逆阀（底阀）；如果泵的位置低于槽内液面，则启动时无需灌泵。气缚现象：如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，因气体密度比液体的小得多而产生较小的离心力，则启动后叶 轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样贮槽液面上方与泵吸入口处之压力差不足以将贮槽内液体压入 泵内，即离心泵无自吸能力，使泵不能输送液体，这一现象称为气缚。1. 离心泵的主要部件和工作原理（3）气缚现象解决方法：可采用设置底阀、启动前灌泵、使泵的安装位置

15、低于吸入液面等措施。1）（叶轮）转速 n （r/min,rpm ） :1000 3000,常见 29002）流量qv（m3/s，m3/h）:单位时间内泵输送的液体体积3）（扬程）压头H （J/N, m ）：泵对单位重量（1N）流体做的功。5） 轴功率N （J/s，w）:单位时间原动机输入泵轴的能量。4）有效功率 Ne （J/s，w）：单位时间内液体从泵获得的能量。6） 效率：（）：泵轴通过叶轮传给液体能量时的损失，包括容积损失、机械损失、水力损失2. 离心泵的主要性能参数和特性曲线 （1 ）离心泵的主要性能参数描述压头、轴功率、效率与流量关系（Hqv、Nqv、一qv）的曲线。对实际流体，这些曲

16、线尚难以理论推导，而是由实验测定。2. 离心泵的主要性能参数和特性曲线（2）离心泵的特性曲线（1 ）离心泵的工作点离心泵的工作点：泵的特性曲线（HqV线）与管路特性曲线 （HLqV线）的交点（a点）。3. 离心泵的流量调节与组合操作HL qvH qv泵的特性 管路特性当泵叶片入口附近的最低压强等于或小于输送温度下液体饱和蒸汽压时pKW pv，部分液体将在该处汽化并产生的汽泡，被液流带入叶轮内压力较高处凝结或破裂。由于凝结点处产生瞬间真空，造成周围液体高速冲击该点，产生剧烈的 水击。（注意汽蚀现象与气缚现象的区别）噪声大、泵体振动，流量、压头、效率都明显下降。严重时，泵不能正常工作 原因 现象由

17、于冲击作用使泵产生噪音和震动，同时叶轮局部地方在巨大冲击力的反复作用下，材料表面疲劳，从点蚀到形成裂缝 或呈海绵状，受到破坏。泵轴震动强烈甚至断裂。为避免汽蚀现象，把离心泵安装在恰当的高度位置上，确保泵内压强最低点处的静压超过工作温度下被输送液体的饱和 蒸汽压。即须保证 pK pv。后果预防措施 汽蚀现象4. 离心泵的气蚀现象与安装高度（1 ）深层过滤一一又称澄清过滤条件：悬浮液含颗粒小，而含量少（液体中颗粒的体积1%）时，可用床层较厚的过滤介质进行过滤。由于dp介质孔隙直径，当悬浮颗粒进入床层细长而弯曲的孔道时，靠静电及分子力的作用而附在孔道壁上， 过滤介质床层上面没有滤饼形成。例如：自来水

18、净化及污水处理。过滤1、两种过滤方式（2 ）滤饼过滤条件：dp介质孔隙直径，床层上形成滤饼；dp介质孔隙直径，床层内有“架桥现象”；在滤饼层没有完全形成之前，部分颗粒会随滤液一起流走。在滤饼层形成成为有效的过滤介质后，得到澄清液。适用于颗粒含量较多（液体中颗粒的体积0.1%）时过滤1、两种过滤方式通过直接给悬浮液加压，迫使其穿过过滤介质来实现过滤的目的。其历史最久且已有超过100种以上的结构，最为常见的是板框式压滤机。过滤设备1、板框压滤机结构：由交替排列的滤板、滤框与夹于板框之间的滤布叠合组装压紧而成。板框数视工艺要求在机座长度范围内可灵活 调节。组装后，在板框的四角位置形成连通的流道，由机

