化工原理大纲

2011年四川大学考研化学工程学院《化工原理》复习指引之各章考点

四川大学化工原理考研教材为科学出版社出版的，由朱家骅、叶世超、夏素兰等编写的《化工原理》上下册，本书共分14章，重点考查章节为：第1章、第3章、第4章、第5章、第7章、第9章、第10章、第12章、第13章。考试题型以计算题为主，伴有少量的填空和选择题，其中计算题通常所在章节为：第3章、第7章、第9章、第10章、第12章，有时也可能出现在13章中。

第1章流体流动的基本概念与流体中的传递现象：考试所涉及的内容较少，主要掌握压强的计算以及动量、热量、质量传递三大定律。

第3章流体输送与流体输送机械：主要考查连续性方程和伯努利方程，流体输送管道阻力计算（重点掌握直管阻力损失的计算），并联及分支管路的特点，管路特性曲线，各测速仪器的特点，离心泵特性曲线及各因素对曲线的影响，离心泵的串并联及最大安装高度等。

第4章颗粒-流体两相流动：本章考查的内容较少，主要有颗粒的自由沉降速度的计算（常用斯托克斯公式），流体通过固定床的压降（欧根方程），了解固体颗粒流态化以及水平及垂直气力输送。

第5章颗粒-流体非均相物系的分离：掌握过滤速率，过滤常数，恒压过滤及恒速过滤方程，过滤机的生产能力，重点掌握板框过滤机及转筒过滤机的计算，了解沉降室、旋风分离器的特点及原理。

第7章传热：本章为重中之重，每年必有一道计算题，也会出现选择与填空题，因此更应好好掌握本章内容。本章所考查的内容有：固体中的热传导计算（包括平壁热传导及圆筒热传导）；对流给热系数主要掌握无相变的管内强制对流给热系数的计算，了解冷凝传热及沸腾传热；对于辐射传热主要掌握

黑体辐射能力，克希霍夫定律，两物体通过辐射传递的热量计算公式，高温设备联合给热系数关系式；对于传热过程的计算主要掌握热量衡算式，总传热系数，平均温差计算式，传热总方程式，传热负荷方程式；同时要掌握间歇传热过程计算，壁温估算以及传热强化方法。

第9章气体吸收：本章也为重点考查章节，一般为一道计算题，也有可能有选择或填空题。主要考查内容为：亨利定律及其各种表示方法；气相及液相传质速率方程、总传质速率方程（包括以气相为基准及以液相为基准的总传质速率方程式）及总传质阻力计算式；对于吸收塔计算主要掌握并流及逆流的吸收操作线方程，最小液气比；填料层高度的计算主要掌握总传质单元数（平均推动力法及吸收因子法）及总传质单元高度的计算；解析塔主要掌握最小气液比和填料层高度的计算。

第10章蒸馏：本章也为重点考查章节，一般为一道计算题，也有可能有选择填空题。主要考查的内容有：拉乌尔定律，泡点方程，露点方程，气液相平衡图，相平衡方程；平衡蒸馏中的气化率与气液组成的关系式；简单蒸馏中釜液量与组成的关系式；精馏塔的精馏原理，板效率，恒摩尔流假定，全塔物料恒算方程，操作线方程（包括精馏段和提馏段操作线方程），加料热状态参数及对提馏段操作线方程的影响，q线方程的计算式，理论塔板数求法（包括逐板计算法和图解法），最小回流比，了解其它类型的精馏塔及其它类型的精馏方式。

第12章干燥：本章也为考查重点，考查内容为：绝对湿度、相对湿度、饱和蒸汽压、湿比热容、湿焓、湿比体积、湿球温度、露点温度、绝热饱和温度的计算式；掌握气体湿度图；干燥过程的物料衡算式、热量衡算式及干燥效

率；恒速干燥段及降速干燥段的特点，临界湿含量与最大吸湿湿含量的区别；恒速干燥段的干燥时间及干燥速率的计算方法，降速干燥段的干燥时间的计算方法（解析法）；了解各种干燥器。

第13章萃取：本章并非必考章节，但近十年的考题中出现过计算题，因此也应给予重视。本章考查重点为三角形坐标图，包括物料横算、杠杆规则、液液平衡关系、辅助线等，单级萃取和多级萃取以及理论级数的计算题也为本章重点。

