化工原理第一章绪论

1、化工原理化工原理齐鸣斋齐鸣斋华东理工大学华东理工大学绪绪 论论 自然科学自然科学工程科学工程科学 例如：物理课中，炮弹运动轨迹的解析解例如：物理课中，炮弹运动轨迹的解析解一、本课程的产生和发展一、本课程的产生和发展 最早对象：化学工艺学最早对象：化学工艺学如聚氯乙烯生产：如聚氯乙烯生产： 温度温度, ,压力压力, ,催化剂催化剂 chch+hclch2=chcl-ch2-chcln- 单体单体 聚合物聚合物 副反应副反应 chcl-chcl 取走反应热取走反应热2020世纪初世纪初(1900)(1900)：各行各业互不相关：各行各业互不相关二十年代提出二十年代提出单元操作单元操作第一次抽象第一

2、次抽象主要有：主要有：流体输送流体输送, ,搅拌搅拌, ,过滤过滤, ,沉降沉降, ,流态化流态化 动量传递动量传递换热，蒸发换热，蒸发 热量传递热量传递吸收，精馏，萃取，干燥吸收，精馏，萃取，干燥结晶，吸附，膜分离结晶，吸附，膜分离 质量传递质量传递第二次抽象第二次抽象 传递过程传递过程二、本课程的主要内容和任务二、本课程的主要内容和任务 内容：化工单元操作内容：化工单元操作( (以传递过程为主线以传递过程为主线) ) 任务：认识过程和设备的规律任务：认识过程和设备的规律 应用于化工设计应用于化工设计, ,生产调节生产调节, ,优化操作优化操作1 1选择选择合理的过程合理的过程, ,设备设备

3、2 2强化强化化工过程化工过程, ,设备设备3 3将实验室成果将实验室成果放大放大到工业规模到工业规模4 4发展发展新技术新技术, ,新设备新设备三、基本的研究方法三、基本的研究方法1 1数学分析法数学分析法2. 2. 量纲分析实验研究法量纲分析实验研究法3. 3. 数学模型法数学模型法 要能要能“由小见大由小见大”，“由此及彼由此及彼” 以前：简单问题以前：简单问题, ,严格处理严格处理 现在：复杂问题现在：复杂问题, ,简化处理简化处理4. 4. 工程问题处理方法工程问题处理方法四、若干工程观点四、若干工程观点1 1衡算观点：衡算观点： 输入输入+ +生成生成= =输出输出+ +积累积累2

4、. 2. 平衡观点：热力学平衡指四大平衡平衡观点：热力学平衡指四大平衡 力平衡：高压力平衡：高压-低压，极限低压，极限p p相等相等 热平衡：高温热平衡：高温-低温，极限低温，极限t相等相等 相平衡：高逸度相相平衡：高逸度相-低逸度相，极限低逸度相，极限f相等相等 化学平衡：化学反应工程研究，此略化学平衡：化学反应工程研究，此略 3.3.速率观点：速率观点：1 1 概述概述1.1 1.1 流体流动的考察方法流体流动的考察方法1.1.1 1.1.1 连续性假定连续性假定 固体力学：考察对象固体力学：考察对象-单个固体，离散介质单个固体，离散介质 流体力学：考察对象流体力学：考察对象-无数质点，连

5、续介质无数质点，连续介质例如点压强的考察例如点压强的考察 p (p (正压力正压力/ /面积面积) )第一章第一章 流体流动流体流动质点质点-含有大量分子的流体微团，其尺寸含有大量分子的流体微团，其尺寸 远小于设备尺远小于设备尺寸、远大于分子平均自由程寸、远大于分子平均自由程连续性假定连续性假定-流体是由无数质点组成的，彼此流体是由无数质点组成的，彼此 间没有间隙，完全充满所占空间的连续介质间没有间隙，完全充满所占空间的连续介质目的：可用微积分目的：可用微积分1.1.2 1.1.2 考察方法考察方法拉格朗日法拉格朗日法-选定质点，跟踪观察描述参数选定质点，跟踪观察描述参数 欧拉法欧拉法-选定空

6、间位置，考察流体运动参数选定空间位置，考察流体运动参数 轨线与流线的区别轨线与流线的区别 同一流体质点在不同时刻所占空间位置的连线同一流体质点在不同时刻所占空间位置的连线 同一瞬时不同流体质点的速度方向连线同一瞬时不同流体质点的速度方向连线系统系统与与控制体控制体的区别的区别1.2 1.2 流体受力流体受力1.2.1 1.2.1 体积力：作用于体积中的各个部位，体积力：作用于体积中的各个部位， 力的大小与体积（质量）有关。力的大小与体积（质量）有关。 如：重力，惯性力，离心力如：重力，惯性力，离心力1.2.2 1.2.2 表面力：表面力： 分解成分解成-垂直于作用面垂直于作用面-压力压力 p

