1、化工基础第一章 绪论学习化工基础的重要性1.改善专业知识结构2.科技发展和经济建设的需要3.中等教育结构改革的需要 基本要求 1.了解本课程的性质.内容和目的;2.初步理解四个基本规律在化工中的应用;3.熟悉并掌握国际单位制;4.了解化工过程开发(从实验室研究到工厂生产)的一般步骤。11.1化工学科的内容 化学工程 研究化工生产中的共同性操作的规律及其工程性质的问题 化学工艺 也称为化工生产技术。指将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，包括实现这种转变的全部化学的和物理的措施11 本课程的内容和学习目的本课程的内容和学习目的一、化学工程一、化学工程化学工程的发展阶段化学工程的发展阶
2、段：在在20世纪前的几百年时间里，出现了不少化学工业，如制世纪前的几百年时间里，出现了不少化学工业，如制糖工业、制碱工业、造纸工业等。介绍每一种工业从原料到糖工业、制碱工业、造纸工业等。介绍每一种工业从原料到成品的生产过程，作为一种特殊的知识讲解，这是最早的化成品的生产过程，作为一种特殊的知识讲解，这是最早的化学工程学学工程学。1.单一化学工艺学阶段单一化学工艺学阶段2.单元操作阶段单元操作阶段 20世纪初，人们逐渐发现，许多门化学工业中存在共同的操世纪初，人们逐渐发现，许多门化学工业中存在共同的操作原理。例如，无论是制糖业还是制碱业，从溶液蒸发得到固体作原理。例如，无论是制糖业还是制碱业，从
3、溶液蒸发得到固体糖和固体碱的原理是相同的，于是，蒸发成为最早提出的单元操糖和固体碱的原理是相同的，于是，蒸发成为最早提出的单元操作之一。经不断总结，被称为单元操作的有：流体流动与输送、作之一。经不断总结，被称为单元操作的有：流体流动与输送、沉降与过滤、固体流态化、传热、蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃沉降与过滤、固体流态化、传热、蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等。取、干燥、结晶、膜分离等。3.传递过程阶段传递过程阶段 到到20世纪世纪50年代，人们又发现，各单元操作之间还存年代，人们又发现，各单元操作之间还存在着共性。例如，传热和蒸发都是热量传递的形式，蒸馏、在着共性。例如，传热和
4、蒸发都是热量传递的形式，蒸馏、吸附、吸收、萃取都是质量传递的形式。于是，把单元操吸附、吸收、萃取都是质量传递的形式。于是，把单元操作归纳为动量传递、热量传递和质量传递。作归纳为动量传递、热量传递和质量传递。20世纪世纪50年代中期，化学工程中出现了年代中期，化学工程中出现了“化学反应工化学反应工程学程学”这一新的分支。对化学反应器的研究，不仅要运用这一新的分支。对化学反应器的研究，不仅要运用化学动力学和热力学原理，而且要运用动量、热量和质量化学动力学和热力学原理，而且要运用动量、热量和质量传递原理。于是传递原理。于是“传递过程传递过程”与与“反应工程反应工程”成为当今成为当今化学工程学的两大支
5、柱。简称化学工程学的两大支柱。简称“三传一反三传一反”阶段。阶段。4.“三传一反三传一反”阶段阶段硫酸生产硫酸生产：矿石粉碎矿石粉碎焙烧制焙烧制SO2 除尘除尘精制精制转化转化吸收吸收 H2SO4。合成氨合成氨：以煤（石油或天然气）以煤（石油或天然气）造气造气精制精制合成合成分离分离氨。氨。原料原料前处理前处理化学处理（核心）化学处理（核心）后处理后处理产品产品 （或中间产品）（或中间产品）单元操作：指在各种化工产品的生产过程中，具有共同单元操作：指在各种化工产品的生产过程中，具有共同的物理变化，遵循共同的物理学定律和具有共同作用的的物理变化，遵循共同的物理学定律和具有共同作用的基本操作。基本
