[工学]化工原理重点内容串讲高教版杨祖荣主编.doc

《[工学]化工原理重点内容串讲高教版杨祖荣主编.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[工学]化工原理重点内容串讲高教版杨祖荣主编.doc（96页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、目 录第一章 流体流动与输送机械（3）第一节 流体静力学（3）第二节 流体动力学（5）第三节 管内流体流动现象（7）第四节 流体流动阻力（8）第五节 管路计算（11）第六节 流速与流量的测量（11）第七节 流体输送机械（13）第二章 非均相物系分离（20）第一节 概述（20）第二节 颗粒沉降（21）第三节 过滤（24）第四节 过程强化与展望（26）第三章 传热（27）第一节 概述（27）第二节 热传导（28） 第三节 对流传热（29）第四节 传热计算（33）第五节 辐射传热（35）第六节 换热器（37）第四章 蒸发（39）第一节 概述（39）第二节 单效蒸发与真空蒸发（39）第三节 多效蒸发（

2、42）第四节 蒸发设备（43）第五章 气体吸收（44）第一节 概述（44）第二节 气液相平衡关系（47）第三节 单相传质（48）第四节 相际对流传质及总传质速率方程（51）第五节 吸收塔的计算（53）第六节 填料塔（60）第六章 蒸馏（62）第一节 概述（62）第二节 双组分物系的气液相平衡（62）第三节 简单蒸馏和平衡蒸馏（64）第四节 精馏（66）第五节 双组分连续精馏的计算（66）第六节 间歇精馏（70）第七节 恒沸精馏与萃取精馏（70）第八节 板式塔（70）第九节 过程的强化与展望（72）第七章 干燥（74）第一节 概述（74）第二节 湿空气的性质及湿度图（74）第三节 干燥过程的物料

3、衡算与热量衡算（76）第四节 干燥速率和干燥时间（79）第五节 干燥器（81）第六节 过程强化与展望（82）第八章 液液萃取（83）第一节 概 述（83）第二节 液液相平衡（83）第三节 萃取过程计算（85）第四节 萃取设备（89）第五节 过程和设备的强化与展望（91）第一章 流体流动第一节 流体静力学流体静力学主要研究流体处于静止时各种物理量的变化规律。1-1-1 密度单位体积流体的质量，称为流体的密度。 液体密度 一般液体可视为不可压缩性流体，其密度基本上不随压力变化，但随温度变化，变化关系可从手册中查得。液体混合物的密度由下式计算： 式中，为液体混合物中i组分的质量分率； 气体密度 气体

4、为可压缩性流体，当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算 一般在手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下的数值，若条件不同，则此值需进行换算。气体混合物的密度由下式计算： 式中，为气体混合物中i组分的体积分率。或 其中 式中，为气体混合物中各组分的摩尔分率。对于理想气体，其摩尔分率y与体积分率相同。1-1-2 压力流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，又称为压力。在静止流体中，作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。压力的单位 （1） 按压力的定义，其单位为N/m2，或Pa；（2） 以流体柱高度表示，如用米水柱或毫米汞柱等。标准大气压的换算关系： 1atm = 1.

5、013105Pa =760mmHg =10.33m H2O 压力的表示方法 表压 = 绝对压力 大气压力 真空度 = 大气压力 绝对压力1-1-3 流体静力学基本方程静力学基本方程：压力形式 能量形式 适用条件：在重力场中静止、连续的同种不可压缩流体。（1）在重力场中，静止流体内部任一点的静压力与该点所在的垂直位置及流体的密度有关，而与该点所在的水平位置及容器的形状无关。（2）在静止的、连续的同种液体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。（3）物理意义：静力学基本方程反映了静止流体内部能量守恒与转换的关系，在同一静止流体中，处在不同位

6、置的位能和静压能各不相同二者可以相互转换，但两项能量总和恒为常量。应用： 1. 压力及压差的测量（1）U形压差计 若被测流体是气体，可简化为 U形压差计也可测量流体的压力，测量时将U形管一端与被测点连接，另一端与大气相通，此时测得的是流体的表压或真空度。 （2）倒U形压差计 （3）双液体U管压差计 2. 液位测量3. 液封高度的计算 第二节 流体动力学1-2-1 流体的流量与流速一、流量 体积流量VS 单位时间内流经管道任意截面的流体体积， m3/s或m3/h。质量流量mS 单位时间内流经管道任意截面的流体质量， kg/s或kg/h。二、流速 平均流速u 单位时间内流体在流动方向上所流经的距离

