清华大学化工原理共67页
化工原理(清华大学)01第一章流体流动1
第二节 流体静力学方程
一、静力学基本方程 静止状态下的静压力：
方向→与作用面垂直 各方向作用于一点的静压力相同 同一水平面各点静压力相等（均一连 续流体）
1m3为基准，总质量＝A＋B＋C
液体： 1Kg混合液为基准，
质量分率：X w1 X w2
XW1 XW2
总体积 ＝A＋B＋C
第一章 第一节
二、压力
1 atm =1.013×105 N/m2 =10.33 m(水柱) = 760 mmHg 压力表：表压＝绝压－大气压
第一章 第二节
二 、流体静力学方程的应用
1、压差计
p1 p2 (A B )gR
微差压差计
(1)D : d 10 :1
(2)
B
与
很接近
A
第一章 第二节
2、液面计
3、液封
4、液体在离心力场内的静力学平衡
p
p
r
r
第一章 第二节
m
yi
M 1/ 2
ii
/
yi
M
1/ i
2
( yi摩尔分率，M i分子量)
第一章 第一节
第一章 流体流动
第一节 流体流动中的作用力 第二节 流体静力学方程 第三节 流体流动的基本方程 第四节 流体流动现象 第五节 流体在管内流动阻力 第六节 管路计算 第七节 流量的测定
第一章 流体流动
第一节 流体流动中的作用力
化工原理(清华大学) 第三章 流体流过颗粒和颗粒层的流动1
p
d
3 pi
ni
(
/
xiΒιβλιοθήκη 6)pd3 pi
代入：1/ d pm (xi / d pi )，d pm 1/ (xi / d pi )
非球形：d pi dev
3、分形维
(fractal)--fractional(分数的，碎的)
海岸线、山脉、粗糙断面，极不规则
二维平面
D
N 2
D维客体，N最小数，σ截面积
第三章 流体通过颗粒及颗粒床层的流动
第一节 概述 第二节 流体通过颗粒的流动 第三节 颗粒在流体中的流动 第四节 流体通过颗粒床层流动 第五节 固体流态化
第二节 流体通过颗粒的流动
曳力和曳力系数
曳力：固体颗粒流动方向受到的力
FD = f (L,u,p,)，u相对速度
FD
AW sindA
pcosdA
化工原理（清华大学） 第三章 流体流过颗粒和颗粒层的流动
1
目
录
绪论
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
流体流动 流体输送机械 流体流过颗粒和颗粒层的流动 非均相物系的分离 传热 蒸发 总结
第三章 流体通过颗粒及颗粒床层的流动
第一节 概述 第二节 流体通过颗粒的流动 第三节 颗粒在流体中的流动 第四节 流体通过颗粒床层流动 第五节 固体流态化
A
光滑球体：FD / Ap CD(u2 / 2)
Ap流动方向投影面积
CD f (Rep)，Rep 颗粒Re数 dpu /
二、流体通过球形颗粒
速度很小：爬流 FD=3dpu， 表面曳力占2/3， 形体曳力占1/3。
实验求得：
1、层流区
Re p 2，CD＝24 / Re p FD ,u
化工原理(清华大学)第四章干燥DRY5
通过恒定干燥条件下的 干燥实验测得干燥曲线, 进 而求出干燥速度曲线, 目的 是为了求算干燥时间, 并了 解干燥过程中水迁移机理.
1. 恒定干燥条件
• 恒定空气的温度和湿度及流速. • 大量的空气对小量的物料进行干燥实验.
2. 干燥曲线
X
T t
3. 干U
Sdt Sdt
调整 恒速 降速
X* Xc
X
3. 干燥速度曲线(2)
• 临界含水量 Xc
– 物料性质 – 干燥器形式 – 操作条件
• 降速阶段有多种情况
4. 水迁移机理
• 恒速阶段
– 表面有足够的水分供蒸发 – 或者, 内部水分能够及时地迁移到表面
• 毛细管流动 (多孔物质) • 分子扩散 (无孔物质)
• 降速阶段
– 表面没有足够的水分供蒸发
• 含量少了 • 内部水分不能及时补充
– 空气可能进入多孔物质的内部, 而计算蒸发面积时 仍以外表面为准.