6、操作。二、化学工艺二、化学工艺 化学工艺具有个别生产的特殊性，即生产不同的化学产品要采化学工艺具有个别生产的特殊性，即生产不同的化学产品要采用不同的工艺，即使生产相同产品，但原料路线不同时，也要采用不同的工艺，即使生产相同产品，但原料路线不同时，也要采用不同的化学工艺。尽管如此，化学工艺所涉及的范畴是相同的，用不同的化学工艺。尽管如此，化学工艺所涉及的范畴是相同的，一般包括原料的选择和预处理，生产方法的选择及方法原理；设一般包括原料的选择和预处理，生产方法的选择及方法原理；设备的作用、结构和操作；催化剂的选择和使用；其他物料的影响；备的作用、结构和操作；催化剂的选择和使用；其他物料的影响；操作
7、条件的影响；生产控制；产品的分离；能量的利用于回收等。操作条件的影响；生产控制；产品的分离；能量的利用于回收等。11.2 学习本课程的目的学习本课程的目的 1、熟悉化工生产中所涉及的基本原理和典型设备，以及它们在化工生产中的应用 2、认识化工生产中分析问题解决问题的途径 3、有助于指导化学科研工作目的目的：学习方法：学习方法：原料、生产方法和产品的多样性与复杂性原料、生产方法和产品的多样性与复杂性 向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高 是多学科合作、生产技术密集型的生产部门是多学科合作、生产技术密集型的生产部门 重视能量合理利用，积极采用节能工艺
8、和方法重视能量合理利用，积极采用节能工艺和方法 易燃、易爆、有毒仍然是现代化工企业首要解决的问易燃、易爆、有毒仍然是现代化工企业首要解决的问题题12 化工生产的特点化工生产的特点13 化工中的一些基本规律化工中的一些基本规律 质量守恒（物料衡算）质量守恒（物料衡算）能量守恒（能量衡算）能量守恒（能量衡算）平衡关系平衡关系 过程速率过程速率1-3.1质量守恒（物料衡算）：质量守恒（物料衡算）：质量守恒表现为物料衡算，其依据是质量守恒定质量守恒表现为物料衡算，其依据是质量守恒定律。它反映一个过程中原料、产物、副产物等之律。它反映一个过程中原料、产物、副产物等之间的关系，即进入的物料量必等于排出的物
9、料量间的关系，即进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的积累量。和过程中的积累量。进入的物料量输出的物料量系统内的积累量积累积累 MM入入M出出系系 统统图图1-1 物料衡算示意图物料衡算示意图物料衡算式物料衡算式：M入 M出 M连续稳定流动连续稳定流动：M入 M出 进行物料衡算时，必须明确下面几点：进行物料衡算时，必须明确下面几点：1.首先要确定衡算的系统，即衡算对象包括的范围。首先要确定衡算的系统，即衡算对象包括的范围。2.其次要确定衡算的基准。其次要确定衡算的基准。3.然后确定衡算的对象。然后确定衡算的对象。4.最后还要确定衡算对象的物理量及单位。最后还要确定衡算对象的物理量及单位。例例
10、1-1 每小时有每小时有10 吨吨 5 的乙醇水溶液进入精馏塔，的乙醇水溶液进入精馏塔，塔顶馏出的产品中含乙醇塔顶馏出的产品中含乙醇 95，塔底排出的废水中含乙，塔底排出的废水中含乙醇醇 0.1。求每小时可得产品多少吨？若废水全部排放，。求每小时可得产品多少吨？若废水全部排放，每年（按操作每年（按操作 7200小时小时 计）损失的乙醇多少吨？计）损失的乙醇多少吨？精馏塔精馏塔原料液原料液含乙醇含乙醇510吨吨/时时乙醇产品乙醇产品含乙醇含乙醇95含乙醇含乙醇0.1 废水废水例例1-1 附图附图解：解：已知已知：原料液流量及其中乙醇含量原料液流量及其中乙醇含量产品和废水中乙醇含量产品和废水中乙醇
11、含量确定：确定：衡算范围：衡算范围：衡算对象衡算对象：衡算基准：衡算基准：设：产品流量为设：产品流量为 X 吨吨/时、废水流量为时、废水流量为 Y 吨吨/时时。由物料衡算式由物料衡算式：M入入 M出出对物流的量进行衡算：对物流的量进行衡算：10 X +Y (1)对乙醇的量进行衡算：对乙醇的量进行衡算：10 5 X 95+Y 0.1 (2)X 0.516 吨吨/时时 Y 9.484 吨吨/时时 每年损失乙醇：每年损失乙醇：9.484 0.1 7200 68.28 吨吨/年年1-3.2能量守恒（能量衡算）：能量守恒（能量衡算）：能量衡算的依据是能量守恒定律。能量衡算的依据是能量守恒定律。能量衡算的
