化工原理学习辅导.docx

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化工原理学习辅导

化工原理学习辅导

高智、武朝军、简丽、张前程、高俊

内蒙古工业大学化工学院

2006年4月

前言

《化工原理学习辅导》（简称《学习辅导》）是为学习“化工原理”课程的学生而编写的。

目的是为了帮助学生在学习各章时掌握其主要内容、计算公式及其应用。

因本科学生使用的教材选用的是化学工业出版社出版的《化工流体流动与传热》和《化工传质与分离过程》，故本《辅导材料》中使用的符号、公式、内容、图表等均与参考书保持一致，以便学生复习、自学，本《学习辅导》不再予以详细说明，学习时可查阅参考书。

“化工原理”课是一门技术基础课程，也是一门工程技术课程。

课程的重点侧重于基本原理和方法，及如何运用这些最基本的原理来解决一些工程实际问题，或为解决这些问题创造一定的条件。

基于以上考虑，对一些较深的内容，如边界层概念、因次分析法、多组分精馏、高浓度气体吸收等未予安排；对一些公式，本《学习辅导》不予推导，而是着重于公式的应用，如柏努利方程式、过滤基本方程式等。

《学习辅导》中例题部分并不是本章基本掌握内容，而是在学习完本章后为提高能力而编排的内容，且未给出具体解题过程，只是作为综合解决问题的练习。

本《学习辅导》中第一章、第二章由高智编写，第三章、第八章由高俊编写，第四章、第五章由武朝军编写，第六章、第七章由简丽编写，第九章、第十章由张前程编写。

本《辅导材料》适用于化工工艺、生物工程、制药工程、过程控制等专业的本科生使用，也可作为其它工程技术人员综合掌握《化工原理》课程的参考资料。

由于编者水平所限，时间仓促，文中难免存有错误及不妥之处，还望读者予以指正，编者深表感谢。

编者

2006年4月

第一章流体流动

1.1基本概念

化工生产中所处理的物料和产品，大多数是流体，因此，流体的流动是化工生产中十分重要的单元操作，同时也是传热与传质过程的基础。

通过本章的学习，可以确定输送流体所需要的能量，从而达到选择流体输送机械的目的；能进行简单管路的计算；进行流体流速与流量的计算。

学习要求是熟练掌握流体静力学基本方程、连续性方程、柏努利方程、阻力方程的内容、物理意义、应用范围以及如何利用这些方程来分析和解决流体输送中的有关计算。

1.流体的分类和特性

气体和液体统称流体。

流体有多种分类方法：

①按状态分为气体、液体、超临界流体等。

②按可压缩性分为不可压缩流体和可压缩流体。

③按是否可忽略分子之间作用力分为理想流体与粘性流体（或实际流体）。

④按流变特性分为牛顿型和非牛顿型流体。

流体的特性为流动性、易变形（随容器形状）、流动时产生内摩擦力，从而构成了流体力学原理研究的复杂内容之一。

2.作用在流体上的力

外界作用在流体上的力分为两种：

（1）体积力（又称质量力）：

作用在流体团整体上的力。

流体受力大小与其质量成正比，如重力和离心力。

（2）表面力（又称机械力）：

流体团与其周围环境流体（有时可能是固体壁面）在界面上产生的相互作用力。

该力与流体表面积成正比。

表面力又分为压力（垂直作用于表面上）和剪力（平行作用于表面）两类。

静止流体只受到质量力和压力的作用，而流动流体则同时受到质量力、压力和剪力的作用。

3.流体流动的考察方法

（1）流体的连续介质模型

该模型假定，流体是由连续分布的流体质点所组成，流体的物理性质及运动参数在空间上是连续分布，可用连续函数的数学工具加以描述。

（2）流体流动的描述方法

对于流体的流动，有两种描述方法：

（1）拉格朗日法：

跟踪质点，描述其运动参数（位移、速度等）随时间的变化规律。

研究流体质点的运动轨线即采用此法。

（2）欧拉法：

在固定空间位置上观察流体质点的运动状况（如空间各点的速度、压强、密度等）。

