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1、1 化工生产的定义和特点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
2、理课程化工原理课程 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
3、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 三传理论三传理论 动量传递、热量传递及质量传递 物料衡算物料衡算 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
4、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； W1 W2去冷凝器 (2)第一效排出溶液的组成。 解：(1)盐的衡算 F0x0=B2x2 50000.12=0.3B2 总物料衡算 F0=W1+W2+B1 5000=W1+W2+B2 原料液 W2=1.05W1 F0=5000Kg/h B1 完成液流量 B2=2000Kg/h x0=0.12 第一效蒸出的水分 W1=1463Kg/h 加热蒸汽 第二效蒸出的水分 W2=15
5、37Kg/h (2)第一效排出溶液的组成 冷凝水 盐衡算 F0x0=B1x1 50000.12B1x1 B1 总物料 F0=W1+B1 5000=1463+B1 x1=16.96 冷凝水 W1 完成液 B2 x2=0.3 第 一 蒸 发 器 第 二 蒸 发 器 2 热量衡算热量衡算 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
6、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=0.0952708.9+13.5625=257.3+89=346.3kW 输出换热器的总热量Qo=0.095503.67+13.56(80-25)=47.8+284.8=332.6kW 热损失 QL=Qi-Qo=346.3-332.6=13.7kW 120饱和水蒸气 热损失百分数=13.7(257.3-47.8)=6.54 0.095Kg/s 25溶液 80溶液 1.0kg/s 1.0kg/s 120饱和水 0.095kg/s 第第 1 章章 流体流动流体流动 流体的物理性流体的物理
7、性质质 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 u 成正比，与两层之间的垂直距离 y 成反比，与两层间的接触面积 S 成正比：FuyS 引进一个比例系数 ：F=uyS 单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，用 来表示：=FS=uy 若果径向速度的变化不是直线关系则：=FS=dudy 黏度 = du dy，黏度物理意义
8、：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力黏度物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。 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 宾汉塑性流体 假塑性流体 宾汉塑性流体 牛顿型流体 特点：斜率固定，不过原点，0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。 0 涨塑性流体 举例：纸浆、牙膏和肥皂等。 假塑性流体 特点：表观黏度随剪切速率的增大而减小。 举例：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 dudy或 或熔融体、油脂、淀粉悬浮液、蛋黄浆和油漆等。 涨塑性流体 特点：表
9、观黏度随剪切速率的增大而增加 3 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 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。 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流体的静力学基本方程式 压强
10、表 绝 压 对 强 大气压线 压 大气 真空度 大气 强 压强 压强 绝对压强 绝对零压线 流体流动的基本方程流体流动的基本方程 连续性方程式 无累积量的物料衡算 ws=u1A11=u2A22=uA 对于不可压缩性流体 Vs=u1A1=u2A2=uA 伯努利方程 gZ1+12u12+p1 +We= gZ2+12u22+p2 +hf 流体流流体流动现象动现象 雷诺准数 Re=du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。 流体在直管内流动时，当 Re2000 时，流体的流动类型是层流；当 Re4000 时，流动类型是湍
11、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 瞬时速率 ur=pf4l(R2 r2) 平均速率 u=pf8lR2 最大速率 umax=pf4lR2 边界层 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 us us 层流边界层 xc 层流内层 表压强=绝对压强-大气压强 真空度=大气压强-绝对压强 流体静力学基本方程式 p1+gz1=p2+gz2 4 发展 平板上边界层的厚度 层流边界层 x=4.64Rex0
12、.5 断流边界层 x=0.376Rex0.2 其中Rex=usxus是主流区的流速 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，Rex2105时，边界层内的流动是层 流；当Rex3106时，为湍流；Rex值在 2105至 3106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 x0d=0.0575Re Re=duu 是管截面的平均流速 x0 流体在光滑管内作湍流流动，层流内层厚度 bd=61.5Re7 8Re 值越大，层流内层厚度越小。 流体在管内的流动阻力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
13、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。 范宁公式 hf=ldu22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。 推导过程 (p1-p2)4d2=dl【压差产生的力与内摩擦力平衡
14、】 p1 p2 p1-p2= 4ldl p1-p2=hf 【伯努利方程】 hf=4ld=4ld2u2u22=8u2 【引入摩擦系数，层流和湍流的摩擦系数值要分别讨论】 hf=ldu22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。 湍流时层流内层厚度b大于壁面的绝对粗糙度 ，即b，管壁粗糙度对摩擦系数的影响与层流接近。 层流内层厚度b小于壁面的绝对粗糙度 ，即b，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 仅受雷诺数 Re 的影响。 推导 流体在圆管内层流平均速度 u=pf8lR2= pf32ld2 5 压强降 pf=32lud2范宁公式 pf=hf=ldu22湍流时的摩擦系数 光滑管 柏拉休斯公式 = 0.3164Re0.25 适用范围 Re=31031105 顾毓珍公式 = 0.0056+ 0.5
