化工原理 第一章.ppt

1、化工原理,田海玲,Principles of Chemical Engineering,吕梁高专化工系,绪论,一.化工生产的基本单元过程 二.单位制和单位换算 三.解决化工计算问题的基本手段,一化工生产的基本单元过程,遵循动量传递基本规律的单元：包括液体和气体的输送、搅拌、沉降、过滤。熟悉各种物料输送规律和选择各种物料输送机械，将是这个单元过程所要了解的内容。 遵循传热基本规律的单元：化工生产离不开热量的互相传递。包括加热、冷却、蒸发、冷凝、热量综合利用等。熟悉各种物料不同相态间的热量传递规律和选择适宜的传热设备是本单元过程主要目的。 遵循传质基本规律的单元：物料状态千变万化，分离手段和方法也

2、各不相同。常见的分离方法有精馏、吸收、萃取干燥等单元过程。熟悉各种分离过程中质量传递的基本规律，对分离过程进行计算，从而对单元操作设备进行设计是这一部分的主要目的。,二单位制和单位换算,目前国际上虽然基本采用国际单位，但有些文献资料中的数据是多种单位制并存，使用这些数据时应将它们换算成所需单位。包括两种情况： 1.物理量的单位换算 2.经验公式的单位换算,三解决化工计算问题的基本手段,1物料衡算 依据质量守恒定律得出 2能量衡算 依据能量守恒定律得出 3速率关系 4平衡关系 说明：物料衡算和热量衡算的基本方法在绪论部分做统 一讲解。速率关系与平衡关系将在各种单元操作中 分别介绍。,第一章 流体

3、的流动,本章重点掌握的内容： （1）静力学基本方程的应用 （2）连续性方程、柏努力方程的物理意义、适用条件、应用柏努力方程解题的要点和注意事项。 （3）管路系统总能量损失方程（包括 数据的获得） （4）管路系统的计算,概述,流体是液体和气体的总称，其基本特征是具有流动性，无固定形状。 流体流动在实际生产中的应用包括： 1.流体的输送； 完成输送任务所需的位差、压差、能量（输送设备的功率） 2.压强、流量的测量； 3.为传热、传质过程提供适宜的条件。,第一节 静力学方程,重点掌握流体静力学基本方程式的适用条件及工程应用实例。 应用流体静力学原理解题的关键是正确选取等压面。,1.1 基本概念,一.

4、流体的密度（） 密度的定义、单位； 液体密度的取得； 气体密度的计算。 二.流体的静压强（p） 压强的定义、各种压强单位之间的还算； 三种压强形式之间的关系： 表压强绝对压强大气压强 真空度大气压强绝对压强,1.2 静力学方程,一.静力学方程 对静止流体做受力分析并整理可得： 上式即为静力学方程。由静力学方程可知： 当液面上方压强p0发生变化时，液体内部各点压强将做同样大小的变化。 静止的、连续的、同一种流体的同一个水平面上各点的压强都相等。 将静力学方程整理成h的表达式，说明压强可以用一定高度的液柱来表示。,二. 静力学方程应用 静力学方程的应用有三个方面： 压强与压强差的测量 以静力学方程

5、为测量原理的测压仪表有： U管压差计 测量公式为 斜管压差计 微差压差计 液位的测量 液面计 液位远距离测量装置 液封高度计算 液封 安全液封,Flash动画演示,U管压差计动画 压差法测量液位动画 鼓泡式液柱测量动画,第二节 流体在管内的流动,本节以连续方程及柏努利方程为重点，掌握这两个方程式推导思路、适用条件、用柏努利方程解题的要点及注意事项。通过实例加深对这两个方程式的理解。 正确确定衡算范围（上、下游截面的选取）及基准水平面是解题的关键。,2.1 基本概念,一.流量和流速 1.流量 单位时间内流过管道任一截面的流体量， 称为流量。有两种形式:体积流量Vs,质量流量s, s=Vs 2.流