流体的流线即由此法考察而获得。

研究化工生产中某一设备内（控制体）流体的流动情况，大都采用欧拉法。

4.定态流动与非定态流动

（1）定态流动：

在流动系统中，各截面上流体的有关参数（物性、流速、压强等）仅随位置而变，不随时间而变的流动。

（2）非定态流动：

在流动系统中，各截面上流体的有关参数既随位置而变，又随时间而变的流动。

本章重点讨论不可压缩牛顿型粘性流体在管内的连续定态流动。

5.流体流动中的流型

（1）滞流（又称层流）：

（2）湍流（又称紊流）：

1.2主要公式及分析讨论

1.流体静力学基本方程式

用于描述静止流体内部压力变化规律。

静力学方程式的应用

（1）U型管压差计：

用于测量某点压力或两点压差。

（2）液位计：

用于测量容器或设备内的液位。

a.直接测量液面连通器

b.远距离测量液位

（3）液封高度的计算：

用于确定封闭气体的一段液体柱即液封的高度。

2.水平管路上两点间压强差与压差计读数间的关系

3.流体的速度、体积流量、质量流量及质量流速之间关系

流量和流速的大小反映管道内流体流动的数量和快慢程度，为操作参数。

其值随管径的增大而减小。

4.连续性方程

描述管路各截面上流速的变化规律。

对不可压缩流体：

上述规律与管路的安排及管路上是否装有管件、阀门或输送设备等无关；适用于连续介质。

5.柏努利方程

（1）柏努利方程式的讨论

①理想流体的柏努利方程式

说明1kg理想流体在各截面上所具有的总机械能相等，而每一种形式的机械能不一定相等，但各种形式的机械能可以相互转换。

②可压缩流体的柏努利方程式

对于可压缩流体，当两截面压力变化小于原来绝对压力的20％，即

时，仍可使用，但式中密度一项应采用平均密度ρm代替，即：

③静止流体的柏努利方程式

方程式即为静力学基本方程式。

可见，静止为流动的一种特例。

（2）应用柏努利方程式解题要点

①做图并标明流向及有关数据

②截面的选取应注意：

a.两截面应与流向相垂直；

b.两截面间流体应连续；

c.两截面应选在已知量多的地方；

d.两截面应包括待求解的未知量；

e.两截面应与阻力损失∑hf相一致；

f.方程式左端的机械能为起始截面处流体的机械能，右端的机械能为终止截面处流体的机械能。

③基准水平面的选取应注意：

a.两截面应选用同一基准水平面；

b.尽量使其中某一截面的位能为零。

④单位及压力的表示法要一致：

a.单位：

各物理量采用同一单位制即可；

b.压力：

表压、绝压均可，但两截面必须一致。

⑤对可压缩流动系统，要判断压力变化。

（3）柏努利方程式的应用

柏努利方程、连续性方程与能量损失方程的结合，可解决流体流动中各种有关问题，如：

①确定管道中流体的流速或流量；

②确定容器间的相对位置；

③确定输送机械的有效功或轴功率；

④确定管路中流体的压强；

⑤进行管路计算；

⑥根据流体力学原理设计各种流量计。

6.流动阻力

总阻力：

直管阻力：

局部阻力：

其中：

由上式可以看出，影响流体流动阻力的因素有：

（1）流体的物性——主要是粘度μ，密度ρ。

（2）流通的几何特性——如是圆管还是其他几何形状截面的管，是光滑管还是粗糙管，局部障碍，流动方向，流动截面改变等。

（3）流动特性——主要是流速ub的影响

7.管路计算

输送流体的管路分为简单管路和复杂管路两类。

在简单管路中有等径管路和串联管路，在复杂管路中有并联管路和分支管路。

管路计算分为两种类型，它们是：

（1）设计型计算：

即给定输送任务，设计合理的输送管路系统，关键是选定管径。

（2）操作型计算：

对给定的管路系统求流量或对规定的输送流量计算压强降或有效功。

除求压强降外，一般需试差计算。

并联管路的特点：

