化工原理講義

1、化工原理緒論一、化工原理課程的性質(zhì)、地位和作用（一）是化工類及其相近專業(yè)的一門基礎(chǔ)技術(shù)課程和主干課程，是由理及工的橋梁，又是各種化工專業(yè)課程的基礎(chǔ)?；ぴ韯t屬于工程技術(shù)科學(xué)的范疇。（二）從學(xué)科性質(zhì)看，本課程是化學(xué)工程學(xué)的一個分支，主要研究化工過程中各種操作，它來自化工生產(chǎn)實(shí)踐，又面向化工生產(chǎn)實(shí)踐。進(jìn)行化工技術(shù)和化工過程的開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及單元操作。（三）課程具有顯著的工程性，要解決的問題是多因素、多變量的綜合性的工業(yè)實(shí)際問題。因此，分析和處理問題的觀點(diǎn)和方法也就與理科課程不同，應(yīng)首先從實(shí)際出發(fā)考慮問題。需從課程學(xué)習(xí)中得到工程設(shè)計(jì)的實(shí)際訓(xùn)練。二、化工過程與單元操作（一）化工過程的特征與構(gòu)成化工

2、過程可以看成是由原料預(yù)處理過程、反應(yīng)過程和反應(yīng)產(chǎn)物后處理過程三個基本環(huán)節(jié)構(gòu)成的。反應(yīng)過程是在各種反應(yīng)器中進(jìn)行的，它是化工過程的中心環(huán)節(jié)。反應(yīng)過程必須在某種適宜條件下進(jìn)行，例如，反應(yīng)物料要有適宜的組成、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，反應(yīng)要在一定的溫度、壓強(qiáng)和反應(yīng)器內(nèi)的適宜流動狀況下進(jìn)行等。而進(jìn)入化工過程的初始料通常都會有各種雜質(zhì)并處于環(huán)境狀態(tài)下，必須通過原料預(yù)處理過程使之滿足反應(yīng)所需要的條件。同樣，反應(yīng)器出口的產(chǎn)物通常都是處于反應(yīng)溫度、壓強(qiáng)和一定的相狀態(tài)下的混合物，必須經(jīng)過反應(yīng)產(chǎn)物的后處理過程，從中分離出符合質(zhì)量要求的、處于某種環(huán)境狀態(tài)下的目的產(chǎn)品，并使排放到環(huán)境中去的廢料達(dá)到環(huán)保的規(guī)定要求；后處理過程的另一任務(wù)

3、是回收未反應(yīng)完的反應(yīng)物、催化劑或其它有用的物料重新加以利用?？梢?，在原料預(yù)處理和反應(yīng)產(chǎn)物后處理過程中都要進(jìn)行一系列的物理變化過程，如加熱、冷卻、增減壓、使物料發(fā)生相變化（如汽化、冷凝、結(jié)晶、溶解等）、使均相物料中各組分進(jìn)行分離、使不同相態(tài)的物料彼此分離等。即使在反應(yīng)器中，為了維持適宜的反應(yīng)條件，也需組織一系列物理過程，如加入或移走熱量、混合、攪拌等。經(jīng)過長期的化工生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，各種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程所涉及的各種物理變化過程都可歸納成為數(shù)不多的若干個單元操作?？梢姡磻?yīng)器中的反應(yīng)過程外，流程中包括了流體流動、流體輸送、過濾、混合、汽化、冷凝冷卻、加熱、吸收、精餾等物理過程，這些過程都是在特定的

4、設(shè)備中進(jìn)行的?？梢哉f，任何一個化工生產(chǎn)過程都是由若干種完成特定任務(wù)的設(shè)備（包括反應(yīng)器、完成各單元操作的設(shè)備和貯料設(shè)備）按一定順序、由各種管道和輸料裝置連接起來的組合體。（二）單元操作的研究內(nèi)容與分類單元操作：根據(jù)化工生產(chǎn)的操作原理，可將其歸納為應(yīng)用較廣的數(shù)個基本操作過程，如流體輸送、攪拌、沉降、過濾、熱交換、蒸發(fā)、結(jié)晶、吸收、蒸餾、萃取、吸附及干燥等，這些基本操作過程稱為單元操作。任何一種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程都是由若干單元操作及化學(xué)反應(yīng)過程組合而成的。各種單元操作都是依據(jù)一定的物理或物理化學(xué)原理，在某些特定的設(shè)備中進(jìn)行的特定的過程。過程和設(shè)備是相互依存的，因此化工原理研究內(nèi)容主要是各種單元操作的

5、基本原理與單元操作過程計(jì)算、典型單元操作設(shè)備的合理結(jié)構(gòu)及其工藝尺寸的設(shè)計(jì)與計(jì)算、設(shè)備操作性能的分析以及組織工程性實(shí)驗(yàn)以取得必要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，找出強(qiáng)化過程、改進(jìn)設(shè)備的途徑。單元操作分類根據(jù)操作方式，又可將單元操作分為連續(xù)操作和間歇操作兩類。（1）在連續(xù)操作中，物料與能量連續(xù)地進(jìn)入設(shè)備，并連續(xù)地排出設(shè)備。過程的各個階段是在同一時間、在設(shè)備的不同空間位置上進(jìn)行的。例如水吸收塔對HCN的吸收。（2）間歇操作的特點(diǎn)是操作的周期性。物料在某一時刻加入設(shè)備進(jìn)行某種過程，過程完成后將物料一次卸出，然后開始新的周期。間歇過程的各個階段是在同一設(shè)備空間而在不同時間進(jìn)行的。如水壺中燒開水是間歇操作，而工業(yè)鍋爐中產(chǎn)生水

6、蒸汽則是連續(xù)操作。連續(xù)操作適于大規(guī)模生產(chǎn)，其原料消耗、能量損失和勞動力投入都相對較少，因而操作成本也相應(yīng)較低，同時也較易實(shí)現(xiàn)操作控制與生產(chǎn)自動化。間歇操作的設(shè)備較簡單，因而設(shè)備的投資較低，操作靈活性較大，適于小批量規(guī)模生產(chǎn)以及某些原料或產(chǎn)品品種與組成多變的場合。根據(jù)設(shè)備中各種操作參數(shù)隨時間的關(guān)系，又可將單元操作分為：（1）不定常操作：操作中設(shè)備中各部分的操作參數(shù)隨時間而不斷變化。這種情況通常是由于同一時間內(nèi)進(jìn)入和離開設(shè)備的物料量和能量并不相同，且隨時間而變化，因而導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部發(fā)生物料和能量的正的或負(fù)的積累。（2）定常操作：操作中設(shè)備內(nèi)各種操作參數(shù)統(tǒng)計(jì)水平上不隨時間而變。對定常操作的物理過程，進(jìn)

7、、出設(shè)備的物料量或能量應(yīng)相等，且不隨時間而變，設(shè)備內(nèi)部也不發(fā)生物料或能量的積累。單元操作的特點(diǎn)：（1）單元操作進(jìn)行的絕大多數(shù)都是物理過程。這些操作只改變物料的狀態(tài)或物理性質(zhì)。比如相態(tài)的變化（冷凝）、濃度、組成的變化等，而物料的化學(xué)性質(zhì)不變。（2）單元操作是化工、制藥、食品生產(chǎn)過程中共有的操作。由于生產(chǎn)中處理的物料種類繁多，而且物理性質(zhì)千差萬別，所以化工過程是各種各樣的。但是所有的化工過程都是由上面提到的若干種單元操作組合而成。如聚氯乙烯生產(chǎn)，由流體流動，傳熱，吸收，精餾，干燥過程等單元操作加上反應(yīng)組合而成。合成氨生產(chǎn)是由流體流動，傳熱，吸收，物料的增壓，加上反應(yīng)組合而成。（3）雖然各種單元操作

