化工原理第一章緒論

1、化工原理化工原理齊鳴齋齊鳴齋華東理工大學(xué)華東理工大學(xué)緒緒 論論 自然科學(xué)自然科學(xué)工程科學(xué)工程科學(xué) 例如：物理課中，炮彈運(yùn)動(dòng)軌跡的解析解例如：物理課中，炮彈運(yùn)動(dòng)軌跡的解析解一、本課程的產(chǎn)生和發(fā)展一、本課程的產(chǎn)生和發(fā)展 最早對(duì)象：化學(xué)工藝學(xué)最早對(duì)象：化學(xué)工藝學(xué)如聚氯乙烯生產(chǎn)：如聚氯乙烯生產(chǎn)： 溫度溫度, ,壓力壓力, ,催化劑催化劑 chch+hclch2=chcl-ch2-chcln- 單體單體 聚合物聚合物 副反應(yīng)副反應(yīng) chcl-chcl 取走反應(yīng)熱取走反應(yīng)熱2020世紀(jì)初世紀(jì)初(1900)(1900)：各行各業(yè)互不相關(guān)：各行各業(yè)互不相關(guān)二十年代提出二十年代提出單元操作單元操作第一次抽象第一

2、次抽象主要有：主要有：流體輸送流體輸送, ,攪拌攪拌, ,過濾過濾, ,沉降沉降, ,流態(tài)化流態(tài)化 動(dòng)量傳遞動(dòng)量傳遞換熱，蒸發(fā)換熱，蒸發(fā) 熱量傳遞熱量傳遞吸收，精餾，萃取，干燥吸收，精餾，萃取，干燥結(jié)晶，吸附，膜分離結(jié)晶，吸附，膜分離 質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞第二次抽象第二次抽象 傳遞過程傳遞過程二、本課程的主要內(nèi)容和任務(wù)二、本課程的主要內(nèi)容和任務(wù) 內(nèi)容：化工單元操作內(nèi)容：化工單元操作( (以傳遞過程為主線以傳遞過程為主線) ) 任務(wù)：認(rèn)識(shí)過程和設(shè)備的規(guī)律任務(wù)：認(rèn)識(shí)過程和設(shè)備的規(guī)律 應(yīng)用于化工設(shè)計(jì)應(yīng)用于化工設(shè)計(jì), ,生產(chǎn)調(diào)節(jié)生產(chǎn)調(diào)節(jié), ,優(yōu)化操作優(yōu)化操作1 1選擇選擇合理的過程合理的過程, ,設(shè)備設(shè)備

3、2 2強(qiáng)化強(qiáng)化化工過程化工過程, ,設(shè)備設(shè)備3 3將實(shí)驗(yàn)室成果將實(shí)驗(yàn)室成果放大放大到工業(yè)規(guī)模到工業(yè)規(guī)模4 4發(fā)展發(fā)展新技術(shù)新技術(shù), ,新設(shè)備新設(shè)備三、基本的研究方法三、基本的研究方法1 1數(shù)學(xué)分析法數(shù)學(xué)分析法2. 2. 量綱分析實(shí)驗(yàn)研究法量綱分析實(shí)驗(yàn)研究法3. 3. 數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型法 要能要能“由小見大由小見大”，“由此及彼由此及彼” 以前：簡(jiǎn)單問題以前：簡(jiǎn)單問題, ,嚴(yán)格處理嚴(yán)格處理 現(xiàn)在：復(fù)雜問題現(xiàn)在：復(fù)雜問題, ,簡(jiǎn)化處理簡(jiǎn)化處理4. 4. 工程問題處理方法工程問題處理方法四、若干工程觀點(diǎn)四、若干工程觀點(diǎn)1 1衡算觀點(diǎn)：衡算觀點(diǎn)： 輸入輸入+ +生成生成= =輸出輸出+ +積累積累2