12、目的是：能量衡算的目的是：计算单位产品的能耗计算单位产品的能耗了解过程中能量的利用和损失情况了解过程中能量的利用和损失情况确定生产过程中需要输入、输出的热量确定生产过程中需要输入、输出的热量设计换热设备设计换热设备积累积累 QQ入入Q出出系系 统统图图1-2 能量衡算示意图能量衡算示意图热量衡算式：热量衡算式：Q入入 Q出出 Q稳定的连续性操作：稳定的连续性操作：Q入入 Q出出 1-3.3 平衡关系平衡关系 有关平衡的规律可以预测过程能够达到的极限有关平衡的规律可以预测过程能够达到的极限 可以确定当时条件下物料或能量能够利用的极限可以确定当时条件下物料或能量能够利用的极限 可以考察外界参数对平
13、衡的影响和体系中物料状态对平可以考察外界参数对平衡的影响和体系中物料状态对平衡转化率的影响，从而优化条件衡转化率的影响，从而优化条件 衡量过程的效率，从而找出改进的方法衡量过程的效率，从而找出改进的方法1-3.4 过程速率过程速率 过程速率决定设备的生产能力，过程速率越过程速率决定设备的生产能力，过程速率越高，设备生产能力越大，或设备的尺寸越小。高，设备生产能力越大，或设备的尺寸越小。过程阻力过程推动力 过程速率（过程速率（r）在实际工作中，一个过程以多快的速率由不平衡向在实际工作中，一个过程以多快的速率由不平衡向平衡移动是极为重要的问题平衡移动是极为重要的问题。14 从实验室研究到工厂生产从
14、实验室研究到工厂生产 将实验室研究扩大为生产规模，使新产品、新工将实验室研究扩大为生产规模，使新产品、新工艺或新技术在工业装置中运转或转变为生产的全过程艺或新技术在工业装置中运转或转变为生产的全过程称为化工过程开发。称为化工过程开发。实验室研究（小试）实验室研究（小试）可行性研究可行性研究 中间试验（中试）中间试验（中试）工业装置的设计和投产工业装置的设计和投产国际单位国际单位SI（共（共7种）种）1960年，电流安培（A）长度单位（m）时间单位（s）质量单位（kg）热力学温度（k）发光强度（cd）1971年，物质的量（mol）第二章流体的流动与输送基本要求 理解本章的基本概念，流体静止和流动
15、时的基本规律.基本原理，掌握基本方程的计算及应用。了解流体输送机械流体流体 气体气体 液体液体流体的概念：流动的物质，没有固定的形状，气体、液体的统称。21 一些基本概念一些基本概念21.1理想流体和实际流体 理想流体：不具有粘性，在流动过程中不产生摩擦阻力；实际流体：具有粘性，流动时产生摩擦阻力。理想流体是一种假设的概念,是对实际流体在某些条件下的简化处理。理想气体状态方程理想气体状态方程RTMmnRTpV以当时条件与标准条件对比时：00TVpTpVo21.2 流体的密度、相对密度和比容流体的密度、相对密度和比容1 1流体的密度流体的密度 流体的密度流体的密度单位体积流体的质量。用单位体积流
16、体的质量。用 表示，属于物表示，属于物 性。性。国际单位用国际单位用kg/m3 Vm对于液体，压强的变化对密度的影响很小，可以忽略，称为不可压缩性流体不可压缩性流体。此时，密度随温度而改变，在使用液体的密度时，要注意温度条件。对于气体，密度随T、P改变很大，称为可压缩性流体可压缩性流体，此 时，tfptf,气体的密度必须标明其状态。获得方法：获得方法：（1）查物性数据手册）查物性数据手册（2）公式计算：）公式计算：由理想气体方程求得操作条件（T,P）下的密度nRTPV VmRTPM2、相对密度：是指在共同的特定条件下，一个物质的密度 与另一个物质的密度之比值，用 d 表示。21d在一般情况下是