19、头上的阀门控制悬浮液、滤液及洗液的进出。优点：结构简单紧凑，过滤面积大并可承受较高的压差。缺点：间歇式操作，所费的装、拆、清洗时间较长，劳动强度大，生产效率较低。板框式压滤机主要用于含固量较多的悬浮液过滤。过滤设备1、板框压滤机沉降沉降：利用固体颗粒与流体的密度差，使悬浮在流体中的固体颗粒借助于外场作用力产生定向运动，从而实现与流体相 分离，或者使颗粒相增稠、流体相澄清的一类单元操作。按外场力的不同，可分为重力沉降、离心沉降和电沉降。重力沉降重力沉降：利用流体中的固体颗粒受重力作用而自然沉降的原理，将颗粒和流体分离的过程。自由沉降：干扰沉降：颗粒密度大于流体密度的单一颗粒在流体中借助重力的沉降

20、，或者颗粒群充分地分散、颗粒间互不影响，不致引起相互 碰撞的沉降过程。流体中颗粒含量较大，由于颗粒的下沉和流体向上的相对运动，发生流体动力作用的相互影响，或颗粒间相互碰撞的沉 降过程。（1 ）加速阶段一一沉降开始时，颗粒初速度为零，颗粒受重力和浮力的作用，合力不为零，产生加速度。（2）匀速阶段 随着速度加快，阻力增加，当合力为零时，颗粒将发生匀速运动沉降速度ut。利用重力沉降分离含尘气体中的尘粒，是一种最原始的分离方法。一般作为预分离之用，分离粒径较大的尘粒。图最典型的水平流动型降尘室其中：L-降尘室长度；H-降尘室高度；B-降尘室宽度；qvs-含尘气体体积流量；ut-颗粒沉降速度； u-气体

21、流速，也即颗粒运动水平分速度重力沉降1、降尘室临界粒径dpc由于尘粒中，颗粒粒径不相同，故定义一种粒子，其停留时间=沉降时间，即可以 100%除去的最小粒径重力沉降1、降尘室表明：1. 大于dpc的尘粒能100%除去。2. 降尘室的处理能力只取决于降尘室的底面积，与高度H无关。重力沉降1、降尘室工业上降尘设备多为扁平形状或一室多板结构。同气速下，装有横向隔板的降沉室除尘效果更好。因为隔板间基本上保持了相同的流动速度，而颗粒达到隔板通道底部 的沉降距离更短。为便于清灰，可将隔板装成可翻动或倾斜式。重力沉降过程，小颗粒的沉降速度较小，一般设备体积庞大，但使用离心沉降则不然，因为离心力比重力大千、万

22、倍， 从而提高生产能力。依靠离心力的作用，使流体中颗粒产生沉降运动a是表示离心力大小的指标，离心设备分离性能的基本参数。离心分离因数（定义：同一颗粒离心力与重力之比）离心沉降离心沉降离心沉降分离设备：旋流（旋风或旋液）分离器和沉降离心机。旋流器：旋风和旋液分离器旋风分离器：用于气-固体系旋液分离器：用于液-固体系 旋风分离器用粒级效率来反映其分离能力3换热设备间壁式换热器列管式换热器其他1基本知识热传导 对流传热 传热2传热过程计算传热负荷传热温差总传热系数传热面积传热原因一一传热推动力（温度差）传热方向在无外功输入时，由热力学第二定律，热流方向由高温处向低温处流动。根据传热机理，可分三种基本

23、传热方式： 热传导对流传热热辐射传热的基本方式几个概念传热速率Q （又称热流量）：指单位时间内通过传热面的热量，单位W （J/s）。热流密度q （又称热通量）：指单位时间内通过单位传热面积的热量，单位W /m2二者关系：q=Q/A稳态传热一指传热系统中，各点温度仅随位置而变，而不随时间而变。特点：热量在过程中无积累， QJ/s为常量 非稳态传热一指传热系统中，各点温度随时间而变。 传热速率与热流密度稳态传热与非稳态传热-傅立叶定律（热传导基本定律）-牛顿冷却定律（对流传热基本定律） 主要公式流体在圆形直管内作强制湍流时的给热系数低粘度流体当流体被加热，n=0.4，被冷却n=0.3传热速率总传热

