化工原理第一章讲稿概论
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《化工原理》课件第一章讲稿8(第一章)(天大版)
2.排出管：
2 lb + Σleb ub Σh fb = h fb + h fb ′ = (λb +ζc) da 2
Vs dbub ρ ε ub = A → Reb = µ 、 ⇒ λb db b 其中：la = 50m、Σleb =le b闸阀 + le b 截止阀 + 3le b 标准弯头； ζ = ζ ； 出口 c 3.总管路：Σh f = Σh fa + Σh fb ⇒ N e = We ⋅ ws、N = N e / η
h
pa
操作条件下料液的物性： ρ = 890kg/m 3 µ = 1.3 × 10 −3 Pa ⋅ s 操作条件下料液的物性：
习题： 习题： 第20 、22题； 题 第20 题： 取贮槽液面为1-1截面，出口管内侧为 截面 截面； 取贮槽液面为 截面，出口管内侧为2-2截面； 截面
l + Σle p2 u2 We = z2 g + + Σhf 其中：Σhf = (λ + Σζ ) 2 d 2 qv du ρ ε u = A → Re = µ 、 ⇒ λ d ⇒ l总长 = 50m、 Σl = 2 × l +5 × l e e闸阀 e标准弯头；le闸阀 = 0.45m、le标准弯头 = 2.1m； Σζ = ζ 进口 + ζ 出口 + ζ 局部； ⇒ N e = We ⋅ ws、N = N e / η
4.管件与阀门 4.管件与阀门
蝶阀
（二）当量长度法 将流体流过管件或阀门的局部阻力， 将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成 直径相同、长度为 的直管所产生的阻力； 直径相同、长度为le的直管所产生的阻力；
《化工原理》第一讲 化工原理概述
3 3 6m
1
1
2
2
吸入管路的能量衡算
总的能量能衡算
1、稳态的能量衡算
例题3、在换热器里将平均比热为3.56kJ/(kg.℃) 的某种溶液自 25℃加热到80℃，溶液流量为1.0kg/s。加热介质为120℃的饱 和水蒸气，其消耗量为0.095kg/s，蒸汽冷凝成同温度的饱和 水排出。试计算此换热器的热损失占水蒸气所提供热量的百分 数。 120℃的饱和水蒸气的焓值为2708.9kJ/kg， 120℃的饱 和水的焓值为503.67kJ/kg
5kg/s,100℃
换热 器
5kg/s,T℃
盐水
经验公式单位换算
练习
1、已知某离心泵特性曲线方程为H=45-2.22Q2（其中Q的单 位为m3/min）试将Q的单位换算为m3/s及m3/h 。
物料衡算
2、含1、2、3、4四种组分各0.25
（摩尔分率，下同）的某混合液，
以1000kmol/h的流量送入精馏塔 内分离，得到塔釜与塔顶两股产
绪论
1、化工原理包含的内容
过程原理（三传）和设备
（1）三传（ Transfer process）的概念
热量传递、质量传递和动量传递的过程原理（机理）和传递速率
（2）设备：输送设备、换热器、塔设备等等
绪论
2、单元操作分类
1）遵循流体动力基本规律的单元操作
流体输送、沉降、过滤、固体流态化等
2）遵循传热基本规律的单元操作
二
发
蒸
器
发
器
F1,x1
F2
x2=0.3
2、非稳态的物料衡算
例2、用氮气把体积为2个立方米的反应器中的 氧气吹扫干净，反应器中氧气的初始体积分 率为20%，要将氧气的体积分率吹扫到1%，氮 气的流率为1个立方米每分钟，求需要多长的 吹扫时间。
化工原理第一章主要内容
Δp f
=
32μlu d2
哈根(Hagen)－泊谡叶（Poiseuille）方程
（三）圆管内湍流流动的速度分布
1
u
=
umax
⎜⎛1 ⎝
−
r R
⎟⎞ n ⎠
um = 0.82umax
四、边界层的概念
（一）边界层及其形成 边界层： 流速小于主体流速的 99%的区域 。 （二）边界层的发展 1、流体在平板上的流动 2、流体在圆形直管进口段内的流动 3、边界层的分离 边界层分离的两个必要因素： 逆压梯度 dp/dx >0 ； 壁面附近存在粘性摩擦阻力 边界层分离易发生在流体通道扩大处
管进口ξ=0.5
定义：将局部阻力折算成某一长度相同直径直管所产生的阻力，该相当长度称为当量长度。
w' = λ le ⋅ u2
f
d2
h' = λ le ⋅ u2 f d 2g
Δp' = λ le ⋅ ρu2
f
d2
le 为当量长度
六、管路流动总阻力损失的计算