17、以水作参照物，其值相当于比重,4水Cd34/1000mkgC 水3.比容 是指单位质量的物料所具有的体积,是密度的倒数。单位 为m3/kg。1mV21.3 流体的压力及其测量流体的压力及其测量 压强的定义 流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强流体的压强，简称简称压压强强。用用p表示表示，工程上习惯称之为工程上习惯称之为压力压力。数学表达式为：AFp SI制单位：N/m2，即Pa。推论：推论：换算关系为：压强的表示方法1 atm(标准大气压)=1.013105 Pa =760 mmHg=10.33 mH2O=1.033公斤(力)/厘米2设容器底面积为A液
18、柱高h，液体密度，则液体作用在底面的力为F 等于液柱重量：F=mg=Ahg N作用在单位底面上的压力：p=F/A=hg N/m2当液体一定，、g一定为常数，所以可用高度h的大小表示压力P的大小：h=p/g m其它常用单位有：atm（标准大气压）、工程大气压kgf/cm2、流体柱高度（mmH2O，mmHg等）。表压强表压强=绝对压强绝对压强-大气压强大气压强 2）表压 强（表压）：1）绝对压强（绝压）：以当时当地的大气压为起点的压力称为表压。即绝对 压强与大气压强之差。流体体系的真实压强称为绝对压强。它是以真空为起点的压力 用不同密度的两种液体表示同一压强：Ah A=B h B 用同一液体表示不
19、同种压强：P Ah A=PAhA压强的基准 3）真空度：真空表的读数，当绝对压强小于大气压强时，真空度真空度=大气压强大气压强-绝对压强绝对压强绝对压强、真空度、表压强的关系为 绝对零压线大气压强线A绝对压强表压强B绝对压强真空度 当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。如：4103Pa（真空度）、200KPa（表压）。例：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80103pa，在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真空表的读数应为多少？（兰州地区的平均大气压强为85.3103pa,天津地区的平均大气压强为101.33103pa,）、流体静力学基本方程方程的推导方程的推导在1-1截
20、面受到垂直向下的压力 ApF11在2-2 截面受到垂直向上的压力：ApF22液柱本身所受的重力：gzzAVgmgW21因为小液柱处于静止状态，0F01112gzzAFF两边同时除A 02112zzgAFAF02112zzgpp2112zzgpp令 hzz21则得：ghpp12若取液柱的上底面在液面上，并设液面上方的压强为P0，取下底面在距离液面h处，作用在它上面的压强为P pp 201pp ghpp0流体的静力学方程流体的静力学方程 表明在重力作用下，静止液体内部压强的变化规律方程的讨论方程的讨论2）当液面上方的压强P0有改变时,液体内部各点的压强P也发生同样的改变。即：液面上所受的压强能以同
21、样大小传递到液体内部的任一点。3）静止流体内部任一点的压强是液面深度的函数，距液面越深，则压强越大。1）在连续.静止的同一液体内,处于同一水平面上各点的 压 强相等。4）ghPP0可以改写成 hgPP0 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。、流体压力的测量、流体压力的测量 U形管形管常用指示液：水（着色水），油，四氯化炭等，它必须满足：与被测的液体互不相溶且不发生化学反应 它的密度必须大于被测流体的密度。aaPP 根据流体静力学方程 RzgPPa1gzgRPPa02 021gZgRPRZgP若被测流体是气体,通