8、在不同化工過程中起著各自的作用，但是同一類單元操作，其基本原理和所用的設(shè)備均相同。單元操作的研究方法單元操作有共同的研究方法?；ぴ磉@一工程學(xué)科面對的是真實(shí)的、復(fù)雜的生產(chǎn)問題，即特定的物料，在特定的設(shè)備中，進(jìn)行特定的過程。然而實(shí)際問題的復(fù)雜性并不完全在于過程本身，而首先在于化工設(shè)備的復(fù)雜的幾何形狀和千變?nèi)f化物性。對此有兩種基本研究方法：數(shù)學(xué)模型法。即半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法。這種方法是立足于對實(shí)際問題做出合理的簡化，從而使方程得以建立。即對實(shí)際過程進(jìn)行抽象簡化，抓主要矛盾，忽略次要因素，建立過程的物理模型，從而建立數(shù)學(xué)模型，最后求解（分析解，數(shù)值解，圖解，計(jì)算機(jī)求解）模型中的一些系數(shù)由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)

9、驗(yàn)?zāi)M法。即經(jīng)驗(yàn)方法。這是一種傳統(tǒng)的方法，它避免了對復(fù)雜的過程建立方程，直接用實(shí)驗(yàn)測取各種變量之間的聯(lián)系。如阿司匹林（三）單元操作與工程觀點(diǎn)課程的學(xué)習(xí)目的就是應(yīng)用這些具有一般性的基本概念和知識，針對不同場合和不同生產(chǎn)對象，具體地去解決某個特定的化工實(shí)際過程中需要配置的各種單元操作過程和設(shè)備的開發(fā)、設(shè)計(jì)與操作問題。這些問題都具有強(qiáng)烈的工程性，具體表現(xiàn)在：1過程影響因素多對于每一種單元操作，其影響因素通?？蓜澐譃槲镄砸蛩?、操作因素和結(jié)構(gòu)因素三類：（1）物性因素同一類單元設(shè)備可用于不同物系，物料的物理性質(zhì)（如密度、粘度、表面張力、導(dǎo)熱系數(shù)等等）和化學(xué)性質(zhì)必對過程發(fā)生影響。在很多情況下，物系的物性對于

10、單元設(shè)備的選型與設(shè)備的操作性能有決定性的影響。（2）操作因素設(shè)備的各種操作條件，如溫度、壓強(qiáng)、流量、流速、物料組成等，在工業(yè)實(shí)際過程中，它們經(jīng)常會發(fā)生變化并影響過程的結(jié)果。（3）結(jié)構(gòu)因素是指單元設(shè)備內(nèi)部與物料接觸的各種構(gòu)件的形狀、尺寸和相對位置等因素，它們首先對物料在設(shè)備內(nèi)的流動狀況發(fā)生影響，并直接或間接地影響傳熱和傳質(zhì)過程的進(jìn)行。2過程制約條件多在工業(yè)上要實(shí)現(xiàn)一個具體的化工生產(chǎn)過程，客觀上存在許多制約條件，如原料來源、冷卻水的來源與水溫、可供應(yīng)的設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量和規(guī)格、當(dāng)?shù)氐臍鉁睾蜌鈮鹤兓秶?。同時，單元設(shè)備在流程中的位置也制約了設(shè)備的進(jìn)、出口條件。此外，還受安全防火、環(huán)保、設(shè)備加工、

11、安裝以及維修等條件的制約。3效益是評價工程合理性的最終判據(jù)進(jìn)行工業(yè)過程的目的是為了最大限度地取得經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，這是合理地組織一個工業(yè)過程的出發(fā)點(diǎn)，也是評價過程是否成功的標(biāo)志。4理論分析、工業(yè)性試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并重由于工業(yè)過程的復(fù)雜性，許多情況下，單純依靠理論分析有時只能給出定性的判斷，往往要結(jié)合工業(yè)性試驗(yàn)、半工業(yè)性試驗(yàn)（也稱中間試驗(yàn)）才能得出定量的結(jié)果。在過程設(shè)計(jì)與操作分析中也廣泛使用各種經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，它們是在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的，熟練地運(yùn)用這些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，做到心中有“數(shù)”，對提高工作效率和可靠性將是非常有益的。（四）單元操作與“三傳”過程動量傳遞過程。研究流體的流動和流體與固體接觸時，其

12、間發(fā)生相對運(yùn)動時的基本規(guī)律。以流體力學(xué)為基礎(chǔ)的各單元操作均屬這種過程。如流體的輸送，沉降，過濾等。熱量傳遞過程。研究傳熱的基本規(guī)律，以及主要受這些規(guī)律支配的若干單元操作。如熱交換，蒸發(fā)等。質(zhì)量傳遞過程。研究物體通過相界面的遷移過程的基本規(guī)律，以及受這些規(guī)律支配的若干單元操作，如精餾，吸收，干燥等。動量傳遞的概念，可以通過力學(xué)上的牛頓第二定律來理解。根據(jù)這一定律，有F=ma/a=v/t/.F=mv/tFt=mv式中，F(xiàn)是作用于質(zhì)量為m的物體上的外力，而a是在外力F作用下引起該物體的加速度。由式中，mv是質(zhì)量與瞬間速度的乘積，也就是物體的瞬間動量，肝就是物體的瞬間動量隨時間的變化率。因此，牛頓第二

13、定律可理解為外力引起物體本身的動量變化并等于其動量變化率，作用于物體的外力可以通過其引起的動量變化率來度量。另一方面，兩物體間的力的作用又可看成是物體間發(fā)生動量傳遞的結(jié)果。例如，一個具有較高動量的球A在某瞬間與一具有較低動量的球B發(fā)生碰撞。（1）流體的動量傳遞在流體流動過程中，一般總存在著不同宏觀速度的流體層與靜止的壁面、不同速度的流體層之間的作用力以及壁面對流動流體的阻力，它們都是動量傳遞的結(jié)果。這是因?yàn)?，在流體中總是存在著無數(shù)流體分子的隨機(jī)熱運(yùn)動，在一定條件下，也會存在流體質(zhì)點(diǎn)（它是由大量分子構(gòu)成的流體集團(tuán)）的隨機(jī)運(yùn)動，因此總有一部分流體分子和質(zhì)點(diǎn)是在垂直于宏觀流動方向上運(yùn)動的，它們帶著各

14、自的宏觀速度和宏觀動量互相碰撞，于是發(fā)生動量的傳遞與交換，也就發(fā)生了上述力的相互作用，并會引起不同速度流體層的動量變化，即流動情況的變化。因此，通常把流體流動過程看成是一種動量傳遞過程。（2）熱量傳遞和質(zhì)量傳遞正是由于流體中存在著分子的隨機(jī)運(yùn)動和流體質(zhì)點(diǎn)的隨機(jī)運(yùn)動，使不同溫度層或濃度層之間發(fā)生了熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。大部分單元操作都涉及流體系統(tǒng)，流體的流動情況對熱量傳遞和質(zhì)量傳遞的速率以及流動過程中的能量損耗都有顯著影響。因此，在各類單元操作設(shè)備中，合理地組織這三種傳遞過程，達(dá)到適宜的傳遞速率，是使這些設(shè)備高效而經(jīng)濟(jì)地完成特定任務(wù)的關(guān)鍵所在，也是改進(jìn)設(shè)備、強(qiáng)化過程的關(guān)鍵所在。（五）單元操作計(jì)算的

15、基本內(nèi)容設(shè)計(jì)型計(jì)算：為完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)（一定的處理能力和操作要求），計(jì)算過程需要的時間、設(shè)備的工藝尺寸（如設(shè)備的直徑、高度等）、外加功率和熱量等。它是進(jìn)一步完成設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)或選型所必須的。操作型計(jì)算：對于已有的操作設(shè)備（即設(shè)備的工藝尺寸一定），核算其在不同情況（操作因素、物性因素變化時）下對操作結(jié)果的影響或完成特定任務(wù)的能力。它對確定適宜的操作條件、分析操作故障、了解設(shè)備性能以及保證設(shè)備正常操作都是十分重要的。一般都要涉及物料衡算、能量衡算、過程速率、過程的極限以及物性計(jì)算。（1）物料衡算它是以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)的計(jì)算：用來確定進(jìn)、出單元設(shè)備（過程）的物料量和組成間的相互數(shù)量關(guān)系，了解過程

