#学习指导：化工专业化工原理课程

1、化学工程和工艺专业化工原理课程学习指导课程教学内容结构层次、学时及知识点划分说明： 化工原理课程是化工专业的一门主要技术基础课程，该课程的性质就是使用物理学、 化学和数学等基础知识研究分析化工单元操作的原理及设备。 教学内容所涉及的知识广泛， 学习 内容多。因此，将教学内容进行结构层次划分，各层内容进行知识点划分，教学时数规划，有助 于教和学。带符号的为理论性较强的知识，带符号的为知识点。但要指出，在教和学中，均 应对于课程的整体进行系统性的掌握。绪论（ 2 学时）化工生产过程和单元操作、化学工程和化工原理等概念及关系；课程的性质和任务；课 程内容的常用研究方法；物料衡算和热量衡算；单位制和单

2、位换算。第1章 流体流动（ 14学时 ）第 1 讲：流体的考察方法、流体流动的考察方法。流体静力学：静压强的概念及其特性；流 体流动中机械能的概念；静压强在空间的分布（流体静力学方程式的导出）。第2讲：静压强的表示方法及测定方法。流体静力学方程式的使用。流体流动中的守恒原 理：质量守恒（连续性方程）、机械能守恒（流体动力学方程式的导出）。第3讲：机械能守恒式的基本使用。流体流动中的动量守恒。流体流动的内部结构： 流动型态；边界层的形成和脱离现象。第4讲：圆管内流体层流流动的数学描述（速度分布、剪应力的分布）。阻力损失的概念；流体层流流动时阻力损失的计算式（范宁公式） 。第5讲：圆直管内流体湍流

3、流动时阻力损失的实验研究方法。局部阻力损失的计算。第6讲：管路（包括串联管路、并联管路）的计算：设计型管路的计算；操作型管路的计 算（管路中阻力变化对流体流动的影响） ；举例。第7讲：流体流速和流量的测定：毕托管；孔板流量计；转子流量计。第 2章 流体输送机械（ 6 学时）第1讲：流体输送机械的分类。离心泵：构造、工作原理、性能参数、特性曲线。 管路的特性曲线。第2讲：离心泵的工作点；离心泵的串联操作；离心泵的并联操作。离心泵的汽蚀现 象；汽蚀余量的概念。第3讲：离心泵安装高度的计算。离心泵的选型参数；离心泵的操作。往复泵的性能 参数；往复泵的操作。离心式风机的选型参数。第 3 章液体搅拌（

4、2 学时）（选学）概述： 搅拌器的类型、 混合效果的度量、 搅拌器的两个功能。 几种常用搅拌器的性能、 强化湍动的措施。搅拌功率：搅拌器的混合效果和功率消耗、功率曲线、搅拌功率的分配、搅拌器放大时 可供选择的准则。第 4章流体通过颗粒层的流动（ 6学时） 第1讲：概述：工业上流体通过颗粒层的流动的实例。颗粒床层的特性：单颗粒的特性、床层 特性。流体通过固定床的压降：床层的简化物理模型、流体压降的数学模型。第2讲：过滤原理及设备：过滤原理、过滤设备及操作。过滤过程计算：过滤过程的数学描 述。第3讲：过滤的方式：恒压过滤、恒速过滤、先恒速后恒压的过滤。间歇过滤的滤液量和过 滤时间的关系、洗涤速率和

5、洗涤时间；间歇过滤最佳时间分配的问题。第4讲：连续过滤过程的计算。离心过滤设备介绍。加快过滤速率的途径。第 5章颗粒的沉降和固体流态化（ 6 学时）第1讲：概述：化工生产中颗粒的沉降和流态化的实例。颗粒的沉降运动：重力场中，静止 流体中颗粒的自由沉降速度、离心力场中，静止流体中颗粒的自由离心沉降速度。第2讲：沉降分离设备：重力降尘室（包括多层降尘室）的计算；重力降尘室的除尘效率。 旋风分离器的计算、旋风分离器的除尘效率。第3讲：固体流态化技术：流化床的基本概念、实际的流化现象、流化床的主要特性、流化 床的操作范围、流化质量。第 6 章传热（ 14 学时）第1讲：概述：化工生产中常见的传热操作方

6、式、载热体、传热速率、传热机理、牛顿 冷却定律。热传导：傅立叶定律和导热系数，通过单层平壁和多层平壁的定态导热过程、 通过单层圆筒壁的定态导热过程计算。第2讲：通过多层圆筒壁的定态导热过程计算。对流给热：对流给热过程分析、对流给 热过程的数学描述、无相变的对流给热系数的经验关联式。第 3 讲：沸腾给热及沸腾给热系数， 蒸汽冷凝给热及蒸汽冷凝给热系数、 影响蒸汽冷凝给 热的因素及强化给热的措施。第 4 讲：热辐射：单个物体的辐射和吸收特性（Stefan-Boltzmann 定律 , Kirchhoff 定律），黑体和灰体，两物体组成封闭系统中的辐射换热计算。第5讲：传热过程的计算：传热过程的数学

