化工基础,化工过程,化工原理,化工原理 主要研究一些化学工艺过程可能涉及的一些物理过程，无明显化学反应。如氨气的吸收,反应工程 存在化学反应，如氨气的合成,单元操作过程反应过程,反应工程,工艺设计,流体输送 冷凝 蒸发 热交换 结晶 吸收 萃取 吸附 干燥 蒸馏,传热,传质,“三传”,化工原理,动量传递,“三传”研究中的问题,速率,怎样加快速率？,影响速率快慢的阻力因素？,动力,阻力,传递过程进行的方向和能达到的限度,物系的平衡关系决定,经济核算,能量衡算,物料衡算,一、衡算的基本概念,以整个系统为衡算对象,输入输出=内部积累,对于稳态系统,输入=输出,一、衡算的基本概念,以某种元素或某种物质为衡算对象,输入速率输出速率转化速率=积累速率,质量衡算的一般方程,转化速率或反应速率单位时间因化学反应而转化的质量。组分为生成物时为正值，质量增加,单位时间：,此时的反应一般来说，相对比较简单。 反应工程主要研究反应器内的传递过程和化学反应的相互关系和影响，目的在于控制生产规模下的化学反应过程，实现反应器的最佳设计。,化工基础的特点及学习方法,化工是一门工程技术学科，面临着真实、复杂的化工生产过程，要完全如实逼真的描述几乎不可能。 学习方法：简化；借助于经验归纳（注意条件的限制） 注意:工程单位与国际单位之间的换算,常用压力计量单位及其标识符号:, 兆帕（MPa）; 千帕（kPa）; 帕（Pa） 毫米汞柱（mmHg） 毫米水（mmH2O） 千克力/厘米2（kgf/cm2） 物理大气压（atm） 巴（bar）; 毫巴（mbar）,第一章 流体流动,流体的基本性质 流体流动的基本规律 管内流体流动现象 实际流体流动时的阻力 流体流量的测量,流体的基本性质,压力 密度与比体积 流量与流速 粘度 流体静力学基本方程式,压力的表达方式,绝对压 以绝对零压为起点而计量的压力 ，即流体的真实压力 表压 以大气压力为基准而计量的压力 ，当被测压力高于大气压时，所测压力称为表压 表压=绝对压力-大气压力 真空度 以大气压力为基准而计量的压力 ，当被测压力低于大气压时(工程上称为负压)，所测压力称为真空度 真空度大气压力-绝对压力,流体的密度与比体积,可压缩流体与不可压缩流体,实际流体都是可压缩的,液体的体积随压力及温度变化很小，一般把它当作不可压缩流体,流量的表示方法,单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，称为流体的流量 。 两种常用表示方法： 体积流量 以符号qv表示，单位为m3s-1 质量流量 以符号qm表示，其单位为kgs-1 两种计量方法的换算关系：,流速的表示方法,流速的表示通常有两种方法： 点速度 运动途径中某一点位置的即时速度 平均速度 指流道整个截面上的平均流速 ，用u表示,点速度 平均速度,通常，流体在管内流动时，管道中心流速最大；越靠近管壁，流速越小；在紧靠管壁处，流速为零。 造成这种现象的原因,流体具有粘性,一些生活中常见现象,流动性：油水,粘性：油水,气体液体,气体水,实验证明流体粘性的存在,流体在圆管内流动的速度分布,管中心处： 愈近壁处： 管壁处：,速度沿管截面变化,管内流动流体，速度沿管截面变化,由于流体本身粘性及其与管壁间存在摩擦力，使流体在管道截面上形成流速分布。流体在圆管内的流动，可以看成分割成无数极薄的圆筒层，其中一层套着一层，各层以不同的速度向前流动,即流体层之间存在速度差异，发生相对运动。 速度较快的流体层对与其相邻速度较慢的一层有牵引的作用力；速度较慢的流体层对其上层则有着一个阻力。二力大小相等方向相反,这种存在于运动流体内部相邻两流体层之间的相互作用力即为流体的内摩擦力。