24、系数对数平均温差传热面积分别指换热器进、出口处的冷热两流体的温度差。传热过程的计算热负荷：生产上对物料加热（冷却）时所需提供（移除）的热量，即生产工艺需要的传热速率（传热任务）。设：Q 传热速率，W ；qm1、qm2 热、冷流体的质量流率，kg/s;Cp1、Cp2 热、冷流体的比热，J/（kg K）；T1、T2 热流体的进、岀口温度，C； t1、t2 冷流体的进、岀口温度，C； r 流体的汽化或冷凝潜热，kJ/kg。无相变：若忽略热损失，则热流体放岀的热量等于冷流体吸收的热量传热负荷-依据热量衡算1、逆流或并流时的传热温差逆流并流传热平均温度差并流 假定：1）在传热过程中，热损失忽略不计；2）

25、两流体的比热为常数，不随温度而变；3）总传热系数 K为常数，不沿传热表面变化。逆流1、逆流或并流时的传热温差（1）两侧流体变温的传热温差0若导热热阻很小，则若，则，若，则，总传热系数总是更接近数值较小的给热系数，欲提高K值，关键是提高较小的给热系数。总传热系数1、冷凝传热蒸汽是工业上最常用的热源。蒸汽在饱和温度下冷凝时，放岀汽化潜热。蒸汽具有一定的压力，饱和蒸汽的压力和温度具有一定的关系。1）冷凝方式（1）膜状冷凝：附着力 表面张力时，冷凝液体能润湿壁面，在壁面上铺展成膜。特点：蒸汽放岀的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面，液膜层为壁面与蒸汽间传热的主要热阻。因冷凝在整个壁面上发 生，若凝液籍重力

26、沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之越小，如果壁面足够高，壁下部液膜中会岀现凝液的湍 流流动，使给热系数复又增加。流体有相变时的对流传热1）冷凝方式（2）滴状冷凝：凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成小液滴，且不断成长变大，在下滚过程中合并成更大的液滴，使 壁重新暴露在蒸汽中。特点：滴状冷凝时没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的510倍甚至更高。实现滴状冷凝的方法：在壁面上涂一层油类物质；在蒸汽中混入油类或脂类物质；对管表面进行改性处理。滴状冷凝难于控制，因此工业上冷凝器的设计大多是按膜状冷凝考虑。流体有相变时的对流传热按传热特征分：间壁式：冷、热流体由固体间壁隔开，传热面积

27、固定，热量传递为-导热-对流的串联过程。混合式：通过冷、热两流体的直接混合来进行热量交换。蓄热式(蓄热器)：由热容量较大的蓄热室构成，使冷、热流体交替通过换热器的同一蓄热室。按用途分：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。按结构分：夹套式、浸没式、喷淋式、套管式和管壳式等。换热器1、夹套式换热器结构：夹套装在容器外部，在夹套和容器壁之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。优点：结构简单，加工方便。缺点：传热面积 A小，传热效率低。用途：广泛用于反应器的加热和冷却。为了提高传热效果，可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。2、沉浸式蛇管换热器结构：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容器所需要的形状，沉

28、浸在容器内，冷热流体在管内外进行换热。优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小。为了强化传热，容器内加搅拌。图7.29 蛇管的形状3、喷淋式换热器结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流岀，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。优点：结构简单、造价便宜，耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。用途：用于冷却或冷凝管内液体。图7.30喷淋式换热器4、套管式换热器结构：直径不同的金属管装配成的同心套管。可根据换热

29、要求串联使用。程数可依传热面积的大小而增减，并可数排并 列。冷、热流体一般呈逆流流动，平均传热温差大，并可达到较高的流速，形成湍流，具有较高的传热系数。优点：结构简单，能承受较高压力，应用灵活；缺点：结构不紧凑，耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积；用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。螺旋套管换热器工业上使用最广泛的一种换热设备。优点：单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温、高压和大型装置中采用更为普遍。5、列管式换热器(1)固定管板式换热器结构：管束与焊接在壳体的两端管板连接。在壳体内，沿管长方向装置有若干块折流挡板；优点：结构简单、紧凑、造价便宜；缺点：管外不能机械清洗，管板、管子和壳体都是刚性连接，当管壁和壳壁的温度相差较大时，会产生很大的热应力， 甚至将管子从管板上拉脱。解决方法补偿圈(或称膨胀节)。1管束2 补偿圈图7.32具有补偿圈的固定管板式换热器5、列管式换热器结构：管子弯制成 U型，U型管的两头固定在同一块管板上，与管板连接的封头内用隔板隔成两室。 优点：管子受热受冷可以