化工原理高教版上冊第一章01

1、化工原理課程安排化工原理課程安排教材：高等教育出版社教材：高等教育出版社2013.12, 2014.3化工原理化工原理(上冊上冊)齊鳴齋、熊丹柳、劉玉蘭編齊鳴齋、熊丹柳、劉玉蘭編化工原理化工原理(下冊下冊)齊鳴齋、熊丹柳、葉啟亮編齊鳴齋、熊丹柳、葉啟亮編參考書：高等教育出版社參考書：高等教育出版社2016化工原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)化工原理學(xué)習(xí)指導(dǎo) 葉啟亮、熊丹柳、劉玉蘭編葉啟亮、熊丹柳、劉玉蘭編考試：閉卷書面筆試考試：閉卷書面筆試(第第18周周)，占成績，占成績70%。 平時成績平時成績(作業(yè)、點名作業(yè)、點名)占占30%。Office hour 答疑時間：每周二上午答疑時間：每周二上午9:0010:00

2、，答疑地點：本教室答疑地點：本教室SP1-107交作業(yè)：雙周四課間交作業(yè)：雙周四課間3 13 33 23 43 63 5緒緒 論論2020世紀初世紀初(1900)(1900)：各行各業(yè)互不相關(guān)：各行各業(yè)互不相關(guān)2020世紀世紀2020年代提出年代提出單元操作單元操作第一次抽象第一次抽象主要有：主要有：流體輸送流體輸送, ,攪拌攪拌, ,過濾過濾, ,沉降沉降, ,流態(tài)化流態(tài)化 動量傳遞動量傳遞換熱，蒸發(fā)換熱，蒸發(fā) 熱量傳遞熱量傳遞吸收，精餾，萃取，干燥吸收，精餾，萃取，干燥結(jié)晶，吸附，膜分離結(jié)晶，吸附，膜分離 質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞第二次抽象第二次抽象 傳遞過程傳遞過程本課程的主要內(nèi)容和任務(wù)本課程的

3、主要內(nèi)容和任務(wù) 內(nèi)容：化工單元操作內(nèi)容：化工單元操作 任務(wù)：認識過程和設(shè)備的規(guī)律任務(wù)：認識過程和設(shè)備的規(guī)律 應(yīng)用于化工設(shè)計應(yīng)用于化工設(shè)計, ,生產(chǎn)調(diào)節(jié)生產(chǎn)調(diào)節(jié), ,優(yōu)化操作優(yōu)化操作4848學(xué)時，學(xué)習(xí)抓住重點、基本內(nèi)容學(xué)時，學(xué)習(xí)抓住重點、基本內(nèi)容推導(dǎo)過程不作要求，重在基本概念、計算應(yīng)用推導(dǎo)過程不作要求，重在基本概念、計算應(yīng)用1 1 概述概述1.1 1.1 流體流動的考察方法流體流動的考察方法1.1.1 1.1.1 連續(xù)性假定連續(xù)性假定 固體力學(xué)：考察對象固體力學(xué)：考察對象-單個固體，離散介質(zhì)單個固體，離散介質(zhì) 流體力學(xué)：考察對象流體力學(xué)：考察對象-無數(shù)質(zhì)點，連續(xù)介質(zhì)無數(shù)質(zhì)點，連續(xù)介質(zhì)例如點壓強的

4、考察例如點壓強的考察 p (p (正壓力正壓力/ /面積面積) )第第1章章 流體流動流體流動質(zhì)點質(zhì)點-含有大量分子的流體微團，其尺寸含有大量分子的流體微團，其尺寸 遠小于設(shè)備尺遠小于設(shè)備尺寸、遠大于分子平均自由程寸、遠大于分子平均自由程可能性：可能性：1mm1mm3 3常溫常壓氣體含常溫常壓氣體含2.52.510101515個分子，個分子， 分子平均自由程為分子平均自由程為0.1m0.1m量級量級連續(xù)性假定連續(xù)性假定-流體是由大量質(zhì)點組成的，彼此流體是由大量質(zhì)點組成的，彼此 間沒有間隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)間沒有間隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)目的：用微積分目的：用微積分1.1.2 1

5、.1.2 考察方法考察方法-拉格朗日法和歐拉法拉格朗日法和歐拉法拉格朗日法拉格朗日法-選定流體質(zhì)點選定流體質(zhì)點歐拉法歐拉法-選定空間位置選定空間位置軌線與流線的區(qū)別軌線與流線的區(qū)別軌線是同一流體質(zhì)點在不同時刻所占軌線是同一流體質(zhì)點在不同時刻所占 空間位置的連線空間位置的連線流線是同一瞬時不同流體質(zhì)點的速度方向連線流線是同一瞬時不同流體質(zhì)點的速度方向連線化工原理較多采用歐拉法化工原理較多采用歐拉法控制體控制體是考察對象是考察對象定態(tài)流動：速度定態(tài)流動：速度u u、壓強、壓強p p等狀態(tài)不隨時間變化等狀態(tài)不隨時間變化1.2 1.2 流體受力流體受力1.2.1 1.2.1 體積力：作用于體積中的各個

