化工原理绪论至第一章第二节new
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1 2 P 1 2 P2 1 z1 u1 he z2 u2 hf 2g g 2g g
m
z ——位压头
u2 ——动压头 2g
总压头
p ——静压头 g
he——外加压头或有效压头。 Σhf——压头损失
1 2 P 1 2 P2 1 gz1 u1 we gz2 u2 w f 2 2
p f ——压力损失
讨论 ： （1）若流体处于静止，u=0，Wf=0，We=0，则柏努 利方程变为 p1 p2 z1 g z2 g
1 2 P 1 2 P2 1 gz1 u1 we gz2 u2 w f 2 2
说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表 示流体静止状态的规律 。 （2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、 总压头为常数 （3）若流体流动，且We=0 2 2 p1 u1 p2 u 2 z1 g z2 g f 2 2 因Wf>0，流体将从高能向低能处流动
第一节 流体静止的基本方程
一、密度
ρ=f(T,P,Xi) 常温常压下的气体 （理想气体)
p T0 0 p0 T
pM RT
混合气体的密度： 11 2 2 n n 混合液体的密度：
1
a1
1
a2
2
an
n
｛
不可压缩流体：压力或温度改变时其密度随压力 改变很小的流体。
——柏努利方程
能否解释一下唐朝著名诗人杜甫《茅屋为秋风所破歌》所
说的：“八月秋高风怒号，卷我屋上三重茅．” 这一现象？
1912年秋天，当时世界上最大的远洋巨轮“奥林匹克”号 正在大海中航行，在距离他100米以外有一艘比他小的 多的“豪克”号铁甲巡洋舰，正与它高速平行行驶着。突 然间，这艘“豪克”号像着了魔法似的失去控制，向巨轮 冲过来，把巨轮的船舷撞了一个大洞
机械能：位能、动能、静压能及外功，可用于输 送流体； 内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。 系统中无热交换器： qe=0
流体温度不变： U1=U2 1 2 P 1 2 P2 1 gz1 u1 we gz2 u2 2 2
1 2 P 1 2 P2 1 gz1 u1 gz2 u2 2 2
《化工原理》
参考书目
1. 《化工原理》，姚玉英等，天津大学出版社 2. 《化工原理》，黄少烈等，高等教育出版社 3. http://202.194.4.88:8080/hgyl/
绪论
一、课程的背景和内容
1880年左右 英国曼彻斯特地区制碱业污染检查员G.E.戴维斯:
化学工业发展中所面临的许多问题往往是工程问题。 各种化工生产工艺，都是由为数不多的基本操作如蒸馏、 蒸发、干燥、吸收和萃取组成的。
N s 2 Pa s m
1 Pa.s =10 P =1000 cP 粘度物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。 液体 : f (T ) T↑→↓
气体 : 一般 f (T ) T ↑ → ↑ 超高压 f ( p, T ) p ↑ → ↑ 理想流体:μ=0，速度分布均匀
'
p2,u2,2
z2 We
'
pV0 p 1kg的流体所具有的静压能为 m （5）热
(J/kg)
0
设换热器向1kg流体提供的热量为q e (J/kg)。
注意：吸热为正，放热为负 （6）外功(有效功) 1kg 流 体 从 流 体 输 送 机 械 所 获 得 的 能 量 为 We (J/kg)。 注意：接受外功为正，对外作功为负
理想流体： =0 实际流体：
牛顿型流体
Hale Waihona Puke 非牛顿型流体du n 0 K( ) dy
输入=输出 二、质量衡算 ——连续性方程
1
2
ms1 ms 2
1u1 A1 2 u 2 A2