7、描述（传热总系数及传热平均温差的计算）、传热过程的基本方程式、换热器的设计型计算。第6讲：换热器的操作型问题，传热单元法。非定态传热过程的拟定态处理。 第7讲：换热器：间壁式换热器的类型、管壳式换热器的设计和选用、强化传热的措施、其它 类型的换热器简介第 7 章蒸发（ 2 学时）单效蒸发操作、 多效蒸发操作。 蒸汽的经济性及提高蒸汽的经济性的可行措施， 蒸发设 备的生产强度、真空蒸发、单效蒸发的计算。常用蒸发器、多效蒸发典型流程及特点。第 8 章气体吸收（ 12 学时）第1讲：概述： 工业吸收过程及吸收设备、 溶剂的选择、 吸收操作分类、 吸收操作的经济性。 气液相平衡：平衡溶解度、气液相平衡

8、曲线，相平衡和吸收过程的关系。第2讲：扩散和单相传质：费克定律、等分子反向扩散、单向扩散、分子扩散系数及 其影响因素。第3讲：对流传质：相内传质速率的表达式、传质分系数的无因次关联式，对流传质的 三种理论。 相际传质： 相际传质速率的表达式、 传质系数之间的关系， 传质阻力和界面含量。第 4 讲：低含量气体吸收： 低含量气体吸收的特点、 吸收过程的数学描述、 操作线方程式。 吸收剂用量的确定。填料层高度的表达式、传质单元高度和传质单元数的含义及形式。第5讲：传质单元数的计算方法，吸收塔的设计型计算。吸收塔的操作型计算；吸 收剂再循环的分析及使用； 吸收塔的最大吸收率。 低含量气体吸收板式吸收塔

9、理论板数的计 算。第6讲：解吸塔：低含量解吸塔的设计型计算。综合例题。第 9章液体精馏 （理论课 16学时） 第1讲：概述：蒸馏分离的依据、工业蒸馏过程、精馏操作的费用和操作压强。 双组分溶 液的汽液相平衡： 理想物系的汽液相平衡、 双组分理想物系的液相组成和泡点温度的关系式、 挥发度及相对挥发度的定义、 相平衡常数的定义、 汽液两相平衡组成之间的关系式， 双组分理想 物系的汽相组成和露点温度的关系式，非理想物系的汽液相平衡简介。第2讲：平衡蒸馏和简单蒸馏：平衡蒸馏过程的数学描述、平衡蒸馏过程的计算、简单蒸 馏过程的数学描述、简单蒸馏过程的计算，平衡蒸馏过程和简单蒸馏过程的比较。第3讲：精馏：

10、精馏原理和过程、全塔物料衡算、精馏过程数学描述的基本方法、单块 塔板的物料衡算、单块塔板的热量衡算和简化（恒摩尔流的导出） 、塔板传质过程的简化理 论板。第4讲：板效率、理论加料板的分析、加料的热状态参数、精馏塔内的摩尔流率、 精馏段操作线方程及图示、提馏段操作线方程及图示、进料线方程及图示。第 5 讲：双组分精馏的设计型计算： 精馏设计型计算的命题、 理论板数的求法和最优加料 位置的确定、全回流和最少理论板数、最小回流比、最适宜操作回流比的选择。第6讲：理论板数的捷算法、精馏操作的热量衡算、双组分连续精馏过程的其它类型（塔 釜加料的塔、提馏塔、水蒸气直接加热的塔）。第7讲：双组分精馏的操作型

11、计算：操作型计算的命题；回流比增加对精馏结果的影响、 进料组成及热状态变化对精馏结果的影响。 精馏塔的温度分布和灵敏板的概念。 平衡线为直线 时理论板数的分析计算。第 8 讲：间歇精馏：间歇精馏过程的特点、保持馏出液组成恒定的间歇精馏、回流比保持恒 定的间歇精馏。其它形式的精馏：水蒸气蒸馏、恒沸精馏、萃取精馏简介。第 10 章气液传质设备 （ 4 学时）第 1 讲：（首先观看板式塔的录像片）板式塔：板式塔结构、塔板上的气液接触状态、气体 通过塔板的阻力损失、筛板塔内气液两相的非理想流动、板式塔的不正常操作现象。第2讲：板效率的各种表示方法及其使用、提高塔板效率的措施、塔板的负荷性能图、塔 径的

12、计算、塔板的型式及性能特点。填料塔（首先观看填料塔的录像片）：填料塔的结构及填料特性、气液两相在填料层内的流动、载点和泛点的概念、塔径的计算、填料层压降的计算方法、 填料塔的附属结构、板式塔和填料塔的比较。第 11 章液液萃取 （ 6 学时）（选学）第 1 讲：概述：液液萃取原理、工业萃取过程、两相的接触方式、萃取过程的经济性。 液液相平衡：三角形相图：杠杆定律、和点及差点的概念、溶解度曲线、平衡连结线。第2讲：相平衡关系的数学描述：分配系数和分配曲线、溶剂的选择性系数、液液相 平衡和萃取操作的关系。萃取过程计算：萃取级内过程的数学描述：单一萃取级的物料衡算、萃 取级内传质过程的简化理论级和级