7、，m/ s。 质量流速G 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量，kg/（m2s）。相互关系：mS=GA=/4d2GVS=uA=/4d2u质量流量 mS kg/s mS=VS体积流量 VS m3/s质量流速 G kg/m2s (平均)流速 u m/s G=u1-2-2 定态流动与非定态流动流体流动系统中，若各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化，这种流动称之为定态流动；若流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化，则称为非定态流动。1-2-3 定态流动系统的质量守恒连续性方程 =常数（不可压缩流体） 圆管 1-2-4 定态流动系统的机械能守恒柏努利方程一、实际

8、流体的柏努利方程以单位质量流体为基准： J/kg以单位重量流体为基准： J/N=m 适用条件：（1）两截面间流体连续稳定流动； （2）适于不可压缩流体，如液体； 对于气体，当 ，可用两截面的平均密度m计算。二、理想流体的柏努利方程理想流体是指没有粘性（即流动中没有摩擦阻力）的不可压缩流体。 表明理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，三、柏努利方程的讨论 （1）当系统中的流体处于静止时，柏努利方程变为 上式即为流体静力学基本方程式。（2）在柏努利方程式中， zg、分别表示单位质量流体在某截面上所具有的位能、动能和静压能；而We、Wf是指单位质量流体在两截面间获得或消耗的能量。输送

9、机械的有效功率： 输送机械的轴功率： 四、柏努利方程的应用应用柏努利方程时需注意的问题：（1） 截面的选取所选取的截面应与流体的流动方向相垂直，并且两截面间流体应是定态连续流动。截面宜选在已知量多、计算方便处。截面的物理量均取该截面上的平均值。（2） 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。为计算方便，宜于选取两截面中位置较低的截面为基准水平面。若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选管中心线的水平面。（3）计算中要注意各物理量的单位保持一致，对于压力还应注意表示方法一致。第三节 管内流体流动现象1-3-1 流体的粘度一、牛顿粘性定律牛顿粘性定律表明流体在流动中流体层间

10、的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度之间的关系，其表达式为 或 牛顿粘性定律适用于层流。粘度是度量流体粘性大小的物理量，一般由实验测定。物理意义：促使流体在与流动相垂直方向上产生单位速度梯度时的剪应力。 单 位：Pa.s，cp 1cp=10-3 Pa.s 影响因素：温度与压力 液体：T，；不考虑p的影响。 气体：T，；一般在工程计算中也不考虑p的影响。剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体，称为牛顿型流体；不符合牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流体。 运动粘度为粘度与密度的比值，单位为m2/s，也是流体的物理性质。 1-3-2 流体的流动型态一、流体流动类型层流（或滞流） 流体质点仅沿着与管轴

11、平行的方向作直线运动，流体分为若干层平行向前流动，质点之间互不混合；湍流（或紊流） 流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时发生变化，质点互相碰撞和混合。二、流型判据雷诺准数 （1-28） Re为无因次准数，是流体流动类型的判据。（1） 当Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；（2） 当Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；（3） 当2000 Re 4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。 根据Re准数的大小将流动分为三个区域：层流区、过渡区、湍流区，但流动类型只有两种：层流与湍流。雷诺准数物理意义：表示流体流动

12、中惯性力与粘性力的对比关系，反映流体流动的湍动程度。1-3-3 流体在圆管内的速度分布一、层流时的速度分布由实验和理论已证明，层流时的速度分布为抛物线形状，管中心处速度为最大，管壁处速度为零。管截面上的平均速度与中心最大流速之间的关系为 二、湍流时的速度分布湍流时速度分布由实验测定，管中心区速度最大，管壁处速度为零。管截面上的平均速度与中心区最大流速之间的关系为 三、层流内层的概念当流体在管内处于湍流流动时，由于流体具有粘性和壁面的约束作用，紧靠壁面处仍有一薄层流体作层流流动，该薄层称为层流内层（或层流底层）， 层流内层为传递过程的主要阻力。其厚度与流体的湍动程度有关，流体的湍动程度越高，层流