上述没有提到的章节并不意味着不考，只是分值相对较少，考生们应当根据自己的情况做出适当的安排。

《化工原理》一、二章重点及历年考题

流体的压强

常用压强单位之间的换算关系如下：

1 atm=101300 N/m2=1.033 kgf/cm2=10.33 mH2O=760 mmHg

1 at=98070 N/m2=1 kgf/cm2=10 mH2O=735.6 mmHg

当被测流体的绝对压强大于外界大气压时，压力计所测得压强称为表压即：

绝对压强=大气压强+表压

当被测流体的绝对压强小于外界大气压时，压力计所测得压强称为真空度即：

绝对压强=大气压强?真空度

压强的测量方法有：U形管压差计p1?p2=R(ρ0?ρ)g，倒置U形管压差计p1?p2=R(ρ?ρ0)g，倾斜U形管压差计p1?p2=R sinα(ρ0?ρ)g，双液体U形管压差计p1?p2=R(ρ01?ρ02)g。

流量与流速

质量流量q m与体积流量q v、平均流速及质量通量w的关系为：q m=q vρ=ūAρ=wA

管内层流流速分布表达式：或是

剪应力：其中为流体在等径直管中流动时径单位管长的推动力或是阻力。

雷诺数

数学表达式：

Re<2000时，流型为层流；20004000时，流型为湍流。

三大定律

传递共性定律：传递速率=传递推动力/传递阻力

唯象方程：扩撒通量=?扩散系数?扩散推动力

牛顿黏性定律表达式：

气体黏度随温度升高而增加，液体黏度随温度升高而降低，理想气体黏度与压强无关，实际气体和液体的黏度一般是随压强升高而增加，但在4.0MPa一下液体黏度随压力变化不大。

傅里叶热传导定律表达式：

费克扩散定律表达式：

伯努利方程：

伯努利方程：=常数，稳定流动下常用方程为：

历年考题：

1999年：

一填空

1. 化工过程的传递速率与过程的____呈正比，与____呈反比。（1分）

2. 制定管中流体流动的型态用____准数，其数学式为____。（1分）

2000年：

一填空

1．不可压缩流体在管径为D0的水平管中作稳定流动，平均流速为u0，现流量不变，而管径为D0/2，则通过管内的平均流速为原来的____倍；（1分）

2003年：

二

温度为20oC的水，以2 kg/h的质量流率流过内径为10 mm的水平圆管，试求当流动充分发展后：（1）流体在管截面中心处的流速和剪应力：（3）壁面处的剪应力。（已知水在20oC下，ρ=998.2 kg/m3,μ=0.0011 Pa?s）（15分）

2004年

一填空

6. 某一黏度μ为0.1 N?S/m2的液体在一内径为100 mm的水平圆管内稳定流动，已知流动为层流，且单位管长的压力降为320 N/m2，求在径向距管壁20 mm处某一点的流动速度为____。

二（30分）水以60 m3/h的流量在一段变径管中流动（如图

所示），已知d1=100 mm，d2=200 mm。1-1截面到2-2截面的

垂直距离为2 m，在此两截面间有一U形压差计，指示液

位汞，其密度为13600 kg/m3.，1-1截面到2-2截面的阻力可

忽略不计。

试求：1、若将上述管子水平放置，U形管两侧的指示液液

面哪侧高，其读数R为多少？

2、如右图倾斜放置时，其读数R又为多少？试推导。

2005年：

一填空

10．当时，流体为____流体。

2006年：

一填空

1．水灾内径一定的圆管中稳定流动，若水的质量流量保持恒定，当水温度下降时，Re值将____。

A 变大；

B 变小；

C 不变；

D 不确定

2007年：

一填空

1．牛顿黏性定律的表达式为____，该式应用的条件为____流体做____流动。

2．当不可压缩理想流体在水平放置的变径管路中作稳定的连续流动时，在管子直径缩小的地方，其静压力____。

A 不变；

B 增大；

C 减小；

D 不确定

2008年：

一填空

1．某液体在内径为d的水平管路中稳定层流流动，其平均流速为u，当它以相同的体积流量通过等长的内径为d′(d′=d/2)的管子时，则其流速为原来的____倍，压降ΔP是原来的____倍。（2分）