16、中物料的分布與損耗情況，是進(jìn)行單元設(shè)備的其它計(jì)算的依據(jù)。（2）能量衡算它是以熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律為基礎(chǔ)的計(jì)算，用來確定進(jìn)、出單元設(shè)備（過程）的各項(xiàng)能量間的相互數(shù)量關(guān)系，包括各種機(jī)械能形式的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，為完成指定任務(wù)需要加入或移走的功量和熱量、設(shè)備的熱量損失、各項(xiàng)物流的焓值等。傳遞過程速率計(jì)算傳遞過程速率的大小決定過程進(jìn)行的快慢，其通用表示式如下：傳遞過程的推動力傳遞過程速率=傳遞過程阻力在各種單元操作中，傳遞過程的速率對于設(shè)備的工藝尺寸以及設(shè)備的操作性能有決定性的影響。對于不同的傳遞過程，其速率、推動力和阻力的內(nèi)涵及其具體表達(dá)式是不同的。例如在傳熱過程中，傳熱速率是用單位時間傳遞的熱

17、量來表示，而傳熱推動力則用溫度差來表示。4過程的熱力學(xué)極限與臨界點(diǎn)計(jì)算當(dāng)設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)過程達(dá)到熱力學(xué)平衡時，過程就停止，平衡狀態(tài)是過程進(jìn)行的熱力學(xué)極限。處于平衡狀態(tài)的單相物流，其內(nèi)部各處的熱力學(xué)強(qiáng)度性質(zhì)均一，不再存在溫度、濃度與壓強(qiáng)的差異，宏觀的傳遞過程不再進(jìn)行。平衡狀態(tài)下的氣相，可以用狀態(tài)方程來表達(dá)其熱力學(xué)性質(zhì)間的關(guān)系。兩相物流間達(dá)到平衡時，一般地有：平衡兩相的溫度和壓強(qiáng)必定相同。平衡兩相各組分的組成間存在確定的相平衡函數(shù)關(guān)系。這時兩相間不發(fā)生宏觀的質(zhì)量傳遞與熱量傳遞。5物性計(jì)算上述各項(xiàng)計(jì)算中都會涉及物系的某些物理和物理化學(xué)性質(zhì)，它們既隨不同物系而變化，隨物系的相狀態(tài)、溫度、壓強(qiáng)而變化。不同物

18、系的物性，有的可從有關(guān)手冊上查得，有的需用各種物性關(guān)系式來進(jìn)行估算。一般在進(jìn)行單元操作計(jì)算時，應(yīng)先將各已知條件范圍內(nèi)的有關(guān)物性查算出來。三、物料衡算與熱量衡算物料衡算要點(diǎn)1根據(jù)衡算對象，選定適當(dāng)?shù)暮馑阆到y(tǒng)。衡算系統(tǒng)可以是一個單元設(shè)備或若干個單元設(shè)備的組合，也可以是設(shè)備的某一部分或設(shè)備的微分單元。衡算系統(tǒng)也可稱為控制體。2選定物料衡算基準(zhǔn)選定基準(zhǔn)包括選定一股基準(zhǔn)物流及其數(shù)量，它是物料衡算的出發(fā)點(diǎn)，其目的是保證物料衡算計(jì)算的一致性。對于間歇操作，常取一批原料或單位質(zhì)量為基準(zhǔn)；對于連續(xù)操作，通常取單位時間(如lh、lmin等)內(nèi)處理的物料量為基準(zhǔn)?；鶞?zhǔn)的選擇有一定的任意性，其原則是使計(jì)算盡量簡化。3

19、列出物料衡算式單元操作涉及的是物理過程，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律可以直接寫出物理過程物料衡算的文字表達(dá)式：進(jìn)入系統(tǒng)的物流量-離開各股的物流量=系統(tǒng)中物料的積累量可以用質(zhì)量單位如kg或kg/S等)，也可用物質(zhì)的量單位如kmol等)，但必須注意保持式中各項(xiàng)的單位一致。對于定常操作過程，系統(tǒng)中物料的積累量為零。物料衡算基本步驟小結(jié)：針對提出的實(shí)際問題，首先弄清楚衡算目的、已知量和未知量。根據(jù)問題的類型和性質(zhì)，確定需要補(bǔ)充哪些數(shù)據(jù)，并設(shè)法從各種渠道去得到這些數(shù)據(jù)。例如，了解原料或產(chǎn)品的數(shù)量、規(guī)格和組成，查算有關(guān)的物性數(shù)據(jù)和相平衡關(guān)系數(shù)據(jù)，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)或工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果選定某些操作條件等。用流程示意

20、圖表示衡算對象，即將問題的文字描述轉(zhuǎn)化為圖形描述。用閉合線框出衡算系統(tǒng)，注明進(jìn)、出系統(tǒng)各物流及其組分的名稱或代號、相狀態(tài)、流量和組成(包括已知量和未知量，必要時將它們換算為統(tǒng)一單位)。確定衡算基準(zhǔn)，即選定其中某一股物流及其數(shù)量作為計(jì)算基準(zhǔn)。原則是：可按衡算目的和流程順序選取數(shù)量已知的原料物流或產(chǎn)品物流。選取含未知量最少的物流。c對間歇操作過程，可選一個操作周期或一批物料量。d.選用相對數(shù)量較大的物流可能會減少計(jì)算誤差)。e.基準(zhǔn)物流的數(shù)量通常選用物流的實(shí)際量。按框出的衡算范圍，列出獨(dú)立的物料衡算式。為簡化計(jì)算過程，應(yīng)當(dāng)選用含未知量最少的衡算式，盡量避免求解聯(lián)立方程組。其中總衡算式和不變組分衡算

21、式是經(jīng)常被使用的。計(jì)算中要檢查各式中的單位是否一致。利用多余的物料衡算式和組成歸一性方程來檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果是否正確，并對計(jì)算結(jié)果的合理性進(jìn)行分析。熱量衡算要點(diǎn)熱量衡算是化工計(jì)算中最常遇到的一種能量衡算。在很多單元操作如換熱、蒸發(fā)、吸收、蒸餾、干燥等過程中，主要涉及物料溫度和焓的變化以及熱量的傳遞，需要通過熱量衡算來計(jì)算過程進(jìn)行所必須加入或移走的熱量、加熱劑或冷卻劑的用量以及系統(tǒng)的熱量損失，有時也用來計(jì)算系統(tǒng)某一物流的焓值及其溫度。熱量衡算是在物料衡算基礎(chǔ)上進(jìn)行的。進(jìn)行熱量衡算時，首先也要劃定衡算范圍、選取衡算基準(zhǔn)。與物料衡算不同的是，衡算基準(zhǔn)除了選取時間基準(zhǔn)或物料量基準(zhǔn)外，還需選取物流焓的基準(zhǔn)態(tài)。

22、物流焓的基準(zhǔn)態(tài)包括物流的基準(zhǔn)壓強(qiáng)、基準(zhǔn)溫度和基準(zhǔn)相狀態(tài)?；鶞?zhǔn)壓強(qiáng)通常取P=l00kPa，般在壓強(qiáng)不高的情況下，壓強(qiáng)對焓的影響?？珊雎??；鶞?zhǔn)溫度可取0C。這是因?yàn)?，從手冊中可以查到的有關(guān)數(shù)據(jù)如比焓、比內(nèi)能、平均等壓比熱容等數(shù)據(jù)通常都是以0C為基準(zhǔn)的。采用同基準(zhǔn)溫度，便于直接引用手冊上的數(shù)據(jù)。有時也可取某物流的實(shí)際溫度作為基準(zhǔn)溫度，如果忽略壓強(qiáng)的影響，則這股物流的焓值為零，可使熱量衡算適當(dāng)簡化。物流的基準(zhǔn)相態(tài)的選擇可視具體情況而定，例如當(dāng)進(jìn)、出系統(tǒng)的物流都是液相時，基準(zhǔn)相態(tài)以取液態(tài)為便。根據(jù)能量守恒定律，若忽略物流的位能、動能和與外界交換的功量，熱量衡算的文字表達(dá)：物流帶入的焓+傳入系統(tǒng)的熱量=離

