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1、一、化工生产过程化学工业的定义化学工业是对原料进行化学加工以获得有用产品的工业，核心是化学反应过程和反应器。2.化工生产的要求为使反应器内保持适宜的压力、温度和物料的组成等条件，原料需经过前处理。前处理是指原料经过的一系列预处理以除去杂质，达到必要的纯度、温度和压力的过程。反应产物同样需要经过各种后处理过程加以精制。二、单元操作单元操作的分类按操作的目的可分为：(1)物料的增压、减压和输送；(2)物料的混合或分散；(3)物料的加热或冷却；(4)非均相混合物的分离；(5)均相混合物的分离。2.常用单元操作及内容(1)常见单元操作单元造作是按物理过程的目的，兼顾过程的原理、相态，将各种前、后处理归
2、纳成的系列操作，如表O-I-巾向。表O-I-I化工常见单元操作单元悌作目的物态传递过程流体输送输送液或气喻人机械能动量传递搅拌混合或分股气-液：液-液：瑞人机械能动IIt传递固-液过年均和混合物分离液-冏：H-W尺度不同的栽留动收传递沉降能均和混合物分寓液-冏：气-因哥度基用起的沉降运动动M传地加热.冷却升温,降温.改变相上气或液利用温境序而传入或移出热址热量传动蒸发溶剂与不挥发性溶质的液供热以汽化溶剂热量传递分同气体吸收均根混合物分离气各组分在溶剂中溶解发的不同物质传递液体精溜均相混合将分离液分组分间挥发度的不同将Je传递萃取均相混合物分肉液各缎分在溶剂中溶解度的不同物庾传递千蝶去湿周体供热
3、汽化热.而同时传递吸附均相混合物分阈液或气各组分在吸附剂中的吸附能力不同物防传递反渗透均相混合物分离液各组分尺度不同的截精物破传递电渗透均相混合物分隔液电解质离个选抨性的传递物庾传递(2)单元操作的内容各单元操作的内容包括：过程和设备。三、化工原理”课程的两条主线传递过程(1)动量传递过程(单相或多相流动)；(2)热量传递过程传热；(3)物质传递过程-传质。表O-I-I中各单元操作皆属传递过程。2.研究工程问题的方法论(1)实验研究方法，即经验的方法；(2)数学模型方法,即半理论半经验的方法。第1章流体流动一、概述流体流动的考察方法(1)运动的描述方法拉格朗日法：选定一个流体质点并跟踪观察，进
4、而描述其运动参数(如位移、速度等)与时间的关系。欧拉法：在固定空间位置上观察流体质点的运动情况,如空间各点的速度、压强、密度等，进而直接描述各有关运动参数在空间各点的分布情况及变化。流体质点不是真正几何意义上的点，而是具有质点尺寸的点。(2)定态流动定态流动是指运动空间各点的状态不随时间变化的流动。(3)流线与轨线轨线是指某一流体质点的运动轨迹。它是由拉格朗日法考察流体运动所得。流线是流体在速度方向上的连线，流线上各点的切线表示同一时刻各点的速度方向。它是采用欧拉法考察的结果。由于同一点在指定的某一时刻只有一个速度，所以流线不会相交。在定态流动时流线与轨线重合。2 .流体流动中的作用力(1)体
5、积力体积力(质量力)作用于流体的每一个质点上，并与流体的质量成正比。(2)表面力压力与剪力表面力与表面积成正比。若取流体中任一微小平面，作用于其上的表面力可分为垂直于表面的力和平行于表面的力。前者称为压力，后者称为剪力(或切力)。压强压强是指单位面积上所受的压力,其单位为N/,也称为帕斯卡(Pa),其IO。倍称为兆帕(MPa),现工程上常用兆帕做压强的计量单位。剪应力剪应力是指单位面积上所受的剪力。对大多数流体，剪应力服从牛顿黏性定律。duf彳式中du/dy法向速度梯度，1/s；流体的黏度,Nsm2,即Pas；剪应力，Pae牛顿黏性定律指出,剪应力与法向速度梯度成正比,与法向压力无关。(3)黏
