化工原理天大柴诚敬
柴诚敬化工原理答案(第二版)
化工原理(上)-天津大学化工学院-柴诚敬主编绪论从基本单位换算入手，将下列物理量的单位换算为 水的黏度尸0.00856 g/(cm s) 密度 P138.6 kgf ?;2/m 4某物质的比热容 C p =0.24 BTU/(lb T)传质系数 K G =34.2 kmol/(m 2?i?3tm) 表面张力 CF 74 dy n/cm导热系数 入=1 kcal/(m 岔？C)解： (1)1 kg=1000 g , 1 m=100 cm4 I 410 kg/ m s 8.56 10 Pa s基本物理量的换算关系为 1 atm=101.33 kPa(5)表面张力基本物理量的换算关系为1 dyn=1 W -N 1 m=100 cm基本物理量的换算关系为103：J, 1 h=3600 s密度基本物理量的换算关系为 1 kgf=9.81 N , 1 N=1 kg ?n/s 2"cc kgf s 2 9.81N 1kg m s 2138.6 亠」一 ------- y 1kgf 1N1350 kg/m 3从附录二查出有关基本物理量的换算关系为 1 BTU=1.055 kJ , 1o F 5oC9I b=0.4536kg C p 0.24 BTU1.055kJ _11b 1BTU 0.4536kg5 9 C1 F 1.005 kJ kg CK G 34.21h kmol2m h atm 3600s1atm101.33kPa 9.378 10 5 kmol/ m 2s kPaSI 单位。
本题为物理量的单位换算。
水的黏度基本物理量的换算关系为 0.00856丄匹吗cm s 1000g 1m8.56 (4)传质系数1 h=360074也cm迪 7.4 10 2N/m 1dy n」 1m(6)导热系数 1 kcal=4.18681 心"4.1868 10J亠 1.163J m s C 1.163W/m Cm 2h C 1kcal 3600s ‘ Ikcal 2.乱堆25cm 拉西环的填料塔用于精馏操作时，等板高度可用下面经验公式计算，即 H E3.9A2.78 10 4G B 12.01D C 0.3048Z 0 13L式中 H E —等板高度，ft; G —气相质量速度，lb/(ft 2?i)； D —塔径，ft ； Zo —每段(即两层液体分布板之间)填料层高度， a-相对挥发度，量纲为一； 丄一液相黏度，cP; P —液相密度，lb/ft 3A 、B 、C 为常数，对25 mm 的拉西环，其数值分别为 试将上面经验公式中各物理量的单位均换算为 SI 单位。
化工原理下册天津大学柴诚敬43-44学时
一、热量衡算基本方程
物料的焓值
I1 cm1
湿物料的 平均比热
容
I2 cm2
I2 I1 cm (2 1)
绝干料的 平均比热
容
水的比 热容
cm csXw ccs 4 .18 X7
2020/6/3
一、热量衡算基本方程
由 Q Q P Q D L ( I 2 I 0 ) G ( I 2 I 1 ) Q L
作业题: 3、4、5
2020/6/3
=100 ％ 饱和空气线 ❖ 水汽分压线（ p 线） 范围 0～26 kPa
2020/6/3
二、 H －I 图的应用
1.已知状态点求湿空气的参数
已知状态点可由 H-I 图求出湿空气的各参数值：
❖ 湿度 H ❖ 相对湿度
❖ 温度
❖焓I ❖ 水汽分压 p
干球温度t 露点td 绝热饱和冷却温度tas(湿球温度 tW)
气
预热器
QP
L t1
I1 H 1
干燥器
干
燥
产
品
G 2
I
2
QD
干燥器热量衡算示意图
Qp— 预热器消耗热量，kW QD— 干燥器补充热量，kW Q — 2020/6L/3 热损失速率，kW
QL
L t2
废 气
I2 H 2 湿
G
I
1
1
物 料
一、热量衡算基本方程
预热器热量衡算
LI0 Qp LI1
干燥器热量衡算
2020/6/3
一、湿物料的含水量
1.湿基含水量 湿基含水量是指湿物料中水分的质量分率。
湿物料中水分质量
w
湿物料的总质量
化工原理上册天津大学柴诚敬2728学时
16
恒压过滤
当过滤介质阻力可以忽略时， 恒压过滤方程式
V 2 KA2 q2 K
17
恒压过滤
Ve
介质常数
过滤常数
qe
K
由实验测定
18
第三章、非均相混合物 分离及固体流态化
3.2 过滤分离原理及设备 3.2.1 流体通过固体颗粒床层的流动 3.2.2 过滤操作的原理 3.2.3 过滤基本方程式 3.2.4 恒压过滤 3.2.5 恒速过滤与先恒速后恒压的过滤