1
2
推广到管的任一截面：
ms 1u1 A1 2 u 2 A2 uA 常数
1 2
3a
3b
三、机械能衡算方程 理想流体
qe
2 2
'
p2,u2,2
p1,u1,1 z1 0
1 z2
'
1
We
'
0
衡算范围：1-1′、2-2′截面以及管内壁所围成的空间
衡算基准：1kg流体 基准面：0-0′水平面 （1）内能
1 p1,u1,1 z1 0 1
'
qe
2 2
'
p2,u2,2
z2 We
(3)在重力场中，同一水平面上各点的静压力相等， 但随位置高低而变。
gz P 常数
P2 P1 g z1 z 2
讨论：
流 体 静力学 方 程
(1)适用于重力场中静止连续不可压缩流体 注意：连续流体 ——同一种， 流体不能间断
（2）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的
例如： 甲醇的生产： 合成气（CO，H2，CO2）→输送→管式反应器→粗甲醇→冷却 →精馏→精甲醇（99.85~99.95%）
苯的生产：
原料油（甲苯、二甲苯）、H2→输送→加热→反应器→减压蒸
馏塔→精馏→苯（99.992~99.999%）
1915年麻省理工学院A.D.利特尔: 任何化工生产过程，无论其规模大小都可以用
1912年秋天，当时世界上最大的远洋巨轮“奥林匹克”号 正在大海中航行，在距离他100米以外有一艘比他小的 多的“豪克”号铁甲巡洋舰，正与它高速平行行驶着。突 然间，这艘“豪克”号像着了魔法似的失去控制，向巨轮 冲过来，把巨轮的船舷撞了一个大洞
为什么到水流湍急的江河里去游泳是很危险的？ 为什么火车行驶时严禁人们进入安全线以内的区域 ？
qe
2 2
'
p2,u2,2
p1,u1,1 z1 0
1 z2
'
1
We
'
0
1 2 p1 1 2 p2 U 1 z1 g u1 We qe U 2 z 2 g u 2 2 1 2 2
1 2 p1 1 2 p2 U 1 z1 g u1 We qe U 2 z 2 g u 2 2 1 2 2
气固 吸附
精馏
讲述重要且常用的单元操作的基本原理、工艺计算和 设备设计、造型等内容。
——化工原理 Principles of Chemical Engineering (1923)
啤酒工艺流程图
二、守恒定律
｛
质量守恒定律—— 物料衡算 能量守恒定律 —— 热量衡算
基本公式：输入=输出+积存
稳定过程：输入=输出 注意：衡算范围、衡算基准、衡算温度（热量衡算）
表
压 = 绝对压力 － 大气压力
真空度 = 大气压力 － 绝对压力
p1
表压 大气压 2.记录真空度或表压时， 真空度
绝对压力
p2
绝对压力
应注明当地大气压；
若未注明，则认为1atm。
绝对真空
三、流体静力学方程 静止流体内部任一点的压力，称为该点的流体静压力 特点：(1)从各方向作用于某一点上的静压力相等； (2)静压力的方向垂直于任一通过该点的作用平面
扩大室内径与U管内径之比应 大于10 。
p1 p 2 Rg ( A C )
例：蒸汽锅炉上装一复式U型水银测压计，如图所 示 ， 截 面 2,4 间 充 满 水 ， 对 某 一 基 准 面 而 言 ： Z0=2.1m,Z2=0.9m,Z4=2.0m,Z6=0.7m,Z7=2.5m， 试求锅炉内水面上的蒸汽压强。
三、单元操作的研究方法
1 实验研究法
2 数学模型法
计算公式
｛
理论公式 经验公式
四、工程观点 培养具有运用课程有关理论来分析和解决生产过程中
常见实际问题的能力。
过程影响因素多 过程制约条件多 经验公式与经验数据多
效益是评价工程合理性的最终判据
第一章
流体流动
流体：化工过程处理加工的对象，包括气体和
可压缩流体： 有显著的改变。
注意：输送过程中若压力及温度改变不大,则气体可作不可压缩处理
二.压力 流体的压力指的是流体垂直于单位面积上的力 1atm=101300Pa=10.33mH2O=760mmHg