6、度黏度是指流体抵抗剪切变形的能力。通常液体的黏度随温度增加而减小，气体的黏度远小于液体的黏度，随温度上升而增大。黏度的单位为Pas,较早的手册也常用泊(达因秒/厘米2)或厘泊(。泊)表示。IcP(厘泊)=103Pas黏度和密度P常以比值的形式出现，定义V=KP琳为运动黏度，在Sl单位中以m%表示，CGS单位为海(cm2s),其百分之一为厘液。又称动力黏度。(4)理想流体当流体无黏性，即=OB寸，称为理想流体。(5)液体的表面张力表面张力。为=2L流体流动中的机械能流体所含的能量包括内能和机械能。固体质点运动时的机械能有两种形式：位能和动能。而流动流体中除位能、动能外还存在另一种机械能压强能。二
7、、流体静力学静压强在空间的分布(1)静压强在静止流体中，作用于某一点不同方向上的压强在数值上是相等的。(2)流体微元的受力平衡设从静止流体中取一立方体流体微元，中心点A的坐标为(X,y,z)。立方体各边分别与坐标轴ox.oy、OZ平行，边长分别为6x、yxz,如图I-I-I所示。作用于流体微元上的力有表面力与体积力两种。图I-I-I流体微元的受力平衡(3)欧拉平衡方程X-=OPOXy_L=0P办Z-=0pz等式左方为单位质量流体所受的体积力和压力。(4)静力学平衡方程5+弁N=常数对于静止流体中任意两点1和2,如图1-1-2所示。y+r=y+g上述两式仅适用于在重力场中静止的不可压缩流体，表明
8、静压强仅与垂直位置有关，而与水平位置无关。2,静力学方程的物理意义g须实质上是单位质量流体所具有的位能，p/p是单位质量流体所具有的压强能。位能与压强能都是势能。表明，在同种静止流体中不同位置的微元其位能和压强能各不相同，但其和即总势能保持不变。3 .压强的表示方法(1)压强的表示方法可直接以Pa表示，在压强不大时，工程上常间接地以流体柱高度表示，如用米水柱或毫米汞柱等。液柱高度h与压强的关系为P=Pgh注意：当以液柱高度h表示压强时，必须同时指明为何种流体。(2)压强的基准压强的大小常以两种不同的基准来表示：绝对真空；大气压强。以绝对真空为基准测得的压强称为绝对压强，以大气压强为基准测得的压
9、强称为表压或真空度。表压二绝对压-大气压真空度二大气压-绝对压4 .压强的静力学测量方法(1)简单测压管最简单的测压管如图1-3所示。储液罐的A点为测压口。测压口与一玻璃管连接。玻璃管的另一端与大气相通。由玻璃管中的液面高度获得读数R,用静力学原理得PA=P+KA点的表压为(2)U形测压管图皿-4表示用U形测压管测量容器中的A点压强。在U形玻璃管内放有某种液体作为指示液。指示液必须与被测流体不发生化学反应且不互溶，其密度Pi大于被测流体的密度P。P.图1-1-4U形测压管由静力学方程可知，在同一种静止流体内部等高面即是等压面。图1-1-4中1、2两点的压强相等，由此可求得A点的压强为PLPa+
10、p寓R-PMA点的表压为PA-Pa=PtgR_pghI若容器内为气体，则由气柱%造成的静压强可以忽略，得限一%=PgR此时U形测压管的指示液读数R表示A点压强与大气压之差，读数R即为A点的表压。(3)U形压差计若U形测压管的两端分别与两个测压口相连，则可以测得两测压点之间的压差，故称为压差计。图1-1-5表示U形压差计测量直管内作定态流动时A、B两点的压差。因U形管内的指示液处于静止状态，故位于同一水平面1、2两点的压强相等，故有(P卜+pgZA)一(PBPgB)=Rg(Pi_P)或-=(p1-P)上式表明，当压差计两端的流体相同时，U形压差计直接测得的读数R实际上并不是真正的压差，而是A、B