13、效率。单级萃取的分析计算、单级萃取的图解计算、 单级萃取的分离范围。多级错流萃取图解法。第 3 讲：多级逆流萃取及其分析计算； 溶剂比对多级逆流萃取理论级数的影响。 完全不互 溶物系萃取过程的计算。回流萃取的过程及原理。萃取设备：常用萃取设备的类型。第 12 章固体干燥 （ 6 学时，）第 1 讲：概述：物料的去湿方法、对流干燥过程及特点、对流干燥流程及经济性。干燥静力 学：湿空气的状态参数。第2讲：湿空气的湿度图、湿空气状态的变化过程分析和计算。水分在气-固两相间的平衡：水在固体物料中的存在形态；结合水和非结合水、平衡水分和自由水分。干燥速率和干燥 过程计算：物料在定态空气条件下的干燥速率：

14、干燥动力学实验的干燥曲线及干燥速率曲线、 临界含水率和临界自由含水率、干燥速率的定义。第3讲：恒速干燥阶段分析、降速干燥阶段分析。在定态空气条件下间歇干燥过程的计 算：恒速干燥阶段干燥速率的确定和计算方法以及影响因素、恒速干燥阶段干燥时间的计算、降速干燥阶段干燥时间的近似计算。 连续干燥过程的数学描述： 物料衡算和热量衡算、 干 燥过程的热效率。连续干燥过程设备容积的计算方法。干燥设备：常用干燥器简介。学习指导 化工原理课程 绪论1、明确化工原理课程的性质化工原理属工程学科，它使用自然科学（物理、数学、化学）的基本原理来分析和处理化工 生产中的物理过程。 以实际工程问题为研究对象。该课程是从自

15、然科学领域的基础课向工程科学的专业课过渡的入门课程。它在基础课（数学、物理、化学）和专业课（化工工艺学、化工工艺 设计和设备设计等）之间，起着承前启后的重要作用。2、明确研究目的化工原理分析各种化工单元操作的基本原理，典型化工设备的结构原理、操作性能，工艺过 程设计和设备设计的计算方法。化工原理课程的教学不仅在于掌握丰富的工程知识和计算方法，而且需要在对具体材料的理解中，不断地总结、归纳考察工程问题的观点和处理实际问题的基本方法。唯其如此，才能理解 这些方法的实质，才能在科技高速发展的时代里加快知识的积累和更新，才能在从具体工作经验中把握事物变化的基本规律，把经验和理论融于一体。以典型材料为依

16、据，提炼工程观点和工程 方法，是该课程的精髓。3、明确研究内容化工原理课程研究的对象是实际工程中的各种化工单元操作。根据单元操作主要的理论基础所进行的分类如下：1）以动量传递（momentum transfer）理论为基础流体流动、流体输送机械、沉降、过滤、离心分离、搅拌、固体流态化等。2 ）主要以热量传递（heat tran sfer）理论为基础加热、冷却、蒸发等3 ）主要以质量传递（mass tran sfer）理论为基础吸收、精馏、萃取、干燥等4、明确研究方法1） 常用的数学描述：物料衡算、能量衡算、热量衡算、动量守恒原理、牛顿第二定律、牛顿第三定律、牛顿粘性定律、牛顿冷却定律、傅立叶热

17、传导定律、费克扩散定律、相平衡关系、 数学微积分、速率=推动力/阻力。2） 复杂问题的两种思维方式：（1）实验研究方法，（2）数学模型方法。5、学习化工原理课程之后能够解决的问题1） 如何根据各单元操作在技术上和经济上的特点，进行 过程设计和设备类型选择 ”以经济而 有效地完成工艺设计，满足工艺的要求。2） 如何进行 过程（process）的计算和 设备（appatatus）的设计。3）如何根据生产的不同要求，进行生产参数或指标的调节。4） 当生产状况不正常时，如何寻找根源。6、教和学的方法对于每个化工过程都可以进行三级式展开：以化学工程学科的发展和现代教育思想为依据，和社会发展需求相适应，提

18、出本课程的科学 体系和课程框架。教学内容以化工过程的共性为主线，将化工单元操作的内容及基础按过程共性分块，阐明共同的原理和科学基础，摆脱各单元操作各自分割的缺点，培养学生的创新意识和获取知识的能力。体现工程特色，突出工程问题的处理方法，强调素质教育。以教学内容为载体， 培养学生掌握化工常用的科学方法，女口：数学模型法、实验研究法、过程分解法、参数归并法等。在基本原理的使用中， 从设计和操作两方面加强理论和实际的联系。以此培养学生从实际工作出发，思考和解决问题的能力。第1章流体流动化工生产中涉及的物料大部分是流体，涉及的过程绝大部分是在流动的条件下进行的，许多化工过程进行的效果在很大程度上受到物

19、料在设备内流动状况的影响。流体流动的规律是研究化工过程和设备的基础之一。 本章在流体静力学方程式的导出、伯努利方程式的导出、 圆管内流体流动剪应力的分布、流速的分布、范宁公式等，利用了物理的力学定律，使用严格的逻辑推理方法。圆管内流体湍流流动时的阻力损失分析，采用了经验研究方法。本章的知识要点：1、流体机械能衡算方程式的使用，2、管路的分类和计算，3、流体静力学方程式的使用，4、阻力损失的计算，5、圆管中流体流动中的内部结构描述，6、流速流量测量原理。一、机械能衡算方程式本章的核心公式是流体机械能衡算方程式，该公式有如下三种形式:g乙 P1*gZ2 P2 诸hf单位:Jkg(1-1)Z12U1