1.压力数值用绝压或真空度表示时，应分别注明， 如：200KPa（绝），700mmHg（真空）；未注明视为表压。
——平均速度 ms Vs uA GA
(二)、稳定流动与不稳定流动 按流体流动时的流速及其他和流动有关的物理量（如压 力、密度）是否随时间而变化
流动可分为：
｛
稳定流动
u 0 t
不稳定流动
(三)、粘度
内摩擦力： 剪应力： 牛顿粘性定律
N 2 粘度 u m m s y m
液封高度的计算 液封作用： 确保设备安全：当设备 内压力超过规定值时，气 体从液封管排出； 防止气柜内气体泄漏。 液封高度：
p(表) h g
第二节
一、概述 （一）、流量与流速 体积流量： Vs 质量流量： 流速：
V
流体流动的基本方程
m s Vs
m
ms
u
Vs A
m s Vs 质量流速： G A A u
液体。
流体输送：化工过程中最普遍的单元操作之一。
本章学习内容：与流体输送有关的基本原理。
流体：由大量质点组成，完全充满所占空间的连续介质。
保持流体宏观力学性质的最小流体单元， 是由大量分子构成的微团； 其几何尺寸大大大于分子，而远远小于管路或容器的几何尺寸。
注意： 连续性在高真空稀薄气体的情况下不适用。 流体的流动：流体内部无数质点运动的总和
为什么到水流湍急的江河里去游泳是很危险的？ 为什么火车行驶时严禁人们进入安全线以内的区域 ？
实际流体 粘度 机械能损失
克服阻力所消耗的机械能ωf ——每单位质量流体通过划定体积的过程 中所损失能量
1 2 P 1 2 P2 1 gz1 u1 we gz2 u2 w f J/kg 2 2
四、流体静力学方程的应用 利用流体静力平衡原理进行压力的测量
（一）U型压差计
指示液液体A：与被测流体不互溶，不发生化学反应，且ρA>ρ p2 p1 z1 R R A A’
p1 z2
p2
m
A
A’
（二）双液体U管压差计 适用于压差较小的场合。
密度接近但不互溶的两种指示
液A和C ( A C ) ；
压力处处相等。压力相等的面称为等压面。
（3）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的 压力也将发生相应的变化。
1、密度、压力 不可压缩流体 真空度、表压 2、流体静力学方程
gz P 常数
例：如图中所示的开口容器内盛有油和水。油层高 h1=0.7m, ρ1=800kg/m3,水层高h2=0.6m, ρ2=1000kg/m3。 问：（1）判断下列关系是否成立：PA=PA‘，PB=PB‘ （2）计算水在玻璃管内的高度h
若流体不可压缩： Vs u1 A1 u 2 A2 uA 常数
u1 A2 d 2 圆形管道 ： u2 A1 d 1
2
1、流量与流速
2、粘度
3、连续性方程
Vs u1 A1 u 2 A2 uA 常数
例1：如图所示，管路由一段内径60mm的管1、一段 内径100mm的管2及两段内径50mm的分支管3a及3b连接 而成。水以5.0×10-3m3/s的体积流量自左侧入口送入， 若在两段分支管内的体积流量相等，试求各段管内的 流速。
一系列称为单元操作的技术来解决
物理性、 共有操作
相同的基本原理
如流体输送、过滤、加热、冷却、蒸馏、吸收 以热量传递为基础 以流体流动（动量传递）为基础 以质量传递为基础
流体 输送 气体 液化
过滤 与 沉降
搅拌
动量传递
液体 汽化
喷雾 干燥
流态 化
蒸发 浓缩
热量 传递
质量 传递
气液 吸收 液液 萃取
加热 冷却 结晶
1 1 2 z1g u1 p1 We z 2 g u2 2 p2 W f 2 2 1 1 2 z1g u1 p1 We z 2 g u2 2 p2 p f 2 2
式中各项单位为 J kg kg 3 J m3 Pa m
'
贮存于物质内部的能量。
（2）位能
0
1kg流体具有的内能为U（J/kg）。 流体受重力作用在不同高度所具有的能量。
1kg的流体所具有的位能为zg（J/kg）。 （3）动能 1 2 u (J/kg) 1kg的流体所具有的动能为 2