22、常0上式可解化为:得：gRpp021gRpp)(021例例 如附图所示，水在管道中流动。为测得如附图所示，水在管道中流动。为测得A-AA-A、B-BB-B截面的压力差，截面的压力差，在管路上方安装一在管路上方安装一U U形压差计，指示液为水银。已知压差计的读数形压差计，指示液为水银。已知压差计的读数R R150mm150mm，试计算，试计算A-AA-A、B-BB-B截面的压力差。已知水与水银的密度分别为截面的压力差。已知水与水银的密度分别为1000kg/m1000kg/m3 3和和13600 kg/m13600 kg/m3 3。解：解：图中，图中，1-1面与面与2-2面间面间为静止、连续的同种
23、流体，且为静止、连续的同种流体，且处于同一水平面，因此为等压处于同一水平面，因此为等压面，即面，即11pp 22pp gmppA1又又gRRmgpgRpgRppB002021)(gRRmgpgmpBA0)(所以所以 gRppBA)(0整理得整理得 由此可见，由此可见，U形压差计所测形压差计所测压差的大小只与被测流体及指示压差的大小只与被测流体及指示剂的密度、读数剂的密度、读数R有关，而与有关，而与U形形压差计放置的位置无关压差计放置的位置无关 、流量、流量 单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。若流量用体积来计量，称为体积流量，用qv表示；单位为m3/s。若流量用质量来计量，称为质量流
24、量，用qm表示；单位kg/s。体积流量和质量流量的关系是：vmqq 、流速、流速 单位时间内流体在流动方向上流过的距离，称为流速以u表示，单位为m/s。数学表达式为：21.4 流量和流速流量和流速Aquv流量与流速的关系为：uAqvuAqm24dA24dquv流体输送管道通常是圆管，若管道直径为d，则：uqdv4管道直径的计算式管径的初选 在管路设计中，适宜的流速的选择十分重要。若流速选得太大，流体流过管路时的阻力增大，操作费用增加；若流速选得太小，管径增大，管路的基建费增加。应在操作费与基建费之间通过经济权衡来确定适宜的流速 一般来说，液体的流速取0.53.0m/s，气体则为1030m/s管
25、材有一定的规格，用公称直径Dg表示，P29表23 定态流动流动系统中若任一截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而改变，而不随时间而改变上述物理量不仅随位置而且随时间 变化的流动。21.5 定态流动和非定态流动定态流动和非定态流动2 非定态流动非定态流动 在流动过程中，在流动过程中，流体在任一截面上流体在任一截面上的物理量既随位置的物理量既随位置变化又随时间而变变化又随时间而变化的流动。化的流动。22 流体定态流动时的衡算流体定态流动时的衡算22.1 流体定态流动时的物料衡算流体定态流动时的物料衡算 流体流动过程中流体流动过程中 涉及三大守恒定律：涉及三大守恒定律：质量守恒质量守恒动
26、量守恒动量守恒能量守恒能量守恒 质量衡算质量衡算 连续性方程是连续性方程是质量守恒定律质量守恒定律的一种表现形式，本节的一种表现形式，本节通过物料衡算通过物料衡算进行推导。进行推导。22.1 流体定态流动时的物料衡算流体定态流动时的物料衡算 1.物料衡算的结果-连续性方程在稳定流动系统中，对直径不同的管段做物料衡算衡算范围：取管内壁截面1-1与截面2-2间的管段。衡算基准：1s 对于连续稳定系统：m1=m2 qm1=qm2 uAqm222111AuAu如果把这一关系推广到管路系统的任一截面，有：常数uAAuAuqm222111 若流体为不可压缩流体 常数uAAuAuqqmv2211稳定流动的连