(V VR ) 转入恒压操作后所得的滤液体积。
( R ) 转入恒压操作后所经历的过滤时间。
23
第三章、非均相混合物 分离及固体流态化
3.2 过滤分离原理及设备 3.2.1 流体通过固体颗粒床层的流动 3.2.2 过滤操作的原理 3.2.3 过滤基本方程式 3.2.4 恒压过滤 3.2.5 恒速过滤与先恒速后恒压的过滤 3.2.6 过滤常数的测定
19
恒速过滤与先恒速后恒压的过滤
恒速过滤
恒速过滤是维持过滤速率恒定的过滤方式。 在这种情况下，由于随着过滤的进行，滤饼不断 增厚，过滤阻力不断增大，要维持过滤速率不变， 必须不断增大过滤的推动力——压力差。
dV
Ad
V
A
q
uR
常数
20
恒速过滤与先恒速后恒压的过滤
代入过滤基本方程式，得到
p ruR2 ruRqe
27
一、板框压滤机
28
一、板框压滤机
29
一、板框压滤机
30
一、板框压滤机
动画17
31
二、加压叶滤机
动画27
32
三、转筒真空过滤机
33
练习题目
思考题 1.从过滤基本方程式分析提高过滤速率的措施。 2.板框压滤机与叶滤机的洗涤方式有什么差别 ？ 3.试分析过滤压力差对过滤常数的影响。 作业题: 6、7、8
化工原理上册天津大学柴诚敬05-06学时
qm,s qv,s
8
二、平均流速
流速是空间位置的函数，我们称之为流体的 点速度。例如当流体流经一段管路时，由于流体 存在黏性，使得管截面上各点的速度不同。从而 由壁面至管中心建立起一个速度分布。在工程计 算时，通常采用平均速度来代替这一速度分布。
9
二、平均流速
平均速度
直径 流速 密度 黏度
Re
du
反映流体流动状态的量纲为一数群。
18
二、雷诺数（Reynolds number）
对于流体在直管内的流动：
当Re≤2000时属于层流；
当Re＞4000时属湍流；
当Re=2000～4000之间时，属不稳定的过渡流。 工程上Re＞3000时按照湍流处理
19
三、当量直径的概念
30
图1-12 流动系统的总能量衡算 1-换热器; 2-流体输送机械
31
一、流动系统的总能量衡算方程
推导思路： 总能量 衡算 机械能 衡算 不可压缩流体 机械能衡算
32
一、流动系统的总能量衡算方程
则热力学第一定律可表述为
流出能量速率－流入能量速率=
从外界的吸热速率+作功机械对流体作功速率
33
一、流动系统的总能量衡算方程
假设流动为稳态过程，由热力学第一定律可知
pdv U Qe
v2
1kg流体在截面1-1与2-2之间所获得的总热量
v1
Qe hf Qe
因此
U Qe h f pdv
v1
v2
克服流动阻 力而消耗的 机械能
(1-35)
44
二、流动系统的机械能衡算方程
将式1-35代入式1-33，可得
化工原理课程设计柴诚敬
化工原理课程设计 柴诚敬一、课程目标知识目标：1. 理解并掌握化工原理的基本概念，如流体力学、热力学、传质与传热等；2. 学会运用化学工程的基本原理分析典型化工过程中的现象与问题；3. 掌握化工流程设计的基本方法和步骤，能结合实际案例进行流程分析与优化。
技能目标：1. 能够运用数学工具解决化工过程中的计算问题，如物料平衡、能量平衡等；2. 培养学生运用实验、图表、模拟等方法对化工过程进行研究和评价的能力；3. 培养学生团队协作、沟通表达及解决实际问题的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对化工原理学科的兴趣和热爱，激发学习积极性；2. 增强学生的环保意识，使其认识到化工过程对环境的影响及责任感；3. 培养学生严谨、求实的科学态度，提高其创新意识和实践能力。
本课程针对高年级学生，结合化工原理课程性质，注重理论与实践相结合，旨在培养学生运用基本原理解决实际问题的能力。
教学要求以学生为中心，注重启发式教学，激发学生的主动性和创造性。
课程目标分解为具体学习成果，以便于后续教学设计和评估。
通过本课程的学习，使学生能够全面掌握化工原理知识，为未来从事化工领域工作打下坚实基础。
二、教学内容本章节教学内容主要包括：1. 化工流体力学基础：流体静力学、流体动力学、流体阻力与流动形态等；参考教材第二章：流体力学基础。
2. 热力学原理及应用：热力学第一定律、第二定律，以及理想气体、实际气体的热力学性质；参考教材第三章：热力学原理及其在化工中的应用。
3. 传质与传热过程：质量传递、热量传递的基本原理，以及相应的传递速率计算；参考教材第四章：传质与传热。
4. 化工过程模拟与优化：介绍化工过程模拟的基本方法，如流程模拟、动态模拟等，以及优化策略；参考教材第五章：化工过程模拟与优化。