3．图示为一异径管段，从A段流向B段，测得U形压差计的读数为R=R1，从B段流向A 段测得U形压差计的读数为R=R2，若两种情况下的水流量相同，则____。

A ，R1>R2；B，R1=R2；C，R1

第3章流体输送

直管阻力损失：h f=λ

层流时摩擦系数：，湍流时

定义：绝对粗糙度ε，相对粗糙度

粗糙度对流动阻力的影响：

层流时，粗糙度对阻力无影响，刺峰埋在缓慢流动的滞流层内，

湍流时，粗糙度对流动阻力有重要影响，湍流微团与刺峰发生碰撞而消耗能量，，

局部阻力计算：

阻力系数法：，当量长度法：若流体流过某局部的阻力在数值上等于长度为l e的同径直管的阻力，则称

l e为当量长度，局部阻力用长为l e的直管阻力表示即：

柏努利方程的形式

解题步骤：

1.画出系统流程图；

2.选定基准水平面；

3.选定截面；

4.列柏氏方程并简化求解；

注意：

1.截面与流动方向垂直；

2.截面上的能量取平均值；

3.压力一律化为N/m2

输送流体所需的有效功：，流体输送机械的轴功：

管路计算：

1．简单管路计算：

简单管路无分支管路，由不同管径的管道串联组成。简单管路的基本特点是：

(1) 通过各段管路的质量流量不变，服从连续性方程：w=V1ρ1=V2ρ2=.....=常数

(2) 管路流动阻力为各段直管阻力及所有局部阻力之和

2．并联管路计算：

由主管分流而后又汇合于主管的并联管路, 其特点：

(1) 主管中的质量流量等于并联各支管内质量流量

之和w=w1+w2+w3

(2) 任一并联处流体的势能(位能与静压能之和)唯一，从

分流点A至合流点B，单位质量的流体无论通过哪一根支管，

阻力损失都相等，即

(3) 并联各支管流量分配具有自协调性。任意两支管i、j的流量分配比为

3．分支管路计算：

主管分支、支管再分支。分支点既可以是分流点，也可以是交汇点，取决于支管流体流向。了解。

管路特性曲线

以单位重量流体为计算基准的柏努利方程，式中各项单位为m 流体柱

输送机械向单位重量流体提供的机械能： 其中

H L 称为管路的扬程或压头, 其物理意义等价于将该流体提升 H L 的高度而具有的位能, 扬程H L 与升扬高度（z 2-z 1）不同。

又根据管路中的流速u 与体积流量V 的关系

+

阻力平方区l 与流量无关，令 从而得到管路特性方程+

管路特性曲线，表述了一定管路系统所需提供的机械能与流量的关系。+固定不变，K 值代表管路系统的阻力特性,高阻管路K 值大，曲线更陡峭，表明完成同样的流体输送任务需要提供更大的扬程。

流体输送机械

主要为离心泵

离心泵结构：高速旋转的叶轮和固定的泵壳，叶轮上装有若干叶片，叶轮将输入的轴功提供给液体。

离心泵工作原理：液体随叶轮旋转在离心力作用下沿叶片间通道向外缘运动，速度增加、机械能提高。液体离开叶轮进入蜗壳，蜗壳流道逐渐扩大、 流体速度减慢，液体动能转换为静压能，压强不断升高，最后沿切向流出蜗壳通过排出导管输入管路系统。

离心泵特性曲线：

性能参数：流量V [m 3

/s]；压头H [mH 2o]；轴功率N [kW]；效率η [%] 特性曲线：

H —q V 曲线：离心泵的压头H 又称扬程，是指泵对单位重量的流体所能提供的机械能[J/N]，单位为m 。因此H —q V 曲线代表离心泵所提供的能量与流量的关系，离心泵压头H 随流量q V 增加而下降；

N —q V 曲线与η—q V 曲线：离心泵的轴功率N 是指电机输入到泵轴的功率，流量最小时轴功率最小，因此启动泵时应关闭出口阀，使启动电机电流最小，保护电机。流体从泵获得的实际功率为泵的有效功率N e ，由泵的流量和扬程求得，其中，由图可知Q 在80~100间离心泵的效率最高，即高效区，工作时尽量在此区内。