11、两点虚拟压强之差。当两测压口处于等高面上，Za=Zb(即被测管路水平放置)时1%一外=/A-PhU形压差计才能直接测得两点的压差。当压差一定时，用U形压差计测量的读数R与密度差(Pi-P)有关，有时也可用密度较小的流体(如空气)作指示剂，采用倒U形管测量压差。三、流体流动中的守恒原理质量守恒(1)流量流量是指单位时间内流过管路某一截面的物质量。流过的量如以体积表示，称为体积流量，以符号qv表示，常用的单位有m%或m3h；如以质量表示，则称为质量流量,以符号qrn表示，常用的单位有kg/s或kg/h。体积流量qv与质量流量qm间存在如下关系Am=QvP式中P为流体的密度，kg注意：流量是一种瞬时
12、的特性，不是某段时间内累计流过的量。当流体作定态流动时，流量不随时间而变。(2)平均流速流速是指单位时间内流体质点在流动方向上流经的距离，以符号U表示，单位为m/s。平均流速与流量的关系为_QvU=A或G=%=up式中，G称为质量流速,亦称为质量通量,其单位为kg(m2s)(3)质量守恒方程考察图1-1-6中截面1-1至截面2-2之间的管段控制体，则仍访Al=PiU2A2式中A|、A2管段两端的横截面积，m2；八2管段两端面处的平均流速，m/s；PhP2管段两端面处的流体密度，kgm对不可压缩流体，P为常数。上式表明，不可压缩流体的平均流速与管截面成反比，截面增加，流速减小；截面减小，流速增加
13、。流体在均匀直管内作定态流动时，平均流速“沿流程保持定值，不因内摩擦而减速。2.机械能守恒(1)沿流线的机械能守恒“+=常数上式称为伯努利方程，适用于重力场不可压缩的理想流体作定态流动的情况，表示在流动的流体中存在着三种形式的机械能,即位能、压强能、动能。三种机械能可相互转换，但总和保持不变。(2)理想流体管流的机械能守恒对于理想流体，伯努利方程可以不加修改地用于管流。下标1、2分别代表管流中位于均匀流段的截面皿和2-2。(3)实际流体管流的机械能守恒对截面1-1与2-2间作机械能衡算可得%否+%吟+阐+江式中()某截面上单位质量流体动能的平均值，J/kg;hc截面1至截面2-2间外界对单位质
14、量流体加入的机械能，J/kg；hf-单位质量流体由截面1-1流至截面2-2的机械能损失(即阻力损失，J/kg)o(4)伯努利方程的几何意义伯努利方程的另一种以单位重量流体为基准的表达形式z+（=常数PR2g式中Z又称位头；我又称压头；费又称速度头。伯努利方程的几何意义是位头、压头、速度头（均为高度）之和为常数。Zi+扰+He=Zz+枕+拦+HfPg2gpg2g式中HC截面1-1至截面2-2间外界对单位重量流体加入的机械能，J/N（或m）；Hf一单位重量流体由截面1-1流至截面2-2的机械能损失（阻力损失），J/N（或m）。3 .动量守恒（1）管流中的动量守恒作用于控制体内流体上的外力的合力二（
15、单位时间内流出控制体的动量）-（单位时间内进入控制体的动量）+（单位时间内控制体中流体动量的累积量）。（2）动量守恒定律和机械能守恒定律的关系动量守恒定律和机械能守恒定律都从牛顿第二定律出发导出，两者都反映了流动流体各运动参数的变化规律。流动流体必须同时遵循这两个规律，但在实际应用的场合上却有所不同，因假定条件不同而使结果不同，应用时都需经实验检验。四、流体流动的内部结构流动的类型（1）两种流型层流和湍流流体质点作直线运动，流体层次分明，层与层之间互不混杂（此处仅指宏观运动，不是指分子扩散），这种流型称为层流或滞流。流体质点在总体上沿管道向前运动,同时还在各个方向作随机的脉动，这种流型称为湍流
16、或素流（2）流型的判据雷诺数Re可以将雷诺数RC=%作为流型的判据：当Re2000时,必定出现层流，为层流区；当2000Re4000时，有时出现层流，有时出现湍流，依赖于环境,为过渡区；当Re24000时，一般出现湍流，为湍流区。以Re为判据将流动划分为三个区：层流区、过渡区、湍流区。过渡区并非表示一种过渡的流型，它表示在此区内可能出现层流也可能出现湍流。4 .雷诺数的物理意义雷诺数表征了流动流体惯性力与黏性力之比。5 .边界层及边界层脱体(1)边界层边界层是指流速降为来流速度U的99%以内的区域。边界层按流型有层流边界层和湍流边界层之分，如图1-1-7所示。(2)管流入口段图1-1-7平壁上