总管流量等于各支管流量之和；各支管中的能量损失相同。

即：

分支管路的特点：

总管流量等于各支管流量之和

；各支管终结面处的总机械能与分支点到各支管终结面处能量损失之和相等，等于分支点处总机械能。

即：

8．流量计

几种利用流体流动规律测量流速、流量的测量仪表总结如下：

名称

型式

特点

原理

测速管

动能式

常用于气体速度的测量

流体阻力小

不

能直读平均流速

不能测含有固体杂质的流体

孔板流量计

恒截面变压差式

可测气体及液体的流量

简单方便

阻力较大

利用管路或敞开水路的节流作用，孔板截面一定时流

量的大小表现为压力降的大小

文丘里流量计

恒截面变压差式

能量损失小

造价较高

不易更换

测量的流量范围小

与孔板流量计相同

转子流量计

恒压差变截面式

读数方便

能量损失小

测量范围宽

适于测量腐蚀性流体

不能承受高温和高压

通过转子的浮升来改变环形流道的截面积，转

子悬浮高度即表示流量的大小

1.3典型例题

[1-1]既然理想流体并不存在，为什么还要引进理想流体的概念?

答：

在推导柏努利方程时，我们曾假设—种完全没有粘性的流体并称之为理想流体。

这种流体在流动时没有摩擦损失，而且内摩擦力为零。

这其实是理想化的结果，实际上并不存在这样的流体。

之所以采用这种处理方法，是因为粘性的问题十分复杂，影响因素也很多，给研究实际流体的运动规律带来很大困难。

为使问题简化，常把真实流体简化为不考虑粘性因素的理想流体，找出规律后再考虑粘性的影响并加以校正，然后再扩展到实际流体。

这种校正，常常因为理论分析不能完全解决而借助于实验研究手段。

更何况在很多实际问题中，粘性并不起主要作用。

此时实际流体就可按理想流体来处理。

此外，我们还可以把真实流体的复杂流动，划分两个区域来处理。

例如把流体沿壁面的流动简化成两个区域：

主流区与边界层区。

在主流区内，dub/dy≈0，摩擦应力可以忽略不计，在这种粘性并不起主要作用的场合，流体可视为理想流体来处理。

这样就可以用理论方法集中解决边界层内的问题（例如利用牛顿粘性定律研究流体的流动阻力），便问题得到简化。

因此说，引进理想流体的概念，对研究和解决工程实际问题具有重要意义。

[1-2]用φ108mm×4mm的管线每小时输送原油20t。

原油密度为900kg／m3，粘度为70mPa·s。

已知管线总长200km，管子最大许用压强为6．0MPa（表压），试定量分析输送途中至少需要几个加压站?

解题指导：

在管路系统中，若动压头与局部阻力损失两项之相远小于直管阻力损失时，工程上称这种管路为“长管”。

此时这两项损失不做专门计算．或按直管阻力损失的5％～10％估算，或是干脆忽略不计。

本例显然是个“长管”问题，因局部阻力与管路摩擦阻力相比所占的比例很小，故忽略不计。

此例应先判定原油流动的类型，然后选用相应的公式求出管路的总压降，再由管子的最大许用压强求出每台泵所能克服的最大压降，或先求得一台泵可克服多少米管长的压降，进而求出所需加压站的个数。

[1-3]某并联输水管路由两条光滑管支路组成，管内流体均处于湍流状态。

已知总的输水量为70m3/h．求两条支管的流量。

设两条支管的内径分别为d1＝100mm，d2＝50mm，管长分别为ll＝700mm，l2＝350mm（包括管件的当量长度）。

解题指导：

解决两条支管并联的问题，大都是先从两支路流动阻力相等这一规律出发，然后确定两个支管的流量比。

多条支管并联的管路亦可仿此处理。

对于幂指数比较复杂公式的计算，建议先不要代入数据，待推出最终结果后再代入数据，这样可避免一些繁琐的计算。

[1-4]某流体在圆形光滑直管内作湍流流动。

若管长和管径不变，仅将流速增至原来的2倍，试计算因摩擦阻力而产生的压降为原来的多少倍?