4、. 2. 平衡觀點(diǎn)：熱力學(xué)平衡指四大平衡平衡觀點(diǎn)：熱力學(xué)平衡指四大平衡 力平衡：高壓力平衡：高壓-低壓，極限低壓，極限p p相等相等 熱平衡：高溫?zé)崞胶猓焊邷?低溫，極限低溫，極限t相等相等 相平衡：高逸度相相平衡：高逸度相-低逸度相，極限低逸度相，極限f相等相等 化學(xué)平衡：化學(xué)反應(yīng)工程研究，此略化學(xué)平衡：化學(xué)反應(yīng)工程研究，此略 3.3.速率觀點(diǎn)：速率觀點(diǎn)：1 1 概述概述1.1 1.1 流體流動(dòng)的考察方法流體流動(dòng)的考察方法1.1.1 1.1.1 連續(xù)性假定連續(xù)性假定 固體力學(xué)：考察對(duì)象固體力學(xué)：考察對(duì)象-單個(gè)固體，離散介質(zhì)單個(gè)固體，離散介質(zhì) 流體力學(xué)：考察對(duì)象流體力學(xué)：考察對(duì)象-無數(shù)質(zhì)點(diǎn)，連

5、續(xù)介質(zhì)無數(shù)質(zhì)點(diǎn)，連續(xù)介質(zhì)例如點(diǎn)壓強(qiáng)的考察例如點(diǎn)壓強(qiáng)的考察 p (p (正壓力正壓力/ /面積面積) )第一章第一章 流體流動(dòng)流體流動(dòng)質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)-含有大量分子的流體微團(tuán)，其尺寸含有大量分子的流體微團(tuán)，其尺寸 遠(yuǎn)小于設(shè)備尺遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸、遠(yuǎn)大于分子平均自由程寸、遠(yuǎn)大于分子平均自由程連續(xù)性假定連續(xù)性假定-流體是由無數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的，彼此流體是由無數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的，彼此 間沒有間隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)間沒有間隙，完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)目的：可用微積分目的：可用微積分1.1.2 1.1.2 考察方法考察方法拉格朗日法拉格朗日法-選定質(zhì)點(diǎn)，跟蹤觀察描述參數(shù)選定質(zhì)點(diǎn)，跟蹤觀察描述參數(shù) 歐拉法歐拉法-選定空

6、間位置，考察流體運(yùn)動(dòng)參數(shù)選定空間位置，考察流體運(yùn)動(dòng)參數(shù) 軌線與流線的區(qū)別軌線與流線的區(qū)別 同一流體質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻所占空間位置的連線同一流體質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻所占空間位置的連線 同一瞬時(shí)不同流體質(zhì)點(diǎn)的速度方向連線同一瞬時(shí)不同流體質(zhì)點(diǎn)的速度方向連線系統(tǒng)系統(tǒng)與與控制體控制體的區(qū)別的區(qū)別1.2 1.2 流體受力流體受力1.2.1 1.2.1 體積力：作用于體積中的各個(gè)部位，體積力：作用于體積中的各個(gè)部位， 力的大小與體積（質(zhì)量）有關(guān)。力的大小與體積（質(zhì)量）有關(guān)。 如：重力，慣性力，離心力如：重力，慣性力，離心力1.2.2 1.2.2 表面力：表面力： 分解成分解成-垂直于作用面垂直于作用面-壓力壓力 p

7、p - -平行于作用面平行于作用面-剪切力剪切力1.2.3 1.2.3 流體黏性流體黏性黏性的物理本質(zhì)黏性的物理本質(zhì)- 分子間引力和分子熱運(yùn)動(dòng)、碰撞分子間引力和分子熱運(yùn)動(dòng)、碰撞牛頓黏性定律牛頓黏性定律表明流體受剪切力必運(yùn)動(dòng)表明流體受剪切力必運(yùn)動(dòng) 牛頓型流體與非牛頓型流體的區(qū)別牛頓型流體與非牛頓型流體的區(qū)別 =f(=f(物性，溫度物性，溫度) t, ) t, 氣氣，液液理想流體理想流體: : 假定假定=0=01.3 1.3 流體流動(dòng)的機(jī)械能流體流動(dòng)的機(jī)械能 為單位質(zhì)量流體的動(dòng)能為單位質(zhì)量流體的動(dòng)能 gz 為單位質(zhì)量流體的位能為單位質(zhì)量流體的位能 為單位質(zhì)量流體的壓強(qiáng)能為單位質(zhì)量流體的壓強(qiáng)能22u