特性曲线的变换：

特性曲线是制造厂用20℃清水在一定转速下实验测定的。若输送液体性质与此相差较大，泵特性曲线将发生变化，应加以修正，使之变换为符合输送液体性质的新特性曲线。

液体密度的影响：离心泵的理论流量和理论压头与液体密度无关，H—q V曲线不随液体密度而变，η—q V 曲线也不随液体密度而变。轴功率则随液体密度的增加而增加。离心泵启动时一定应在泵体和吸入管路内充满液体，否则将发生“气缚” 现象。

液体粘度的影响：液体粘度改变，H—V、N—V、 —V曲线都将随之而变。

叶轮转速的影响—比例定律：转速变化特性曲线变化，在转速变化不大于±20%范围内

，，

叶轮直径的影响—切割定律：减小叶轮直径特性参数随之而变，对叶轮圆周进行少量车削

，，

汽蚀现象：叶轮内缘处的压强低至液体的饱和蒸汽压时部分液体将汽化，产生的汽泡随即被液流带入叶轮内压力较高处因受压缩而凝聚。凝聚点处产生瞬间真空，造成周围液体高速冲击该点，产生剧烈的水击，称为汽蚀。因此汽蚀状态下工作的离心泵噪声大、泵体振动，流量、压头、效率都明显下降。高频冲击加之高温腐蚀作用使叶片表面成海绵状而迅速破坏。

防止汽蚀措施：把离心泵安装在恰当的高度位置上，确保泵内压强最低点静压高于输送温度下液体饱和蒸汽压p v。由于该点处的真实压强难于测量，工程上以泵入口处压强p1来表征。对1-1和K-K截面列柏努方程，在一定流量下，当p k = p v时，汽蚀发生，令此时的p1为p1,min，且定义

Δh min为离心泵的最小汽蚀余量泵样本中允许汽蚀余量Δh：在Δh min基础上按标准规定加上一定裕量后的值。为避免发生汽蚀，离心泵的允许安装高度

从样本中查得允许汽蚀余量Δh，计算出允许安装高度H g，允，实际安装高度H g应小于H g，允。减少吸入管路的阻力，可以防止汽蚀发生。液温越高，饱和蒸汽压越高，允许的安装高度越低，输送高温液体，要注意安装高度。

离心泵的工作点：当泵安装在一定管路系统中的离心泵工作时，泵输出的流量即为管路流量、泵提供的压头即为管路所要求的压头。泵的特性曲线与管路特性曲线有一交点a点，该交点称为离心泵的工作点。