化工原理课件_
17
单元操作过程进行的方式
连续操作
原料不断地从设备一端送入，产品不断从另一端送出。 特点：物料的组成、温度、压强等参数仅随位置的不同 而不同，不随时间的变化而变化 U=U(x,y,z) 化工生产过程多数为连续稳定过程
2
志于道， 据于德， 依于仁， 游于艺。
----论语
化工与材料工程学院---Department of Chemical and Materials Engineering
化工原理教学安排及要求
• 1．本学期化工原理讲课学时安排
《化工原理》上册，教学大纲共计48学时。 – 绪论 – 第一章 流体流动 – 第二章 流体输送机械 – 第四章 流体通过颗粒层的流动 – 第五章 颗粒的沉降和流态化 – 第六章 传热 2学时 14学时 8学时 6学时 4学时 14学时
一个化工产品生产要经过很多步骤
化工与材料工程学院---Department of Chemical and Materials Engineering
9
乙炔法制聚氯乙烯
C2 H 2 HCl C2 H 3Cl C2 H 3Cl n
合成 聚合
乙炔 氯化氢 原料提纯
间歇操作
每次操作之初向设备内投入一批物料，经过一番处理 后，排除全部产物，再重新投料。 特点：不稳定操作 U=U(x,y,z,θ)
化工与材料工程学院---Department of Chemical and Materials Engineering
18
2、三传:《化工原理》的共同规律和联系
动量传递：流体内部由于动量、密度的空间分布不均 而引起动量在时空中的传递过程。
(完整版)化工原理课件(天大版)
返回 30 03:06:50
4. 流体的特征
具有流动性； 无固定形状，随容器形状而变化； 受外力作用时内部产生相对运动。
不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化， 如液体；
可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化， 如气体。 返回 31
13.7
QL 13.7kW
热损失：
100% 6.54%
257.3 47.8
返回 23 03:06:50
例4 非稳定热量衡算举例
罐内盛有20t重油，初温
T1=20℃，用外循环加热法 水蒸气
进行加热，重油循环量
W=8t/h。循环重油经加热
冷 凝
器升温至恒定的100℃后又 水
W=8t/h T3=100℃
基本单位：7个，化工中常用有5 个，即长度（米），质量（千 克），时间（秒），温度（K）， 物质的量（摩尔）
➢ 物理单位 基本单位：长度（厘米cm），质 制（CGS制） 量（克g），时间（秒s）
➢ 工程单 位制
基本单位：长度（米），重量或力 （千克力kgf），时间（秒）
我国法定单位制为国际单位制（即SI制） 返回 11
化工生产过程中，流体（液体、气体）的流动 是各种单元操作中普遍存在的现象。如：
传热 — 冷、热两流体间的热量传递； 传质 — 物料流间的质量传递。 流体流动的强度对热和质的传递影响很大。 强化设备的传热和传质过程需要首先研究流体的流动 条件和规律。 因此，流体流动成为各章都要研究的内容。流体 流动的基本原理和规律是“化工原理” 的重要基础。
化工原理(清华大学)第三章流体流过颗粒和颗粒层的流动
第三章流体通过颗粒及颗粒层的流动Key words：Equivalent diameter, Specific surface, Drag coefficient第一节概述固定床反应器流化床反应器化工单元中经常遇到→多相流过滤吸附－离子交换沉降······一、单颗粒的特性及表征：大小颗粒的特性表面积形状1、对于球形颗粒，只用直径d P可以表征V＝36pdπS=2pdπa=6pSV d=2、对于非球形颗粒：当量直径球形度d ev=d es，d ea= 6/a，d ea=6/a=26/(/)ev es evV S d d d=令=2）＝（esevddφ非球形颗粒表面积球形颗粒表面积与非球形颗粒体积相同<1 ，称作球形度；ea evd dφ=es evd d=两个参数：d ev、φ⇒V=(π/6)d ev3，S＝φπ/2evd，a=6/ev dφ正方体φ＝0.805，直径与高相等圆柱0.874，一般在0.6~0.7之间。