6、速 流体质点单位时间内在流动方向上所流过的距离，称为流速，以u表示。其单位为m/s s=Vs=uA 3.流量方程及管径的选取 对于圆形管道，以d表示其内径，则有: 上式中Vs一般由生产任务规定，而适宜流速则需通过操作费和基建费之间的经济权衡来确定。工艺管线则可以选用经验数据.,某些流体在管道中的常用流速范围,二.定态与非定态流动 定态流动（定态流动动画） 各截面上流体的有关参数（如流速、物性、压强）仅随位置而变化，不随时间而变，如动画所示流动系统。 非定态流动（非定态流动动画） 流体流动有关物理量随位置和时间均发生变化，如动画所示流动系统。,2.2 连续性方程,连续性方程式是质量守恒定律的一种

7、表现形式， 对于定态系统，有以下集中形式： ws1ws2 ： Vs1Vs2 (对于不可压缩流体) u1A1u2A2 u 1/u 2=(d 2/d1)2,2.3 柏努利方程,一.柏努利方程 柏努利方程是通过对流动系统的能量衡算，从解决流体流动问题的实际需要出发，采用逐步简化的方法：流动系统的总能量衡算（包括内能和热能）流动系统的机械能衡算不可压缩流体定态流动的机械能衡算。,二.柏努利方程讨论,理想流体在管道内作定态流动而又没有外功加入时，其总机械能 是守恒的，但不同形式的机械能可以互相转换。 单位时间内输送机械所做的有效功率称为有效功率，用Ne表示，其单位为W， 流体静力学基本方程式是柏努利方程

8、式的特例 当系统中流体处于静止状态时，二者具有相同的形式。 对于可压缩流体的流动，当 压强变化小于20时，仍可用柏努利方程计算，但式中的要用两截面间的平均密度m代替。 柏努利方程还有以单位重量和单位质量为基准的另外两种形式。,三.应用柏努利方程的注意事项,作图与确定衡算范围 根据题意画出流动系统的示意图，并指明流体的流动方向。定出上、下游截面，以明确流动系统的衡算范围。 截面的选取 两截面均应与流动方向相垂直，并且在两截面间的流体必须是连续的。所求的未知量应在截面上或在两截面之间，且截面上的Z、u、p等有关物理量，除所需求取的未知量外，都应该是已知的或能通过其它关系计算出来。 两截面上的u、p

9、、Z与两截面间的hf都应相互对应一致。 基准水平面的选取 基准水平面可以任意选取，但必须与地面平行。如衡量系统为水平管道，则基准水平面通过管道的中心线，Z=0。 两截面上的压强 两截面的压强除要求单位一致外，还要求基准一致。 单位必须一致 在用柏努利方程式解题前，应把有关物理量换算成一致的单位，然后进行计算。,四.柏努利方程应用举例,确定管道中流体的流量 确定设备间的相对位置 确定输送设备的有效功率 确定管路中流体的压强,第三节：流体在管内流动时的摩擦阻力,3.1流动产生的原因内摩擦,3.2牛顿粘性定律与流体的粘度,流体流动时的内摩擦应力和速度梯度成正比： 式中的比例系数为流体粘度，是流体的物

10、理性质，国际单位为Pas，常用单位有P（泊）和cP（厘泊）。,式中的比例系数为流体粘度，是流体的物理性质，国际 单位为Pas，常用单位有P（泊）和cP（厘泊）。,3.3流动类型和雷诺准数,雷诺实验.swf,由雷诺实验结果可知流体在管内流动有两种截然不同的类型：滞流和湍流。影响因素有流速u、管径d、流体的粘度和密度都能引起流型的变化。可将这些影响因素组合成为一个数群来作为流型的判断依据，此数群被称为雷诺数，用Re表示，其表达式为： 当： 时是层流流动； 当： 时是湍流流动； 当 ： 有时出现层流，有时出现湍流，是一个不稳定的区域，称为过渡区。在一般工程计算中，当时可按湍流处理。,3.4滞流与湍流