,因粘性产生,流体流动 内摩擦力 流动阻力消耗机械能 热能能量损失,内摩擦力是一种剪力，它的大小体现了流体粘性的大小：内摩擦力越大，粘性越大；内摩擦力越小，粘性越小。,牛顿粘性定律,实验证明，对于一定流体，内摩擦力 与接触面积A成正比，与速度梯度成正粘度系数，单位速度梯度垂直于流动方向的速度变化率,dy,u,u+du,将上式稍作变化：当 时， ,牛顿粘性定律,剪应力,数值,流体的粘性仅在流动时才表现出来,粘度系数的单位,的单位,粘度系数 的意义,粘度 是度量流体粘性大小的物理量，粘性大， 大。 通常，液体 温度气体 温度 同条件下，,流体静力学基本方程式,内容：P=P0g h 适用对象：静止、连续的流体 作用：将压力转化成液柱高度 液面上方压力一定，静止、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点其压力相同。 液面上方压力P0变化时，必将引起液体内部各点压力发生同样大小的变化。 压力或压差的大小可用液柱高度表示，液柱高度与液体密度大小相关。,压力测量工具 流体静力学原理的应用之一,压力表 测较高压力用 U形管压差计U形管压力计的结构如图所示。管中盛有 与测量液体不互溶、密度为 1的指示剂。U 形管的两个侧管分别连接到被测系统的两点。随测量的压力差的不同U形管中指示液所显示的高度差亦不相同。 根据流体静力学基本原理：简化得：,a,b,由读数R可以知道1点和2点的压力差。 欲测量管路中某点压力，将 注：若要使U形管测压计更灵敏，则 和,越接近越好,U形管一端接空。,压差计还有倒置U形管压差计、微差压差计,液面测定 流体静力学原理应用之二,压差计的读数R指示 容器中的液面高度，液 面越高，读数越小。,最高液位,平衡室,U形管压差计,容器,容器中的液面达到最 高允许液位时，压差计的读数 。,为零,流体流动的基本规律,稳态流动和非稳态流动 流体流动的基本规律,定态流动 流体在管道中流动时，若在任一截面上流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，但不随时间而改变，称为定态流动 。即任何一参数只跟位置有关，只是位置参数。 非定态流动 只要有一项随时间而变化，则称为非定态流动。 以后我们的研究均系稳态流动问题,定态（稳态）流动和非定态流动,流体流动中的物料衡算和能量衡算 表征流体流动规律有连续性方程和柏努利方程。,流体流动的基本规律,定态流动过程中的质量衡算 连续性方程,如图所示,对截面11和22之间作衡算，即 推广到任意一截面：,流体连续性方程,若流体为不可压缩流体，即上式=常数，则：qV=u1A1=u2A2=unAn=常数 推广到管道任一截面：即,流速与直径的平方成反比,对于圆形管道,流体流动中的能量衡算 柏努利方程,流体所具有的能量形式： 动能、位能、静压能以及流体本身的内能 动能 流体以一定的流速流动时，便有一定的动能 ，,位能 流体因受重力的作用，在不同高度处具有不同的位能， 即重力势能，mgZ,静压能如图，在流体流动的 管壁上开一个小孔， 并垂直连接一根玻璃 管，可以观察到液体在 玻璃管内上升到一定高度。液柱的高度是运动着的流体在该截面处的静压力的大小。,证明静压能的存在,静压能大小的表征：如果要使流体在管内通过，就需要对流体做功，以克服流体所具有的静压力。,对流体所做的功静压能,内能 内能(又称热力学能)是流体内部大量分子运动所具有的内动能和分子间相互作用力而形成的内位能的总和。,理想流体流动过程的能量衡算,如图，设在单位时间内有质量为m(kg)、密度为的理想流体在管中做定态流动，在截面1l和截面22间进行能量衡算。,流动时没有内摩擦力的流体，即粘度0 理想流体在流动过程中，没有内能损失，能量衡算时只需考虑机械能之间的转换。 