20、2gHeZ2P22U22g单位:gZ1Pi2U12gZ22U22Pf单位:hf单位:Jkg单位:Pf单位:使用公式（ 不可压缩性流体作定常态流动，Z1、Z2选择同一水平基准面，通常选择地平面或控制体 个所在的水平面上。P1、P2同时以绝对压计或同时以表压计，并且注意单位均统一到N/m2。自高位槽或高压容器向其他地方输送流体时一般不需要流体输送机械，此时， 公式中的每一项均是单位流体的能量，每牛顿流体的能量焦耳，形式上的单位是米。1-1）注意以下几点:(1)(2)1-1截面至2-2截面的控制体内流体连续。1-1截面、2-2截面中的较低的(3)(4)(5)He=0。He是流体输送机械加给每牛顿流体

21、的能量焦耳数，阻力损失项亦是每牛顿流体的能量损失焦耳数。(6)1-1截面、2-2截面和流体流动方向相垂直，根据所取的1-1截面、2-2截面的性质，灵活地确定U1、U2的数值，流速U是平均流速。(7)(8)(9)阻力损失项中的流速取产生阻力损失的管段上的平均流速，有时管段不止一段。 若控制体内的阀门完全关闭，则1-1截面、2-2截面上的流体能量便不再有任何关系。若在等直径的管段，无流体输送机械，阻力损失可以忽略，（1-1）式变成流体静力学的形式。使用公式（1-1）可解决以下方面的问题：（1）在确定的控制体中，达到一定的流量，确定流体输送机械加给每牛顿流体的能量焦耳数及功率。（2） 在确定的控制体

22、中，达到一定的流量，确定起始截面1-1的高度或压强。（3） 在确定的控制体中，可达到的流量（流速）。（4）在确定的控制体中，达到一定的流量，确定管径。因为机械能衡算式中的每一项均是单位流体的能量，故计算流体输送机械的功率时应注意流体的总流量Q（单位：m3/s）。NeHe gQ 或 NeWe Q （单位：W ）。二、管路计算管路计算实际上就是流体机械能衡算式的使用。抓住流体机械能衡算式是以单位流体为基准，和流体的总量没有关系这一特点，故其不仅使用于简单管路，而且可以使用于有分支点的管路、有汇合点的管路、并联管路。使用机械能衡算式描述实际管路中所关注的1-1截面、2-2截面的各项能量及阻力损失，可

23、以解决其中某一个未知数的求解计算。使用机械能衡算式分析简单管路中阻力损失（阀门）的变化对管路中流速、阀前压强、阀后压强的影响。三、流体静力学流体静力学公式:P1gZ2P2（单位：J/N=m）(1-2)静止流体内的压强，只和垂直方向上的尺寸Z有关，而和其他方向的尺寸无关。这是因为仅处于重力场中的缘故。使用流体静力学公式判断等压面的原则：同一密度的静止流体， 只要在同一水平面上， 则压强相等。例如，在上图中，1面和2面是等压面，3面和4面是等压面，5面和6面是等压面。 流体静力学的另一常用形式：(1-3)PlPoh g可见，位于0面（一般为液面，液面上的压强 Po 一般为大气压Pa）之下的某一位置

24、1处的压强 比o面的压强大 h g ，或者说位于i处之上的某一位置o处的压强比i处的压强小 h g。 这对于直接快速判断静止流体内不同垂直位置处压强的相对大小及压强差变得非常容易。四、流体流动阻力损失沿程阻力损失计算式（范宁公式）PfLu2d 2(1-4)根据（1-4）式，可分析管内为完全湍流时，分别当流量变化、管径变化时，所引起阻力损失变 化的比例。管内为层流时，沿程阻力损失计算式（哈根一泊谡叶公式）：Pf32 Lud2(1-5)根据（1-5）式，可分析管内为层流时，分别当流量变化、管径变化时，所引起阻力损失变化的 比例。五、圆管内流体流动剪应力及流动速度分布圆管内流体流动剪应力随半径r变化

25、的关系式:Z1 gR Z2 g2L(1-6)根据该式可见圆管内流体流动在管截面上，剪应力随半径r的增加呈直线增加。f r圆管内流体流动速度分布和流动形态有关。层流时（布式：uZ1 gP1Z2 g P22R4 L(1-7)Re 2000），圆管内牛顿型流体速度分可知，在管轴心线上流速为最大值。根据（1-7 ）式可求算流体体积流量，并得到管截面上的平均流速是管轴心线上最大流速的0.5倍。当湍流流动时（Re 4000），根据经验关系式得到,管截面上的平均流速是管轴心线上最大流速的约0.81倍。层流和湍流的本质差别是流体的质点有无脉动速度。六、流速流量测定毕托管所测点的流体流速的计算式:u 2R i(