23、開系統(tǒng)物流的焓+傳出系統(tǒng)的熱量對連續(xù)定常過程，系統(tǒng)內(nèi)焓的積累量為零。熱量衡算基本步驟小結(jié)：根據(jù)題意畫出衡算示意圖，注明各物流的數(shù)量、組成、溫度、相狀態(tài)及焓值。般熱量衡算均在物料衡算基礎(chǔ)上進(jìn)行。確定衡算基準(zhǔn)，計(jì)算各物流的焓值。這里，除確定物料衡算的基準(zhǔn)(時間或物流量)外，還要選擇各物流組分焓的基準(zhǔn)態(tài)。由于焓是相對值，基準(zhǔn)態(tài)的選擇有定任意性在壓強(qiáng)不高時，主要是確定基準(zhǔn)溫度和基準(zhǔn)相態(tài)。各組分的基準(zhǔn)態(tài)可以不同，但同組分必須在同一基準(zhǔn)態(tài)下進(jìn)行計(jì)算。（3）列出熱量衡算式，求解未知量。一個衡算系統(tǒng)只能列出一個熱量衡算式，對于某些復(fù)雜過程，熱量衡算常需與物料衡算方程聯(lián)立求解。第一章流體流動第一節(jié)概述在化工生產(chǎn)

24、過程中所處理的物料大多數(shù)為流體（氣體和液體）。按化工生產(chǎn)工藝要求，物料由一個設(shè)備送往另一個設(shè)備，從上一道工序轉(zhuǎn)移到下一工序，逐步完成各種物理變化和化學(xué)變化，得到所需要的化工產(chǎn)品。因此，化工過程的實(shí)現(xiàn)都會涉及到流體輸送、流量測量、流體輸送機(jī)械所需功率的計(jì)算及其選型等問題，要解決這些問題必須掌握流體流動的基本原理、基本規(guī)律和有關(guān)的實(shí)際知識。同時，多數(shù)單元操作都與流體流動密切相關(guān)，傳熱、傳質(zhì)過程也大都是在流體流動條件下進(jìn)行的。因此，流體流動是本課程中的一個重要基礎(chǔ)內(nèi)容?；どa(chǎn)中常見的流體流動形式有管流、繞流、射流和自由流動等。管流是指流體在閉合的固體邊界通道中的流動，且流體充滿整個通道，如流體在管

25、道、設(shè)備通道內(nèi)的流動.繞流是指流體繞過物體的流動，物體被流動流體所包圍，如流體掠過換熱器的管束、固體顆粒和液滴在氣流中的沉降等.射流是指一股流體以一定速度射入另一股流體中時發(fā)生的流動，如在水噴射式真空泵、氣升泵中的流動.自由流動主要指液體在流動方向上存在一個自由表面，在表面上方的壓強(qiáng)基本保持不變，如液膜沿表面的下落、水在明渠中的流動等。一、流體的連續(xù)介質(zhì)模型流體是由許多離散的即彼此間有一定間隙的、作隨機(jī)熱運(yùn)動的單個分子構(gòu)成的。從工程實(shí)際出發(fā)討論流體流動問題時，常把流體當(dāng)作無數(shù)流體質(zhì)點(diǎn)組成的、完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)，流體質(zhì)點(diǎn)之間不存在間隙，因而質(zhì)點(diǎn)的性質(zhì)是連續(xù)變化的。這里所謂質(zhì)點(diǎn)，它是由大量

26、分子構(gòu)成的流體集團(tuán)（或稱流體微團(tuán)），其大小與容器或管道的尺寸相比是微不足道的，但比起分子平均自由程則要大得多。對流體作這樣的連續(xù)性假定后，才能把研究流體的起點(diǎn)放在流體“質(zhì)點(diǎn)上，可以運(yùn)用連續(xù)函數(shù)和微積分工具來描述流體的物性及其運(yùn)動參數(shù)。二、流體的密度與比容（一）密度與比容的定義單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度，其表示式為p=V/m式中m流體的質(zhì)量，kg;V流體的體積，m3。單位質(zhì)量流體所具有的體積稱為流體的比容，其單位為m3/kg在數(shù)值上等于密度的倒數(shù)。v=1/p（二）純組分流體的密度液體的密度液體的密度隨壓強(qiáng)變化很小，?？珊雎云溆绊?而隨溫度變化的關(guān)系可查表求取。氣體的密度其值隨溫度、壓

27、強(qiáng)有較大的變化。一般在溫度不太低、壓強(qiáng)不太高的情況下，氣體的密度與溫度、壓強(qiáng)間的關(guān)系可用理想氣體狀態(tài)方程表示：PV=nRT=（m/M）RTP氣體的壓強(qiáng)，kPa；T氣體的溫度K；n氣體的千摩爾質(zhì)量數(shù)值上等于氣體的分子量），kg/kmol；R通用氣體常數(shù)，8.314kJ（km01.K）。（三）混合物的密度化工生產(chǎn)中常遇到各種氣體或液體混合物，在無實(shí)測數(shù)據(jù)時，可用一些近似公式進(jìn)行計(jì)算。三、流體的粘性流體與固體的一個顯著差別是流體具有流動性，它無固定的形狀，隨容器的形狀而變化，但不同流體的流動性即粘性不同，氣體的粘性比液體要小，流動性比液體要好；油和水同是液體，油的粘性要比水大，油的流動性就比水差。可

28、見，流體的粘性只有在流體流動時才能顯現(xiàn)出來。（一）牛頓粘性定律作用于運(yùn)動著的流體內(nèi)部相鄰平行流動層間、方向相反、大小相等的相互作用力稱為流體的內(nèi)摩擦力，這種內(nèi)摩擦力正是由于流體的粘性而產(chǎn)生的，故又稱粘滯力。表面力：即作用于流體上的力，它與流體的表面積成正比。若取流體中任一微小的平面，作用于其上的表面力可分為壓力和剪力。垂直與表面的力P,稱為壓力。單位面積上所受的壓力稱為壓強(qiáng)P。IMPa（兆帕）=106Pa（帕斯卡）注意：國內(nèi)許多教材習(xí)慣上把壓強(qiáng)稱為壓力。平行于表面的力F，稱為剪力（切力）。單位面積上所受的剪力稱為應(yīng)力T。牛頓粘性定律：即流層間的剪應(yīng)力與其法向速度梯度成正比服從牛頓粘性定律的流體

29、稱為牛頓型流體（大多數(shù)如水、空氣），否則稱為非牛頓型流體（如泥漿、某些高分子溶液、懸浮液、血液、牙膏等）。流體粘度：按照牛頓粘性定律，流動的流體內(nèi)部相鄰的速度不同的兩流體層間存在相互作用力，即速度快的流體層有著拖動與之相鄰的速度慢的流體層向前運(yùn)動的力，而同時速度慢的流體層有著阻礙與之相鄰的速度快的流體層向前運(yùn)動的力。流體內(nèi)部速度不同的相鄰兩流體層之間的這種相互作用力就稱為流體的內(nèi)摩擦力或粘性力。粘度物理意義是流體的粘性所引起的流體層間單位面積上的內(nèi)摩擦力，數(shù)值上等于流體的粘度?；旌衔锏恼扯炔煌兞黧w的粘度均由實(shí)驗(yàn)測取，可在有關(guān)手冊中查得?；旌衔锏恼扯仍谌狈?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時，可從文獻(xiàn)中選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公

