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1、化工原理 西南科技大学城市学院 过控07级,第一册主讲：廖义中(助教 高等化学教育硕士),时间安排：第四周十八周内容安排：详细讲解：第一章第四章 阅读内容：第五章答疑时间：随时恭候答疑地点：土木系办公室参考教材：谭天恩化工原理,无机化学,分析化学,有机化学,物理化学,应用化学,高分子,化学教育,化工生产,合成氨,硫酸制造,氯碱工业,石油化工,制糖业,制漆业,电镀业,水泥、玻璃制造业,化学家,化工专家,化工原理,传递过程,反应工程（还有：分离工程、化工热力学、系统工程）,科学实验,天津化工厂,川化集团简介,川化集团有限责任公司（原四川化工厂）始建于1956年，经过四十多年的发展，已成为一个以生产
2、化肥和化工原料为主的综合性特大型化工企业，是全国18个大型化工基地之一。公司地处四川省成都市青白江区，距成都市区约30公里，距成都双流国际机场约60公里，均高速公路直达。厂区专用铁道与宝成铁路青白江站接轨，厂区公路与成绵高速公路、川陕公路接道。公司拥有川化股份有限公司、川化永达建设工程有限责任公司、川化润嘉置业有限责任公司、成都望江化工厂、深圳荣生化工有限公司等家全资、控股子公司和中外合资企业川化味之素有限公司、川化青上有限公司。公司现有在册职工7350人（其中各类专业技术人员1020余人），资产总额25亿元，占地220公顷，生产57种100多个型号的产品，是我国目前最大的合成氨、氮肥生产企业
3、之一及最大的三聚氰胺和赖氨酸生产企业。公司以其规模优势、技术优势、管理优势、人才优势和地域优势，在全国化工行业中处于领先水平。川化（）这一企业品牌和天府牌商标，在国内外享有较好知名度和声誉，产品畅销全国各省、市、自治区，部分产品还远销国外。公司先后荣获全国产品质量优秀企业、全国环保先进企业、全国五一劳动奖状、中国企业管理杰出贡献奖、全国精神文明建设工作先进单位、全国先进基层党组织等称号。,川化集团生产场景,第一章 绪 论 Introduction一、化工生产过程与单元操作1、化学工业所谓化学工业，是将原料以工业规模用化学方法生产新的物质过程，,化学工业包括多种门类的工业，如基本化工原料的制备、
4、染料、医药、油漆、涂料、农药、塑料、化肥、感光材料、化学试剂、洗涤剂、制冷剂等生产，石油工业、冶金工业、食品工业、燃料工业、皮革工业、陶瓷工业、玻璃工业、合成橡胶工业以及铀的浓缩提取等都属于化学工业范畴,2、化工生产过程化工产品生产过程是由两大部分组成的，即核心部分和辅助部分。核心为化学反应过程，辅助部分为前、后处理过程。举例：聚氯乙烯塑料的生产（乙炔法）,基本原理-化学反应,原料预处理,化学反应,产品分离提纯,化工产品的生产过程,3、单元操作化工单元操作是化工原理的主要研究领域，是在化学工业生产中具有共同的物理变化特点的基本操作，是由各种化工生产操作概括得来的。,专题一：单元操作,单元操作的
5、概念单元操作的特点（下页）,只改变物料的状态或其物理性质,而不改变其化学性质;都是化工过程中共有的操作,但不同的化工过程包含的单元操作数目、名称与排列顺序各异某单元操作作用于不同的化工过程，其基本原理并无不同，进行该操作的设备往往也是通用的,精馏、吸收、干燥、吸附和膜分离,单元操作种类（P2）,流体的输送与压缩,过滤、沉降,加热 冷却蒸发,动量传递,热量传递（传热）,质量传递（传质）,化工产品生产过程：“三传一反”过程,单元操作过程进行的方式,间歇操作：不稳定操作,连续操作：稳定操作,U操作中物料组成、温度、压强等参数,二、本课程的任务、性质和内容1、任务：研究各化工单元操作的基本原理、典型设