离心泵的调节：离心泵流量的调节就是改变泵的工作点。方法有二：调节阀门开度改变管路特性曲线，灵活方便，耗能大；调节泵转速改变泵特性曲线，节能，投资大。

离心泵的并联和串联：

离心泵并联和串联，将组合安装的离心泵视为一个泵组，泵组的特性曲线或称合成特性曲线，据此确定泵组工作点。

离心泵并联操作时，泵在同

一压头下工作，泵组的流量为该

压头下各泵对应的流量之和。据

此，并联离心泵组的H-V 特性曲

线。

同一压头下，并联泵的流量

为单泵流量的两倍，据此作出合

成特性曲线V单

并串联的选择：

高阻管路：串联泵；低阻管路：并联泵

其它类型泵仅作了解。

流速、流量测定

测速管：

原理：冲压与静压之差测流速

测速管的测量应注意：

（1）测点上、下游应有50倍管径的直管长度

（2）测速管直径应小于管径的1/50

（3）测速管用于大管道气体流速的测量

（4）压差较小需放大后才能较精确地显示其读数

（5）测速管测得的是点速度，若测平均流量, 需进行推算孔板流量计：

结构与原理：

离心泵串联操作时，泵送流量相同，

泵组的扬程为该流量下各泵的扬程之和。

离心泵串连工作时的合成特性曲线。

同一流量下，串联泵的压头为单泵压

头的两倍，据此作出串联泵合成特性曲线V

单

文丘里流量计：孔板流量计的改进。

转子流量计为变流量恒压差，孔板流量计和文丘里流量计为恒流量变压差。

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化工原理4、5章复习指引

颗粒流体两相流动

流体与颗粒相对运动

球形颗粒的特性：体积；表面积；比表面积。

非球形颗粒的特性：1.球形度(颗粒形状系数)φA:表征颗粒形状与球形的差异。φA定义为与该颗粒体积相等的球体的表面积除以颗粒的表面积。

注意式中:A P——球形颗粒的表面积,m2；A ——非球形颗粒的表面积,m2；a P——球形颗粒的比表面积,m2/m3；a——非球形颗粒的比表面积,m2/m3

颗粒当量直径：

(1)等体积当量直径；(2)等表面积当量直径；(3)等比表面积当量直径；非球形颗粒4个几何参数之间的关系

颗粒雷诺数颗粒表面的总曳力

注意：u为颗粒与流体的相对运动速度，d p颗粒直径，ρ、μ为流体的密度黏度，A p颗粒在流体流动方向上的投影面积。

(1)Re p<2，层流区（斯托克斯定律区）

(2)2

(3)500

(4)Re p>2×105，湍流边界层区：边界层内的流动也转变为湍流，流体动能增大使边界层分离点向后移动，尾流收缩、形体曳力骤然下降，实验结果显示此时曳力系数下降且呈现不规则的现象，C D ≈ 0.1。

颗粒终端沉降速率：

（1）Re p<2，层流区（斯托克斯公式）

（2）2

（3）500

颗粒的沉降速度u t 是颗粒在流体中受到的曳力、浮力与重力平衡时颗粒与流体间的相对速度，取决于流固二相的性质，与流体的流动与否无关。但颗粒在流体中的绝对速度u p 则与流体的流动状态直接相关。

床层空隙率；床层自由截面：颗粒床层横截面上可供流体流通的空隙面积；床层比表面：单位体积床层具有的颗粒的表面积=(1-)a

床层虚拟管道的当量直径为或即：

床层雷诺数

单位床层高度上的压降，欧根（Ergun）方程

当Re b < 2.8（Re p 约小于10）时，欧根方程右侧第二项与第一项相比较小可以忽略。即流体通过床层空隙的流动为层流时，压降与流速和粘度的一次方均成正比。

当Re b > 280（Re p 约大于1000）时，欧根方程右侧第一项与第二项相比较小可以忽略，即流体在床层空隙中的流动为湍流时，压降与流速的平方成正比而与粘度无关。

固体颗粒流态化

固定床阶段：当流体以较低的流速流过颗粒床层时产生的曳力不足以改变颗粒静止状态，床层呈现固定床性质，压降随流速增加的规律服从欧根方程。

临界流态化：流速增加，流体对颗粒的曳力使颗粒在原位发生轻微位移，但颗粒仍保持接触，高度无明显改变。流速继续增加，压降稍有增加后回落，高度稍为膨胀到L mf，颗粒获得足够曳力可悬浮在流体中自由运动。这个临界状态称为初始流态化，对应的表观流速称为临界流化速度u mf，相应的床层空隙率称为临界空隙率εmf。

流化床阶段：继续增加表观流速u，床层膨胀，

空隙率增大，称为流化床。流化床阶段压降基本不变，

等于单位截面床层重量。当减小流速，由流化床变为

固定床，但压降并不循原来的曲线CBA返回，因为颗

粒重新静止的堆积状态比原始堆集状态有利于流体

通过，表现出压降更低，静床高略有增加。

进一步增加床层的表观流速使u≥u t，颗粒将随流

体上升并被带出，床层的上界面消失而称为输送床。

颗粒带出、床层重量下降，Δp随u增加而下降。此

流速u t称为带出速度。

流化床的操作范围：介于临界流化速度u mf与颗粒的带出速度u t之间。

临界流化速度的计算公式：

当颗粒直径d ev较小Re p<10，

当颗粒直径较大,Re p＞1000，

计算u mf时，需用颗粒的几何性质及床层的临界空隙率，在没有数据的情况下，可以使用以下经验式估算，

颗粒的带出速率即为颗粒的终端沉降速率。

流态化特点：

流化床内不正常的流化现象：

腾涌：发生在高径比大的床层中；沟流：发生在大直径床层中。

气力输送

颗粒-流体非均相物系分离

饼层过滤与深床过滤：

滤饼过滤，开始，部分小粒可穿过小孔，以后颗粒架桥截留形成滤饼。起过滤作用的是滤饼本身，因此称作饼层过滤。饼层过滤用于含固量较大（>1%）的场合。

深层过滤，用沙层作为过滤介质，颗粒小于介质孔隙进入到介质内部，在长而曲折的孔道中被截留并附着于介质之上。深床过滤用于净化含固量很少（<0.1%）流体，如水净化等。