设两种情况下，雷诺数Re均在3×103～1×105范围内。

解题指导：

改变操作条件求其新条件下某些参数的变化情况这类问题很常见，一般采用对比的方法求解。

此时需注意：

一定要找出最简式，才能准确把握各参数之间的数量关系。

例如本例中如果忽略了λ与ub之间的函数关系，简单得出Δp∝ub2的结论，则计算结果就会出现错误。

第二章流体输送机械

2.1基本概念

1.流体输送机械在化工生产中的应用

流体输送机械是向流体补充机械能的机械。

应用于：

（1）补充能量：

以克服流体在流动过程中的能量损失，将流体从低机械能处输送到高机械能处；

（2）提高压强：

给流体加压；

（3）造成设备真空：

给流体减压；

2.流体输送机械的分类

流体输送机械接工作原理分类：

（1）离心式（叶轮式）；

（2）往复式；

（3）旋转式；

（4）流体动力作用式。

液体输送机械称为泵，气体输送机械称为风机、压缩机等。

注意：

流体输送机械提供的能量是以单位重量的流体计。

3．管路系统对输送机械有何要求?

答：

生产中流体是多种多样的，如水、油、腐蚀性流体，操作条件是千差万别的，如输送量、效率、轴功率的不同等，因此针对不同的要求采用不同的输送机械。

概括来说，生产中管路系统（体现为管路特性）对输送机械的要求有：

（1）应满足工艺上流量及能量（如压头、风压或压缩比）的要求；

（2）可适应物料的各种特性（如粘性、腐蚀性、含固体物体）的要求；

（3）操作高效；

（4）结构简单，操作方便。

4.注意问题

（1）流体输送机械可提供能量的高低决定于输送机械本身的类型、结构和操作条件，流体输送系统（管路）所需要的与输送机械可提供的能量，两者必须统一。

（2）流体输送机械种类繁多，学习过程中注意它们的共性和个性及适用的场合。

根据生产中被输送流体的种类（如气体或液体）、流体的性质、输送条件（如温度和压强）、输送流量及所需的能量等要求，来选择适宜的输送机械类型及型号。

5.离心泵的结构及工作原理

（略，参见教材P139）。

6.其它泵的结构及工作原理

（略，参见教材P173～180）

7.气缚现象

离心泵启动时，由于吸入管或泵内存有空气，产生的离心力很小，使叶轮中心处的低压不足以将液体吸入泵内的现象。

8.气蚀现象

离心泵工作时，叶片入口处压强最低，当压强等于或小于输送温度下液体的饱和蒸汽压时，液体在此处气化并产生气泡，当液体进入高压区，气泡迅速凝结或破裂，产生高频和高压而损坏叶片的现象。