总阻力损失 = 直管阻力 + 局部阻力 不同管径段组成的管路总阻力损失应将各等径段的阻力损失加和
τ = (μ + ε ) du dy
第四节 管内流动的阻力损失
流体具有粘性——流动阻力产生的根源（内因）
管壁或其他形状的固体壁面——流动阻力产生的条件(外因)
管路阻力：直管阻力+局部阻力
Σhf=hf+hf’
阻力的几种表达形式及之间的相互关系：
Wf：单位质量流体所损失的机械能，J/kg ；hf：单位重量流体所损失的机械能 ，m
ρm = ρ1ϕ1 + ρ2ϕ2 + ...... + ρnϕn
精排版《化工原理》讲稿(全)
第一单元动量传递绪论一、化工过程产品2.引出单元操作的概念（化工过程由若干单元操作和反应过程串联而成）。
二、单元操作1.单元操作概念：化工生产中，设备相似、原理相近、基本过程相同的生产过程称为单元操作。
2.单元操作分类：三传一反——P2表0-1(1)动量传递（传动）：流体输送、沉降、过滤等——密度ρ、黏度μ。
(2)热量传递（传热）：热交换、蒸发等——温度t、热导率λ。
(3)质量传递（传质）：蒸馏、吸收、干燥等——相对挥发度α、溶解度x。
3.单元操作特点：(1)物理性操作；(2)共有性操作。
三、基本概念1.物料衡算（质量守恒）2.能量衡算（能量守恒）3.过程极限（平衡状态）——溶解，饱和；传热，温度相等。
4.过程速率（变化快慢）——过程速率=推动力/阻力第一讲流体静力学流体：气体和液体的总称（不可压缩流体、可压缩流体）。
一、主要物理量1.密度（物理性质，温度和压力的函数，可查表获得）ρ=m/V kg/m3定义式理想气体：ρ=m/V=nM/V=pM/RT（pV=nRT 符号说明：R=8.314，T=t+273）相对密度：物质密度与水的密度之比（4℃）。
常用密度：水（20℃）—998kg/m3；水银（20℃）—13.6×103 kg/m32.压力p=P/A Pa 定义式绝对压力：压力的真实值。
表压：表压=绝对压力－大气压力（压力表测得值，真实压力比大气压大的部分）真空度：真空度=大气压力－绝对压力（真空表测得值，真实压力比大气压小的部分）表压=－真空度真空度最大值=大气压常用压力：1atm≈0.1MPa=1.013bar=1.033工程大气压=10.33mH2O=760mmHg例题1-1。
二、流体静力学1.静力学基本方程的推导设：敞口容器内盛有密度为ρ的静止流体，取任意一个垂直流体液柱，上下底面积均为A m 2。
a .作用在液柱上端面上的总压力P 1 P 1= p 1 Ab .作用在液柱下端面上的总压力P 2 P 2= p 2 Ac .作用于整个液柱的重力G G =ρg A (z 1－z 2)液柱静止，垂直方向上的三个作用力的合力为零，即 ：p 1 A + ρg A (z 1－z 2)－p 2 A = 0 令： h = (z 1－z 2) 整理得：p 2 = p 1 + ρg h若将液柱上端取在液面，并设液面上方的压强为p 0, 则： p = p 0 + ρg h上式均称为流体静力学基本方程式：静止流体内部某一点的压强等于作用在其上方的压强加上液柱的重力压强。
化工原理第一章主要内容
湍流：无严格的层的概念，各质点相互碰撞混合
（二）雷诺数 Re 没有因次的特征数 雷诺数用于判断流动型态
Re
=
duρ μ
层流：Re<2000；过渡流：2000<Re<4000；湍流：Re>4000
雷诺数的物理意义：流体流动中惯性力与粘滞力之比
二、湍流的基本概念
（一）湍流的发生与发展 （二）湍流的脉动现象和时均化 脉动现象：湍流流体中各物理量围绕某一平均值上下波动的现象。 瞬时量 = 时均量 + 脉动量
ρm = ρ1ϕ1 + ρ2ϕ2 + ...... + ρnϕn
比容υ ν = 1/ ρ
比重(相对密度) d
d = 1 / ρ , 4° C水
二、压力 p 的表示方法
ρm
=
PM m RT
定义：垂直作用于流体单位面积上的力 1atm=760mmHg=1.013×105Pa=1.033kgf/cm2 =10.33mH2O 1at=735.6mmHg =9.807×105Pa =1kgf/cm2 =10mH20 表压 = 绝对压力 - 大气压力 真空度 = 大气压力 - 绝对压力
三、机械能衡算方程
依附于流体的能量：内能、动能、位能、压力能；
不依附于流体的能量：热、功 机械能：包括位能、动能、压力能和功，对流体流动有贡献。 非机械能：包括内能和热，对流体流动无贡献 （一）理想流体的伯努利方程
gZ1
+
u12 2
+
p1 ρ
=
gZ2
+
u22 2
+
p2 ρ