管截面上的点速度平均速度,柏努利方程：,式两边同除g，即对于单位重力流体，有：,式两边同除m，即对于单位质量流体，有：,由柏努利方程可知，理想流体的总机械能是守恒的，但不同形式的机械能之间是可以转化的。,柏努利方程的物理意义可以从题图中得到说明，若忽略A，B间的阻力损失，试判断B玻璃管水面所处的刻度。（ ）A. a位置 B. c位置 C. b位置,使用柏努利方程的注意事项,1）柏努利方程的适用条件：,3）式中的压力P1、P2必须一致：,2）选取截面时要注意：,流体在两截面间必须连续稳态流动，且选取的两截面必须与流动方向垂直,不可压缩流体稳态、连续的流动,同为表压或同为绝对压，形式要一致，不能混用,实际流体的能量衡算,1）能耗,4）如果流体输送过程中有能量输入，输入能量为He，则能量衡算式变为：,3）如果截面很大，u0,实际流体的能量衡算式：,2）管内流速的取法,柏努利方程的应用,1）求流量（u） 2）安装高度（z） 3）调节阀流通能力（ ） 4）输送流体机械功率（W）,例题,用泵将贮槽中的稀碱液送到蒸发器中进行浓缩。泵的进口管为89mm3.5mm的钢管，碱液在进口管的流速为1.5m/s，泵的出口管为76mm3mm的钢管。贮槽中碱液的液面距蒸发器入口处的垂直距离为7m，碱液经管路系统的机械能损失为40J/kg，蒸发器内碱液蒸发压力（表压）保持在20kPa，碱液的密度为1100kg/m3。试计算所需的外加机械能。,管内流体流动现象,流体的流动类型 流体在圆管中的速度分布,流体流动类型（P115）,雷诺实验 目的：1）观察流体流动时内部质点运动情况2）考察各种因素对流动状态的影响,雷诺实验装置如图，水箱2内有溢流装置，以维持实验过程中液面的恒定。在水箱的底部安装一段入口呈喇叭状等径的水平玻璃管4，管出口处装有调节阀门5调节出水流量。水箱正上方装有带阀门的盛有红色墨水的玻璃瓶1，红墨水由导管经过安置在水平玻璃管中心位置的细针头3流入管内。,质点沿轴线方向运动无径向运动,层流,u低,u增大,质点作波动,过渡区,u再大,湍流,质点作无规则脉动,两种流动类型,层流（滞流）质点始终与管轴平行的方向作直线运动，质点之间无混合 湍流质点的速度沿各个方向，大小也在不断变化，且质点间相互碰撞混合，运动比较剧烈,影响流体流动类型的因素,包括：d（管径），u（流速），（密度），（粘度）将这些因素综合起来，可用一个准数Re来描述：,惯性力,粘性力,Re无因次，有一定物理意义,雷诺数Re流动类型判断的依据,Re2 000 层流（滞流 ）2000Re4000 过渡 区Re4 000 湍流,流体在圆管中的速度分布,1.层流(滞流)滞流时流速沿管径呈抛物线分布，管中心处流速最大，管截面各点速度的平均值为管中心处最大速度的0.5倍；,2.湍流 湍流时，流体质点强烈 湍动有利于交换能量， 使得管截面靠中心部分速度分布比较均匀流速分布曲线前沿平坦，而近壁部分的质点受壁面阻滞，流速分布较为陡峭，湍流的平均速度约为最大速度的0.8倍。,注：流体作湍流流 动时，存在：主体 湍流过渡区近壁处层流底层,存在速度梯度,存在速度梯度,流动边界层 boundary layer,Laminar suber-layer,流动边界层,将流体受壁面影响而存在速度梯度的区域称为流体流动的边界层。,边界层的界限延伸至距壁面无穷远处。 工程上规定u=0.99u主体,在边界层内，由于速度梯度较明显，即使流体的粘性很小，粘滞力的作用也不容忽略；在边界层以外，速度梯度小到可以忽略，无需考虑流体的粘滞力。,当流体流入圆管时，只在进口附近一段距离内(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，如图。在会合时，若边界层内流动是滞流，则以后管路中的流动为滞流。若在会合点之前边界层内流动已发展为湍流，则以后管路中的流动为湍流。,