13、内层越薄。层流内层只能减薄，但不能消失。第四节 流体流动阻力1-4-1 流体在直管中的流动阻力一、直管阻力的通式范宁公式的几种形式： 能量损失 压头损失 压力损失 二、层流时的摩擦系数层流时摩擦系数是雷诺数Re的函数流体在直管内层流流动时能量损失的计算式为 或 哈根-泊谡叶方程 表明层流时阻力与速度的一次方成正比。三、湍流时的摩擦系数因次分析法主要步骤（1）通过初步的实验和较系统的分析，找出影响过程的主要因素；（2）通过无因次化处理，将影响因素组合成几个无因次数群，减少变量数和实验工作量；（3）建立过程的无因次数群关联式（通常采用幂函数形式），通过实验确定出关联式中各待定系数。因次分析法的基础

14、：因次一致性，即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的因次。因次分析法的基本定理：设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本因次数为m个，则该物理现象可用N（nm）个独立的无因次数群表示。湍流时摩擦系数是Re和相对粗糙度的函数： Re/d 图：（1）层流区 Re2000 =64/Re， 与/d无关 Wf, hf u1（2）过渡区 2000 Re4000 =f（Re，/d） Wf, hf u1-2（4）完全湍流区 Re Rec =f（/d）与Re无关 Wf, hf u2 (阻力平方区) (虚线以上)四、非圆形管内的流动阻力 此时仍可用圆管内流动阻力的计算式，但需用

15、非圆形管道的当量直径代替圆管直径。当量直径 1-4-2 局部阻力一、阻力系数法将局部阻力表示为动能的某一倍数， 或 式中称为局部阻力系数，一般由实验测定。注意，计算突然扩大与突然缩小局部阻力时，u为小管中的大速度。进口阻力系数，出口阻力系数。二、当量长度法将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为的直管所产生的阻力即 或 式中称为管件或阀门的当量长度，也是由实验测定。1-4-3 流体在管路中的总阻力 当管路直径相同时，总阻力： 或 注意：计算局部阻力时，可用局部阻力系数法，亦可用当量长度法，但不能用两种方法重复计算。第五节 管路计算1-5-1 简单管路在定态流动时, 其基本特点为：

16、（1）流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变，即 (2)整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和，即 计算可分为两类：设计型和操作型。计算中注意试差法的应用。1-5-2 复杂管路一、并联管路特点：（1）主管中的流量为并联的各支管流量之和，对于不可压缩性流体，则有 （2）并联管路中各支管的能量损失均相等，即 注意：计算并联管路阻力时，可任选一根支管计算，而绝不能将各支管阻力加和在一起作为并联管路的阻力。二、分支管路与汇合管路特点：（1）总管流量等于各支管流量之和，对于不可压缩性流体，有 （2）虽然各支管的流量不等，但在分支处O点的总机械能为一定值，表明流体在各支管流动终

17、了时的总机械能与能量损失之和必相等。 第六节 流速与流量的测量1-6-1 测速管测速管测得的是流体在管截面某点处的速度，点速度与压力差的关系为： 用U形压差计测量压差时 注意测速管安装时的若干问题。1-6-2 孔板流量计 孔板流量计是利用流体流经孔板前后产生的压力差来实现流量测量。孔速 体积流量 质量流量 式中C0为流量系数或孔流系数， ， 常用值为C00.60.7。孔板流量计的特点：恒截面、变压差，为差压式流量计。 1-6-3 文丘里（Venturi）流量计文丘里流量计也属差压式流量计，其流量方程也与孔板流量计相似，即 式中CV为文丘里流量计的流量系数（约为0.980.99）。 文丘里流量计

18、的能量损失远小于孔板流量计。 1-6-4 转子流量计 转子流量计是通过转子悬浮位置处环隙面积不同来反映流量的大小。环隙流速 体积流量 式中CR 为流量系数，AR为转子上端面处环隙面积。转子流量计的特点：恒压差、恒环隙流速而变流通面积，属截面式流量计。转子流量计的刻度，是用20的水（密度为1000kg/m3）或20和101.3kPa下的空气（密度为1.2kg/m3）进行标定。当被测流体与上述条件不符时，应进行刻度换算。在同一刻度下，两种流体的流量为 式中下标1表示标定流体的参数，下标2表示实际被测流体的参数。注意：转子流量计必须垂直安装；为便于检修，转子流量计应安装支路。第七节 流体输送机械1-

