化工原理-绪论和第一章

❀化工生产的定义和特点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，特点是原料来源广泛，品种繁多，加工过程复杂多样。❀单元操作☆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种基本的物理过程，如流体的输送与压缩、沉降、过滤、搅拌、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。☆不同工艺过程中的同一单元操作，具有共同的基本原理和通用的典型设备。☆不同工艺过程又各有其独特的条件与要求。☆单元操作过程的进行方式有间歇和连续之分。❀工艺制造☆若干单元操作与化学反应串联组合构成一个工艺制造过程。❀化工原理课程☆课程性质：基础技术课程☆课程任务：研究化工单元操作的基本原理，典型设备的构造及工艺尺寸的计算(或选型)。☆课程目标：培养学生分析和解决有关单元操作各种问题的能力，以便在化工生产、科研和 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 工作中达到强化生产过程，提高产品质量，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等方面的目的。❀教材涉及问题☆流体的动力过程：研究流体的流动及流体与之接触的固体间发生相对运动时的基本规律，以及主要受这一些基本规律支配的若干单元操作，如流体的输送、沉降、过滤及固体的流态化等。☆热过程：研究传热的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如热交换、蒸发等。☆传质过程：研究物质通过相界面的迁移过程的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如液体的蒸馏、气体的吸收、固体的干燥以及结晶等。☆冷冻操作❀三传理论动量传递、热量传递及质量传递❀物料衡算向设备输入物料量的总和等于输出物料量的总和与累积的物料量之和。∑Gi=∑Go+GA例题双效并流蒸发器是将待浓缩的原料加入第一效中浓缩到某组成后由底部排除送至第二效，再继续浓缩到指定的组成，完成液由第二效底部排出。加热蒸汽也送入第一效，在其中放出热量后冷凝水排至器外。由第一效溶液中蒸出的蒸汽送至第二效作为加热蒸汽，冷凝水也排至器外。由第二效溶液中蒸出的蒸汽送至冷凝器中。每小时将5000Kg无机盐水溶液在双效并流蒸发器中从12％(质量分数，下同)浓缩到30％。已知第二效比比第一效多蒸出5％的水分。试求：(1)每小时从第二效中取出完成液的量及各效蒸出的水分量；W1W2去冷凝器(2)第一效排出溶液的组成。解：(1)盐的衡算F0x0=B2x25000×0.12=0.3B2总物料衡算F0=W1+W2+B15000=W1+W2+B2第原料液第W2=1.05W1F0=5000Kg/h一B1二完成液流量B2=2000Kg/hx0=0.12蒸蒸第一效蒸出的水分W1=1463Kg/h加热蒸汽发发第二效蒸出的水分W2=1537Kg/h器器(2)第一效排出溶液的组成冷凝水盐衡算F0x0=B1x15000×0.12＝B1x1B1总物料F0=W1+B15000=1463+B1x1=16.96％冷凝水W1完成液B2x2=0.31❀热量衡算∑Qi=∑Qo+∑QL随物料输入系统的总热量等于随物料输出系统的总热量与向系统周围散失的热量之和。例题在换热器里将平均比热容为3.56KJ/(kg·℃)的某种溶液自25℃加热到80℃，溶液的流量为1.0Kg/s，蒸汽冷凝成同温度的饱和水后排出。试计算此换热器的热损失占蒸汽所提供热量的百分数。已知120℃饱和水蒸气的焓值为2708.9kJ/kg，120℃饱和水的焓值为503.67kJ/Kg。解：带入换热器的总热量∑Qi=0.095×2708.9+1×3.56×25=257.3+89=346.3kW输出换热器的总热量∑Qo=0.095×503.67+1×3.56×(80-25)=47.8+284.8=332.6kW热损失QL=∑Qi-∑Qo=346.3-332.6=13.7kW120℃饱和水蒸气热损失百分数=13.7÷(257.3-47.8)=6.54％0.095Kg/s25℃溶液80℃溶液1.0kg/s1.0kg/s120℃饱和水0.095kg/s第1章流体流动❀流体的物理性质☆流动性液体和气体统称为流体。