26、1-8)孔板流量计孔板口处流体流速的计算式:uo Co 2R i(1-9)孔板流量计所测流体流量的计算式:2qV U0 7d0(1-10)转子流量计刻度换算系数:fBqvBBqvAfA(qv单位是m3/s)(1-11)A标准流体的密度，B被测流体的密度。保持转子的外形( Vf , Af )不变，变化转子的材料由P f1变为P f2，同一刻度处，变化后流量qvB和变化前流量qvA的关系(换算系数)为'() (1-12):f 1B第2章流体输送机械管路中安装流体输送机械的目的是对于流体增加机械能。本章以液体输送机械(泵)为主。 泵和管路组成一个复杂的系统。研究带泵管路的基本方法是将它先分解

27、成泵和管路两个子系统，对于每个子系统进行单独的研究，然后再予以综合，得到带泵管路的实际工作状态。这称为 过程分解方法。本章的知识要点：1、管路的特性曲线方程，2、离心泵的特性曲线方程，3、泵的工作点及其调节，4、离心泵安装高度的计算，5、离心泵的选型，6、离心式风机的选型。一、管路的特性曲线方程式反映管路中所需压头和流体流量之间的关管路的特性曲线方程由具体的管路及流体性质所决定, 系。He Z2 Z1P2 P1g2 2U2 U12g2u2g在(2-1)式中，动能差很小，忽略不计。阻力损失项中的流速通过流量(2-1)Q(m3/s)表示出来：He Z2 ZiP2PigQ224d2 2g（2-2）式

28、（2-2）显示出，管路中流体所需要的有效压头He和流量Q的关系是2次方曲线关系，在和流量相关的项中，和管路的尺寸、摩擦阻力系数、管路中管件的设置，尤其是阀门的开度等因素有 关。若这些因素均已经固定，则可将其定义为一个常数K。故式（2-2）又可写成：He Z2 ZiP2 PigKQ2(2-3)应注意，流体密度对管路特性曲线的影响是在静压能差项中显示出来的。二、离心泵的特性参数及特性方程在一定的转速下，离心泵的体积流量Q、有效压头He、轴功率Na、效率n等特性参数存在着内在的联系。着眼于离心泵来说，离心泵可输送的体积流量 Q、可提供于流体的有效压头 He , 是由离心泵自身的性能所决定的。教材上分

29、析给出了离心泵理论压头和其流量的关系式，但因为存在着多种的压头损失， 这些压头损失无法进行理论计算，故离心泵的特性参数关系曲线只能通过实验测定。将离心泵安装于一管路中，离心泵所输送的体积流量Q就是管路中流体的流量，离心泵提供于流体的有效压头 He就是管路中流体所得到的有效压头，因此，实验测定离心泵的 特性参数关系是测定管路中的相关参数即可。注意离心泵的特性参数关系和其转速有关，实验时一定注意记录转速条件数值。在一定转速、一定流量Q下，离心泵的有效压头通过测定泵入口真空表、泵出口压力表读数等利用机械能衡算式计算之：P出口表压P入口真空度H egh出口入口2 2u出口u入口(2-4)(2-5)离心

30、泵在一定流量 Q下的有效功率（理论功率）Ne HeQ g离心泵在输送一定流量 Q下所消耗的轴功率测定值Na ,则离心泵在该流量点时的效率为:Na(2-6)当泵的转速发生改变以后，其有效压头、流量相应变化，如转速变化范围不超过20%，可设转速改变前后液体离开叶轮的速度三角形相似，即泵的效率相等。可以得到如下关系式：即或者He2n'Q n'Na3n'HenQ n，NanHe2n'Q'2HenQ2He'Q'2HeQ2K或者He KQ2(2-7)式（2-7）称为等效率曲线，利用该方程式，可以根据工作点的变化进行离心泵转速的调整。He' H

31、en2n'Q'2Hek(2-8)20若将该泵的转速适当地作了调整，使转速变为n22He2 20 2Q12 QQ120则该泵的特性曲线方程应变为:2门22Q；(2-12)n1由（2-8）式，可以根据离心泵转速的调整值，确定离心泵的特性曲线。但应值得注意，转速改变后，所引起管路中流体流量及压头的实际改变，还应根据管路特性曲线及泵的特性曲线重新确定工作点。三、离心泵的工作点及其调节泵的He Q特性曲线和管路特性曲线的交点就是泵的工作点。可由泵的特性曲线或者泵的 He Q的方程式和管路特性曲线方程式（2-3）联立求解而得。要调节工作点，显然既可以通过改变泵的He Q特性曲线来实现，又可

32、以通过改变管路的特性曲线来实现。（1）改变泵的He Q特性曲线 要注意两台相同的泵组合使用，或泵的转速发生改变后， 工作点的求法。例如，某一离心泵，在转速ni下，其特性曲线方程式为：H e 20 2Q2（2-9）若将该型号的泵，取两台进行串联，则串联组合泵的特性曲线方程式为：2H 串 2 20 2Q（ 2-10）若将该型号的泵，取两台进行并联，则并联组合泵的特性曲线方程式为:(2-11)分别将这些情况下，泵的特性曲线方程式和管路特性曲线方程式（2-3 ）联立求解，得到新的工作点。值得注意，当进行泵的组合使用时，一定要根据管路的特性，对于高阻管路，串联优于并 联；对于低阻管路，则并联优于串联。（