6、备的构造及工艺尺寸的计算或造型，并能用以分析和解决工程技术中的一般问题。2、性质：化工原理是化工类、轻工、医药类专业学生的技术基础课，是一门应用性学科。,本门课程讲解的思路,化工各单元操作,基本原理,遵循规律,数学关联式,工艺计算,工艺尺寸,三、单位及单位换算1、单位与单位制 物理量=数字单位,导出单位：由基本单位派生出的单位，如速度单位m/s，加速度单位m/s2等。,基本单位：基本物理量的单位，例长度m，质量等,单位,绝对单位制（物理单位制）,C.G.S.科学实验 cm s g,基本单位长度 时间 质量 力,M.K.S.工程实际 m s kg,工程单位制 m s kgf,SI制（国际单位制)
7、：七个基本单位：长度m，时间s，质量kg，热力学温度（Kelvin温度）K，电流单位A，发光单位cd（烛光），物质的量mol,2、单位换算*理论公式（物理量方程）是根据物理规律建立的公式，例如牛顿第二定律,*经验公式（数字公式）根据实验数据整理得来的公式,3、物理量单位方程的换算 化工中常用的单位间的换算因数可从本书附录中查得。以压强为例：,四、物料衡算及能量衡算1、物料衡算（质量衡算）,进料,出料,累积,输入物料质量的总和（kg）输出物料质量总和（kg）积累在该过程的物料质量（kg）,2、能量衡算,在物料衡算的基础上进行能量衡算,输入能量,输出能量,热损失,随物料进入系统的总热量随物料离开系
8、统的总热量散失热量,第一章 流体流动,、概述1、流体液体和气体的总称,流体特点,流动性，即抗剪抗张能力都很小,无固定形状，随容器的形状而变化,在外力作用下流体内部发生相对运动,2、流体研究方法1）提出“流体质点”概念：含有大量分子的流体微团。流体质点成为研究流体宏观运动规律的对象。,2）提出“流体连续性假设”：假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质。可从宏观的角度研究流体的流动规律，摆脱了复杂的分子运动。（即连续介质模型）,3、流体流动规律是本门课程的重要基础，这是因为：,（1）流体的输送,管路的设计、输送机械选择及所需功率的计算。,（2）压强、流速及流量的测量,
9、了解和控制生产过程，压强、流量及流速等一系列的参数进行测量,（3）为强化设备提供适宜的流动条件,强化传热、传质过程,*本章讨论重点,流体流动过程的基本原理,流体在管内的流动规律,分析和计算流体的输送问题,第一节 流体静力学及其应用,流体静力学研究内容：研究流体在外力作用下处于平衡的 规律。本节内容：流体在重力和压力作用下的平衡规律。（实际上就是受力分析）,、流体的密度和比容,1、流体的密度：单位体积的流体所具有的质量。,定义：,单位：,流体中某点密度：,流体中根据密度随压强变化情况,流体,不可压缩流体:,液体被视为不可压缩流体，其密度只与温度有关。,可压缩流体：,气体是可压缩流体。一般在压强不
10、太高，温度不太低的情况下，可以按理想气体处理。,专题：混合物密度的确定原则,液体混合物：按理想溶液各组分混合前后体积不变气体混合物：理想气体各组分混合前后质量不变,对于液体，混合物组成常用组分的质量分数表示(xi)，对于气体，混合物组成常用体积分数(yi)表示。,混合液密度：,xi组分i的质量分数i组分i的密度,理想混合气体密度：,其中yi组分i的体积分数,2、流体的比容密度的倒数，即单位质量流体所具有的体积。,定义：,单位：,3、比重,定义：,、流体的静压强与方程,1、定义：流体垂直作用于单位面积上的静压力。（法向力）,单位,某点的静压强,2、压强的单位,SI制：,Pa,习惯使用单位：,液柱
11、高度,换算关系：,、液体压强的表示方法,基 准：,绝对真空(零压)和大气压强,绝对压强：以绝对真空(零压)为基准量 得的压强,相对压强：,以大气压强为基准量得的压强，表示为表压或真空度。具体换算见P8,表压=绝对压强大气压强,真空度=大气压强绝对压强=-表压,需要记住以下常用数据：,=1.033工程大气压760mmHg,SI单位,m水柱,小结：（1）化工原理的主要内容（2）单元操作（3）流体的物性参数：密度、比重、比容,Z1,Z2,1,2,静止液体内的压强分布,研究的目的：了解流体在重力和压力下的平衡规律，讨论静止流体内部压力的变化规律,Z,y,x,dx,dy,微元流体的静力学平衡,（1）重力