30、式進(jìn)行估算。3粘度的影響因素液體的粘度隨溫度升高而降低；氣體的粘度隨溫度升高而增加。壓強(qiáng)對于液體粘度的影響可忽略不計(jì)；對氣體則只有在相當(dāng)高或極低的壓強(qiáng)條件下才考慮其影響，一般情況下也可忽略。氣體的粘度比液體的粘度小得多。四、流體的壓縮性與膨脹性流體的體積隨壓強(qiáng)而變化的特性稱為流體的壓縮性，而隨溫度變化的特性則稱為熱膨脹性。由于液體的體積隨壓強(qiáng)變化很小，常把液體當(dāng)作不可壓縮流體。流體的熱膨脹性可由其體積熱膨脹系數(shù)來衡量，體積熱膨脹系數(shù)的物理意義是在恒壓下物體體積隨溫度的相對變化率。第二節(jié)流體靜力學(xué)一、流體的壓強(qiáng)（一）壓強(qiáng)的定義垂直作用于單位面積上且方向指向此面積的力，稱為壓強(qiáng)，其表示式為P=F/

31、A式中F垂直作用于表面的力，N;A作用面的面積，m2；P作用在該表面A上的壓強(qiáng)，N/m2,即Pa（稱帕斯卡）。在法定計(jì)量單位使用之前，常用的壓強(qiáng)單位有：物理大氣壓（atm）、工程大氣壓（kg/cm2）、巴（bar）液體柱高（如mmHg柱、mmH2O柱等）等等，在有關(guān)手冊、書籍和工程實(shí)際中仍有應(yīng)用，因此，應(yīng)當(dāng)正確掌握它們之間的相互換算關(guān)系（可以查表）。習(xí)慣上也常把壓強(qiáng)稱為壓力。1絕對壓強(qiáng)（簡稱絕壓）是指流體的真實(shí)壓強(qiáng)。更準(zhǔn)確地說，它是以絕對真空為基準(zhǔn)測得的流體壓強(qiáng)。2表壓強(qiáng)（簡稱表壓）是指工程上用測壓儀表以當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為基準(zhǔn)測得的流體壓強(qiáng)值，它是流體的真實(shí)壓強(qiáng)與外界大氣壓強(qiáng)的差值，即:表壓強(qiáng)

32、=絕對壓強(qiáng)-外界）大氣壓強(qiáng)3真空度當(dāng)被測流體內(nèi)的絕對壓強(qiáng)小于當(dāng)?shù)兀ㄍ饨纾┐髿鈮簭?qiáng)時，使用真空表進(jìn)行測量時真空表上的讀數(shù)稱為真空度。真空度表示絕對壓強(qiáng)比（外界）大氣壓強(qiáng)小了多少，即有真空度=（外界）大氣壓強(qiáng)至對壓強(qiáng)在這種條件下，真空度值相當(dāng)于負(fù)的表壓值。因此，由測壓表或真空表上得出的讀數(shù)必須根據(jù)當(dāng)時當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)進(jìn)行校正，才能得到測點(diǎn)的絕壓值。在重力場中，當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時，流體除受重力（即地心引力）作用外，還受到壓力的作用。流體處于靜止是由于這些作用于流體上的力達(dá)到平衡的結(jié)果。流體靜力學(xué)就是研究流體處于靜止?fàn)顟B(tài)下力的平衡關(guān)系。（一）流體靜力學(xué)方程的推導(dǎo)如圖所示，敞容器內(nèi)盛有密度為盧的靜止液體

33、，液面上方受外壓強(qiáng)P的作用。取任意一垂直液柱，其上、下端截面積為A，若以容器底面為基準(zhǔn)水平面，則液柱的上、下端面與器底的垂直距離分別為zl和z2，作用在上、下端面上并指向此兩端面的壓強(qiáng)分別為P2和P。P2=P1+pg（z2_z）P=P0+pgh（二）靜力學(xué)方程的討論上式適用于重力場中P為常數(shù)的靜止單相連續(xù)液體；氣體具有較大的壓縮性，在密度變化不大時，式也可應(yīng)用，此時P可用平均密度計(jì)算。上式表明靜止流體內(nèi)部某處的壓強(qiáng)大小僅與所處的垂直位置有關(guān)，而與水平位置無關(guān)。位置愈低，壓強(qiáng)愈大。換言之，在同一靜止連續(xù)流體內(nèi)部同一水平面上各處的壓強(qiáng)是相等的。壓強(qiáng)相同的面稱為等壓面，在靜止流體中，水平面即為等壓面

34、。而壓強(qiáng)的指向僅隨所取的作用面的方向而變。3由式還可知，若液面上方所受壓強(qiáng)P。變化時，P將隨之同步增減，即液面上方所受壓強(qiáng)能以同樣大小傳遞到液體內(nèi)部的任一點(diǎn)上（巴斯噶原理）。4若將式各項(xiàng)除以Pg，則方程變?yōu)檎f明，壓強(qiáng)差（或壓強(qiáng)）的大小可以用一定高度的流體柱來表示，但必須注明該流體的密度值。（三）靜力學(xué)方程的應(yīng)用流體靜力學(xué)基本方程常用于某處流體表壓或流體內(nèi)部兩點(diǎn)間壓強(qiáng)差的測量、貯罐內(nèi)液位的測量、液封高度的計(jì)算、流體內(nèi)物體受到的浮力以及液體對壁面的作用力的計(jì)算等等。表壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差的測定運(yùn)用流體靜力學(xué)基本原理測定流體的表壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差的儀器統(tǒng)稱為液柱壓差計(jì)，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。常見的有如下幾種：（1

35、）普通U形管壓差計(jì)如圖所示，在U形玻璃管內(nèi)裝有密度為p的指示液A（般指示液裝入量約為U形管總高的一半），U形管兩端與被測流體B的測壓點(diǎn)相連接連接管內(nèi)與指示液液面上方均充滿流體B）。對指示液的要求是：A與B不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、互不相溶，且pApB。常用的指示液有水、四氯化碳、水銀等。（2）傾斜U形管壓差計(jì)當(dāng)被測壓差值很小時，為了放大壓差計(jì)讀數(shù)，可采用如圖所示的傾斜U形管壓差計(jì)，傾角a愈小，讀數(shù)R愈大，P與R關(guān)系為：P=Rsina（3）倒U形管壓差計(jì)當(dāng)被測系統(tǒng)為液體時，也可選用比被測液體密度小的流體液體或氣體）作指示劑，采用如圖示的倒U形管壓差計(jì)進(jìn)行測量。測量前，先打開壓差計(jì)上端旋塞，將兩管端與待測液

36、體B連通，在Pl=P2條件下放入B,約管總高的一半，使左、右管內(nèi)B的液面達(dá)水平；然后通過旋塞充入指示劑A,使A充滿U形管上部（因pAP2時，管左端的B液面將升高而右端液面降低，出現(xiàn)如圖所示的高差R。取過左端液面的水平面為流體A的等壓面，運(yùn)用靜力學(xué)方程可得Pl-P2=（PBpA）gR類似，當(dāng)（pbpa）減小時,R值將被放大。當(dāng)指示劑A選用氣體（一般為空氣）時，由于pBpA，所以P1-P2=PBgR（4雙液柱微差計(jì)當(dāng)流體B的系統(tǒng)被測壓差值非常小時（一般為氣體系統(tǒng)），用上述壓差計(jì)測得的讀數(shù)都將很小而不夠精確，可在U形壓差計(jì)頂部增加兩個擴(kuò)大室，在U形管下部裝入指示液A,上部裝入指示液C,構(gòu)成如圖所示的

37、雙液柱微差計(jì)。指示液A與C互不相溶，且它們的密度關(guān)系滿足：PaPcPb。擴(kuò)大室截面積比U形管的截面積要大得多，故當(dāng)測量微壓差（P1-P2）時，R的變化對擴(kuò)大室內(nèi)C的液面高度的影響極小并可忽略，取A的低端液面為等壓面，可得P1-P2=（PApC）gR顯然，當(dāng)P1-P2值很小時，為獲得較大的讀數(shù)R,應(yīng)當(dāng)選擇密度接近的指示液A和C。2液位的測定化工生產(chǎn)中常常需要測定各種容器內(nèi)液體物料的液位。圖所示是最簡單的液位測量方法:（a）是工廠中常見的一些常壓容器或貯罐所使用的玻璃管液位計(jì)，它是運(yùn)用單相靜止液體連通器內(nèi)同一水平面上各點(diǎn)壓強(qiáng)相等的原理。（b）是利用液柱壓差液位計(jì)來測量液位的，在U形管底部裝入指示液