6、部位，體積力：作用于體積中的各個部位， 力的大小與體積（質(zhì)量）有關(guān)。力的大小與體積（質(zhì)量）有關(guān)。 如：重力，慣性力，離心力如：重力，慣性力，離心力1.2.2 1.2.2 表面力：表面力： 分解成分解成-垂直于作用面垂直于作用面-壓力壓力 p p - -平行于作用面平行于作用面-剪切力剪切力1.2.3 1.2.3 流體密度流體密度單位體積的質(zhì)量單位體積的質(zhì)量，kg/m3氣體密度計算氣體密度計算標準狀態(tài)下：標準狀態(tài)下：換算：換算：1kmol氣體氣體=22.4標標m3TTpp000 1.2.4 流體黏性流體黏性物理本質(zhì)物理本質(zhì)-分子間引力和分子熱運動、碰撞分子間引力和分子熱運動、碰撞牛頓黏性定律牛頓

7、黏性定律表明流體受剪切力必運動表明流體受剪切力必運動 牛頓型流體與非牛頓型流體的區(qū)別牛頓型流體與非牛頓型流體的區(qū)別 =f(物性，溫度物性，溫度) t, 氣氣，液液理想流體理想流體: 假定假定=0 流體動力黏度流體動力黏度，Pas 1厘泊厘泊(cP) = 0.001 Pas = 1 mPas運動黏度運動黏度，m2/s 1斯托克斯斯托克斯(St)= 0.0001 m2/s 1.3 1.3 流體流動的機械能流體流動的機械能 為單位質(zhì)量流體的動能為單位質(zhì)量流體的動能 gz 為單位質(zhì)量流體的位能為單位質(zhì)量流體的位能 為單位質(zhì)量流體的壓強能為單位質(zhì)量流體的壓強能22u)2(2mum )(mmgz p)(d

8、VpdAdl 2 2 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)2.1 2.1 靜止流體的壓強分布靜止流體的壓強分布2.1.1 2.1.1 靜壓強的特性靜壓強的特性靜止流體中任意界面上只受到大小相等靜止流體中任意界面上只受到大小相等 方向相反的壓力方向相反的壓力作用于任意點所有不同方位的靜壓強在作用于任意點所有不同方位的靜壓強在 數(shù)值上相等數(shù)值上相等壓強各向傳遞壓強各向傳遞 2.1.2 2.1.2 靜力學(xué)方程靜力學(xué)方程常常數(shù)數(shù) gzp 2211gzpgzp ghpzzgppaa )(212等高等壓等高等壓2.1.3 2.1.3 靜力學(xué)方程應(yīng)用條件靜力學(xué)方程應(yīng)用條件同種流體且不可壓縮同種流體且不可壓縮( (氣體高差不

9、大時仍可用氣體高差不大時仍可用) )靜止靜止( (或等速直線流動的橫截面或等速直線流動的橫截面-均勻流均勻流) )重力場重力場單連通單連通2.2 2.2 流體的總勢能流體的總勢能 總勢能總勢能 （壓強能與位能之和）（壓強能與位能之和） 虛擬壓強虛擬壓強2.3 2.3 壓強的表示方法壓強的表示方法2.3.1 2.3.1 單位單位：N/m2=Pa 106Pa=1MPa 流體柱高度流體柱高度 ( p=gh ) 1 atm=1.013105Pa=760mmHg=10.33mH2O 1 bar=105Pa 1 at=1kg(f)/cm2=9.81104Pa2.3.2 2.3.2 基準基準 表壓表壓= =

10、絕對壓絕對壓- -大氣壓大氣壓 真空度真空度= =大氣壓大氣壓- -絕對壓絕對壓壓力表壓力表2.4 2.4 靜力學(xué)方程的工程應(yīng)用靜力學(xué)方程的工程應(yīng)用2.4.1 2.4.1 測壓：測壓：已知：已知：R=180mm, h=500mm求：求：pA=? (絕壓絕壓)，(表壓表壓) 解：解：pB=pa+汞汞gR pB=pA+水水gh pA=pa+汞汞gR-水水gh =1.013105+136009.810.18-10009.810.5 =1.204105Pa(絕壓絕壓)pA=1.204105-1.013105=1.91104Pa(表壓表壓)2.4.2 2.4.2 煙囪拔煙：煙囪拔煙： pA=p2+冷冷g

11、h pB=p2+熱熱gh 由于由于冷冷熱熱,則則pApB 所以拔風(fēng)所以拔風(fēng)煙囪拔風(fēng)的必要條件是什么？煙囪拔風(fēng)的必要條件是什么？2.4.3 2.4.3 浮力的本質(zhì)：浮力的本質(zhì)：物體上下所受壓強不同，由此產(chǎn)生浮力物體上下所受壓強不同，由此產(chǎn)生浮力取微元：取微元： 壓差力壓差力=(p2-p1)dA=ghdA=gdV排排任一物體都可分成無數(shù)細條，任一物體都可分成無數(shù)細條，V排排=dV排排2.4.4 2.4.4 液封：液封：設(shè)備中壓力要保持，液體要排出，須用液封設(shè)備中壓力要保持，液體要排出，須用液封2.4.4 2.4.4 液封：液封：設(shè)備中壓力要保持，液體要排出，須用液封設(shè)備中壓力要保持，液體要排出，須

