化工原理绪论及流体流动1.ppt

1、化工原理,（上）,本学期学习内容,绪论 第一章 流体流动 第二章 流体输送机械 第三章 机械分离 第四章 传热 第五章 蒸发,绪论,1. 什么是化工原理？ 化工生产是以化学变化或化学处理为主要特征的工业生产过程，其原料来源广泛，产品种类繁多，加工过程复杂多样。但是，在各种加工过程中，除化学反应外，其余步骤皆可归纳为若干基本的物理过程，如流体的输送与压缩、沉降、过滤、传热、蒸发、结晶、干燥、蒸馏、吸收、萃取、冷冻等等。这些基本的物理过程称为单元操作。若干单元操作串联组合则可以构成一个工艺制造过程。 化工过程所包含的步骤 一类：以进行化学反应为主 另一类：很重要但并不进行化学反应的步骤(即单元操作

2、),单元操作的特点： 1）物理性操作，只改变物料的物理状态或其物理性质，不改变化学性质。 2）是生产过程中共有的操作，不同的生产过程所包含的单元操作的数目、名称和排列顺序各异。 豆类制造蛋白质：粉碎、离心分离、沉降、浓缩、喷雾干燥等 豆类制造饲料：粉碎、配料、混合、造粒等 3）不同工艺过程中的同一种单元操作，具有共同的基本原理和通用的典型设备。 制糖工业中糖水浓缩 通过蒸发单元操作实现，遵循 制碱工业中苛性钠溶液的浓缩 热交换原理，采用换热器 酿造工业中酒精的提纯 通过蒸馏单元操作实现，遵循 石油工业中烃类的分离 物质传递原理，采用精馏塔,单元操作按其所依据的内在理论基础，大致可分为三类： 1

3、）流体动力过程：研究流体的流动及流体和与之接触的固体间发生相对运动时的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作。流体的输送、沉降、过滤、搅拌等 2）传热过程：研究传热的基本规律，以及受这些规律支配的若干单元操作。加热、蒸发、冷却等 3）传质过程：研究物质通过相界面迁移过程的基本规律，以及受这些规律支配的单元操作。蒸馏、吸收、萃取、结晶、膜分离等 化工原理的英文名称是Unit Operation（单元操作） 单元操作不仅在化工中占据重要地位，也广泛应用于石油、冶金、轻工、生物、制药、食品等工业生产中。,化工原理是在高等数学、物理学及物理化学等课程基础上开设的一门基础技术课程，主要任务是

4、研究单元操作的基本原理，典型设备的构造及工艺尺寸的计算。 目的：通过学习，培养分析和解决有关单元操作各种问题的能力，以便在生产、科研和设计工作中达到强化生产过程，提高设备能力及效率，降低设备投资及产品成本，节约能耗，防止污染以及加速新技术开发与提高科研和设计水平等。,2、物料衡算与能量衡算（研究方法）,2.1 衡算意义 在研究各种单元操作时，为了搞清楚过程始末和过程中各股物料的数量、组成之间的关系及过程中吸收或释放的能量，必须作出物料衡算及热量衡算，物料衡算和热量衡算是本课程中常用的手段。 此外，为了计算所需设备的工艺尺寸，必须依赖平衡关系，了解过程进行的方向与极限；依赖速率关系分析过程进行的

5、快慢。 平衡关系和速率关系是研究各种单元操作过程原理的基本内容。,2.2 物料衡算 根据质量守衡定律：向设备输入的质量从设备输出的质量=积累在设备中的质量 即：F-D=A *该式是通式，适用于任何生产过程及是否有化学变化 *对连续过程A=0可简化得F=D 物料衡算时应注意： *绘一流程图表示所进行的过程 *划定衡算范围 *规定衡算基准 *列出衡算式并求解,2.3 能量衡算 衡算依据是能量守衡定律 单元操作中唯一需要考虑的能量形式是热，故也称热量衡算 衡算方法与物料衡算的方法相同，但还应注意： *物料所携带的热量包括显热和潜热，总称焓，焓值是相对值。 *热量不仅可以随物料进出系统，还可以通过系统

