化工原理高教版上册第一章01

1、化工原理课程安排化工原理课程安排教材：高等教育出版社教材：高等教育出版社2013.12, 2014.3化工原理化工原理(上册上册)齐鸣斋、熊丹柳、刘玉兰编齐鸣斋、熊丹柳、刘玉兰编化工原理化工原理(下册下册)齐鸣斋、熊丹柳、叶启亮编齐鸣斋、熊丹柳、叶启亮编参考书：高等教育出版社参考书：高等教育出版社2016化工原理学习指导化工原理学习指导 叶启亮、熊丹柳、刘玉兰编叶启亮、熊丹柳、刘玉兰编考试：闭卷书面笔试考试：闭卷书面笔试(第第18周周)，占成绩，占成绩70%。 平时成绩平时成绩(作业、点名作业、点名)占占30%。Office hour 答疑时间：每周二上午答疑时间：每周二上午9:0010:00

2、，答疑地点：本教室答疑地点：本教室SP1-107交作业：双周四课间交作业：双周四课间3 13 33 23 43 63 5绪绪 论论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2020世纪世纪2020年代提出年代提出单元操作单元操作第一次抽象第一次抽象主要有：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 传递过程传递过程本课程的主要内容和任务本课程的

3、主要内容和任务 内容：化工单元操作内容：化工单元操作 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4848学时，学习抓住重点、基本内容学时，学习抓住重点、基本内容推导过程不作要求，重在基本概念、计算应用推导过程不作要求，重在基本概念、计算应用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，连续介质无数质点，连续介质例如点压强的

4、考察例如点压强的考察 p (p (正压力正压力/ /面积面积) )第第1章章 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可能性：可能性：1mm1mm3 3常温常压气体含常温常压气体含2.52.510101515个分子，个分子， 分子平均自由程为分子平均自由程为0.1m0.1m量级量级连续性假定连续性假定-流体是由大量质点组成的，彼此流体是由大量质点组成的，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：用微积分目的：用微积分1.1.2 1

5、.1.2 考察方法考察方法-拉格朗日法和欧拉法拉格朗日法和欧拉法拉格朗日法拉格朗日法-选定流体质点选定流体质点欧拉法欧拉法-选定空间位置选定空间位置轨线与流线的区别轨线与流线的区别轨线是同一流体质点在不同时刻所占轨线是同一流体质点在不同时刻所占 空间位置的连线空间位置的连线流线是同一瞬时不同流体质点的速度方向连线流线是同一瞬时不同流体质点的速度方向连线化工原理较多采用欧拉法化工原理较多采用欧拉法控制体控制体是考察对象是考察对象定态流动：速度定态流动：速度u u、压强、压强p p等状态不随时间变化等状态不随时间变化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

6、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 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 流体密度流体密度单位体积的质量单位体积的质量，kg/m3气体密度计算气体密度计算标准状态下：标准状态下：换算：换算：1kmol气体气体=22.4标标m3TTpp000 1.2.4 流体黏性流体黏性物理本质物理本质-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

7、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(物性，温度物性，温度) t, 气气，液液理想流体理想流体: 假定假定=0 流体动力黏度流体动力黏度，Pas 1厘泊厘泊(cP) = 0.001 Pas = 1 mPas运动黏度运动黏度，m2/s 1斯托克斯斯托克斯(St)= 0.0001 m2/s 1.3 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)2(2mum )(mmgz p)(d

8、VpdAdl 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静止流体中任意界面上只受到大小相等静止流体中任意界面上只受到大小相等 方向相反的压力方向相反的压力作用于任意点所有不同方位的静压强在作用于任意点所有不同方位的静压强在 数值上相等数值上相等压强各向传递压强各向传递 2.1.2 2.1.2 静力学方程静力学方程常常数数 gzp 2211gzpgzp ghpzzgppaa )(212等高等压等高等压2.1.3 2.1.3 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

9、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 （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= =

10、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压力表2.4 2.4 静力学方程的工程应用静力学方程的工程应用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g

11、h 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，由此产生浮力物体上下所受压强不同，由此产生浮力取微元：取微元： 压差力压差力=(p2-p1)dA=ghdA=gdV排排任一物体都可分成无数细条，任一物体都可分成无数细条，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