7、p - -平行于作用面平行于作用面-剪切力剪切力1.2.3 1.2.3 流体黏性流体黏性黏性的物理本质黏性的物理本质- 分子间引力和分子热运动、碰撞分子间引力和分子热运动、碰撞牛顿黏性定律牛顿黏性定律表明流体受剪切力必运动表明流体受剪切力必运动 牛顿型流体与非牛顿型流体的区别牛顿型流体与非牛顿型流体的区别 =f(=f(物性，温度物性，温度) t, ) t, 气气，液液理想流体理想流体: : 假定假定=0=01.3 1.3 流体流动的机械能流体流动的机械能 为单位质量流体的动能为单位质量流体的动能 gz 为单位质量流体的位能为单位质量流体的位能 为单位质量流体的压强能为单位质量流体的压强能22u

8、)2(2mum )(mmgz p)(dvpdadl 2 2 流体静力学流体静力学2.1 2.1 静止流体的压强分布静止流体的压强分布2.1.1 2.1.1 静压强的特性静压强的特性任意界面上只受到大小相等方向相反的压力任意界面上只受到大小相等方向相反的压力作用于任意点不同方位的静压强数值相等作用于任意点不同方位的静压强数值相等压强各向传递压强各向传递 2.1.2 2.1.2 取控制体作力衡算取控制体作力衡算 , ,同样同样 , ,2.1.3 结合本过程特点解微分方程结合本过程特点解微分方程重力场得重力场得 x=0, y=0, z=-g因因 , , ,则则积分得积分得 p+gz=常数常数 或或等

9、高等压，等压面等高等压，等压面01 zpz 01 xpx 01 ypy 0 xp0 yp01 dzdpg 2211gzpgzp ghpzzgppaa )(212分析方法（数学分析法）分析方法（数学分析法）取控制体取控制体作力衡算作力衡算结合本过程的特点，解微分方程结合本过程的特点，解微分方程2.1.4 2.1.4 静力学方程应用条件静力学方程应用条件同种流体且不可压缩同种流体且不可压缩( (气体高差不大时仍可用气体高差不大时仍可用) )静止静止( (或等速直线流动的横截面或等速直线流动的横截面-均匀流均匀流) )重力场重力场单连通单连通2.2 2.2 流体的总势能流体的总势能 总势能总势能 （

10、压强能与位能之和）（压强能与位能之和） 虚拟压强虚拟压强2.3 2.3 压强的表示方法压强的表示方法2.3.1 2.3.1 单位单位：n/m2=pa 106pa=1mpa 流体柱高度流体柱高度 ( p=gh ) 1 atm=1.013105pa=760mmhg=10.33mh2o 1 bar=105pa 1 at=1kg(f)/cm2=9.81104pa2.3.2 2.3.2 基准基准 表压表压= =绝对压绝对压- -大气压大气压 真空度真空度= =大气压大气压- -绝对压绝对压压力表读数压力表读数表压；真空表读数表压；真空表读数真空度真空度压力表压力表2.4 2.4 静力学方程的工程应用静力

11、学方程的工程应用2.4.1 2.4.1 测压：测压：已知：已知：r=180mm, h=500mm求：求：pa=? (绝压绝压)，(表压表压) 解：解：pb=pa+汞汞gr pb=pa+水水gh pa=pa+汞汞gr-水水gh =1.013105+136009.810.18-10009.810.5 =1.204105pa(绝压绝压)pa=1.204105-1.013105=1.91104pa(表压表压)2.4.2 2.4.2 烟囱拔烟：烟囱拔烟： pa=p2+冷冷gh pb=p2+热热gh 由于由于冷冷热热,则则papb 所以拔风所以拔风烟囱拔风的必要条件是什么？烟囱拔风的必要条件是什么？2.4.3 2.4.3 浮力的本质：浮力的本质：物体上下所受压强不同物体上下所受压强不同取微元：取微元： 压差力压差力= =(p2-p1)da=ghda=gdv排排 v排排=dv排排2.4.4 2.4.4 液封：液封：设备中压力要保持，液体要排出，须用液封设备中压力要保持，液体要排出，须用液封2.4.4 2.4.4 液封：液封：设备中