9.离心泵的主要性能参数

（1）流量Q

泵的流量又称送液能力，是指泵能输送的液体量。

常以单位时间内泵能输送多少体积的液体来表示，单位为m3/s。

离心泵的流量与其结构、尺寸（叶轮直径和宽度）、转速、管路情况有关。

（2）压头H

又称为扬程，指离心泵对单位重量的液体所提供的有效能量，单位为m。

泵的压头与泵的结构尺寸、转速、流量等有关。

对于一定的泵和转速，压头与流量间有一定的关系。

压头的值由实验测定。

（3）效率η

指泵轴对液体提供的有效功率与泵轴转动时所需功率之比，无因次。

它的大小反映泵在工作时能量损失的大小，泵的效率与泵的大小、类型、制造精密程度、工作条件等有关，由实验测定。

离心泵的能量损失主要包括水力损失、机械损失、容积损失。

（4）功率

功率分轴功率N（原动机直接传给泵的功率）和有效功率Ne（液体实际得到的功率）两种。

由于能量损失，轴功率必大于有效功率。

泵的轴功率与泵的结构、尺寸、流量、压头、转速等有关。

参数的影响因素：

（1）密度：

被输送液体密度ρ↑，对H、Q、η无影响，N↑；

（2）粘度μ：

被输送液体粘度μ↑，则H↓、Q↓、N↑、η↓；

（3）泵转速n：

泵转速n↑，则H↑、Q↑、N↑；

（4）叶轮直径D：

泵叶轮直径D↑，则H↑、Q↑、N↑。

10.泵的流量调节

离心泵

往复泵

流量调节

调节出口阀

改变泵的转速

更换泵的叶轮

泵的并串联

用旁路阀调节

改变转速

改变冲程

启动

关出口阀

启动前，泵内应充满液体

打开旁路阀

可不充液体，有干吸作用

维修

较方便

较困难

11.离心泵组合方式的选择

生产中如何选择组合方式，除与泵特性有关外，还与管路特性有关，一般原则是：

（1）当单泵压头远达不到要求时，必须采用串联；

（2）在某些情况下，并串联都可提高流量和压头，这时与管路特性有关。

①对低阻型输送管路，并联组合优于串联组合，即并联可获得更高的流量和压头，选并联；②对高阻型输送管路，串联组合优于并联组合，即串联可获得更高的流量和压头，选串联。

12.离心泵的选择

（1）根据输送液体性质以及操作条件来选定泵类型。

液体性质包括密度、粘度、腐蚀性等；操作条件主要指压强、温度。

（2）计算管路系统所需He、Qe（根据管路条件，利用柏努利方程求He）

（3）根据He、Qe查泵样本表或产品目录中性能曲线或性能表，确定规格。

注意①应使流量和压头比实际需要多10～15％余裕量；②考虑到生产的变动，按最大量选取；③应使泵在高效区内工作，选好后列出该泵的性能参数H、Q、N、η、n、Hs等。

（4）校核轴功率。

当输送液体的密度大于水的密度时重新计算轴功率

13.离心泵的安装、使用和维护

（1）泵的实际安装高度应小于计算安装高度，以免出现气蚀现象和吸不上液体，并按要求固定在基座上；

（2）启动前须向泵内灌满被输送液体，以防止气缚现象的发生，并检查泵轴转动是否灵活；

（3）启动时应关闭出口阀门，启动后先打开进口阀，待运行平稳后，缓缓开启出口阀。

防止轴功率突然增大，损坏电机；

（4）停泵时先关闭出口阀，再关闭进口阀，然后停车；

（5）运转过程定时检查密封泄漏，电机发热，润滑注油等问题。

14.离心通风机的选择

（1）根据被输送气体的性质与风压的范围确定风机的类型；

（2）计算输送系统所需风量Q和风压HT风量根据生产任务规定值换算为进口状态计的气体流量。

所需实际风压HT′按柏努利方程进行计算，然后换为实验条件下的HT；

（3）根据Q和HT从风机样本中选择合适的型号，所选风机应留有一定余量；

（4）核算风机的轴功率，特别当气体密度与实验条件下密度相差大时。

15.气体输送机械的流量调节

离心通风机

往复压缩机

流量调节

调节出口阀

采用并串联

蒸汽压缩机常采用改变转速来调节

用旁路阀调节

启动

关出口阀

开启放空阀或旁路阀

维修

较方便

较困难

2.2主要公式及分析讨论

2.2.1液体输送机械

1.测量离心泵扬程H的公式

在离心泵的进口的真空表和出口压力表间以单位重量流体为基准列柏努利方程，可得：

2.离心泵扬程H的计算公式

对包含泵的管路系统列列柏努利方程，可得：

3.用离心泵Δpf总的计算公式：

可见，用离心泵输送输送液体时所产生的总压强降包括液体升扬时所产生的压强降

，流体在两截面的静压强差

，流体在流动过程中产生的压强降

，流体在流动过程中克服直管、局部阻力产生的压强降

。

4.离心泵的功率的计算公式

5.粘性对离心泵性能的影响的计算公式

式中：

cQ、cH、cη－分别为离心泵的流量、压头和效率的校正系数，其值从教材P152~153图2-13、2-14查得。

6.比例定律

当液体粘度不大且假设泵的效率不变，泵的转速变化小于20%时，泵的流量、压头、轴功率与转速的近似关系可按比例定律进行计算：

7.切割定律

当转速不变而减小叶轮直径且叶轮直径变化＜20%时，泵的流量、压头、轴功率与叶轮直径的关系可按切割定律进行计算：

8.离心泵允许吸上真空度Hs的计算公式

为防止气蚀现象的发生，在离心泵入口处压力应不低于允许的最低压力，或不高于允许的最高真空度。

将此真空度以输送液体的液柱高度（常为水柱）来计量，称之为允许吸上真空度，用Hs’表示。

即：

HS′与泵的类型、结构、输送操作条件有关，通过实验测定，由制造厂提供，标示在泵样本或说明书中。

实验条件为大气压10mH2O，温度20℃，以清水为介质。

当操作条件和输送液体与实验条件不符时，须按下式换算：

9.离心泵允许气蚀余量NSPH的计算公式

为防止气蚀发生，要求离心泵入口处静压头与动压头之和必须大于液体在输送温度下的饱和蒸汽压头的最小允许值，即：

10.离心泵安装高度Hg的计算公式

离心泵的安装高度又称允许吸上高度，是指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可达到的最大垂直距离。