33、2）改变管路的特性曲线在管路特性曲线方程式（2-3 ）中，容易调整的就是阀门的开度，改变了二次项中的系数 K值。调整后的管路的特性曲线方程式和泵的特性曲线方程式联立求解， 得到新的工作点。四、离心泵安装高度的计算根据离心泵的允许汽蚀余量，进行离心泵允许安装高度的计算式为：Hf,se npsh r 0.5(2-13)使用（2-13）式时注意：（1） 因随着流量的增大，（NPSH ） r的数值增大，故应根据实际流量范围内的流量上限值，查找 离心泵的（NPSH ） r的数值，计算泵的允许安装高度，这样所得数值安全稳妥。（2）为了使得离心泵的允许安装高度数值尽量大一些，显然应尽可能减小吸入管段中的阻力

34、损 失。应根据吸入管段中的阻力损失的表达式，考虑选择较粗的管径以减小流速、减少管长、减少 管件、吸入管段中不安装流量调节阀等方面。（3）若被输送流体的温度提高，则其饱和蒸汽压显著增加，使泵的允许安装高度值减小。（4）若从处于液体沸腾状态的设备内向外输送液体，由于此时Ps=Pv，所以此时泵的允许安装高度必然是负值，这说明泵实际安装于设备内液面之下一定的位置上。五、离心泵的选型离心泵的选型参数有 2个，一是流量Q，其是输送任务已确定；另一是有效压头He，He是根据具体管路的计算进行确定。根据Q和He这2个参数，去查找离心泵的样本，选取某一型号的泵，同时注意所选取的泵的效率、（NPSH）r的数值，核

35、算所配电动机的功率。注意正位移泵的使用特点及流量调节。六、离心式风机的选型离心风机和离心泵既有相同点，又有特殊点。离心风机的选型参数有2个，一是流量 Q，其是输送任务已确定；另一是全风压PT0。根据气体输送管路的机械能衡算式计算所需要的全风 压Pt :PtPi2U22Pf ,1 2(2-14)通常气体输送管路的起始截面从风机入口开始，故ui=0，（Z2-Z1）值很小而忽略不计。式（2-14）表明，管路所需的全风压值和所输送的气体密度p成正比。故当选择风机时，首先将管路计算的全风压数值Pt换算到风机产品样本中所说明的标准气体密度值p0时的数值Pto，换算式为：PT0Pt(2-15)按照风机入口温

36、度、压强条件下的气体体积流量确定风机的风量Q。学习指导 第4章 流体通过颗粒层的流动流体通过颗粒层的流动现象如固定床反应器、流化床反应器、滤液穿过滤饼等。本章的内容 从分析流体穿过颗粒床层的压降开始，并且通过分析该问题介绍了工程上研究问题的数学模型方法。依据所得到的压降表达式，得到过滤速率的表达式，进一步得到过滤的基本方程式，进行过 滤生产的计算。本章内容的要点：1、流体穿过颗粒床层压降的表达式，2、过滤的基本方程式和恒压过滤方程式，3、间歇式过滤生产的计算，4、旋转真空过滤机生产的计算。一、流体穿过颗粒床层压降的表达式流体穿过颗粒床层的单位厚度压降的表达式为：Pf ' a 12uL当

37、流体流速比较大一些,PfRe'4.170.17420,利用欧根确定的参数时：宣 u 0.29一 u2(4-2)当流体流速很小，Re'2,利用康采尼确定的参数时：Pf1a2 12LK3u（4-1）利用压降的表达式，在一定的颗粒床层内，在实验室中，通过测定水或者空气这种流体的压降， 可以预测工业生产中的流体流过这样的颗粒床层时的压降，故有着重要的实际意义。二、过滤基本方程式和恒压过滤方程式将流体穿过颗粒床层的压降表达式使用于分析过滤时滤液穿过滤饼的压降时，值得注意，因为滤饼很薄，滤饼两侧的压强差P就等于滤液穿过滤饼的压降 Pf基于总过滤面积上的过滤速率的表达式：过滤速率常数的定义式

38、：2 PK r基于总过滤面积上的过滤速率的另一表达式：dV KAad 2 V Ve恒压过滤方程式（0时，q 0）V2 2VVe KA2q2 2qqe K滤饼比阻和过滤压强差的关系式：过滤速率常数和过滤压强差的关系式：dVP A(4-3) d r L Le（4-4）（4-5）（4-6）（4-7）sr ro P（4-8）2 P sK（4-9）若洗涤水粘度和滤液粘度相同， 洗涤水压强和过滤时原料液相同，则基于总面积上的洗涤速率和过滤终了时过滤速率的关系为：dV ddV(4-10)F ,end(4-11)2J（4-12）在（3-21 ）式中，J是基于总面积上洗涤水体积为过滤液体积的倍数。VF和F之间的

39、关系符合恒压过滤方程式。注意，对于间歇过滤生产，各阶段时间应满足下式:（4-13）根据（4-13）式，在已有的设备中进行过滤生产，能够获得最大的生产能力；对于设计型问题,根据（4-13）式，达到预定的生产能力进行设计计算，能够得到最合理的设备尺寸。滤饼体积LA和滤液体积V的关系为：LA c VLAcV 1四、连续过滤生产计算转筒真空过滤机生产能力（以单位时间滤液体积量表示）的计算式：Q 3600 DH n qF转筒每转一转，单位过滤面积上所得的滤液体积量qF由恒压过滤方程计算为K 2qF 一 qe qe n如果过滤介质阻力可以忽略，则转筒真空过滤机生产能力的计算式为Q 3600 DH Qn转筒