8、)2(2mum )(mmgz p)(dvpdadl 2 2 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)2.1 2.1 靜止流體的壓強(qiáng)分布靜止流體的壓強(qiáng)分布2.1.1 2.1.1 靜壓強(qiáng)的特性靜壓強(qiáng)的特性任意界面上只受到大小相等方向相反的壓力任意界面上只受到大小相等方向相反的壓力作用于任意點(diǎn)不同方位的靜壓強(qiáng)數(shù)值相等作用于任意點(diǎn)不同方位的靜壓強(qiáng)數(shù)值相等壓強(qiáng)各向傳遞壓強(qiáng)各向傳遞 2.1.2 2.1.2 取控制體作力衡算取控制體作力衡算 , ,同樣同樣 , ,2.1.3 結(jié)合本過程特點(diǎn)解微分方程結(jié)合本過程特點(diǎn)解微分方程重力場(chǎng)得重力場(chǎng)得 x=0, y=0, z=-g因因 , , ,則則積分得積分得 p+gz=常數(shù)常數(shù) 或或等

9、高等壓，等壓面等高等壓，等壓面01 zpz 01 xpx 01 ypy 0 xp0 yp01 dzdpg 2211gzpgzp ghpzzgppaa )(212分析方法（數(shù)學(xué)分析法）分析方法（數(shù)學(xué)分析法）取控制體取控制體作力衡算作力衡算結(jié)合本過程的特點(diǎn)，解微分方程結(jié)合本過程的特點(diǎn)，解微分方程2.1.4 2.1.4 靜力學(xué)方程應(yīng)用條件靜力學(xué)方程應(yīng)用條件同種流體且不可壓縮同種流體且不可壓縮( (氣體高差不大時(shí)仍可用氣體高差不大時(shí)仍可用) )靜止靜止( (或等速直線流動(dòng)的橫截面或等速直線流動(dòng)的橫截面-均勻流均勻流) )重力場(chǎng)重力場(chǎng)單連通單連通2.2 2.2 流體的總勢(shì)能流體的總勢(shì)能 總勢(shì)能總勢(shì)能 （

10、壓強(qiáng)能與位能之和）（壓強(qiáng)能與位能之和） 虛擬壓強(qiáng)虛擬壓強(qiáng)2.3 2.3 壓強(qiáng)的表示方法壓強(qiáng)的表示方法2.3.1 2.3.1 單位單位：n/m2=pa 106pa=1mpa 流體柱高度流體柱高度 ( p=gh ) 1 atm=1.013105pa=760mmhg=10.33mh2o 1 bar=105pa 1 at=1kg(f)/cm2=9.81104pa2.3.2 2.3.2 基準(zhǔn)基準(zhǔn) 表壓表壓= =絕對(duì)壓絕對(duì)壓- -大氣壓大氣壓 真空度真空度= =大氣壓大氣壓- -絕對(duì)壓絕對(duì)壓壓力表讀數(shù)壓力表讀數(shù)表壓；真空表讀數(shù)表壓；真空表讀數(shù)真空度真空度壓力表壓力表2.4 2.4 靜力學(xué)方程的工程應(yīng)用靜力

11、學(xué)方程的工程應(yīng)用2.4.1 2.4.1 測(cè)壓：測(cè)壓：已知：已知：r=180mm, h=500mm求：求：pa=? (絕壓絕壓)，(表壓表壓) 解：解：pb=pa+汞汞gr pb=pa+水水gh pa=pa+汞汞gr-水水gh =1.013105+136009.810.18-10009.810.5 =1.204105pa(絕壓絕壓)pa=1.204105-1.013105=1.91104pa(表壓表壓)2.4.2 2.4.2 煙囪拔煙：煙囪拔煙： pa=p2+冷冷gh pb=p2+熱熱gh 由于由于冷冷熱熱,則則papb 所以拔風(fēng)所以拔風(fēng)煙囪拔風(fēng)的必要條件是什么？煙囪拔風(fēng)的必要條件是什么？2.4.3 2.4.3 浮力的本質(zhì)：浮力的本質(zhì)：物體上下所受壓強(qiáng)不同物體上下所受壓強(qiáng)不同取微元：取微元： 壓差力壓差力= =(p2-p1)da=ghda=gdv排排 v排排=dv排排2.4.4 2.4.4 液封：液封：設(shè)備中壓力要保持，液體要排出，須用液封設(shè)備中壓力要保持，液體要排出，須用液封2.4.4 2.4.4 液封：液封：設(shè)備中