二、颗粒群的特性及表征：1、粒度分布：d p < d pi的质量分率为F i，d pmax处F=1.0（F：粒度分布函数）1/()/i i p p pi if X d d F d+=-=∆∆()pidi pF f d d=⎰⋅()1pf d d∞⎰⋅=（f：粒度分布密度函数）2、平均直径：利用体积表面积直径： 球形：236/6i p i p i i pm a n d n d d ππ==∑∑ 336(/6)ii i p p i ip p iX x n d n d πρπρ==代入：1/(/)pm ip id x d=∑ 1/(/)pm i p i d x d =∑非球形： pi ev d d φ=3、分形维：fractional fractal ⇐)((分数的，碎的) 海岸线、山脉、粗糙断面，→极不规则二维平面 N 2D -∝σ D 维客体，N 最小数，σ截面积第二节 流体通过颗粒的流动一、曳力和曳力系数 sin cos D WAAF dA p dA ταα=+⎰⎰曳力：固体颗粒流动方向受到的力 F D = f (L,u,p,μ)，u 相对速度光滑球体：2/(/2)D P D F A C u ρ= A p 流动方向投影面积 (Re )p p C f = Re p 颗粒Re 数＝/p d u ρμ 二、流体通过球形颗粒：速度很小：爬流 3D p F d u πμ= 表面曳力占2/3，形体曳力占1/3 实验求得：① 层流区 Re 2p < 24/Re ,D pD C F u μ=⇒∝⑵ 过渡区 2<Re p <1000 0.61.40.618.5/Re D p D C F u μ=⇒∝③ 湍流区 1000<5Re 210p <⨯20.44D D C F u =⇒∝↑形体曳力④ 湍流边界层区 5Re 210p >⨯ 1.0=D C (边界层分离点后移)三、流体通过不规则颗粒以不同φ值，D C ~Re ev 关系，↑↓D C φ第三节 颗粒在流体中流动Key words ：Terminal velocity, Gravity settling process, Centrifugal settling process, Porosity, Pressure drop in bed一、重力沉降：存在Δρ，在力场作用下存在相对运动，加速 → 等速→ 终端速度u t对于球形颗粒：232()642t p p Dpu d g C d ρππρρ-=(Re )t D p u C f ==⑴ 层流区：D C ＝24/Re ，2()/18.t p p u d g Stokes eq ρρμ=-⑵ 过渡区 2Re 1000<<， 0.618.5/Re D p C =.t u Allen eq =⑶ 湍流区 51000Re 210<<⨯ ，0.44D C =.t u Newton eq =二、颗粒沉降的计算方法⑴ 试差法 u t → 区域，C D → u t ⑵ 通过不含u t (d)的数群：313222Re /Re 4()/3Re4()/3t p p t D p p D p tu d u C d g C g u ρμρρρμμρρρ-==⇒=-=-，21Re Re Re Re p D t t D p d C u u C d -→−−−→→→−−−→→查图查图； ⑶ 无因次判据K层流区上限 Re 2p = 32Re /()/18p p t p p d u d g ρμρρρμ==-令32()/p p d g K ρρρμ-= 36≤K 层流区 同样，湍流区下限Re 1000p =，Re 1000p p d ρμ=⨯=≥5103.3⨯≥K 湍流区三、影响颗粒沉降的其它因素原讨论范围 ① 球形颗粒② 颗粒沉降互不干扰 ③ 忽略器壁阻滞作用④ ｄ不可过小 