过滤速率与过滤方程：

若过滤面积A，设在微分过滤时间dt内获得的的滤液量为dV，则过滤速度过滤视作通过固定床的层流流动，由欧根方程得过滤速度为。式中：Δp1通过滤饼的压降；μ滤液粘度；L为滤饼的厚度；d ev、f A、e是颗粒及饼层特征参数

设：则有

r称为滤饼的比阻，即单位厚度滤饼的阻力，反映滤饼的性质对过滤阻力的影响，R称为滤饼阻力。过滤速度正比于滤饼两侧压差，反比于滤饼阻力和滤液粘度。

对过滤介质层：设过滤介质的厚度是L m，过滤介质的比阻为r m，Δp2是过滤介质的压降，则过滤速度R m称为过滤介质的阻力。

滤液串联穿过滤饼和过滤介质，故过滤速度有

过滤介质的阻力可表达为厚度为L e滤饼的过滤阻力，L e称为当量滤饼厚度，故

设υ为获得单位体积滤液而形成的滤饼体积，滤饼厚度与滤液体积关系而表达为Vυ=LA移相得：。写为过滤速率的形式

可压缩滤饼在压差作用下变形，空隙率减小，比阻上升，可表示为，r0为单位压差比阻，s为压缩指数，不可压缩滤饼s=0。代入过滤速率计算式得

其中

恒压过滤：

恒压过滤方程式为：（滤液体积表示）

（单位面积的滤液体积表示）

其中

恒速过滤：

恒速过滤方程式：（滤液体积表示）

（单位面积的滤液体积表示）

过滤机的生产能力：以单位时间得到的滤液量Q表示。

间歇式过滤机

每一个操作循环包括过滤、洗涤和卸料清洗等辅助操作三个阶段。如各阶段所费的时间分别为t, t w和t D，且在一个操作循环中的过滤时间t内累积滤液量为V，间歇式过滤机的生产能力应为累积滤液量与一个

操作循环所需的总的时间之比即

连续式过滤机：连续式过滤机生产能力定义与间歇式过滤机相

同。所不同是，在生产周期的任一时刻，过滤机不同部位同时进行

着过滤、洗涤、卸饼和清洗整备的操作。可将这种分区的概念等价

转换为分时。无论是旋转或水平回转的过滤机，在360°的范围内，

起过滤作用的表面所占的比例是一定的，如对转筒真空过滤机，即

为其浸没于料浆之中的部分占整个转筒表面的分率。将浸没部分所

对应的圆心角b与2 之比称为浸没度

若介质阻力可忽略不计，则

板框过滤机：

板框压滤机组装示意图

1－固定头；2－滤板；3－滤框；4－滤布；5－压紧装置

工作原理：

板框压滤机由交替排列的滤板、滤框与夹于板框之间的滤布叠合组装压紧而成。组装好后，在板框的四角位置形成如图所示的连通的流道，由机头上的接管阀门控制悬浮液、滤液及洗液的进出。

过滤阶段：悬浮液从通道1进入滤框，滤液穿过滤框两边的滤布，沿滤布与滤板凹凸表面之间形成的沟道流下，既可单独由每块滤板上设置的出液旋塞排出，称为明流式；也可汇总后排出，称为暗流式。

洗涤阶段：滤板分为洗涤板与非洗涤板，两者间隔排列。洗液由洗涤板上的通道进入凹凸空间，穿过滤布、滤饼和另一侧的滤布后排出。洗涤液的行程为过滤终了时滤液行程2倍，而流通面积仅为1/2，因此洗涤速率为过滤终了时速率的1/4倍。

其它过滤设备仅作了解

降尘室：

降尘室的生产能力理论上正比于颗粒的沉降速度和沉降方向上的截面积，即降尘室底面积，而与沉降室的高度无关。

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