流体抗剪和抗张的能力都很小，在外力的作用下，流体内部会发生相对运动，使流体变形，这种连续不断的变形就形成流动，使流体具有流动性。☆黏性在运动状态下，流体有一种抗拒内在向前运动的特性，称为黏性。☆牛顿黏性定律对于牛顿型流体(所有气体和大多数液体)，内摩擦力F与两流体层的速度差Δu成正比，与两层之间的垂直Δu距离Δy成反比，与两层间的接触面积S成正比：F∝SΔyΔu引进一个比例系数μ：F=μSΔyFΔu单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，用τ来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示：τ==μSΔy若果径向速度的变化不是直线关系则：Fduτ=S=μdyτ黏度μ=du，黏度物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。dy黏度为零的流体称为理想流体。自然界中并不存在理想流体。☆非牛顿型流体简介1.与时间无关的黏性流体τ宾汉塑性流体假塑性流体①宾汉塑性流体牛顿型流体特点：斜率固定，不过原点，τ0称为屈服应力。当剪应力超过屈服应力之后才开始流动，开始流动之后其性能像牛顿型流体一样。τ0涨塑性流体举例：纸浆、牙膏和肥皂等。②假塑性流体特点：表观黏度随剪切速率的增大而减小。du大多数与时间无关的黏性流体属于此类型，其中包括聚合物溶液或举例：dyγ或熔融体、油脂、淀粉悬浮液、蛋黄浆和油漆等。̇③涨塑性流体特点：表观黏度随剪切速率的增大而增加2举例：很少，玉米粉、糖溶液、湿沙和某些高浓度的粉末悬浮液等。2.与时间有关的黏性流体在一定剪切速率下，表观黏度随剪切力作用时间的延长而降低或升高的流体①触变性流体特点：表观黏度随剪切力作用时间的延长而降低举例：某些高聚物溶液、某些食品和油漆等。②流凝性流体特点：表观黏度随剪切力作用时间的延长而增加举例：某些溶胶和石膏悬浮液等。3.黏弹性流体特点：介于黏性流体和弹性固体之间，同时表现出黏性和弹性。在不超过屈服强度的条件下，剪切力除去以后，其变形能部分地复原。举例：面粉团、凝固汽油和沥青等。❀流体的静力学基本方程式☆压强表绝压表压强=绝对压强-大气压强对强大气压线真空度=大气压强-绝对压强压大气真空度大气流体静力学基本方程式强压强压强p1p2绝对压强+gz1=+gz2绝对零压线ρρ❀流体流动的基本方程无累积量的物料衡算☆连续性方程式ws=u1A1ρ1=u2A2ρ2=…uAρ对于不可压缩性流体Vs=u1A1=u2A2=…uA☆伯努利方程12p112p2gZ1+u++We=gZ2+u++∑hf21ρ22ρ❀流体流动现象duρ☆雷诺准数Re=μ①雷诺准数实际上反映了流体流动中的惯性力与黏滞力的比。当惯性力较大时，Re数较大；当黏滞力较大时，Re数较小。②流体在直管内流动时，当Re≤2000时，流体的流动类型是层流；当Re≥4000时，流动类型是湍流；当Re的值在2000至4000的范围内，可能是层流，也可能是湍流。☆流体在圆管内层流流动时的速度分布Δpf22Δpf2Δpf2瞬时速率ur=(Rr)平均速率u=R最大速率umax=R4μl8μl4μl☆边界层−①形成流体流经固体壁面时，由于流体具有黏性，在垂直于流体流动方向上产生速度梯度。在壁面附近存在着较大速度梯度的流体层，称为流动边界层，简称边界层。湍流边界层usus层流边界层δxc层流内层3δ4.64δ0.376②发展平板上边界层的厚度层流边界层=0.5断流边界层=0.2xRexxRexusxρ其中Rex=us是主流区的流速μ5边界层内流体的流型由Rex得值来决定，对于光滑的平板壁面，Rex≤2×10时，边界层内的流动是层656流；当Rex≥3×10时，为湍流；Rex值在2×10至3×10的范围内，可能是层流也可能是湍流。圆形直管进口段边界层层流边界层层流稳定段长度与圆管直径和Re关系x0=0.0575Re~~dduρRe=u是管截面的平均流速x0μ流体在光滑管内作湍流流动，层流内层厚度δ61.5b=Re值越大，层流内层厚度越小。