40、每转一转，所形成的滤饼的厚度为L c qF（4-14）（4-15）（4-16）（4-17）（4-18）（4-19）要注意分析，转筒转速对于过滤机生产能力的影响，对转筒上所形成的滤饼厚度的影响。有时， 过滤机的生产能力以单位时间内所形成的滤饼的体积量来表示：V滤饼 c Q（4-20）第5章 颗粒的沉降和流态化本章从分析处于流体介质中，颗粒运动时的受力入手，分别在重力场中、离心力场中，得到 颗粒和周围介质之间的相对运动速度的表达式。在颗粒沉降设备的研究中，突出停留时间、沉降时间这两个参数，抓住颗粒沉降分离的基本条件是“停留时间大于等于沉降时间”，颗粒沉降分离的临界条件是“停留时间等于沉降时间”这个

41、基本概念，得到沉降设备的操作参数、设备尺寸、物性参数和被分离临界颗粒粒径的关系式。分析各种颗粒的粒级效率及总效率。本章内容的知识要点：1、重力降尘室的生产计算，2、旋风分离器的生产计算，3、管式离心机的计算。4、流化床的起始流化速度和带出速度、流化床的压降。一、重力降尘室的生产计算颗粒层流重力沉降速度的表达式:Ut18(5-1)均匀加有n层水平隔板的重力降尘室，气体处理量V和得到100%分离的最小颗粒（即临界颗粒）沉降速度之间的关系:V n 1 BL ut（5-2）均匀加有n层隔板重力降尘室能够 100%分离的最小颗粒粒径和气体处理量、设备尺寸之间的关 系式：d pcVsn 1 BL(5-3)

42、在要求100%分离的最小颗粒粒径相同时，均匀加n层隔板和原单层重力降尘室比较气体处理量增加的倍数是：Vs'Vs(5-4)在气体处理量时，均匀加 n层隔板和原单层重力降尘室比较，能够 化的倍数：100%分离的最小颗粒粒径变dpc'1dpc ，n 1小颗粒（粒径小于能够 100%分离的最小颗粒粒径）的粒级效率：2dpi dpc大颗粒（粒径大于等于能够100%分离的最小颗粒粒径）的粒级效率:(5-5)(5-6)i 1.0i n颗粒的分离总效率：0 xi ii 1二、旋风分离器的生产计算颗粒层流离心沉降速度的表达式：u r（5-7）（5-8）d； p2U18r（5-9）U可以用气体的进

43、口速度 Ui来代替。U是颗粒在切线方向上的速度。在旋风分离器中旋风分离器中能够100%分离的最小颗粒粒径（即临界粒径）和旋风分离器进口宽度 速Ui之间的关系式：9 BN p UiB、进口气(5-10)对于单个旋风分离器，进口气速Ui根据气体处理量进口高度A （B、A均和旋风分离器圆柱体部分的直径Vs、旋风分离器进口宽度 B、旋风分离器D成一定的比例）计算之：Vs UiBA(5-11)旋风分离器的粒级效率及总效率同重力降尘室。气体通过旋风分离器所产生的阻力损失为:PfUi2 c 2(5-12)100%分离的最小颗粒粒径数值小，气体通 旋如果生产中要求气体处理的量大，并且要求能够过旋风分离器所产生

44、的阻力损失也要小，此时，应采用数个直径较小的旋风分离器并联操作。风分离器不应采用串联操作。管式离心机各重要参数之间的关系:Vsh 2( p)d 2c r；rj18(5-13)三、管式离心机的生产计算1根据（5-13）式可以进行这些参数之一的计算。 四、流化床流化床的起始流化速度:UmfUtfixed bed(5-14)流化床的带出速度Ut流化床的操作范围UmfUt流化床的压降:P1 P2msgA第6章(5-15)传热在化工生产中传热是最为常见的单元操作。传热的机理分为热传导、热对流和热辐射。在解决管路的保温或者保冷、设备壁的保温或者保冷问题时，利用了傅立叶热传导定律来分 析问题。在解决器壁和流

45、体之间的传热问题时，利用了牛顿冷却定律。根据辐射传热的原理，解决了高温物体和较低温物体之间的辐射换热速率问题。利用热传导和热对流的联合分析及数学处理方法，得到了传热的基本方程式，解决了常见换热器的设计型问题。对于传热基本方程式进行技巧性的演化，得到传热问题的传热单元数计算法，利用传热单元数计算法方便地解决第一类操作型问题。本章的知识要点：1、设备壁及管壁保温或者保冷的生产计算，2、对流传热速率及对流传热系数的计算，3、传热基本方程式及其使用，4、传热单元数计算法，5、间壁式换热器的设计计算步骤和方法，6、辐射传热问题的分析和计算。一、设备壁及管壁保温或者保冷的生产计算利用傅立叶热传导定律分析多