理想流体的机械能守恒
（二）实际流体的机械能衡算
τ = (μ + ε ) du dy
《化工原理》第一讲 化工原理概述
Ⅱ相应的设备的结构和尺寸可能不同
例如 传热 原理
传热
设备
简单的套管换热器
传热
设备
传热
设备
原理
吸收
吸收剂
相界面
气相主体
液相主体
y 界面
x
xi yi
气体
气相扩散
液相扩散
设备
8 气体
填料塔
吸收
7 液体
6 5 4 3 2
1
溶剂
气体 板式塔
板式塔
设备
吸收
溶剂
气体
填料塔
乱堆填料
规整填料
设备，是研究过程规律的目的，包括设备的设计、选型、调 试等。
绪论
四、如何学习化工原理
1、化工原理的研究对象
三传，即动量传递、热量传递及质量传递，简称传递过程， 以物料恒算、能量恒算、传递速率、平衡关系为依据， 计算分为设计型和操作型两大类
2、化工原理的研究方法
1）数学模型方法
包括解析法和半经验半理论方法
2）实验方法
以量纲分析或相似理论为指导，可避免 建立数学方程
绪论
五、学习化工原理后，应达到的水平
1、能理论联系实际用工程和经济观点解决化工单元操作中 的各类问题
2、筛选合理的单元操作完成给定的生产任务 3、在设备设计工作中会寻求所需的经验数据或公式 4、能管理和调试运转的设备，遇到故障时找出原因并能及 时排除
第一讲绪 论
主要内容
一、化工原理概述 二、单位制及其换算
（一）单位及单位制 （二）物理量及经验公式的单位换算
三、物料衡算
（一）稳态的物料衡算 （二）非稳态的物料衡算
四、能量衡算
（一）稳态的能量衡算 （二）非稳态的能量衡算
化工原理第一章第六节讲稿
3、孔板流量计的优缺点
优点：构造简单，安装方便
缺点：流体通过孔板流量计的阻力损失很大
hf
2 C0
Rg '
孔板的缩口愈小，孔口速度愈大，读数就愈大，阻力 损失愈大。所以，选择孔板流量计A0/A1的值，往往是设计 该流量计的核心问题。
1/18/2016
三、文丘里流量计
C1C2 A0 1 A 1
2
孔流系数（C0）=
1/18/2016
若以体积或质量表达， 则
V s C 0 A0
2 gR A
0.84 0.82 0.80 0.78 0.76 C0 0.74 0.6 A0 A1 0.7
ws A0u 0
C0 A0 2 gR ( A )
第一章 流体流动
第六节 流速和流量的测量
一、测速管
二、孔板流量计 三、文丘里流量计
四、转子流量计
1/18/2016
变压头流量计 将流体的动压头的变化以静压头
的变化的形式表示出来。一般， 读数指示由压强差换算而来。 流量计 如：测速管、孔板流量计和文丘 里流量计 变截面流量计 流体通过流量计时的压力降是固 定的，流体流量变化时流道的截
ur R ' g 2g g
2
ur
2 gR ( )
——测速管测定管内流体的基本原理和换算公式 实际使用时
2 gR ( ) ur c
c=0.98~1.00
1/18/2016
测速管
Re=ud/
0.9 0.8 u u
uu max 0.7 max
管道中的流量为
Vs Cv A0
化工原理第一章总结复习讲稿
标准大气压） atm、工程大气压at、Kgf/cm2、
巴bar；流体柱高度（mmH2O，mmHg等）
1atm 1.033kgf / cm2 760mmHg 10.33mH 2O 1.0133 105 Pa 1.0133bar
1at 1kgf / cm2 735.6m 10mH 2O 0.9807bar 9.807 104 Pa
一：流体的物理性质
1：密度和比容 定义、 单位、 影响因素 、 计算
0
p T0 p0 T
M 0 22.4
混合液体的密度ρm
PM RT
1
m
xwA
1
xwB
2
xwn
n
混合气体的密度ρm
2013-11-2
m 1 x1 2 x2 ...... n xn
2013-11-2
第一部分： 流体静力学基本方程
* 本节主要内容
• 流体的密度和压强的概念、单位及换算等；在重力场中 的静止流体内部压强的变化规律及其工程应用。
• * 本节的重点
• 重点掌握流体静力学基本方程式的适用条件及工程应用 实例。 • * 本节的难点
2013-11-2
本节点无难点。
流体连续介质模型——质点
2013-11-2
•补例： 如图所示，用泵将水从贮槽送至敞口高位槽，两槽
液面均恒定不变，输送管路尺寸为83×3.5mm，泵的进出
口管道上分别安装有真空表和压力表，压力表安装位臵离贮 槽的水面高度H2为5m。当输水量为36m3/h时，进水管道全部 阻力损失为1.96J/kg，出水管道全部阻力损失为4.9J/kg， 压力表读数为2.452×105Pa，泵的 效率为70%，水的密度为 1000kg/m3，试求：（1）两槽液面 的高度差H为多少？（2）泵所需的