12、；,（2）作用于上底面积的压力：,（3）作用于下底面积的压力：,由于液柱静止，故：,Z,y,x,dx,dy,分析：在Z轴上，作用于该立方体上的力,Z轴方向力的平衡式：,X轴方向力的平衡式：,y轴方向力的平衡式：,流体平衡微分方程,同理，仅考虑重力得：,将上式分别乘以dz、dx、dy，并相加各式,不可压缩流体,分析见P9，1-2式的由来,流体静力学的基本方程式，表示重力作用下静止液体内部压强的变化规律。(该方程亦适用于气体）,推论：静止流体中任意两点间的压强为：,如液面压强为P0,则静止液体内任一点压强为：,0即为表压,流体静力学基本方程式的应用,说明：如U管的一侧与大气相通，则所测的数值为该截
13、面处流体的表压强,（二）微差压差计（双液柱压差计）,特点：（1）压差计内装有两种密度相近且不互溶的指示液A和C，而C与被测流体B亦不互溶。（2）U管两侧顶端臂顶端各装有扩大室,二、液位的测量:测定液位的仪表叫液位计，大多数液位计的作用原理均遵循流体静力学原理。,三、液封高度的计算:化工生产中常遇到设备的液封问题。液封高度的确定是根据流体静力学来计算得出。,流体静力学方程应用举例（P10例题1-1、1-2）【例1-1】U型管压差计测量蒸汽锅炉水面上方的蒸汽压，如图1-15所示，U型管压差计的指示液为水银，两U型管的连接管内充满水。已知水银面与基准面的垂直距离分别为：,大气压强,。,试求锅炉上方水
14、蒸汽的压强,第三节 流体在管内的流动(Fliud-Flow Phenomena),流量与流速,1、流量：单位时间内流过管道内任一截面 的流体体积；,体积流量Vs，,m3/s,质量流量ws，/s ws=Vs,2、流速：单位时间内流体在流动方向上所流过的距离，m/s.实验证明流体流经管道任一截面时，流速沿径向方向各不相同；管中心：r=0，ur=umax；管壁处：r=R，ur=0；呈下图所示分布：,管内任一截面处流速的分布情况,u 平均流速A与流动方向相垂直的管道横截面积以后如不特别加以说明，流体的流速指的是平均流速，而不是点流速。,u=Vs/A m/s；,3、质量流速G：单位时间内流体流过管道截面
15、积的质量，/s,平均流速,G=Ws/A=Vs/A=u,通常,管道为圆管时：,此式关联了Vs，u，d 三者，Vs为生产任务，一般为确定量(定值)。,备注:d和u的关系如下：,u大，d小,管材耗量少(设备费用小),操作费用增大(流动阻力增大),u存在最佳值,气体,液体：,蒸汽,u=0.53 m/s,u=1030 m/s,稳定流动与不稳定流动,稳态流动,非稳态流动,1,1/,2,2/,稳定流动：在流动系统中，若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。参数表示为非稳定流动：若流体在各截面上的有关物理量既随位置而变，又随时间而变。参数表示为,本章重点讨论稳定流动问题,专题:
16、黏度P15阅读,PDF文件,连续性方程式 C.E(the equation of continuity),连续性方程建立的基础：物料的质量衡算,如图所示。取从截面1-1到截面2-2的范围作流体的质量衡算。,由于液体是不可压缩的，所以,式（I）（II）称为不可压缩流体的稳定流动的连续性方程。,1.3.4 能量横算-柏努利方程式,1、流动系统的总能量衡算,分析1流体进、出系统时输入与输出的能量项：1)、内能：物质内部能量的总和(分子平动能，转动能，振动能)以U1，U2表示：内能是一个状态函数，取决于流体本身的状态。,2)、位能：流体因受重力作用，在不同的高度处具有不同的位能，相当于质量为m的流体自
17、基准水平面升举到某高度Z所做的功：,3)、动能：流体以一定的速度运动时，便具有一定的动能，质量为m，流速为u的流体具有的动能为：Ek=(1/2)mu2，J,4)、静压强(压力能)：流动着的流体内部任何位置具有一定的静压强，如：,通过截面11的流体必定要带有与所需的功相当的能量才能进入系统，流体所具有的这种能量就称为压力能或流动功。,图1-13 压强能的表达形式,设质量为m体积为V1的流体通过截面11，把流体推进到此截面所需的作用力为p1A1，又位移为V1/A1，则：,5)、热：Qe1流体接受或放出的能量，J/Qe可为正可为负；吸热Qe为正值。放热为负,6)、外功(净功)：We1流体通过输送设备