dRe78❀流体在管内的流动阻力⁄☆流动阻力产生的原因与影响因素流体具有黏性，流动时存在内摩擦，是流动阻力产生的根源；固定的管壁或其他形状的固体壁面，促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件。流动阻力的大小与流体本省的物理性质、流动状况及管道的形状尺寸等因素有关。☆流动阻力分类流体在管路中流动的阻力可分为直管阻力和局部阻力两种。直管阻力是流体经过一定管径的直管时，由于流体内膜餐产生的阻力。局部阻力主要是由于流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部因素所引起的阻力。lu2☆范宁公式h=λ是用于计算圆形直管中阻力所引起能量损失的通式，对于层流与湍流均适用。fd2π推导过程(p-p)d2=τπdl【压差产生的力与内摩擦力平衡】pp124124lτp-p=l12dp1-p2=ρhf【伯努利方程】4lτ4lτ2u2hf==ρdρdu228τλ=【引入摩擦系数，层流和湍流的摩擦系数值要分别讨论】ρu2lu2h=λfd2管壁粗糙度对摩擦系数的影响在层流时，摩擦系数与管壁粗糙度无关。湍流时①层流内层厚度δb大于壁面的绝对粗糙度ε，即δb＞ε，管壁粗糙度对摩擦系数的影响与层流接近。②层流内层厚度δb小于壁面的绝对粗糙度ε，即δb＜ε，管壁粗糙度对摩擦系数的影响是重要因素。☆层流时的摩擦系数层流摩擦系数λ仅受雷诺数Re的影响。推导ΔpΔp2流体在圆管内层流平均速度u=fR2=fd8μl32μl432μlu压强降Δp=fd264μ64λ==lρu2duρRe范宁公式Δp=ρh=λffd2☆湍流时的摩擦系数光滑管0.3164柏拉休斯公式λ=适用范围Re=3×103~1×105Re0.250.500顾毓珍公式λ=0.0056+适用范围Re=3×103~3×106Re0.32粗糙管1ddεdε柯尔布鲁克公式=2lg+1.14–2lg(1+9.35)适用范围＜0.005λεReλReλ⁄⁄√1dd√ε√尼库拉则与卡门公式=2lg+1.14适用范围＞0.005Reλ⁄☆四个区域√λε√，与管壁粗糙度无关，64层流区，Re≤2000λλ=Re过渡区，Re=2000~4000，将湍流时的曲线延伸以查取λ值。湍流区，Re≥4000，λ与Re准数及相对粗糙度d都有关当εd一定时，λ随Re的增大而减小，Re值增至某一数值后λ值下降缓慢；ε⁄当Re值一定时，λ随εd的增加而增大。⁄完全湍流区，λ只与d有关，与Re无关。该区又称为阻力平方区，相对粗糙度d越大的管道，达到阻⁄力平方区的Re值越低。ε⁄ε⁄5☆流体在非圆形直管内的流动阻力A水力半径：流体在流道里的流通面积A与润湿周边长∏之比，即rH=∏非圆形管“当量直径”de=4rHC对摩擦系数λ的修正系数Cλ=Re长方形长方形截面形状正方形等边三角形环形长:宽=2:1长:宽=4:1常数C5753966273例题一套换热器，内管与外管均为光滑管，直径分别为ϕ30mm×2.5mm与ϕ56×3mm。平均温度为40℃的水以每小时10m³的流量流过套管的环隙。试估算水通过环隙时每米管长的压强降。（已知40℃水密度ρ=992kg/m³，黏度μ=65.6×105Pa·s）解：设套管的外管内径为d1，内管的的外径为−d2。水的流通面积πd2d2π0.0520.032㎡A=4(1-2)=4(-)=0.00126V10水通过环隙的流速u=s==2.2m/sA0.00126×3600π(d2d2)A412d1d2水力半径rH===π(dd)41−+2−当量直径de=4r∏H=d1-d2=(0.05-0.03)m=0.02mduρ0.02×2.2×992雷诺准数Re=e==6.65×104＞4000，说明水在环形流道内湍流。