11、的比较,流体质点运动方式不同 流体在管内的速度分布不同 滞流时： 速度分布为抛物线 湍流时： 速度分布不再是抛物线 流体的摩擦阻力形式不同,四：滞流与湍流的比较,流体质点运动方式不同 流体在管内的速度分布不同 滞流时： 速度分布为抛物线 湍流时： 速度分布不再是抛物线 流体的摩擦阻力形式不同,3.5 流动阻力计算,1直管阻力的计算,1.直管阻力计算通式,经过大量的实验研究发现，流体流过直管的阻力与其流体的动能u2/2、管长成正比，与其管径成反比，即： 滞流时： 湍流时：,2.非圆形直管阻力,对于非圆形截面的通道，可以用一个与圆形管直径d相当的“直径”来代替，称作当量直径，用de表示。当量直径等

12、于4倍水力半径rH。水力半径rH定义为流体在流道里的流通截面A与润湿周边之比，即： de4流通截面积/润湿周边长 流体在非圆形管内作湍流流动时，在计算hf及Re的有关表达式中，均可用de代替d。但需注意： （1）不能用de来计算流体通道的截面积，流速和流量。 （2）滞流时，的计算式须修正,=C/Re,某些非圆形管的常数C值,3.局部阻力计算,阻力系数法 克服局部阻力所引起的能量损失，与管路中流体的动能成正比，即： 式中管件阀门的阻力系数值可查有关资料 .化工原理课件第一章局部阻力.swf,当量长度法 为了便于管路计算，常将流体流过某管件或阀门时的局部阻力折算成同样流体流过具有相同直径，长度为的

13、直管阻力，这个直管长度称为该管件或阀门的当量长度。此时的局部阻力所造成的能量损失计算公式可仿照直管阻力计算公式写成，即：,4. 管路中的总能量损失,当管路管径相同的时候： 对于异径管路则要分段进行计算。 实际生产中为了减小阻力，可采取以下措施： （1）合理布局，尽量减少管长，少装不必要的管件阀门； （2）适当加大管径并尽量选用光滑管； （3）在允许条件下，将气体压缩或液化后输送； （4）高粘度液体长距离输时，可用加热方法（蒸汽伴管），或强磁场处理，以降低粘度； （5）允许的话，在被输送液体中加入减阻剂； 但是有时为了某工程目的，需人为地造成局部阻力或加大流体湍动（如液体搅拌，传热传质过程的强化

14、）。,第五节 管路计算,掌握不同结构管路（简单管路，并联管路及分支管路）的特点； 掌握简单管路计算方法和步骤； 了解管路计算中的试差法。,5.1 概述,管路计算内容和基本关系式 1.设计型计算 是给定输送任务，设计经济合理的输送管路系统，其核心是管径。 2.操作型计算 是对一定的管路系统求流量或对规定的输送流量计算所需能量。 3.管路计算的基本关系式是连续性方程，柏努力方程（包括静力学方程）及能量损失计算式（含的确定）。 管路分类 1.按管路布局可分为简单管路与复杂管路（包括并联管路和分支管路） 2.按计算目的有三种命题： （1）对于已有管路系统，规定流量，求能量损失或We； （2）对于已有管路系统，规定允许的能量损失或输送条件，求流体的输送量； （3）规定输送任务和推动力，选择适宜的管径。,5.2 简单管路计算,简单管路操作型计算 对一定的流体输送管路系统，核算在给定条件下的输送量或能量损失等。 简单管路设计型计算 对于规定流量和输送条件求管径 ，需要用试差法，试差起点可以是先选流速u，也可以先选摩擦系数。,第六节 流量测量,根据流体流动时各种机械能互相转换关系而设计的流速计与流量计分为两大类，即 差压（定截面）