5. 典型化工单元操作：分析各类单元操作的基本原理及设备选型，如反应器、塔器、换热器等；参考教材第六章：典型化工单元操作。
教学大纲安排如下：第一周：化工流体力学基础；第二周：热力学原理及应用；第三周：传质与传热过程；第四周：化工过程模拟与优化；第五周：典型化工单元操作。
化工原理天大柴诚敬
第一章流体流动1.4流体流动的基本方程—、概述流体动力学流体动力学主要研究流体流动过程中流速、压力等物理量的变化规律，研究所采用的基本方法是通过守恒原理（包括及）进行质量、能量及动量衡算，获得物理量之间的内在联系和变化规律。
作衡算时，需要预先指定衡算的空间范围，称之为 ,而包围此控制体的封闭边界称为控制面。
第一章流体流动1.4流体流动的基本方程1・4.1总质量衡算-连续性方程131-11管路系统的总质量衡算如图1・11所示，选择一段管路或容器作为所研究的控制体，该控制体的控制面为管或容器的内壁面、截面1・1与2・2组成的封闭表面。
管路系统的总质量衡算根据质量守恒原理可得_ dM £2,2 q加,1 +」门au=0(1-28)对于定态流动，dM/d0 = O则％,1 = %,2PyLlyAy —(1-29)推广到管路上任意截面q m-QM/i = P2U2^2~........ - puA二常数(1-30) 枉定态流动系统中,流体流经各截面时的质量流量恒定。
对于不可压缩流体，p=常数，则为q v s = u x A x—U2^2= .... —必=常数” -31)冇页压缩性流体流经各截面时的体积流量也不变.流速u与管截面积成反比，截面积越小，流速越大；反之, 截面积越大，流速越小。
此规律与管路的布畫形式及管路上是否有管件、阀则可变形为:(1-31 a)不可压缩流体征圆形管道申,任意截面的对于圆形管道u {%2g 加———... —puA.—吊不可压缩流体Qv.s—LI | iA | ― Lt 2 ^~2 ~—nA二常数—二（牛）2管内定态流动的连续性方程%2 ]注意：以上各式的适用条件例10、例11 （P26）例如附图所示，管路由一段^39 X4mm的管1、一段4 108 X 4mm的管2和两段© 57 XS.&nm 的分支管3a^3b连接而成。
若水以9X10 3JTL/S的体积流量流动，且在两段分支管內的流量相等，试求水在各段管內的速度。
化工原理天大柴诚敬——第一章流体流动
学习目的 与要求
通过本章的学习，应掌握流体在管内流动过 程的基本原理和规律，并运用这些原理和规律 分析和计算流体流动过程中的有关问题。
1
第一章 流体流动
1.1 流体的重要性质 1.1.1 连续介质假定
2
连续介质假定
连续介质假定 假定流体是由连续分布的流体质点所组成，表 征流体物理性质和运动参数的物理量在空间和 时间上是连续的分布函数。
23
第一章 流体流动
1.2 流体静力学 1.2.1 流体的受力
24
外界作用于流体上的力
体积力
表面力
25
一、体积力
体积力
体积力(body force)又称为场力，质量力， 是一种非接触力。地球引力，带电流体所受的 静电力，电流通过流体产生的电磁力等均为体 积力。 本书只涉及重力： 设流体密度为ρ，体积为V，则其所受的重力为
v r dFn n dA
v r dFt t dA
29
第一章 流体流动
1.2 流体静力学 1.2.1 流体的受力 1.2.2 静止流体的压力特性
30
静止流体的压力特性
流体的静压力
静止的流体内部没有剪应力，只有法线方 向的应力，通常将该法向应力称为流体的静压 力，以p表示。
P p A
31
体积流量与质量流量的关系为
ms Vs
62
二、平均流速
流速是空间位置的函数，我们称之为流体的 点速度。例如当流体流经一段管路时，由于流体 存在黏性，使得管截面上各点的速度不同。从而 由壁面至管中心建立起一个速度分布。在工程计 算时，通常采用平均速度来代替这一速度分布。
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二、平均流速
平均速度
d R R D
化工原理（上）课后习题解答-天大柴诚敬主编
化⼯原理（上）课后习题解答-天⼤柴诚敬主编第⼀章流体流动10．有⼀装满⽔的储槽，直径1.2 m ，⾼3 m 。
现由槽底部的⼩孔向外排⽔。