6、的壁面与外界进行交换，这种热量的输入或散失在衡算中应考虑。 一个连续稳定过程热量衡算的基本关系式： HF+q=HP 3 单位及换算 国际制单位（SI制） 工程制、物理制（已很少用） 国际制单位有7个基本单位，常用的有5个： 长度m、质量kg、时间s、温度K、物质量mol 计算公式： 理论公式、经验公式,第一章 流体流动,1.1 概述 一、研究流体流动的意义（作用） 在生产中，许多原料、半成品、成品或辅助材料都是液体。为完成加工生产，特别是连续生产过程，必须保证将流体原材料送入加工系统，将流体半成品从一个工序送到下一个工序，将流体成品从系统引出。 过程进行得好坏，动力消耗及设备投资都与流体的流动

7、状态密切相关。,二、流体流动的基本原理及其规律在生产中的应用 流体的输送：输送管道的管径确定 流动过程中应加入的外功确定选用的输送设备 压强、流速和流量的测量 为强化设备提供适宜的流动条件 三、本章着重讨论： 流体流动过程的基本原理及流体在管内的流动规律 运用这些原理与规律去分析和计算流体的输送问题,1.2 流体静力学基本方程式 流体静力学是研究流体在外力作用下达于平衡的规律，本章只讨论在重力和压力作用下的情况。 一、流体密度：单位体积流体所具有的质量 =m/V 气体的密度随压强和温度而变化，在不同状态下要进行换算： 一般当压力不太高，温度不太低时，可按理想气体处理 =0T0P/TP0 某状态

8、下理想气体的密度计算： =Pm/RT或=mT0P/22.4TP0 在工业生产中所遇到的液体，大多是含有几个组分的混合物，其平均密度m计算： 液体混合物： 1/m=XW1/1+XW2/2+XWn/n 气体混合物： m=XV11+XV22+XVnn,二、流体的静压强,液体垂直作用于单位面积上的压力p=P/A（Pa） 在SI制中，压强的单位是帕斯卡 单位换算：1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133105N/m2 液体的压强除用 不同单位计量外，还可 以用不同的方法来表示。,三、流体静力学基本方程式,本章只讨论流体在重力和压力作用下的平

9、衡规律。这时流体处于静止状态 由于重力可看作是不变的，起变化的是压力，所以实质上是讨论静止流体内部压力（压强）变化的规律。,推导： 容器中是静止液体，密度，取内部一底面积为A的垂直液柱，以容器底为基准水平面 由受力分析，当F = 0 P P W = 0 而W = gA(Z1 Z2); p1 =P1/A; p2 =P2/A p2 = p1 + gA(Z1 Z2) 当液柱在红线位置时，设液面上方压强p0, 由p = p2 ;p1 = p0;Z-Z=h 得：p = p0 + gh 结论： 在静止、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点的压强都相等； p0变化时，内部各点p压强也同样变化; (p p

10、0)/g = h, 说明压强差的大小可以用一定的液柱高度来表示。,四、流体静力学基本方程式应用,典型的应用：设备或管道内液体压强的指示 或测量 贮罐内液体液位测量 设备的液封 压强与压强差测量： U型管压差计：指示液与 被测液体不互溶、不起化学反应 密度大于被测液体的密度 p1 p2 = (A-B)gR 若被测流体是气体A-BA 则p1 p2 = AgR,微差压差计： 指示液A、C密度接近、不互溶 指示液C与被测流体也不互溶 “水库”内径与管内径之比 10 有：p1 p2 = (A-C)gR 液位测量：,水封 例：某罐头厂有一连续高压杀菌机如图示。杀菌要求kgf/cm2（绝压） 蒸气加热 预热

11、室、冷却室 均与大气相通， 试求预热室、冷 却室水封高度。,1.3 流体在管内的流动 流动着的流体内部压强变化的规律 流体从低位流到高位或从高位流到低位，需要输送设备对液体提供能量 高位槽向设备输送一定量料液时，高位槽的安装高度 1.3.1 流量与流速 流量：单位时间内流过管道任一截面的流体量。 以体积计，称体积流量 VS (m3/s) 以质量计，称质量流量 S (kg/s) 有 S = VS 流速：单位时间内流体在流动方向上所流过的距离 u (m/s) 工程上为方便起见，用整个 管截面上的平均流速来代替流体 的流速 即：u = VS/A =S /A,一般管道的截面均为圆形，设管道内径为d： d = 4 VS /u u太大，d虽小，但流动阻力，动力消耗，操作费 u太小，d虽大，操作费，但投资费 所以通常流速u要根据经验值选取。 1.3.2 稳定流动与不稳定流动及连续性方程 在流动系统中，各截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而变，不随时间而变，这种流动称为稳定流动。反之，称为不稳定流动。 本章仅讨论稳定流动问题。,连续性方程： * 衡算范围 * 流体视