巴bar；流体柱高度（mmH2O，mmHg等）
1atm 1.033kgf / cm2 760mmHg 10.33mH 2O 1.0133 105 Pa 1.0133bar
1at 1kgf / cm2 735.6m 10mH 2O 0.9807bar 9.807 104 Pa
一：流体的物理性质
1：密度和比容 定义、 单位、 影响因素 、 计算
0
p T0 p0 T
M 0 22.4
混合液体的密度ρm
PM RT
1
m
xwA
1
xwB
2
xwn
n
混合气体的密度ρm
2013-11-2
m 1 x1 2 x2 ...... n xn
2013-11-2
第一部分： 流体静力学基本方程
* 本节主要内容
• 流体的密度和压强的概念、单位及换算等；在重力场中 的静止流体内部压强的变化规律及其工程应用。
• * 本节的重点
• 重点掌握流体静力学基本方程式的适用条件及工程应用 实例。 • * 本节的难点
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本节点无难点。
流体连续介质模型——质点
2013-11-2
•补例： 如图所示，用泵将水从贮槽送至敞口高位槽，两槽
液面均恒定不变，输送管路尺寸为83×3.5mm，泵的进出
口管道上分别安装有真空表和压力表，压力表安装位臵离贮 槽的水面高度H2为5m。当输水量为36m3/h时，进水管道全部 阻力损失为1.96J/kg，出水管道全部阻力损失为4.9J/kg， 压力表读数为2.452×105Pa，泵的 效率为70%，水的密度为 1000kg/m3，试求：（1）两槽液面 的高度差H为多少？（2）泵所需的
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2020/11/16
一、流体的密度
1. 密度定义
单位体积的流体所具有的质量，ρ; SI单位kg/m3。
m
V
2. 影响ρ的主要因素
f t, p
2020/11/16
液体： f t ——不可压缩性流体
气体： f t, p ——可压缩性流体
3.气体密度的计算
理想气体在标况下的密度为：0
M 22.4
流体的内部则不满足这一关系。
5）P
P0 gh可以改写成
P P0
g
h
压强差的大小可利用一定高度的液体柱来表示，这就
是液体压强计的根据，在使用液柱高度来表示压强
或压强差时，需指明何种液体。
2020/11/16
6)方程是以不可压缩流体推导出来的，对于可压缩性的 气体，只适用于压强变化不大的情况。
例：图中开口的容器内盛有油和水，油层高度h1=0.7m,
压强P仅与垂直距离h有关，即： P h
处于同一水平面上各点的压强相等。
2020/11/16
3）当液面上方的压强改变时，液体内部的压强也随之 改变，即：液面上所受的压强能以同样大小传递到 液体内部的任一点。
4）从流体静力学的推导可以看出,它们只能用于静止的
连通着的同一种流体的内部，对于间断的并非单一
其中:
xVi
Vi V总
i =1, 2, …., n
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当V总=1m3时， xVi Vi 由 m 知，
V
混合物中各组分的质量为： 1xVA , 2xVB ,......, n xVn
若混合前后,气体的质量不变，m总 1x1 2x2 ....... nxn mV总
当V总=1m3时,
因B，B’虽在同一水平面上，但不是连通着的同一种液
体，即截面B-B’不是等压面，故 PB PB'不成立。
（2）计算水在玻璃管内的高度h
PA PA'
PA和PA’又分别可用流体静力学方程表示
设大气压为Pa
2020/11/16
PA Pa 油gh1 水 gh2 PA' 水 gh Pa
当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。
如：4×103Pa（真空度）、200KPa（表压）。
2020/11/16
三、流体静力学方程
1、方程的推导
在1-1’截面受到垂直向下的压力 在2-2’ 截面受到垂直向上的压力： 小液柱本身所受的重力：
F1 p1A
F2 p2 A
W mg Vg Az1 z2 g
xwA、xwB、、xwn ,
其中xwi
mi m总
当m总 1kg时，xwi mi
假设混合后总体积不变，