⼩孔的直径为4 cm ，测得⽔流过⼩孔的平均流速u 0与槽内⽔⾯⾼度z 的关系为： zg u 262.00=试求算（1）放出1 m 3⽔所需的时间（设⽔的密度为1000 kg/m 3）；（2）⼜若槽中装满煤油，其它条件不变，放出1m 3煤油所需时间有何变化（设煤油密度为800 kg/m 3）？解：放出1m 3⽔后液⾯⾼度降⾄z 1，则 ()m 115.2m 8846.032.1785.01201=-=?-=z z由质量守恒，得21d 0d M w w θ-+=，01=w （⽆⽔补充）200000.622w u A A gzA ρρ==（为⼩孔截⾯积）AZ M ρ= (A 为储槽截⾯积) 故有 0262.00=+θρρd dz A gz A即θd AA gzdz 062.02-= 上式积分得 ))((262.022112100z z A A g -=θ ()m i n 1.2s 4.126s 115.2304.0181.9262.0221212==-??? ???=18．某液体以⼀定的质量流量在⽔平直圆管内作湍流流动。
若管长及液体物性不变，将管径减⾄原来的1/2，问因流动阻⼒⽽产⽣的能量损失为原来的多少倍？解：流体在⽔平光滑直圆管中作湍流流动时 f p ?=f h ρ∑ 或f h ∑=f p ?/ρ=λ2b 2u L d ρ∑∑f1f2hh =（2b1b22112))()(u u d d λλ式中 21d d =2 ，b2b1u u =（21d d）2 =4因此∑∑f1f2hh=221()(2)(4)λλ=3212λλ⼜由于 25.0Re316.0=λ12λλ=（25021.)Re Re =（0.251b12b2)d u d u =（2×25041.)=（0.5）0.25=0.841 故∑∑f1f2hh =32×0.84=26.919．⽤泵将2×104 kg/h 的溶液⾃反应器送⾄⾼位槽（见本题附图）。
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化工原理天大柴诚敬
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一、流动系统的总能量衡算方程
选取如图1-12所示的定态流动系统作为衡算 的控制体，控制体内装有对流体作功的机械 （泵或风机）以及用于与外界交换热量的装置。 流体由截面1-1流入，经粗细不同的管道，由截 面2-2流出
化工原理天大柴诚敬
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一、流动系统的总能量衡算方程
衡算范围： 1-1′、2-2′截面以及 管内壁所围成的空间
第一章 流体流动
1.4 流体流动的基本方程
化工原理天大柴诚敬
1
一、概述
流体动力学
流体动力学主要研究流体流动过程中流速、压力 等物理量的变化规律，研究所采用的基本方法是通过 守恒原理（包括质量守恒、能量守恒及动量守恒）进 行质量、能量及动量衡算，获得物理量之间的内在联 系和变化规律。
作衡算时，需要预先指定衡算的空间范围，称之 为控制体，而包围此控制体的封闭边界称为控制面。
化工原理天大柴诚敬
18
一、流动系统的总能量衡算方程
动能： 由截面1-1进入
q
m
u
2 1
/
2
(J/s)
由截面2-2流出
q
m
u
2 2
/
2
(J/s)
压 力 能 ： 由截面1-1进入 由截面2-2流出
p1A1
qV ,1 A1
p1qV,1
(J/s)
p2A2
qV,2 A2
p2qV,2
(J/s)
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二、流动系统的机械能衡算方程
对于圆形管道
p2
A= d 4
则可变形为：
u1 ( d 2 )2 u2 d1
(1-31a)
说明：不可压缩流体在圆形管道中，任意截面的流
速与管内径的平方成反比。
化工原理天大柴诚敬
9
二、总质量衡算-连续性方程的推导
q m 1 u 1 A 1 2 u 2 A 2 u A 常 数
化工原理天大柴诚敬
24
一、流动系统的总能量衡算方程
因此，总能量衡算方程式可写成
Ug z2 u2(pv)Q eW e (1-33a)
α值与管内的速度分布形状有关。 对于管内层流， α =2（详见本章1.6节）； 管内湍流时，α值随Re变化，但接近于1。 下面的讨论均令α =1。
化工原理天大柴诚敬
25
化工原理天大柴诚敬
2
第一章 流体流动
1.4 流体流动的基本方程 1.4.1 总质量衡算-连续性方程
化工原理天大柴诚敬
3
二、总质量衡算-连续性方程的推导
图1-11 管路系统的总质量衡算
化工原理天大柴诚敬
4
二、总质量衡算-连续性方程的推导
如图1-11所示，选择一段管 路或容器作为所研究的控制体，
该控制体的控制面为管或容器 的内壁面、截面1-1与2-2组成的 封闭表面。