17、的边界层当流体在圆管内流动时，只在进口处一段距离内(入口段)有边界层内外之分。经此段距离后，边界层扩大到管中心，在管中心汇合时，若边界层内流动是层流，则以后的管流为层流。若在汇合点之前流动已发展成湍流边界层，则以后的管流为湍流。(3)湍流时的层流内层和过渡层将湍流流动分为湍流核心和层流内层两个部分。层流内层一般很薄，厚度随Re的增大而减小。在湍流核心内，径向的传递过程因质点的脉动而大大强化。在层流内层中，径向的传递只依赖于分子运动。因此，层流内层成为传递过程主要阻力所在。(4)边界层的分离现象当流速均匀的流体绕过大曲率的物体，如球体或圆柱体流动时，边界层的情况又有新的特点。图1-1-8流体对圆
18、柱体的绕流如图1-1-8中C-C线所示，该线与边界层上缘之间的区域即成为脱离了物体的边界层。该现象称为边界层的分离或脱体。在C-C线以下的流体在逆压强梯度作用下形成倒流。在柱体的后部产生大量旋涡，造成流体的机械能损失增大。由上述可知：流道扩大时必造成逆压强梯度；逆压强梯度容易造成边界层的分离；边界层分离造成大量旋涡，大大增加机械能消耗。6 .圆管内流体运动的数学描述(1)剪应力分布圆直管内沿径向的剪应力分布.孙一纸r=-27r剪应力分布与流体种类无关，且对层流和湍流皆适用。上式表明，在圆直管内剪应力与半径成正比。在管中心r=0,剪应力为零；在管壁r=R处，剪应力最大，其值为(邑清)凡(2)层流
19、时的速度分布层流时圆管截面上的速度呈抛物线分布，平均速度为管中心最大速度的一半。(3)圆管内湍流的速度分布湍流时截面速度分布比层流时均匀得多。在发达的湍流情况下，平均速度约为最大流速的08倍。五、阻力损失直管阻力和局部阻力化工管路主要由两部分组成：(1)直萱；(2)弯头、三通、阀门等管阀件。直管造成的机械能损失称为直管阻力损失(沿程阻力损失)；管件造成的机械能损失称为局部阻力损失。对于通常的管路，无论是直管阻力或局部阻力，也无论是层流或湍流，阻力损失均主要表现为流体势能的降低。流体在直管中作层流流动时，因阻力损失造成的势能差可用下式表示*翳上式称为泊谡叶方程。层流时的直管阻力损失为,32Zuh
20、i=oj-2 .湍流时直管阻力损失的实验研究方法多(1)实验研究的基本步骤析因实验一寻找影响过程的主要因素;规划实验减少实验工作量；数据处理实验结果的正确表达。3 .直管阻力损失的计算式(1)统一的表达方式,JZM2式中摩擦系数为雷诺数Re和相对粗糙度Rd的函数，即(2)摩擦系数对Re2000的层流直管流动=g(Rr4000,流动进入湍流区，摩擦系数人随雷诺数Re的增大而减小。当Re足够大后，不再随Re而变，其值仅取决于相对粗糙度&(3)非圆形管的当量直径,4X管道截面积一4A九一浸润冏边一万4.局部阻力损失(1)局部阻力损失原因局部阻力损失是由于流道的急剧变化使流动边界层分离，所产生的大量旋
21、涡消耗了机械能。(2)局部阻力损失的计算近似地认为局部阻力损失服从平方定律fyU2hi=2式中局部阻力系数，由实验测定。近似地认为局部阻力损失相当于某个长度的直管Af=A7x7式中Ie为管件的当量长度，由实验测得。六、流体输送管路的计算管路分析(1)简单管路分析图1-1-9所示为一典型的简单管路。管路某部位的阻力系数增加会使串联管内各处的流量下降；阻力损失总是表现为流体机械能的降1氐，在等径管中则为总势能(以虚拟压强,表示)降氐；阀门关4N钺上游压强上升；阀门关N钺下游压强下降。2距9y-%-队、QV%图1-1-9简单管路(2)分支管路分析一般情况下，关小阀门使所在的支管流量下降，与之平行的支