μ65.6×105查“摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度的关系−”图，λ=0.01960.31640.3164根据柏拉休斯公式求得摩擦系数λ===0.019703Re0.25(6.65×104)0.250.5000.500根据顾毓珍公式求得摩擦系数λ=0.0056+=0.0056+=0.019911Re0.32(6.65×104)0.32本题以查图所得数据为准lu2范宁公式hf=λd22eΔpu0.01962.22=ρ=××992Pa/m=2353Pa/mΔplde20.022伯努利方程=hfλρ☆克服局部阻力能量损失两种计算方法阻力系数法ζ管路变化1.0出口阻力系数ζ=1.0进口阻力系数ζ=0.50.8局部阻力引起的能量损失0.6A1Au2u22‘’ρhf=ζ或Δpf=ζ22ζ0.40.2A1A2600.20.40.60.81.0当量长度法le22leuleρu局部能量损失h‘=λ或h‘=λfd2fd2管件与阀门的当量长度共线图☆管路系统中的总能量损失☆管路计算+求算能量损失∑=(λ+∑ζ)i𝟐𝟐∑𝐥𝐥𝐢𝐢∑𝐥𝐥𝐞𝐞𝐮𝐮求算流量流速𝐟𝐟∑𝐡𝐡hf—管路系统中的总能量损失，𝐝𝐝𝟐𝟐J/kg;求算管径∑li—管路系统中各段直管的总长度，m；并联管路中各支管的能量损失想等。∑le—管路系统中全部管件与阀门等的当量长度之和，m；主管流量等于各支管流量之和。∑ζi—管路系统中全部阻力系数之和，量纲为1；u—流体在管路中的流速，m/s。☆流量测量2gR(AC)测速管umax=ρ−ρ孔板流量计�ρ文丘里流量计转子流量计7习题一、填空1.黏度的定义式是，其物理意义是。在法定单位制中，其单位是，在物理单位制中，其单位是。2.流体静力学基本方程式主要应用于、、三个方面。3.某黏性液体在一定管路系统中流动，在流量不变的情况下将液体加热，则液体的黏度将，雷诺准数Re将，流动阻力将。4.根据流体力学原理设计的流量(测速)计重，用于测量大直径气体管路截面上速度分布的是;恒压差流量计是；能量损失最大的是；对流量变化反应最灵敏的是。25.黏度为0.05Pa·s的油品在ϕ112mm×6mm的圆管内流动，管截面上的速度分布可表达为uy=20y-200y式中y—管截面上任一点到管壁面的径向距离，m；uy—y点处的速度，m/s。则油品在管内的流型为，管截面上的平流速度为m/s，管壁面处的剪应力为τ为Pa。6.某设备的表压强为100kPa，则它的绝对压强为kPa；另一设备的真空度为400mmHg，则它的绝对压强为kPa(当地大气压为101.33kPa)。7.流体在圆形直管中做滞流流动时，其速度分布是形曲线。其管中心最大流速为平均流速的倍，摩擦系数λ与Re关系为。8.流体在钢管内作湍流流动时，摩擦系数λ与和有关，若其做完全湍流(阻力平房区)，则λ仅与有关。9.流体做湍流流动时，邻近管壁处存在一，雷诺数愈大，湍流程度愈剧烈，则该层厚度，流动阻力。10.因次分析的依据是。11.从液面恒定的高位槽向常压容器加水，若将放水管路上的阀门开度关小，则管内水流量将管路的局部阻力将，直管阻力将，管路总阻力将(设动能项可忽略。)12.牛顿黏性定律的表达式为，该式应用条件为流体和做流动。13.水力半径的定义式为，当量直径为倍水力半径。14.局部阻力的计算方法有和。15.一转子流量计，当通过水流量为1m³/h时，测得该流量计进、出口间压强降为20Pa；当流量增到1.5m³/h时，相应的压强降为Pa。16.LZB-40转子流量计，出厂时用20℃的空气标定流量范围为5~50m³/h，现拟用其测量40℃的空气，则空气的实际流量比刻度值，校正系数为，40℃空气的流量范围为。17.由三支管组成的并联管路，各支管的长度及摩擦系数均相等，管径比为d1:d2:d3=1:2:3，则三支管的流比为。18.如图所示，水从内径为d1的管段流向内径为d2管段，已知d2=2d1，d1管段流体流动的速度头为0.8m，h1=0.7m。√(1)忽略流经AB段的能量损失，则h2=m，h3=m。(2)若流经AB段的能量损失为0.2mH2O，则h2=m，h3=m。819.水流经图示的系统从细管喷出，已知水流经d1管段的压头损失为Hf,1=1m，流经d2管段的Hf,2=2m，则管口喷出时的速度为u3=m/s，d1管段的速度u1=m/s，水喷射到地面处的水平距离x=m，水的流量为m³/h。20.如图所示，高位槽液面恒定，液体以一定流量流经管路ab与cd，其管长与粗径、粗糙度均相同，则：(1)U形管压差计度数R1R2；(2)管段能量损失hf,abhf,cd；(3)两种情况下压差ΔpabΔpcd；(4)R1表示。