12、用液封2.4.5 2.4.5 流向判别：流向判别： 接通后流向？接通后流向？判据是看判据是看z大小，还是大小，还是p大小？大小？同一水平高度比压强同一水平高度比压强p左左=pA+gzA=P PAp右右=pB+gzB=P PB2.5 单位换算单位换算SI单位，单位，cgs单位，工程单位单位，工程单位质量：质量：1kg=1000g长度：长度：1m=100cm=1000mm=106m时间：时间：1s=1000ms, 1h=60min=3600s力：力：1N=105dyn，1kg(f)=9.81N压强：压强：1at=1kg(f)/cm2=9.81104Pa密度密度：1000kg/m3=1g/cm3动力

13、黏度动力黏度 ：1P (泊泊)=1dyn s/cm21Pa s=1000mPa s=10P(泊泊)=1000cP(厘泊厘泊)运动黏度运动黏度= /：1m2/s=104cm2/s界面张力界面张力：1N/m=1000mN/m=1000dyn/cmU U形管指示的是什么？形管指示的是什么？P PA - P PB= pA - pB pC = pA+gR pC = pB+igRP PA - P PB=R(i -)g指示的是虚拟压差，只有等高时才是压差指示的是虚拟压差，只有等高时才是压差3 3 流体流动中的守恒原理流体流动中的守恒原理3.1 3.1 质量守恒质量守恒质量流量质量流量 qm=qV 平均流速平

14、均流速 定态，不可压缩流体定态，不可压缩流体 u1A1=u2A2 截面小流速大截面小流速大气体质量流速气体质量流速 不随温度压力变化不随温度压力变化AquV 3.2 3.2 机械能守衡机械能守衡3.2.13.2.1柏努利方程柏努利方程 , J/kg, J/kg柏努利方程的物理意义：三项机械能之和为常数柏努利方程的物理意义：三项机械能之和为常数或或 ， J/N=mJ/N=m 几何意义：位头、压头、速度头总高为常数几何意义：位头、压头、速度头总高为常数2222222111upgzupgz gugpzgugpz2222222111 柏努利方程的应用条件：柏努利方程的应用条件：1 1）重力场，定态流动

15、，不可压缩的）重力场，定态流动，不可压缩的 理想流体沿轨线理想流体沿轨线2 2）无外加机械能或机械能输出）无外加机械能或机械能输出3.2.2 3.2.2 推广到工程上可用形式：推广到工程上可用形式：沿流线沿流线-沿流管沿流管 截面处均匀流截面处均匀流 （没有加速度）（没有加速度） 截面处流速均匀分布截面处流速均匀分布平均速度平均速度速度分布引入速度分布引入理想流体理想流体粘性损失引入粘性损失引入hf加入能量加入能量引入引入he关于加速度：关于加速度：点点1 1有当地加速度、有迁移加速度有当地加速度、有迁移加速度点点2 2只有当地加速度只有当地加速度点点3 3有迁移加速度有迁移加速度点点4 4没

16、有加速度没有加速度均匀流段均匀流段均匀分布均匀分布得机械能衡算式：得机械能衡算式：3.2.3 3.2.3 应用时注意：应用时注意： u1A1=u2A2+u3A3应用时注意：应用时注意：3.2.4 3.2.4 工程应用：工程应用：(1)(1)测风量测风量由由1-11-1至至2-22-2排方程排方程 压差计：压差计：可得可得： 2222uppa gRppia 2 iagRppu2)(222 22uAqV (2)(2)虹吸虹吸 从从1-11-1至至2-22-2排方程排方程222upgHpaa gHu22 (3)(3)马利奥特容器马利奥特容器 求水面在求水面在a-aa-a面以上面以上时的放水速度时的放水速度由由a-aa-a面至出口小孔面至出口小孔截面截面2-22-2排方程排方程这时的流动条件是定态的这时的流动条件是定态的实际实际: :22upgzpaaa agzu2 agzCu20 马里奥特容器马里奥特容器 盐水瓶盐水瓶 饮水机饮水机应用伯努利方程时所应注意的问题：应用伯努利方程时所应注意的问题：1 1看是否符合应用条件（连续流，满流）看