qe
2 2
'
（4）静压能
V 静压能= Fl pA pV A
1 p1,u1,1 z1 1
m
z ——位压头
u2 ——动压头 2g
总压头
p ——静压头 g
he——外加压头或有效压头。 Σhf——压头损失
1 2 P 1 2 P2 1 gz1 u1 we gz2 u2 w f 2 2
p f ——压力损失
讨论 ： （1）若流体处于静止，u=0，Wf=0，We=0，则柏努 利方程变为 p1 p2 z1 g z2 g
1 2 P 1 2 P2 1 gz1 u1 we gz2 u2 w f 2 2
说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表 示流体静止状态的规律 。 （2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、 总压头为常数 （3）若流体流动，且We=0 2 2 p1 u1 p2 u 2 z1 g z2 g f 2 2 因Wf>0，流体将从高能向低能处流动
第一节 流体静止的基本方程
一、密度
ρ=f(T,P,Xi) 常温常压下的气体 （理想气体)
p T0 0 p0 T
pM RT
混合气体的密度： 11 2 2 n n 混合液体的密度：
1
a1
1
a2
2
an
n
｛
不可压缩流体：压力或温度改变时其密度随压力 改变很小的流体。
——柏努利方程
能否解释一下唐朝著名诗人杜甫《茅屋为秋风所破歌》所
说的：“八月秋高风怒号，卷我屋上三重茅．” 这一现象？
1912年秋天，当时世界上最大的远洋巨轮“奥林匹克”号 正在大海中航行，在距离他100米以外有一艘比他小的 多的“豪克”号铁甲巡洋舰，正与它高速平行行驶着。突 然间，这艘“豪克”号像着了魔法似的失去控制，向巨轮 冲过来，把巨轮的船舷撞了一个大洞
机械能：位能、动能、静压能及外功，可用于输 送流体； 内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。 系统中无热交换器： qe=0
流体温度不变： U1=U2 1 2 P 1 2 P2 1 gz1 u1 we gz2 u2 2 2
1 2 P 1 2 P2 1 gz1 u1 gz2 u2 2 2
《化工原理》
参考书目
1. 《化工原理》，姚玉英等，天津大学出版社 2. 《化工原理》，黄少烈等，高等教育出版社 3. http://202.194.4.88:8080/hgyl/
绪论
一、课程的背景和内容
1880年左右 英国曼彻斯特地区制碱业污染检查员G.E.戴维斯:
化学工业发展中所面临的许多问题往往是工程问题。 各种化工生产工艺，都是由为数不多的基本操作如蒸馏、 蒸发、干燥、吸收和萃取组成的。
N s 2 Pa s m
1 Pa.s =10 P =1000 cP 粘度物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。 液体 : f (T ) T↑→↓
气体 : 一般 f (T ) T ↑ → ↑ 超高压 f ( p, T ) p ↑ → ↑ 理想流体:μ=0，速度分布均匀
'
p2,u2,2
z2 We
'
pV0 p 1kg的流体所具有的静压能为 m （5）热
(J/kg)
0
设换热器向1kg流体提供的热量为q e (J/kg)。
注意：吸热为正，放热为负 （6）外功(有效功) 1kg 流 体 从 流 体 输 送 机 械 所 获 得 的 能 量 为 We (J/kg)。 注意：接受外功为正，对外作功为负
理想流体： =0 实际流体：
牛顿型流体
Hale Waihona Puke 非牛顿型流体du n 0 K( ) dy
输入=输出 二、质量衡算 ——连续性方程
1
2
ms1 ms 2
1u1 A1 2 u 2 A2
1
2
推广到管的任一截面：
ms 1u1 A1 2 u 2 A2 uA 常数
1 2
3a
3b