46、层平壁稳定热传导，得到传热速率的表达式:(6-1)t1 t4b1b2b3多层（如3层）平壁的稳定热传导，各层温度差和各层热阻的大小成正比:t1 t2b1t2t3b2t3 t4b3(6-2)利用（6-2）式可以计算某个壁温，或者分析判断导热系数的相对大小。利用傅立叶热传导定律分析多层（如2层）圆筒壁稳定热传导，同时利用牛顿冷却定律来分析外 壁和环境流体之间的热对流，得到多层（如2层）圆筒壁稳定热传导，同时外壁和环境之间进行着稳定的热对流，单位长度上由内壁向环境的传热速率的表达式：Q L 1, r11,Inln21rin22X &rin122 rin12rin1(6-3)、对流传热速率及对

47、流传热系数的计算器壁和流体之间任何形式的对流传热,传热速率可用牛顿冷却定律来表示:(6-4)牛顿冷却定律并非理论推导的结果，这只是一种人为的处理方式，它并未涉及过程的实质。牛顿冷却定律的目的只是将传热的温度差作为影响对流传热速率的重要因素单独列出，而将其它各种影响因素归于对流传热系数之中。对于对流传热系数再作进一步的研究。根据生产中的经验，从物性条件、设备条件、操作条件三个方面寻找出影响对流传热速率的各因素，利用实 验研究方法，得到了各种对流传热情况下的无因次准数关联式。圆管内流体湍流流动流体和管壁对流给热系数的计算式：O.023d(6-5)在（6-5）式中，流体温度的波动对于物性数据的影响很

48、小，一般可不去考虑。实际生产中最容 易变化的是流量（流速）及换热管的管径，它们和对流传热系数的关系是：0.8u(6-6)根据（6-6）式可以判断分别当流量变化、管径变化、管程数变化后, 比例。三、传热基本方程式及其使用引起对流给热系数变化的q“热2量衡算和传热速率”是传热过程数学描述|的一般方法。IIt :1w丨qm 1 ,T 2T : T dTqm 1,T1体侧为管壁的内侧。定常态换热。对于微元控制体作数学描述，存在着如下关系式:(1)热量自热流体传向管壁dQT Tw1out dAout(2)热量自管壁高温侧传向管壁的低温侧dQtwdAm(3)热量自管壁的低温侧传向冷流体dQtwin dAn

49、(4)热量自热流体传向冷流体的一步表达式dQ K dA (T t)T t1K dA所以dQT t11out dA outdAmindAin1 1K dAout dAoutdAm为了工程计算方便，希望总传热系数K在传热的整个面积范围内为常数。因为out、 in、等可以被认为在传热的整个面积范围内数值不变，所以上式中的微元面积可以直接扩展到总面积。outAoutin Ain显然，总传热系数 K和所取的传热面积 A有直接的关系，一般以换热管的外表面积表示传 热面积。，它关联起来了很多物理量。(6-7)传热过程的基本方程式(总面积上的平均传热速率)：Q KA tm传热过程的基本方程式是传热问题的一个“

50、总纲” 以换热管的外表面积为基准的总传热系数的计算式:inoutdinRoutoutdoutdin1out(6-8)(6-8)式根据实际传热情况通常可以简化。传热对数平均温度差应根据两种流体的流动方式进 行计算。应注意，传热面积是换热器内所有换热管子的外表面积：(6-9)A doutl n注意Q是换热的速率。显然换热器换热的速率Q，通过流体进出口温度的变化表现出来。热量平衡式：Qms1Cp1 T1T2ms2Cp2 12t1(6-10)设计型的传热问题计算，通过（6-7） （ 6-10）式联合求解。四、传热单元数计算法第一类型操作型的传热问题（已知两种流体流量， 求两种流体的出口温度）最适合采用

51、传热单元数法进行求解。例如，以热流体的热容流率小为例，逆流换热的传热单元数、热容流率比、 换热效率之间的关系式：(6-11)1 exp NTU 1 1 CR1C ri exp NTU i 1 C r iNTU 1KAT2m s1C p1t m(6-12)C R1ms1 C p1 t?鮎m$2Cp2 T1T 2(6-13)T1 T21T1 t1(6-14)由（6-12 ）、（ 6-13）式，可以根据原工况下的温度变化情况、热容流率、传热系数及传热面积等条件，首先计算原工况下的传热单元数、热容流率比，而后根据新工况某一条件的变化比例，计 算新工况下的传热单元数、热容流率比，然后由（6-11）式计算

52、新工况下的换热效率，再由（6-14）式计算热流体的出口温度，由（6-10）式计算冷流体的出口温度。若冷流体的热容流率小，则计算冷流体的传热单元数和换热效率t2 hT1 t1(6-15)对于第一类操作型的问题，仍然可以利用传热的基本方程式求解, 的形式变化一下，这可称为消元法。以逆流换热为例：但是需要将传热基本方程式qm1C p1 T1T2KAT1 t2t1KAT1T2t2t1根据热量衡算:所以（A）式转换为InT1t2T2t1t2 t1qm1Cqm2Cp1p2qm 1 C p11KA lnlnT1t2T 2 t1(A)T1T2(B)qm1Cqm2 Cp1p2(C)或者（C）式转换为lnT2t1KAq m1C p