38、A,左端與被測液體B的容器底部相連（PAPB）,右端上方接一擴(kuò)大室稱平衡室），與容器液面上方的氣相支管稱氣相平衡管）相連，平衡室中裝入一定量的液體B,使其在擴(kuò)大室內(nèi)的液面高度維持在容器液面允許的最高位置。測量時，壓差計(jì)中讀數(shù)R指示容器內(nèi)相應(yīng)的液位高，顯然容器內(nèi)達(dá)到最高允許液位時，壓差計(jì)讀數(shù)R應(yīng)為零；隨容器內(nèi)液位降低，讀數(shù)R將隨之增加。（c是一種浮球液面計(jì)，它是利用部分浸沒在流體中的物體上受到的浮力的作用來指示液面高度的。浮球部分地浸沒在液體中，調(diào)整浮球本身的質(zhì)量使浮球的重力與作用于浮球上的浮力達(dá)到力平衡，于是浮球穩(wěn)定地漂浮在液面，隨液面的高低而起伏，并即可在容器外部直接讀出浮球（即液面）的高度

39、位置。3液封高度的計(jì)算對于常壓操作的氣體系統(tǒng)，常采用稱為液封的附屬裝置。根據(jù)液封的作用不同，大體可分為以下三類，它們都是根據(jù)流體靜力學(xué)原理設(shè)計(jì)的。（1）安全液封如圖（a）所示，從氣體主管道上引出一根垂直支管，插到充滿液體通常為水，因此又稱水封）的液封槽內(nèi)，插入口以上的液面高度應(yīng)足以保證在正常操作壓強(qiáng)P（表）下氣體不會由支管溢出。當(dāng)由于某種不正常原因，系統(tǒng)內(nèi)氣體壓強(qiáng)突然升高時，氣體可由此處沖破液封濁出并卸壓，以保證設(shè)備的安全。這種水封還有排除氣體管中凝液的作用。（2）切斷水封有些常壓可燃?xì)怏w貯罐前后安裝切斷水封以代替笨重易漏的截止閥，如圖（b）所示。正常操作時，水封不充水，氣體可以順利繞過隔板出

40、入貯罐；需要切斷時（如檢修），往水封內(nèi)注入一定高度的水，使隔板在水中的水封高度大于水封兩側(cè)最大可能的壓差值。（3）溢流水封許多用水或其它液體）洗滌氣體的設(shè)備內(nèi)，通常維持在一定壓力P下操作，水不斷流入同時必須不斷排出，為了防止氣體隨水一起流出設(shè)備，可采用圖（c所示的溢流水封裝置。這類裝置的型式很多，都可運(yùn)用靜力學(xué)方程來進(jìn)行設(shè)計(jì)估算。在應(yīng)用流體靜力學(xué)方程時，應(yīng)當(dāng)注意：A正確選擇等壓面。等壓面必在連續(xù)、相對靜止的同種流體的同一水平面上。基準(zhǔn)面的位置可以任意選取，選取得當(dāng)可以簡化計(jì)算過程，而不影響計(jì)算結(jié)果。計(jì)算時，方程中各項(xiàng)物理量的單位必須一致。第三節(jié)流體動力學(xué)一、流量與流速（一）流量體積流量：單位時

41、間內(nèi)流經(jīng)通道某一截面的流體體積，用Vs，表示，其單位為m3/s或mhl2質(zhì)量流量：單位時間內(nèi)流經(jīng)通道某一截面的流體質(zhì)量，用Ws表示，其單位為kg/s或kg/h）。當(dāng)流體密度為p時，體積流量y,與質(zhì)量流量ws的關(guān)系為：Ws=Vps應(yīng)當(dāng)注意，氣體的體積隨溫度、壓強(qiáng)而變化，所以當(dāng)使用體積流量時應(yīng)注明所處的溫度和壓強(qiáng)值。二）流速1流速；單位時間內(nèi)流體微團(tuán)在流動方向上流過的距離，其單位為m/s。平均流速實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)流體在通道內(nèi)流動時，通道任一截面上徑向各點(diǎn)的流速（局部流速）并不相等，在壁面處為零，至通道中心處達(dá)最大值。因此，在工程計(jì)算中常使用通道截面積上的平均流速，其表示式為：u=Vs/A式中u通道截面

42、上的平均流速，m/s;Vs流體的體積流量，m3/s;A垂直于流向的通道徑向截面積，m2.因此其質(zhì)量流量Ws=Vsp=uAp質(zhì)量流速由于氣體的體積流量隨溫度和壓強(qiáng)而變化，氣體的流速也將隨之而變，因此在工程計(jì)算中引入質(zhì)量流速，即單位時間內(nèi)，流體流經(jīng)通道單位徑向截面積的質(zhì)量，用G表示，其表示式為：G=W/A=Vp/A=uAp其單位為kg/（m2）市場供應(yīng)的管材均有一定的尺寸規(guī)格，所以在使用上式求得管徑d值后，應(yīng)根據(jù)給定的操作條件圓整到管子的實(shí)際供應(yīng)規(guī)格。由上式可知，對一定的生產(chǎn)任務(wù)，即Vs定，管子直徑的大小取決于所選擇的流速u,流速選得愈大，所需管子的直徑就愈小，即購買及安裝管子的投資費(fèi)用愈小，但輸

43、送流體的動力消耗和操作費(fèi)用將增大，因此流速的選擇要適當(dāng)。生產(chǎn)中常用的流體流速范圍可從相關(guān)資料表中查到。一般密度較大和粘度較大的流體，流速要取小一些。W=Ws1s2U1AlPl=U2A2P2即ws=uAp=常數(shù)Vs=uA=常數(shù)三、流體定常流動過程的機(jī)械能衡算柏努利方程（一）理想流體定常流動時的機(jī)械能衡算無粘性的流體稱為理想流體，因此，理想流體在流動過程中沒有機(jī)械能的損失，這是為便于討論而采用的一種假想流體模型。這里先討論不可壓縮的理想流體的流動系統(tǒng)中機(jī)械能形式及它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。1流動流體具有的機(jī)械能形式（1）內(nèi)能內(nèi)能是貯存于液體內(nèi)部的能量，是由于原子與分子的運(yùn)動及其相互作用存在的能量。因此液

44、體的內(nèi)能與其狀態(tài)有關(guān)。內(nèi)能大小主要決定于液體的溫度，而液體的壓力影響可以忽略。單位質(zhì)量流體所具有的內(nèi)能U=f（t）,J/Kg.（2）位能在重力場中，液體高于某基準(zhǔn)面所具有的能量稱為液體的位能。液體在距離基準(zhǔn)面高度為z時的位能相當(dāng)于流體從基準(zhǔn)面提升高度為z時重力對液體所作的功單位質(zhì)量流體所具有的位能gz（3）動能液體因運(yùn)動而具有的能量，稱為動能.單位質(zhì)量流體所具有的動能。（4）壓強(qiáng)能流體自低壓向高壓對抗壓力流動時，流體由此獲得的能量稱為壓強(qiáng)能。單位質(zhì)量流體所具有的壓強(qiáng)能2理想流體的機(jī)械能衡算理想流體的柏努利方程由于理想流體流動過程無機(jī)械能的損失，因此，根據(jù)機(jī)械能守恒定律，在管路中沒有其它外力作用

45、和外加能量的條件下，1kg理想流體帶入與帶出衡算系統(tǒng)的機(jī)械能總和應(yīng)相等，即總能量不變。推導(dǎo)出的方程稱為柏努利方程，方程中各項(xiàng)的單位均為J/kg。顯然，柏努利方程適用的條件是不可壓縮理想流體作定常流動，在流動管路中沒有其它外力或外部能量的輸入（出）。3柏努利方程的討論（1）上式說明理想流體作定常流動時，每kg流體流過系統(tǒng)內(nèi)任一截面（與流體流動方向相垂直）的總機(jī)械能恒為常數(shù)，而每個截面上的不同機(jī)械能形式的數(shù)值卻并不一定相等。這說明各種機(jī)械能形式之間在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)換的，此減彼增，但總量保持不變，即機(jī)械能守恒。（2）如果系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，任意兩截面間的流速為0,則可得此式即為靜力學(xué)基本方程p