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V总
xwA
1
xwB
2
xwn
n
m总
m
1 xwA xwB xwn
m 1 2
n
2)气体混合物的密度
——液体混合物密度计算式
取1m3 的气体为基准,令各组分的体积分率为:xvA,xvB,…,xVn,
2020/11/16
换算关系为： 1atm 1.033kgf / cm2 760mmHg 10.33mH2O 1.0133bar 1.0133105 Pa
1工程大气压 1kgf / cm2 735.6mmHg 10mH2O 0.9807bar 9.807 104 Pa
2、压强的表示方法
密度 1 800kg / m3 ，水层高度h2=0.6m，密度为 2 1000kg / m3
1）判断下列两关系是否成立
PA＝PA’，PB＝P’B。
2）计算玻璃管内水的高度h。
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解：（1）判断题给两关系是否成立 ∵A，A’在静止的连通着的同一种液体的同一水平面上
PA PA'
取下底面在距离液面h处，作用在它上面的压强为P
p2 p p1 p0
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p p0 gh
——流体的静力学方程
表明在重力作用下，静止液体内部压强的变化规律。
2、方程的讨论
1）液体内部压强P是随P0和h的改变而改变的，即：
P f P0 , h
2）当容器液面上方压强P0一定时，静止液体内部的
1）绝对压强（绝压）： 流体体系的真实压强称为绝对压强。 2）表压 强（表压）： 压力上读取的压强值称为表压。
表压强=绝对压强-大气压强
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3）真空度： 真空表的读数
真空度=大气压强-绝对压强=-表压
绝对压强、真空度、表压强的关系为
A 表
压
强 大气压强线
真空度
绝 对
B
压
绝对压强
强
绝对零压线
例如：标况下的空气，
0
M 22.4
29 22.4
1.29kg
/
m3
操作条件下（T, P）下的密度：
0
p p0
T0 T
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由理想气体方程求得操作条件（T, P）下的密度
PV nRT m nM PVM PM
V V RTV RT
4.混合物的密度
1）液体混合物的密度ρm
取1kg液体，令液体混合物中各组分的质量分率分别为:
m 1x1 2x2 ...... n xn
——气体混合物密度计算式 当混合物气体可视为理想气体时,
m
PM m RT
——理想气体混合物密度计算式
2020/11/16
5.与密度相关的几个物理量
1）比容：单位质量的流体所具有的体积，用υ表示，单位
为m3/kg。
在数值上:
1
2）比重(相对密度)：某物质的密度与4℃下的水的密度的比
值，用 d 表示。
d
,
4 C水
4C水 1000kg / m3
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二、流体的静压强
1、压强的定义
流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的静压强，
简称压强。
p P A
SI制单位：N/m2，即Pa。 其它常用单位有：
atm（标准大气压）、工程大气压kgf/cm2、bar；流体柱高
度（mmH2O，mmHg等）。
第一章:流体流动
• 第一节:流体静止的基本方程 • 第二节:流体在管内的流动 • 第三节:流体流动现象 • 第四节:流体在管内流动阻力 • 第五节:管路计算 • 第六节:流速和流量的测定
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第一章 流体流动
第一节 流体静止的基本方程
一、流体的密度 二、流体的压强 三、流体静力学方程 四、流体静力学方程的应用
因为小液柱处于静止状态，
F 0
F2 F1 Az1 z1 g 0
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两边同时除A
F2 A
F1 A
gz1
z2
0
p2 p1 gz1 z2 0
p2 p1 gz1 z2
令 z1 z2 h 则得： p2 p1 gh
若取液柱的上底面在液面上，并设液面上方的压强为P0，