ｄ不小于2～3ｍμ１、非球形颗粒 Δ形体影响 d e v ，Φ → C DΔ沉降方位，以投影圆直径为d e ， ２、干扰沉降：Δ密度和粘度大于清液的悬浮体系中（浮力↑，阻力↑） Δ颗粒向下，流体向上补充，影响其它颗粒↓ hold up>10% ３、器壁影响 碰撞 D<100d 显著 四、离心沉降321()6p p d r πρρω-，2r ω取代ｇt u =ｃ离心分离因数 2/C K r g ω=沉降速度：层流 K C 倍； 湍流 C K 倍第四节 流体通过颗粒床层流动一、颗粒床层特性：1、空隙率：ε床层总体积－颗粒总体积＝床层总体积ε的影响因素： 大小分布、不均匀ε↓ d P /D ↓ ε↓ 形状，（表面粗糙度）Ф↓ε↑ 充填方式 乱堆，振动ε↓ 湿堆ε↑ 2、床层各向同性： 各颗粒的定向性是随机的横截面上 自由截面/床截面＝ε (壁效应ε↑，u ↑，适当↓d P /D) 3、床层比表面)1(ε-=⨯≤a aa B 床层体积颗粒体积二、流体通过固体床层的流动：< 流道弯曲，截面变化，流动方向不同 >模型法：长度为L e 一组平行管 细管表面积＝全部表面积细管全部流动空间＝ε· 总体积 1、床层当量直径： 4444()(1)6(1)ea eB B d d a a εεεεε⨯⋅==⋅--流道截面积体积＝＝润湿周边体积 主要与ea d 有关2、流体通过床层的压降：2114)2(1)e f e eB eB L u u p u L kL d d a ρελεε∆====-（，，23(1)ff p a u p p L ελρε∆-'=∆=∆，(，忽略位头)三、模型参数估值：(Re )B f λ'＝， 1Re Re 4(1)(1)6(1)eB PB d u u u a a ρερρμεεμεμε==⋅⋅==--- ① Kozeny 公式：Re B <2, 滞流， 5.0Re b λ'＝，223(1)5.0f p a u L εμε∆-= ② Ergun 公式： 4.17Re b λ'＝+0.29， 6ev d aφ=22323(1)1150 1.75()f ev evp u u Ld d εμερεφεφ∆--=+ Re 6(1)Re ea p B d u ρεμ==-(Re 10()Re 1000()p p p p d d <>小第二项略；大第一项略)四、因次分析法与数学模型法：列出主要影响因素 真实过程→ 物理模型 通过无因次化减少变量数 物理模型的数学描述 实验求取变量关系 实验检验、参数估值 模型：简单、不失真→某方面等效 目的：压降特性：爬流，阻力与表面关系第五节 固体流态化大量固体颗粒，由于流体流动悬浮于流体之中。
化工原理(清华大学)02第二章流体输送机械1
QT 2 b2g
ctg 2
泵一定：r2，b2，2一定, HT A - BQT
2、讨论
后弯片：ctg2 >0（2 <90°)， QT↑， 则HT↓
径向片：ctg2 =0 （2 =90°) ， HT与QT无关
前弯片：ctg2 <0 （2 >90°) ， QT↑，则 HT↑
后弯片：静压能比例↑
pmin临界值：pv
2、允许吸上真空度 pmin 很 难 测 定 ， 一 般 以 入 口 压 力 p1
代替。
HS ( po p1) / g
HS：代表1处的真空度(m液柱)
3、允许吸上高度
入口到储槽液面的最大垂直距离
Hg
po p1
g
u2 2g
h（f 允许安装高度）
( po p1) / g数值上 HS
《化 工 原 理》
（上）
主讲人：戴猷元
2003.2
目
录
绪论
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
流体流动 流体输送机械 流体流过颗粒和颗粒层的流动 非均相物系的分离 传热 蒸发 总结
第二章 流体输送机械
第一节 概述 第二节 离心泵 第三节 其它类型泵 第四节 气体输送和压缩设备
第一节 概述
前弯片：流速过大，冲击损失大
3、理论压头与实际压头 (1)叶片间环流（并非无限多）