19、7-1 离心泵一、离心泵的工作原理与构造1.工作原理 离心泵启动前，应先将泵壳和吸入管路充满被输送液体。启动后，泵轴带动叶轮高速旋转，在离心力的作用下，液体从叶轮中心甩向外缘。流体在此过程中获得能量，使静压能和动能均有所提高。液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使泵出口处液体的静压能进一步提高，最后以高压沿切线方向排出。液体从叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成低压，在贮槽液面和泵吸入口之间压力差的作用下，将液体吸入叶轮。可见，只要叶轮不停地转动，液体便会连续不断地吸入和排出，达到输送的目的。气缚现象：离心泵启动前泵壳和吸入管路中没有充满

20、液体，则泵壳内存有空气，而空气的密度又远小于液体的密度，故产生的离心力很小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内液体吸入泵内，此时虽启动离心泵，也不能输送液体，此种现象称为气缚现象，表明离心泵无自吸能力。因此，离心泵在启动前必须灌泵。2.离心泵的主要部件 叶轮 其作用为将原动机的能量直接传给液体，以提高液体的静压能与动能（主要为静压能）。泵壳 具有汇集液体和能量转化双重功能。轴封装置 其作用是防止泵壳内高压液体沿轴漏出或外界空气吸入泵的低压区。常用的轴封装置有填料密封和机械密封两种。二、离心泵的性能参数与特性曲线1. 性能参数 流量Q 离心泵单位时间内输送到管路系统的液体体积， m3/s或

21、m3/h。压头（扬程）H 单位重量的液体经离心泵后所获得的有效能量，J /N或m液柱。效率 反映泵内能量损失，主要有容积损失、水力损失、机械损失。 轴功率N 离心泵的轴功率是指由电机输入离心泵泵轴的功率， W或kW。离心泵的有效功率Ne是指液体实际上从离心泵所获得的功率。 泵的有效功率： 或 泵的轴功率为 或 2. 特性曲线离心泵特性曲线是在一定转速下，用20水测定，由HQ、NQ、Q三条曲线组成。（1）HQ曲线：离心泵的压头在较大流量范围内随流量的增大而减小。不同型号的离心泵，HQ曲线的形状有所不同。（2）NQ曲线：离心泵的轴功率随流量的增大而增大，当流量Q0时，泵轴消耗的功率最小。因此离心泵

22、启动时应关闭出口阀门，使启动功率最小，以保护电机。（3）Q曲线：开始泵的效率随流量的增大而增大，达到一最大值后，又随流量的增加而下降。这说明离心泵在一定转速下有一最高效率点，该点称为离心泵的设计点。一般离心泵出厂时铭牌上标注的性能参数均为最高效率点下之值。高效率区通常为最高效率的92左右的区域。3. 影响离心泵性能的主要因素密度：Q不变，H不变，基本不变，N； 粘度：Q，H，N； 转速：比例定律 叶轮直径：切割定律 三、离心泵的工作点与流量调节1. 管路特性曲线 管路特性曲线表示在特定的管路系统中，输液量与所需压头的关系，反映了被输送液体对输送机械的能量要求。管路特性方程 其中 ， 管路特性曲

23、线仅与管路的布局及操作条件有关，而与泵的性能无关。曲线的截距A与两贮槽间液位差及操作压力差有关，曲线的陡度B与管路的阻力状况有关。高阻力管路系统的特性曲线较陡峭，低阻力管路系统的特性曲线较平坦。2. 工作点 泵安装在特定的管路中，其特性曲线与管路特性曲线的交点称为离心泵的工作点。若该点所对应的效率在离心泵的高效率区，则该工作点是适宜的。工作点所对应的流量与压头，可利用图解法求取，也可由管路特性方程： 泵特性方程： 联立求解。 3. 流量调节 （1）改变管路特性曲线最简单的调节方法是在离心泵排出管线上安装调节阀。改变阀门的开度，就是改变管路的阻力状况，从而使管路特性曲线发生变化。这种改变出口阀门