18、(泵或风机)所获得或输出的能量，J/；We可为正可为负；,U1+gZ1+p1v1+(1/2)u12+Qe+We=U2+gZ2+p2v2+(1/2)u22,亦即：,令,U=U2-U1,Z=Z2-Z1,u2/2=(1/2)u22-(1/2)u12,(pv)=p2v2-p1v1,对于定态流动系统，则能量衡算式为：,上式为稳流系统中流体总能量衡算式。(亦叫流动系热力学第一定律),U+gZ+(pv)+(1/2)u2=Qe+We,小结,1、流体静力学方程2、等压面的概念 静止的，连续的 同一流体内处于同一水 平面上的 各点压强处处相等。,a,a/,P,3、流量和流速的概念,4、连续性方程,注意：连续性方程
19、反映了在定态流动系统中，流量一定时，管路各截面上流速的变化规律。此规律与管路的安排以及管路上是否装有管件、阀门或输送设备等无关。,5、流动系统的总能量衡算,U+gZ+(pv)+(1/2)u2=Qe+We,3、机械能衡算-柏努利(Bernonlli)方程式,1）、柏努利方程式对于稳流、不可压缩流体、理想流体(hf=0)和无外功输入(We=0)则有：,流体定态流动时的机械能衡算式,1/,2/,1,1/,2,2/,而对于非理想流体(实际流体)，有外功输入：,广义的柏努利方程式,2）、柏努利方程的讨论：,a)、柏努利方程适用条件,稳态流动；,不可压缩流体；,理想流体；,无外功输入；,b、物理意义：在任
20、一流动截面上单位质量流体的总机械能守恒；而每一截面上各种形式的机械能不一定相等，但可以相互转换。,理想流体,c、广义柏努利方程的三种表达形式,（J/kg）,1）,单位：Pa,Z位头；u2/2g动压头(速度头)；p/g静压头；Hf=hf/g压头损失；He=We/g有效压头（外加压头）；,（m(流体柱),e)、对于可压缩流体，若,d)、若流体为静止不动，则u1=u2=0,(4)式为,静力学基本方程式，它是柏努利方程的特例。,则柏努利方程仍成立，只是要以m替代。m平均压强下的密度。f)、不稳定流动的任一瞬间，柏努利方程仍成立。,柏努利方程的应用(P38例1-6),流体流动及输送问题的计算，都是根据流
21、体的柏努利方程来进行。如 一、确定管道中流体的流量(流速)；二、确定输送设备的有效功率；三、确定容器间的相对位置；四、确定管路中流体的压强。,解：,取高位槽液面为1-1截面，虹吸管出口内侧截面为2-2截面，并以2-2为基准面。列柏氏方程得：,式中：,（表压），,1-1截面比2-2截面面积大得多，,而,注意:本题下游截面2-2必定要选在管子出口内侧，这样才能与题给的不包括出口损失的总能量相适应。,小结,1、流量、流速2、稳态流动和非稳态流动3、连续性方程：,可压缩流体,不可压缩流体,了解其使用条件,4、定态系统总能量衡算式,U+gZ+(pv)+(1/2)u2=Qe+We（1）,5、定态系统机械能
22、衡算式,6、柏努利方程,单位：m（流体柱）,单位：Pa,单位：J/kg,3、用柏努利方程解题要点：1）选取截面，实际是确定衡算范围。截面可以有许多，选取已知条件最多的截面，是选取截面的原则。从数学角度讲，选取截面就是选边界条件。2）确定基准面。主要是计算截面处的相对位能。一般是选位能较底的那个截面为基准面。此时这个截面的位能为零。3）压强的单位要统一。要么都用表压，要么都用绝压等。如有通大气的截面，以表压为单位时，该处截面表压为零。,4）、大口截面的流速为零。【例1-3】中的1-1截面，其流速为零5）、上游截面与下游截面的确定。柏努利方程更确切的表达式为：上游截面的三项能量+从输送机械获得的能量=下游截面的三项能量+管道中的摩擦损失能量6）、水平管截面确定基准面时，一般是取通过管中心的水平面为基准面。,