21.一敞口容器底部连接等径的进水管和出水管，容器内水面维持恒定1.5m，管内压头均为0.5m，则进水管的点A、容器内的点C、出水管的点B的静压头分别为PA=m；PB=m；PC=m。二、选择题1.在SI单位制中，通用气体常数R的单位是。A.atm·cm³/mol·KB.Pa·m³/mol·KC.kg·m/kmol·KD.Ib·ft/Ibmol·K2.通常流体黏度随温度t的变化规律为。A.t升高、μ减小B.t升高、μ增大C.对液体t升高、μ减小，对气体则相反D.对液体t升高、μ增大，对气体则相反3.流体在圆形管中流动时，若其已进入阻力平房区，则摩擦系数λ与雷诺数Re的关系为。A.Re增加，λ增大B.Re增加，λ减小C.Re增加，λ基本上不变D.Re增加，λ先增大后减小3.滞流和湍流的本质区别是。A.湍流流速大于滞流流速B.滞流时Re数小于湍流时Re数C.流道截面大时为湍流，截面小时为滞流D.滞流无径向脉动，而湍流有径向脉动4.因次分析的目的在于。A.得到各变量间的确切定量关系B.用无因次数群代替变量，使实验与关联简化C.得到无因次数群间的定量关系D.无需进行实验，即可得到关联式5.滞流内层越薄，则以下结论正确的是。A.近壁面处速度梯度越小B.流体湍动程度越低C.流动阻力越小D.流动阻力越大6.在一水平变径管路中，在小管截面A和大管截面B处连接一U形压差计，当流体流过该管段时，压差计读数R值反映。A.A、B两截面间的压强差B.A、B两截面间的流动阻力C.A、B两截面间动压头变化D.突然扩大或缩小的局部阻力7.在一定管路中，当孔板流量计的孔径和文丘里流量计的喉径相同时，相同流动条件下，文丘里流量计的孔流系数CV和孔板流量计的孔流系数C0的大小为。A.C0=CVB.C0＞CVC.C0＜CVD.不确定8.流体流过两个并联管路管段1和2，两管内均呈滞流。两管的管长L1=2L2、管内径d1=2d2，则体积V2V1为。⁄A.12B.14C.18D.116⁄⁄⁄⁄99.在完全湍流区，流动摩擦阻力损失与成正比；在层流区，流动摩擦阻力损失与成正比。A.流速的一次方B.流速的平方C.流速的三次方D.流速的五次方三、计算1.如图所示，远距离测量控制装置，用以测定分相槽内煤油和水的两相界面位置。已知两吹气管出口的距离H=1.2m，U形管压差计的指示液为水银，煤油的密度为820kg/m³。试求当压差计读数R=83mm时，相界面与油层的吹气管出口距离h。2.用离心泵将水以10m³/h的流量由水池打到敞开的高位槽，两液面保持不变，液面高差为20m，管路总长度(包括所有当量长度)为100m，压强表后管路长度为80m(包括当量长度)，管路摩擦系数为0.025，管子内径为0.05m，水的密度为1000kg/m³，泵的效率为80％。试求：(1)泵的轴功率；(2)泵出口阀开大，真空表与压强表的读数将如何变化？103.用离心泵将20℃的清水从水池送至水塔的塔顶经喷头喷出，其流程如图所示：泵入口真空表的度数为224.66kPa。吸入管内径为70mm，其流动阻力(包括所用局部阻力)可表达为hf,1=2u1(u1为吸入管内水的流速，2m/s)；排出管内径为50mm，其所有流动阻力可表达为hf,2=10u2(u2为排出管的流速，m/s)。试求：(1)水的流量(m³/h)；(2)泵的有效功率？4.如图所示，用离心泵将储槽A中的液体输送到高位槽B(两个槽为敞开)，两槽液面保持恒定的高度差12m，管路内径为38mm，管路长度为50m(包括管件、阀门、流量计的当量长度)。管路上安装一孔板流量计，孔板的孔径为20mm，流量系数为C0=0.63，U管压差计读数R为540mm，指示液为汞(汞的密度为13600kg/m³)115.水经变径管路系统从上向下流动，如图所示。粗、细管的内径分别为d2=184mm及d1=100mm，水在粗管内A12流速u2=2m/s，两测压口之间垂直距离h=1.5m。突然扩大局部阻力系数的计算式为ζ=(1-)A2试判断或计算：(1)U形管中哪侧水银面较高并计算读数R；(2)保持管内流速不变，将管路倒置(即促管在上，水从下向上流动)，R将如何变化？计算时忽略两测压口之间的直管阻力。12