三、机械能衡算方程 理想流体
qe
2 2
'
p2,u2,2
p1,u1,1 z1 0
1 z2
'
1
We
'
0
衡算范围：1-1′、2-2′截面以及管内壁所围成的空间
衡算基准：1kg流体 基准面：0-0′水平面 （1）内能
1 p1,u1,1 z1 0 1
'
qe
2 2
'
p2,u2,2
z2 We
(3)在重力场中，同一水平面上各点的静压力相等， 但随位置高低而变。
gz P 常数
P2 P1 g z1 z 2
讨论：
流 体 静力学 方 程
(1)适用于重力场中静止连续不可压缩流体 注意：连续流体 ——同一种， 流体不能间断
（2）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的
例如： 甲醇的生产： 合成气（CO，H2，CO2）→输送→管式反应器→粗甲醇→冷却 →精馏→精甲醇（99.85~99.95%）
苯的生产：
原料油（甲苯、二甲苯）、H2→输送→加热→反应器→减压蒸
馏塔→精馏→苯（99.992~99.999%）
1915年麻省理工学院A.D.利特尔: 任何化工生产过程，无论其规模大小都可以用
1912年秋天，当时世界上最大的远洋巨轮“奥林匹克”号 正在大海中航行，在距离他100米以外有一艘比他小的 多的“豪克”号铁甲巡洋舰，正与它高速平行行驶着。突 然间，这艘“豪克”号像着了魔法似的失去控制，向巨轮 冲过来，把巨轮的船舷撞了一个大洞
为什么到水流湍急的江河里去游泳是很危险的？ 为什么火车行驶时严禁人们进入安全线以内的区域 ？
qe
2 2
'
p2,u2,2
p1,u1,1 z1 0
1 z2
'
1
We
'
0
1 2 p1 1 2 p2 U 1 z1 g u1 We qe U 2 z 2 g u 2 2 1 2 2
1 2 p1 1 2 p2 U 1 z1 g u1 We qe U 2 z 2 g u 2 2 1 2 2
气固 吸附
精馏
讲述重要且常用的单元操作的基本原理、工艺计算和 设备设计、造型等内容。
——化工原理 Principles of Chemical Engineering (1923)
啤酒工艺流程图
二、守恒定律
｛
质量守恒定律—— 物料衡算 能量守恒定律 —— 热量衡算
基本公式：输入=输出+积存
稳定过程：输入=输出 注意：衡算范围、衡算基准、衡算温度（热量衡算）
表
压 = 绝对压力 － 大气压力
真空度 = 大气压力 － 绝对压力
p1
表压 大气压 2.记录真空度或表压时， 真空度
绝对压力
p2
绝对压力
应注明当地大气压；
若未注明，则认为1atm。
绝对真空
三、流体静力学方程 静止流体内部任一点的压力，称为该点的流体静压力 特点：(1)从各方向作用于某一点上的静压力相等； (2)静压力的方向垂直于任一通过该点的作用平面
扩大室内径与U管内径之比应 大于10 。
p1 p 2 Rg ( A C )
例：蒸汽锅炉上装一复式U型水银测压计，如图所 示 ， 截 面 2,4 间 充 满 水 ， 对 某 一 基 准 面 而 言 ： Z0=2.1m,Z2=0.9m,Z4=2.0m,Z6=0.7m,Z7=2.5m， 试求锅炉内水面上的蒸汽压强。
三、单元操作的研究方法
1 实验研究法
2 数学模型法
计算公式
｛
理论公式 经验公式
四、工程观点 培养具有运用课程有关理论来分析和解决生产过程中
常见实际问题的能力。
过程影响因素多 过程制约条件多 经验公式与经验数据多
效益是评价工程合理性的最终判据
第一章
流体流动
流体：化工过程处理加工的对象，包括气体和
可压缩流体： 有显著的改变。
注意：输送过程中若压力及温度改变不大,则气体可作不可压缩处理
二.压力 流体的压力指的是流体垂直于单位面积上的力 1atm=101300Pa=10.33mH2O=760mmHg
1.压力数值用绝压或真空度表示时，应分别注明， 如：200KPa（绝），700mmHg（真空）；未注明视为表压。
——平均速度 ms Vs uA GA