46、gz1+P1=pgz2+P2，可見柏努利方程也可反映靜止流體的基本規(guī)律，靜止流體是流動流體的特例。方程中等式兩端的壓強(qiáng)能項(xiàng)中的壓強(qiáng)P可以同時使用絕壓或同時使用表壓，視計(jì)算要求而定。（二）實(shí)際流體定常流動時的機(jī)械能衡算工程實(shí)際問題中遇到的都是實(shí)際流體，即流體具有粘性，在流動過程中要克服各種阻力，使一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鵁o法利用，這部分損失掉的機(jī)械能稱為阻力損失。這部分能量需要在輸送通道的兩截面間有機(jī)械功的輸入。因此，在不可壓縮的實(shí)際流體定常流動的管路系統(tǒng)中，按機(jī)械能守恒，應(yīng)有：機(jī)械能的輸入=機(jī)械能的輸出+機(jī)械能損失因此有等式：z與流體的位置高度有關(guān)稱為位頭。u2/2與流體的速度有關(guān)稱為速度頭（

47、動壓頭）。P/Pg與流體壓強(qiáng)和密度有關(guān)稱為壓頭（靜壓頭）。He=We/g可理解為流體輸送設(shè)備所提供的壓頭（即輸入壓頭），其所作的功可將流體升起到一定高度。Hf=2h/g稱為壓頭損失。因而上式也可理解為進(jìn)入系統(tǒng)的各項(xiàng)壓頭之和等于離開的各項(xiàng)壓頭之和加上壓頭損失。例用泵將貯槽中的稀堿液送到蒸發(fā)器中進(jìn)行濃縮，如圖所示。泵的進(jìn)管為89mmX3.5mm的鋼管，堿液在進(jìn)管的流速為1.5m/s，泵的出管為76mmX3mm的鋼管。貯槽中堿液的液面距蒸發(fā)器人處的垂直距離為7m,堿液經(jīng)管路系統(tǒng)的機(jī)械能損失為40J/kg，蒸發(fā)器內(nèi)堿液蒸發(fā)壓力（表壓）保持在20kPa，堿液的密度為1100kg/m3。試計(jì)算所需的外加機(jī)

48、械能。解:取貯槽液面1-1為基準(zhǔn)面，蒸發(fā)器入處管為2-2截面,在1-1與2-2截面間列伯努利方程：TOC o 1-5 h zpu2pu2z11Hz22H1飛Ee22f即移項(xiàng)得功H:eHe(z2z1)gP2P1U2U2Hf堿液在泵的出管中的流速為u=u（d/d）2=1.5x（82/70）2002=2.06m/s因貯槽液面比管路截面大得多，故可認(rèn)為u1=0。所需外加機(jī)械能為He=7x9.81+20000/1100+2.0640=68.7+18.2+2.12+4宀129J/kg（1）根據(jù)題意，作出流動系統(tǒng)示意圖，明確流體的流動方向，并注明必要的物理量。（2）確定衡算系統(tǒng)（或衡算范圍），正確選取上、下

49、游截面。（3）截面應(yīng)與流體流動方向相垂直。（4）所求未知物理量一般應(yīng)處于被選的一個截面上，為便于解題，另一被選截面應(yīng)當(dāng)是已知條件最多的截面。（5）兩截面間的流體必須是定常連續(xù)流動的，并充滿整個衡算系統(tǒng)。（6）選取計(jì)算位能的基準(zhǔn)水平面。這種選擇有任意性，為計(jì)算方便，常選取通過一個截面中心的水平面作為基準(zhǔn)水平面，使該截面上的位能為零。四、實(shí)際流體的基本流動現(xiàn)象（一）流體的流動類型雷諾實(shí)驗(yàn)在討論牛頓粘性定律時，板間液體是分層流動的，互相之間沒有宏觀的擾動。實(shí)際上流體的流動型態(tài)并不都是分層流動的。1883年雷諾通過實(shí)驗(yàn)揭示了流體流動的兩種截然不同的流動型態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在水溫一定的條件下，當(dāng)管內(nèi)水的

50、流速較小時，染色液在管內(nèi)沿軸線方向成一條清晰的細(xì)直線，如圖（a）所示；當(dāng)開大調(diào)節(jié)閥，水流速度逐漸增至某一定值時，可以觀察到染色細(xì)線開始呈現(xiàn)波浪形，但仍保持較清晰的輪廓，如圖（b）所示；再繼續(xù)開大閥門，可以觀察到染色細(xì)流與水流混合，當(dāng)水流速增至某一值以后，染色液體一進(jìn)入玻璃管后即與水完全混合，如圖（c所示。2兩種流動類型（1）層流（又稱滯流）流體質(zhì)點(diǎn)沿管軸線方向作直線運(yùn)動，與周圍流體間無宏觀的混合。層流時，流體各層間依靠分子的隨機(jī)運(yùn)動傳遞動量、熱量和質(zhì)量。自然界和工程上會遇到許多層流流動的情況，如管內(nèi)的低速流動、高粘性液體的流動（如重油輸送）、毛細(xì)管和多孔介質(zhì)中的流體流動等。（2）湍流（又稱紊流

51、）在這類流動狀態(tài)下，流體內(nèi)部充滿大小不一的、在不斷運(yùn)動變化著的旋渦，流體質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）除沿軸線方向作主體流動外，還在各個方向上作劇烈的隨機(jī)運(yùn)動。在湍流條件下，既通過分子的隨機(jī)運(yùn)動，又通過流體質(zhì)點(diǎn)的隨機(jī)運(yùn)動來傳遞動量、熱量和質(zhì)量，它們的傳遞速率要比層流時高得多，所以實(shí)驗(yàn)中的染色液與水迅速混合。化工單元操作中遇到的流動大都為湍流。雷諾準(zhǔn)數(shù)當(dāng)采用不同管徑和不同種類液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，可以發(fā)現(xiàn)影響流體流動類型的因素是管內(nèi)徑d、流體的流速u、流體的密度P和流體的粘度“四個物理量，雷諾將這四個物理量組成一個數(shù)群，稱作雷諾準(zhǔn)數(shù)，簡稱雷諾數(shù)，用Re表示：一般Re2000總是層流.2000Re4000總是湍流.（二）

52、圓管內(nèi)的速度分布流體在管內(nèi)作定常流動時，管截面上各點(diǎn)的速度隨該點(diǎn)與管中心距離而變化，這種變化關(guān)系稱作速度分布。不論管內(nèi)是層流還是湍流，在靜止管壁處流體質(zhì)點(diǎn)的流速總為零，到管中心處達(dá)到最大。層流時管內(nèi)的速度分布由實(shí)驗(yàn)可以測得層流流動時的速度分布。速度分布為拋物線形狀。管中心的速度最大，越靠近管壁速度越小，管壁處速度為零。層流速度的拋物線分布規(guī)律并不是流體剛?cè)牍芸诰土⒖绦纬傻?，而是要流過一段距離后才能充分發(fā)展成拋物線的形狀。流體在流入管口之前速度分布是均勻的。在進(jìn)入管口之后，則靠近管壁的一層非常薄的流體層因附著在管壁上，其速度突然降為零。流體在繼續(xù)流動的過程中，靠近管壁的各層流體由于黏性的作用而逐