u 2 ，c 2 比实际小 (2)磨擦损失 Friction 与u2成正比。 (3)冲击损失 2：设计取值
三、离心泵的主要性能参数
1、流量 m3/h , 与转速、尺寸、结构 有关
2、压头H z p / g H f
化工原理(清华大学)总结
总结一、把握基本概念：①p 与p f的关系a)均匀管路p gz p fb)均匀水平管路p p fc)均匀管路，忽略汽，p p f（气体固定床）d)均匀管路，忽略z ，p p f过滤②＝du速度梯度，粘度定义dy③p床重/床截面＝ L 1S gL g又p p f L g（忽略，p p f）p f L 1S g④1 1 d O RS1d O RS 21k O idi d m Oa) K 的基准面； b)K 值接近那个值；c)强化那一部分。
⑤ 流动变化的判据泵流量变化的图形⑥单效蒸发器， X 1(F，X 0， t0不变 )分析原因(Q L=0)a)说明 Q Q=KS T mb)T m ⑴t m TS t1 T S⑵蒸发室压力p C,t1⑶完成液排出量， L，t1c)K⑴不凝气，α 冷凝，K⑵液层变化使循环速度，α沸， K ⑶事故引起结垢，（析晶） K二、熟悉比较方法：1、基准：⑴衡算基准：单位时间？单位质量？着眼物料？⑵比较基准：真空旋转过滤：一周→ q (V)一小时→ Q792、对比方法：⑴状态不同： a)p f u, p fu 2b)F D u, F D u 1.4 0.6 F D u 2⑵状态相同： V S1 :V S 2d 15 / 1l 1 : d 25 /2l 2⑶工况变化：u 0.8 d 0.2三、明确解题思路：1、首先分清操作型或设计型，明确计算要求2、选择直接求算或对比求算方法（如数据不足时）3、逐步递推，谨慎代入4、计算数据要有量级的概念5、工况变化要注意其造成的所有变化。
例：实验室中恒压过滤悬浮水溶液432×10-42p = 9.807× 10 Pa ， q e = 0.01 m /m ， k = 1.936 m /s 悬浮液固相分率（质量）7％， S = 2000kg/m 33滤并不可压缩，含水 30％（质量）， 水 = 1000kg/m利用真空转筒过滤机，滤布相同，过滤同一体系D=1.5m L=1.0m =120n=0.5/min 真空度 8.0× 104Pa求生产能力 Q 和滤并厚度 H３解： 1ｍ 滤液为基准，固相衡算77 1v2000v20007 9330702000100020001000v0.0722 m 3 / m 3K2 k p 2p/ 0 rvK ' K p1.579 10 4 m 2 / spAD L1. 5 1 4.27m11 2 03 6 0/ n5 6 04 0s0.eq e 2 / K ' 0. 021 / 1. 5 7 9 41 0 s 0. 6 3qKeq e 0.07 m 3 / m 280V q A0. 073 4. 7 1 0. m3 3Q 6 0 n V 6 030. 5 0. 3 3 m9. 9 h /H3q v 0. 0 7 0. 0 7 2 2 5. 0 5 m1 0例：一列管换热器，用 110℃饱和水蒸汽加热管内湍流流动(Re > 104)空气，t1=30oC，t 2=45oC，若空气增加一倍，t 1=30oC，求 t2和 D 的变化（忽略管壁，垢，Q L =0，忽略空气出口t2变化）原工况： 11011045306580w c p 4 5 3 0K i s i80 65w c p K i s i/ l n ( 8 0 / 6 5l n ( 8 0 / 6 5 )现工况： K i20.8K i 1.74 K i110110t2'30110- t2'80t mt 2'30ln(80/(110 t))2wc p t 230 1.74 K i s i t 230t ))ln(80 /(110wc p0.87 K i80 s i / lnt 2110t 243.2℃Q2wc p t2t1243.2301.76＝wc p t2t14530QQ Dr ,D 1.76D81。
化工原理完整(天大版)PPT课件
.