22、管内流量上升，但总管的流量还是减少了。但须注意下列两种极端情况，如图I-I-Io所示。总管阻力可以忽略，支管阻力为主%=外且接近为一常数。阀A关小仅使该支管A的流量qv?变小，但对支管B的流量几乎没有影响，即任一支管情况的改变不致影响其他支管的流量。总管阻力为主,支管阻力可以忽略续与下游出口端虚拟压强终或的相近，总管中的总流量将不因支管情况而变。阀A的启闭不影响总流量，仅改变了各支管间的流量的分配。(3)汇合管路分析图I-I-IO分支管路图I-I-II所示为最简单的汇合管路，设下游阀门全开时两高位槽中的流体流下在0点汇合。将阀门关小，qv3下降，交汇点。虚拟压强能升高。qvi、qv2同时降低，
23、但因为V为，qv2下降更(1)简单管路的数学描述质量守恒式Qv=u楣戒能衡算式(Ag)=信+gk)+6+居摩擦系数计算式F阴7)(2)管路计算的类型分支与汇合管路的计算在如图1-1-12所示的管路中，根据管段2-()内的流向，可能是分支管路，也可能是汇合管路。不论是分支还是汇合，在交点0都会产生动量交换。在动量交换过程中，一方面造成局部能量损失，同时在各流股之间还有能量转移。图1-1-12分支与汇合管路的计算现设图1-1-12中流体由槽1流至槽2与槽3,则可列出如下方程。储-Ppwl(4)l(4)t4(4)1(4k4:片=“2:啰+“3式中管长I均包括局部阻力的当量长度，下标1、2、3分别代表
24、1-0、0-2、0-3三段管路。对操作型计算，可设为一常数，由上述方程组可求出U|、U2、U3。如有必要，可验算总菅及各支管的Re数,对假设的值作出修正。并联管路的计算并联管路如图皿-13所示。并联管路任一支管，阻力损失是相等的，即r=Afz=Af3=Af若忽略分流点与合流点的局部阻力损失，各管段的阻力损失可按下式计算。/uiAE5式中Ii为支管总长，包括了各局部阻力的当量长度。并联管路各支管的流量分配：如只有三个支管，则qv-=厩廉屈由质量守恒知总流量Qv=qvl+q%+gv,图1-1-13并联管路七、流速和流量的测定毕托管(1)毕托管的测速原理测速装置如图1-1-14所示。考察图1/-14
25、中从A点到B点的流线，由于B点速度为零，所以B点的总势能应等于A点的势能与动能之和。B点称为驻点。利用驻点与A点的势能差可以测得管中的流速。式中Pi为U形压差计中指示液的密度。毕托管测得的是点速度。图1-1-14皮托管测速示意图(2)毕托管的安装注意事项必须保证测量点位于速度分布稳定段。要求测量点的上、下游最好各有50d以上长度（d为管径）的直管距离，至少也应在（812）d以上。必须保证管口截面严格垂直于流动方向。否则，任何偏离都将造成负的偏差。毕托管直径如应小于管径d的1/50,BPdod5O2 .孑饭流量计（1）孔板流量计的测量原理孑施流量如图2-15所示。当流体通过孑施时，因流道缩小使流
26、速增加，降低了势能。流体流过孔板后，由于惯性，实际流道将继续缩小至截面2（缩脉）为止。孑饭的流量计算式为图1-1-15孔板流量讨示意图AO产尹（2）孑饭流量计的安装和阻力损失孔板流量计安装时，在上游和下游必须分别有（1540）d和5d的直管距离。孔板流量计的缺点是阻力损失大。这一阻力损失是由于流体与孔板的摩擦阻力以及在缩脉后流道突然扩大形成大量旋涡造成的。3 .文丘里流量计如图皿-16所示的渐缩渐扩管，避免了突然的缩厢突然的扩大，可以大大地降低阻力损失。这种管称为文丘里管，用于测量流量时，亦称为文丘里流量计。图1-1-16文丘里流量计文丘里管的主要优点是能耗少，大多用于低压气体的输送。4 .转子流量计