53、漸滯緩下來。又由于各截面上的流量為一定值，管中心處各點(diǎn)的速度必然增大。當(dāng)流體深入到一定距離之后，管中心的速度等于平均速度的兩倍時，層流速度分布的拋物線規(guī)律才算完全形成。尚未形成層流拋物線規(guī)律的這一段稱為層流的進(jìn)口起始段。u=u/2湍流時管內(nèi)平均的速最大度分布由于湍流流動時流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動情況要復(fù)雜得多，其速度側(cè)形一般通過實(shí)驗(yàn)測定。如圖所示，靠近管壁處速度梯度較大，管中心附近（湍流核心）速度分布較均勻，這是由于湍流主體中質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)烈碰撞、混合和分離，大大加強(qiáng)了湍流核心部分動量傳遞，于是各點(diǎn)的速度彼此拉平。管內(nèi)流體的Re值愈大，湍動程度愈高，曲線頂部愈平坦。在通常流體輸送情況下，湍流時管內(nèi)流體平均速度

54、為u平均%0-82u最大由湍流時速度分布可知，靠近管壁處的流體薄層速度很低，仍保持層流流動，這個薄層稱為層流內(nèi)層（或稱粘性內(nèi)層），其厚度隨Re值的增加而減小，從層流內(nèi)層到湍流核心間還存在一個過渡層。層流內(nèi)層的厚度對傳熱和傳質(zhì)過程都有很大的影響。（三）流動邊界層的基本概念在實(shí)際流體以定常均勻流速平行流過平板時，由于壁面的存在和流體粘性的影響，緊貼板面的流體速度為零。在層間剪應(yīng)力的影響下，產(chǎn)生了垂直于流體流動方向上的速度梯度，于是可將平板上方的流動分成兩個區(qū)域：（1）板面附近流速變化較大（存在速度梯度）的區(qū)域，稱為流動邊界層（或簡稱邊界層），流體阻力集中在此區(qū)域內(nèi)；（2）邊界層以外流速基本不變的區(qū)

55、域稱為主流區(qū)，此區(qū)內(nèi)速度梯度為零。一般以主流流速的99%處作為兩個區(qū)域的分界線。實(shí)驗(yàn)證明，從平板前緣開始的一段長度內(nèi)，邊界層內(nèi)總是處于層流狀態(tài)，稱為層流邊界層；隨與平板前緣的距離增加，層流邊界層逐漸加厚，當(dāng)距離達(dá)到某一臨界值x時，邊界層厚突然增加，壁面的阻力也突然增加，邊界層的流動由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。在湍流邊界層中，離壁較遠(yuǎn)的區(qū)域?yàn)橥牧?，但靠近板面的一薄層流體的流速仍很小并保持層流，也就是層流內(nèi)層。當(dāng)定常均勻流動的流體流過流道逐漸擴(kuò)大的壁面或流道形狀和尺寸突然改變時，原來緊貼壁面前進(jìn)（壁面處速度為零）的邊界層會離開壁面，形成一個以零速度為標(biāo)志的間斷面，間斷面的一側(cè)為主流區(qū)，另一側(cè)則會生成許多額外

56、的旋渦并引起很大的機(jī)械能損失，這種現(xiàn)象稱為邊界層分離。第四節(jié)管內(nèi)流動阻力化工管路是由直管和各種部件（管件、閥門等）組合構(gòu)成的。流體通過管內(nèi)的流動阻力包括流體流經(jīng)直管的阻力與流經(jīng)各種管件、閥門的阻力兩部分。一、化工管路的構(gòu)成（一）化工用管由于化工生產(chǎn)中的物料和所處的工藝條件各不相同，用于連接設(shè)備和輸送物料的管子除滿足強(qiáng)度和通過能力的要求外，還必須適應(yīng)耐溫（高溫或低溫）、耐壓（高壓或真空）、耐腐蝕（酸、堿等）、導(dǎo)熱等性能的要求。低壓流體輸送用焊接鋼管，俗稱水煤氣管，適用于輸送水、煤氣、壓縮空氣、油和取暖蒸氣等一般無腐蝕性的低壓流體。根據(jù)承受壓強(qiáng)大小不同，分為普通管和加厚管，其極限工作壓強(qiáng)分別為IM

57、Pa和1.6MPa（表壓），一般使用溫度為0-140隨使用溫度增高，極限工作壓強(qiáng)將隨之下降）。根據(jù)它是否鍍鋅，又分為鍍鋅管和黑管不鍍鋅管）兩種。其規(guī)格用公稱徑mm表示，它是內(nèi)徑的近似值，習(xí)慣上也用in英寸）表示。無縫鋼管：分為熱軋和冷拔管兩種，多用作較高壓強(qiáng)和較高溫度的無腐蝕性流體輸送之用，其規(guī)格用外徑X壁厚表示，單位為mm。c合金鋼管：主要用于高溫或腐蝕性強(qiáng)烈的流體。合金鋼管種類很多，以鎳鉻不銹鋼管應(yīng)用最為廣泛。不同合金鋼材對被輸送流體的耐蝕性能是不同的，應(yīng)慎重選擇。紫銅管和黃銅管：重量較輕，導(dǎo)熱性好，低溫下沖擊韌性高。宜作熱交換器用管及低溫輸送管（但不能作為氨的輸送管），適用溫度250C，

58、黃銅管可用于海水處理，紫銅管也常用于壓力傳遞（如液壓部件用管）。鉛管：性軟，易于鍛制和焊接，但機(jī)械強(qiáng)度差，不能承受管子自重，必須鋪設(shè)在支承托架上，能抗硫酸、60%的氫氟酸、濃度小于80%的醋酸等，最高使用溫度為200C，多用于硫酸工業(yè)及其它工業(yè)部門作耐酸管道，但硝酸、次氯酸鹽和高錳酸鹽類等介質(zhì)不宜使用。鋁管：能耐酸腐蝕但不耐堿及鹽水、鹽酸等含氯離子的化合物，多用于輸送濃硝酸、醋酸等，最高使用溫度為200C在受壓時應(yīng)140），也可用于深冷設(shè)備。這些有色金屬管的規(guī)格一般也用外徑和壁厚來表示。陶瓷管及玻璃管：耐腐蝕性好，但性脆，強(qiáng)度低，不耐壓。陶瓷管多用于排除腐蝕性污水，而玻璃管由于透明，有時也用于

59、某些特殊介質(zhì)的輸送。塑料管：種類很多，常用的有聚氯乙烯管、聚乙烯管、玻璃鋼管等，質(zhì)輕，抗腐蝕性好，易加工可任意彎曲和拉伸），但一般耐熱及耐寒性較差，強(qiáng)度較低，故不耐壓。一般用于常壓、常溫下酸、堿液輸送，也用于蒸餾水或去離子水輸送以避免污染。i橡膠管：能耐酸、堿，抗腐蝕性好，且有彈性，能任意彎曲，但易老化，只能用作臨時性管道。2管路的連接一般生產(chǎn)廠出廠的管子都有一定的長度，在管路的敷設(shè)中必然會涉及到管路的連接問題，常見的管路連接方法有如下幾種：（1螺紋連接一般適用于管徑50mm，工作壓強(qiáng)低于1MPa、介質(zhì)溫度100C的黑管、鍍鋅焊接鋼管或硬聚氯乙烯塑料管的管路連接。（2）焊接連接適用于有壓管道及

60、真空管道，視管徑和壁厚的不同選用電焊或氣焊。這種連接方式簡單、牢固且嚴(yán)密，多用于無縫鋼管，有色金屬管的連接；（3）承插連接適用于埋地或沿墻敷設(shè)的低壓給、排水管，如鑄鐵管、陶瓷管、石棉水泥管等，采用石棉水泥、瀝青瑪蹄脂，水泥砂漿等作為封口。（4）法蘭連接廣泛應(yīng)用于大管徑、耐溫耐壓與密封性要求高的管路連接以及管路與設(shè)備的連接。法蘭的型式和規(guī)格已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了，可根據(jù)管子的公稱口徑、公稱壓力、材料和密封要求選用。（二）常用管件管件主要用來連接管子以達(dá)到延長管路、改變流向、分支或合流等目的。1用以改變流向者有：90度彎頭、45度頭、180度回彎頭等；2用以堵截管路者有：管帽、絲堵（堵頭）、盲板等；3用以連