(二)、稳定流动与不稳定流动 按流体流动时的流速及其他和流动有关的物理量（如压 力、密度）是否随时间而变化
流动可分为：
｛
稳定流动
u 0 t
不稳定流动
(三)、粘度
内摩擦力： 剪应力： 牛顿粘性定律
N 2 粘度 u m m s y m
液封高度的计算 液封作用： 确保设备安全：当设备 内压力超过规定值时，气 体从液封管排出； 防止气柜内气体泄漏。 液封高度：
p(表) h g
第二节
一、概述 （一）、流量与流速 体积流量： Vs 质量流量： 流速：
V
流体流动的基本方程
m s Vs
m
ms
u
Vs A
m s Vs 质量流速： G A A u
液体。
流体输送：化工过程中最普遍的单元操作之一。
本章学习内容：与流体输送有关的基本原理。
流体：由大量质点组成，完全充满所占空间的连续介质。
保持流体宏观力学性质的最小流体单元， 是由大量分子构成的微团； 其几何尺寸大大大于分子，而远远小于管路或容器的几何尺寸。
注意： 连续性在高真空稀薄气体的情况下不适用。 流体的流动：流体内部无数质点运动的总和
为什么到水流湍急的江河里去游泳是很危险的？ 为什么火车行驶时严禁人们进入安全线以内的区域 ？
实际流体 粘度 机械能损失
克服阻力所消耗的机械能ωf ——每单位质量流体通过划定体积的过程 中所损失能量
1 2 P 1 2 P2 1 gz1 u1 we gz2 u2 w f J/kg 2 2
四、流体静力学方程的应用 利用流体静力平衡原理进行压力的测量
（一）U型压差计
指示液液体A：与被测流体不互溶，不发生化学反应，且ρA>ρ p2 p1 z1 R R A A’
p1 z2
p2
m
A
A’
（二）双液体U管压差计 适用于压差较小的场合。
密度接近但不互溶的两种指示
液A和C ( A C ) ；
压力处处相等。压力相等的面称为等压面。
（3）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的 压力也将发生相应的变化。
1、密度、压力 不可压缩流体 真空度、表压 2、流体静力学方程
gz P 常数
例：如图中所示的开口容器内盛有油和水。油层高 h1=0.7m, ρ1=800kg/m3,水层高h2=0.6m, ρ2=1000kg/m3。 问：（1）判断下列关系是否成立：PA=PA‘，PB=PB‘ （2）计算水在玻璃管内的高度h
若流体不可压缩： Vs u1 A1 u 2 A2 uA 常数
u1 A2 d 2 圆形管道 ： u2 A1 d 1
2
1、流量与流速
2、粘度
3、连续性方程
Vs u1 A1 u 2 A2 uA 常数
例1：如图所示，管路由一段内径60mm的管1、一段 内径100mm的管2及两段内径50mm的分支管3a及3b连接 而成。水以5.0×10-3m3/s的体积流量自左侧入口送入， 若在两段分支管内的体积流量相等，试求各段管内的 流速。
一系列称为单元操作的技术来解决
物理性、 共有操作
相同的基本原理
如流体输送、过滤、加热、冷却、蒸馏、吸收 以热量传递为基础 以流体流动（动量传递）为基础 以质量传递为基础
流体 输送 气体 液化
过滤 与 沉降
搅拌
动量传递
液体 汽化
喷雾 干燥
流态 化
蒸发 浓缩
热量 传递
质量 传递
气液 吸收 液液 萃取
加热 冷却 结晶
1 1 2 z1g u1 p1 We z 2 g u2 2 p2 W f 2 2 1 1 2 z1g u1 p1 We z 2 g u2 2 p2 p f 2 2
式中各项单位为 J kg kg 3 J m3 Pa m
'
贮存于物质内部的能量。
（2）位能
0
1kg流体具有的内能为U（J/kg）。 流体受重力作用在不同高度所具有的能量。
1kg的流体所具有的位能为zg（J/kg）。 （3）动能 1 2 u (J/kg) 1kg的流体所具有的动能为 2
qe
2 2
'
（4）静压能
V 静压能= Fl pA pV A
1 p1,u1,1 z1 1