返回 16 2020/5/23
F=1000 20%
W, 0.0%
蒸发器 422K
S 50%
冷却结晶器 311K
R, 37.5%
P 1-0.04
解题思路：题求三个量，如何列物料衡算式。
首先考虑划定适宜的物衡范围以利于解题。
1．求KNO3结晶产品量P
按虚线框作为物料衡算范围，只涉及两个未知量。
GI=GO+GA .
返回 17 2020/5/23
KNO3 组分的物料衡算： F20% = W 0% + P (100 － 4) % 1000 20% = 0 + P 96 % 则：P = 208.3 kg/h
2．水分蒸发量W (物衡范围同1.) 总物料衡算式： F = W + P 则：W = F－P = 1000－208.3 = 791.7 kg/h
.
返回 12 2020/5/23
0.3 物料衡算与能量衡算
☆ 稳定操作
以单位时间为基准， 如 ： h ， min ， s 。 参数=f(x,y,z)
非稳定操作
以每批生产周期所用 的时间为基准。参数 =f(x,y,z,)
=0
=
uA恒定
.
uB 返回 13
2020/5/23
dy
dz
三维
微分衡算(非稳态)
.
返回 15 2020/5/23
例1(清华版，P6)：稳态时的总物料衡算及组分物料衡算
生产KNO3的过程中，质量分率为0.2的KNO3水溶液， 以 F = 1000 kg/h 的流量送入蒸发器，在422K下蒸发 出部分水得到50%的浓KNO3溶液。然后送入冷却结晶器， 在311K下结晶，得到含水0.04 的KNO3结晶和含KNO3 0.375的饱和溶液。前者作为产品取出, 后者循环回到 蒸发器。过程为稳定操作，试计算KNO3结晶产品量P、 水分蒸发量W和循环的饱和溶液量R。
化工原理(清华大学)第五章传热
) 0.14
w
Re 2300, 0.6 Pr 6700 Re Pr d 10
（短管） w 壁温下粘度。 t (t1 t2) / 2
2) Gr 25000 Nu 0.74Re 0.2 Gr Pr 0.1 Pr 0.2 或 f
0.8 1 0.015 Gr 1/3
水平管、 Re 2300, / d 50
58
q=dQ/ds J/m s
Q、 q、及有关物理量（进出口 不随时间变化 稳态
T， t）
Q s qds
q： 不随 变化（沿管长变化）
不稳定：夹套加热
QT
Qd
0
第二节 热传导
一、温度场和温度梯度：
在 θ 时刻物体（或空间）各点温度分布
t = f (x,y,z, )
若与 θ无关 稳定温度场
相同 t 连结组成等温面
短> 长
当 / d 60 ，校正项 (1 (d / ) 0.7 ) 。例如： / d 30 ~ 40 ，校正项： 1.07~1.02
2)高粘度流体（温差过大） Nu 0. 0 2 7 R0 . e8 P0 .r3 3 (w / 0 )
/ d 60，Re 10000，Pr0.7 ~16700
定性尺寸 di
dQ K dS T t
dS*有基准问题，取 dSo
若存在污垢：
Ri R1 R2 R3 RS1 RS 2
二、传热系数 K ： w/m 2K K 与一定的表面积相关联（取基准）
平壁 dSo dS i dS m
圆筒壁： 1 K
dSo i dSi
阻力为各部分的加和： 1 K
dS o 1
dSm
o
Ri
K 代表局部性质（ i , o 局部性质） dS
化工原理-恒沸精馏67页PPT
ห้องสมุดไป่ตู้化工原理-恒沸精馏
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
谢谢