12、用液封2.4.5 2.4.5 流向判別：流向判別： 接通后流向？接通后流向？判據(jù)是看判據(jù)是看z大小，還是大小，還是p大小？大?。客凰礁叨缺葔簭娡凰礁叨缺葔簭妏左左=pA+gzA=P PAp右右=pB+gzB=P PB2.5 單位換算單位換算SI單位，單位，cgs單位，工程單位單位，工程單位質(zhì)量：質(zhì)量：1kg=1000g長度：長度：1m=100cm=1000mm=106m時間：時間：1s=1000ms, 1h=60min=3600s力：力：1N=105dyn，1kg(f)=9.81N壓強：壓強：1at=1kg(f)/cm2=9.81104Pa密度密度：1000kg/m3=1g/cm3動力

13、黏度動力黏度 ：1P (泊泊)=1dyn s/cm21Pa s=1000mPa s=10P(泊泊)=1000cP(厘泊厘泊)運動黏度運動黏度= /：1m2/s=104cm2/s界面張力界面張力：1N/m=1000mN/m=1000dyn/cmU U形管指示的是什么？形管指示的是什么？P PA - P PB= pA - pB pC = pA+gR pC = pB+igRP PA - P PB=R(i -)g指示的是虛擬壓差，只有等高時才是壓差指示的是虛擬壓差，只有等高時才是壓差3 3 流體流動中的守恒原理流體流動中的守恒原理3.1 3.1 質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒質(zhì)量流量質(zhì)量流量 qm=qV 平均流速平

14、均流速 定態(tài)，不可壓縮流體定態(tài)，不可壓縮流體 u1A1=u2A2 截面小流速大截面小流速大氣體質(zhì)量流速氣體質(zhì)量流速 不隨溫度壓力變化不隨溫度壓力變化AquV 3.2 3.2 機械能守衡機械能守衡3.2.13.2.1柏努利方程柏努利方程 , J/kg, J/kg柏努利方程的物理意義：三項機械能之和為常數(shù)柏努利方程的物理意義：三項機械能之和為常數(shù)或或 ， J/N=mJ/N=m 幾何意義：位頭、壓頭、速度頭總高為常數(shù)幾何意義：位頭、壓頭、速度頭總高為常數(shù)2222222111upgzupgz gugpzgugpz2222222111 柏努利方程的應(yīng)用條件：柏努利方程的應(yīng)用條件：1 1）重力場，定態(tài)流動

15、，不可壓縮的）重力場，定態(tài)流動，不可壓縮的 理想流體沿軌線理想流體沿軌線2 2）無外加機械能或機械能輸出）無外加機械能或機械能輸出3.2.2 3.2.2 推廣到工程上可用形式：推廣到工程上可用形式：沿流線沿流線-沿流管沿流管 截面處均勻流截面處均勻流 （沒有加速度）（沒有加速度） 截面處流速均勻分布截面處流速均勻分布平均速度平均速度速度分布引入速度分布引入理想流體理想流體粘性損失引入粘性損失引入hf加入能量加入能量引入引入he關(guān)于加速度：關(guān)于加速度：點點1 1有當?shù)丶铀俣?、有遷移加速度有當?shù)丶铀俣取⒂羞w移加速度點點2 2只有當?shù)丶铀俣戎挥挟數(shù)丶铀俣赛c點3 3有遷移加速度有遷移加速度點點4 4沒

16、有加速度沒有加速度均勻流段均勻流段均勻分布均勻分布得機械能衡算式：得機械能衡算式：3.2.3 3.2.3 應(yīng)用時注意：應(yīng)用時注意： u1A1=u2A2+u3A3應(yīng)用時注意：應(yīng)用時注意：3.2.4 3.2.4 工程應(yīng)用：工程應(yīng)用：(1)(1)測風(fēng)量測風(fēng)量由由1-11-1至至2-22-2排方程排方程 壓差計：壓差計：可得可得： 2222uppa gRppia 2 iagRppu2)(222 22uAqV (2)(2)虹吸虹吸 從從1-11-1至至2-22-2排方程排方程222upgHpaa gHu22 (3)(3)馬利奧特容器馬利奧特容器 求水面在求水面在a-aa-a面以上面以上時的放水速度時的放水速度由由a-aa-a面至出口小孔面至出口小孔截面截面2-22-2排方程排方程這時的流動條件是定態(tài)的這時的流動條件是定態(tài)的實際實際: :22upgzpaaa agzu2 agzCu20 馬里奧特容器馬里奧特容器 鹽水瓶鹽水瓶 飲水機飲水機應(yīng)用伯努利方程時所應(yīng)注意的問題：應(yīng)用伯努利方程時所應(yīng)注意的問題：1 1看是否符合應(yīng)用條件（連續(xù)流，滿流）看