24、开度调节流量的方法，操作简便、灵活，流量可以连续变化，故应用较广，尤其适用于调节幅度不大，而经常需要改变流量的场合。但当阀门关小时，不仅增加了管路的阻力，使增大的压头用于消耗阀门的附加阻力上，且使泵在低效率下工作，经济上不合理。（2）改变泵特性曲线通过改变泵的转速或直径改变泵的性能。由于切削叶轮为一次性调节，因而通常采用改变泵的转速来实现流量调节。这种调节方法，不额外增加阻力，且在一定范围内可保持泵在高效率下工作，能量利用率高。四、离心泵的汽蚀现象与安装高度1. 汽蚀现象汽蚀现象是指当泵入口处压力等于或小于同温度下液体的饱和蒸汽压时，液体发生汽化，气泡在高压作用下，迅速凝聚或破裂产生压力极大、

25、频率极高的冲击，泵体强烈振动并发出噪音，液体流量、压头（出口压力）及效率明显下降。这种现象称为离心泵的汽蚀。2. 汽蚀余量实际汽蚀余量 允许汽蚀余量 一般由泵制造厂通过汽蚀实验测定。泵正常操作时，实际汽蚀余量必须大于允许汽蚀余量 ，标准中规定应大于0.5m以上。 3. 离心泵的允许安装高度离心泵的允许安装高度是指贮槽液面与泵的吸入口之间所允许的垂直距离。 根据离心泵样本中提供的允许汽蚀余量，即可确定离心泵的允许安装高度。实际安装时，为安全计，应再降低0.51m。判断安装是否合适：若低于，则说明安装合适，不会发生汽蚀现象，否则，需调整安装高度。欲提高泵的允许安装高度，必须设法减小吸入管路的阻力。

26、泵在安装时，应选用较大的吸入管路，管路尽可能地短，减少吸入管路的弯头、阀门等管件，而将调节阀安装在排出管线上。五、离心泵的类型与选用1.离心泵的类型按输送液体性质和使用条件，离心泵可分为以下几种类型：（1）清水泵：适用于输送各种工业用水以及物理、化学性质类似于水的其它液体。（2）耐腐蚀泵）：用于输送酸、碱、浓氨水等腐蚀性液体。（3）油泵：用于输送石油产品。（4）液下泵：通常安装在液体贮槽内，可用于输送化工过程中各种腐蚀性液体。（5）屏蔽泵：用于输送易燃易爆或剧毒的液体。2. 离心泵的选用基本步骤：（1）确定输送系统的流量和压头一般液体的输送量由生产任务决定。如果流量在一定范围内变化，应根据最大

27、流量选泵，并根据情况，计算最大流量下的管路所需的压头。（2）选择离心泵的类型与型号根据被输送液体的性质及操作条件，确定泵的类型；再按已确定的流量和压头从泵样本中选出合适的型号。若没有完全合适的型号，则应选择压头和流量都稍大的型号；若同时有几个型号的泵均能满足要求，则应选择其中效率最高的泵。（3）核算泵的轴功率若输送液体的密度大于水的密度，则要核算泵的轴功率，以选择合适的电机。1-7-2 其它类型化工用泵 一、往复式泵 1. 往复泵（1） 往复泵的构造及工作原理主要部件：泵缸、活塞、活塞杆、吸入阀和排出阀。工作原理：依靠活塞的往复运动，吸入并排出液体。（2）往复泵的流量与压头单动泵流量 当活塞直径、冲程及往复次数一定时，往复泵的理论流量为一定值。往复泵的压头与泵的几何尺寸无关，与流量也无关。往复泵具有正位移特性，即流量仅与泵特性有关，而提供的压头只取决于管路状况。（3）往复泵的流量调节多采用旁路调节或改变活塞冲程或往复次数。往复泵适用于输送小流量、高压头、高粘度的液体，但不适于输送腐蚀性液体及有固体颗粒的悬浮液。2计量泵计量泵也为往复式泵，适用于要求输送量十分准确的液体或几种液体按比例输送的场合。