表明：不可压缩性流体流经各截面时的体积流量也不变，
流速u与管截面积成反比，截面积越小，流速越大；反之， 截面积越大，流速越小。
备注：此规律与管路的布置形式及管路上是否有管件、 阀门或输送设备无关。
此式也表明，在稳定流动系统中，流通截面积最小的地 方，流体的流速最快。
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8
二、总质量衡算-连续性方程的推导
qm U 2qmgz21 2qm u2 2p2qV,2
上式经整理，可得
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21
一、流动系统的总能量衡算方程
Ugzu 22(pv)Q eW e （1-33） 式1-33即为
定态流动过程的总能量衡算方程
化工原理天大柴诚敬
22
一、流动系统的总能量衡算方程
动能校正系数
式1-33中的动能项为单位质量流体的平均动能， 以单位质量流体由截面1－1进入控制体为例，应该 按照下式计算
u 2 z 2 m ,1q 1 mA 1u 2 z 2 uzdA 1u 1 1A 1 A 11 2uz 3dA 1
显然
化工原理天大柴诚敬
23
一、流动系统的总能量衡算方程
令动能校正系数：
1 u3A
u3dA
A
则上式变换为
u2z2m,1u212u131A1
A1uz3dA1
u12 2
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17
一、流动系统的总能量衡算方程
流体由1-1截面流入与由2－2截面流出控制体的能 量速率包括：
内能： 由截面1-1进入 q m U 1 (J/s) 由截面2-2流出 q m U 2 (J/s)
位能： 由截面1-1进入 由截面2-2流出
q m g z1
qm gz2
(J/s) (J/s)
q m 1 u 1 A 1 2 u 2 A 2 u A 常 数
(1-30)
表明：在定态流动系统中，流体流经各截
面时的质量流量恒定。
化工原理天大柴诚敬
7
二、总质量衡算-连续性方程的推导
对于不可压缩流体，ρ=常数，则为
q V ,s u 1 A 1 u 2 A 2 u A 常 数 (1-31)
基准水平面： 0-0′水平面
图1-12 流动系统的总能量衡算 1-换热器; 2-流体输送机械
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15
一、流动系统的总能量衡算方程
推导思路：
总能量 衡算
机械能 衡算
不可压缩流体 机械能衡算
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16
一、流动系统的总能量衡算方程
则热力学第一定律可表述为
流出能量速率－流入能量速率= 从外界的吸热速率+作功机械对流体作功速率
图1-11 管路系统的总质量衡算
根据质量守恒原理可得
dM
qm,2 qm,1 d 0
（1-28）
化工原理天大柴诚敬
5
二、总质量衡算-连续性方程的推导
对于定态流动， dM/d0
则
qm,1 qm,2
或 1u1A12u2A2
(1-29)
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6
二、总质量衡算-连续性方程的推导
推广到管路上任意截面
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一、流动系统的总能量衡算方程
换热器向控制体内流体
所加入的热量速率为
Q
(J/s)
输送机械向控制体内流 体所加入的外功速率为
Pe
(J/s)
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20
一、流动系统的总能量衡算方程
根据能量守恒定律，可得 q m U 1 q m g z11 2q m u 1 2p 1 q V ,1 Q P e
不可压缩流体
q V ,s u 1 A 1 u 2 A 2 u A 常 数 圆形管道 u 1 ( d 2 ) 2 管内定态流动的连续性方程
u2 d1
注意：以上各式的适用条件
例10、例11（P26）
化工原理天大柴诚敬
10
化工原理天大柴诚敬
11
化工原理天大柴诚敬
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第一章 流体流动
1.4 流体流动的基本方程 1.4.1 总质量衡算-连续性方程 1.4.2 总能量衡算方程