（1）用允许吸上真空度表示：

（2）用允许气蚀余量表示：

11.离心泵管路特性曲线的计算公式

对管路系统列柏努利方程：

12.往复泵的理论流量和实际流量的计算公式：

（1）流量流量：

（2）实际流量：

2.2.2气体输送机械

1.离心通风机风压的计算公式

风机性能表上所列风压，一般是在20℃，101.3kPa的实验条件下用空气测得的，在选用通风机时，若输送介质的条件与上述条件不同时，应将实际风压HT′换算为实验条件下风压HＴ：

2.离心通风机轴功率的计算公式

2.3典型例题

[2-1]一台离心泵启动后吸不上液体，你看是什么原因?

怎样才能使泵正常工作?

[2-2]一台离心泵在转速为1450r/min时，送掖能力为18m3/h，扬程为20mH2O。

现换一转速为1200r/min的电机带动，问此时流量与压头各为若干?

[2-3]用泵从江中取水送入一贮水池中。

池中水面比江面高30m，管路长度（包括局部阻力的当长度）为94m，要求输水量为20～40m3/h，若水温为20℃，e/d＝0.001。

（1）选择—适当管径；

（2）现有一离心泵，其铭牌上标出流量为45m3/h，扬程为42m，效率为60%，电机功率为7kw，问是否合用?

第三章非均相物系的分离

3.1基本概念

非均相物系的分离是应用流体力学原理，采用使分散相和连续相发生相对运动的方法，来实现非均相物系的分离的化工单元操作。

非均相物系的分离根据两相运动方式的不同，又分为沉降和过滤。

沉降是颗粒相对于流体而运动的操作过程，过滤是流体相对于固体颗粒而运动的操作过程。

3.2主要内容和计算公式

3.2.1重力沉降

1、沉降沉降是指在某种力的作用下，颗粒相对于流体产生定向运动的过程，其依据是两相间密度的差异，受到外力作用时运动速度不同从而发生相对运动。

进行沉降操作的作用力可以是重力，称为重力沉降；也可以是离心力，称为离心沉降。

衡量沉降进行的快慢程度通常用沉降速度来表示。

2、重力沉降速度通常定义沉降过程达到等速阶段时颗粒相对于流体而运动的相对运动速度为重力沉降速度，即：

其中阻力系数

，

—颗粒的形状系数；

，颗粒与流体相对运动的雷诺数。

对于球形颗粒，当相对运动处于层流区时，0.0001＜Ret＜1，

，可用Stokes公式计算：

当相对运动处于过渡区时，1＜Ret＜1000，

，可用Allen公式计算：

当相对运动处于湍流区时，1000＜Ret＜200000，

=0.44，可用Newton公式计算：

这些沉降速度计算式可用于颗粒在静止流体中的沉降，也可用于颗粒在运动流体（同向、逆向）中的沉降。

3、重力沉降速度的计算

（1）试差法：

计算ut时需要已知Ret，其方法是先假设一个沉降区域，选择相应的方程式计算出ut；然后根据计算出的ut检验Ret是否在所假设的区域，若与原假设一致则计算结果有效。

否则重新进行假设直至相符为止。

（2）无因次数群判别法：

令

，为与颗粒、流体物性有关的无因次数群。

层流时，

=

＜1，因而Ar＜18

湍流时，

=

＞1000，因而Ar＞330000

所以，重力沉降速度的计算为：

当Ar＜18时，可直接用Stokes公式计算；当18＜Ar＜330000时，可直接用Allen公式计算；当Ar＞330000时，可直接用Ne