27、续性方程稳定流动的连续性方程 对于圆形管道 表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。2121221ddAAuu思考：思考：如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？m 1 m m 2 21mmm2211AuAuuA 例例:如附图所示的输水管道，管内径d1=2.5cmd2=10cm；d3=5cm。（1）当流量为4L/s时，各管段的平均流速为若干？（2）当流量增至8L/s或减至2L/s时，平均流速如何变化？(2)各截面流速比例保持不变，流量增至8L/s时，流量增为原来的2倍，则各段流速亦增加至2倍，即u116.3m/s
28、，u2=1.02m/s，u3=4.08m/s流量减小至2L/s时，即流量减小1/2，各段流速亦为原值的1/2，即u14.08m/s，u2=0.26m/s，u3=1.02m/s解(1)1 流体流动时具有的流体流动时具有的机械能形式机械能形式内能：物质内部能量的总和称为内能。单位质量流体的内能以U表示，单位J/kg。位能：流体因距某基准高度而具有的能量。质量为m流体的位能=m g H 单位质量流体的位能=g H 22.2 流体定态流动时的能量衡算流体定态流动时的能量衡算柏努力方程 动能：流体以一定的流速流动而具有的能量。质量为m，流速为u的流体所具有的动能)(212Jmu单位质量流体所具有的动能)
29、/(212kgJu静压能：是流体处于当时压力p下所具有的能量，即指流体因被压缩而能向外膨胀作功的能力，其值等于pV()通常，将位能.动能.静压能称为机械能。对于理想流体，它的密度不随压强而改变，粘度为0，温度及内能均不变，所以只有机械能的变化。mV 2.流体流动的能量衡算伯努利方程式流体流动的能量衡算伯努利方程式（1）理想流体伯努利方程式：理想流体伯努利方程式：设在设在1 1、2 2截面间没有外界能量输入，液体也没有向截面间没有外界能量输入，液体也没有向外界作功，则外界作功，则mkg理想液体所具有的机械能为定值。理想液体所具有的机械能为定值。Qe 2 换换热热器器 2 H2 流流体体入入 1
30、泵泵 H1 1 He 1 流流体体出出 衡算范围：截面1-1和截面2-2间的管道和设备。衡算基准：mkg流体。设1-1截面的流体流速为u1，压强为P1，截面积为A1;截面2-2的流体流速为u2，压强为P2，截面积为A2。取o-o为基准水平面，截面1-1和截面2-2中心与基准水平面的距离为H1，H2 根据稳定流动系统的能量衡算式有：输入能量=输出能量输入能量=mgH1+mu21/2+p1v 输出能量=mgH2+mu22/2+p2v 22221222mumuum位能：=mgH2mgH1动能：静压能：vpvppv12柏努利方程柏努利方程 物理意义：对于理想流体，在没有外加能量的情况下流动时，在管道任
31、意截面处的三种形式的机械能总和保持不变。2222121122pmummgHpmummgH式中每一项表示一牛顿的流体所具有的能量，称为压头H项，位压头，u2/2g，动压头，P/g，静压头、Hf，损失压头，He：输送设备对流体所提供的外加压头。在实际流体的流动中，有阻力产生，为了达到生产要求,有额外的附加功。因为是m kg的液体,同时除以mg,得到:gpguHgpguH2222121122（2）实际流体伯努利方程式：实际流体伯努利方程式：feHgpguHHgpguH2222121122(1N)（3）功率的计算功率的计算功率是指单位时间耗用的能量，可按下式求算：功率是指单位时间耗用的能量，可按下式求
32、算：eveagHqppPa，Pe-分别为实际功率和理论功率（有效功率），单位为分别为实际功率和理论功率（有效功率），单位为kW;-输送的效率。输送的效率。3、柏努利方程式的应用、柏努利方程式的应用 1）应用柏努利方程的注意事项应用柏努利方程的注意事项 作图作图 根据题意作出流动系统的示意图，并指明流体的流动方 向，使问题直观化。截面的截取截面的截取 根据题意，在连续流动的系统中选取两个截面。两截面都应与流动方向垂直，并且两截面的流体必须是 连续的，所求得未知量应在两截面或两截面之间，截面的有关物理量H、u、p等除了所求的物理量之外，都必须是已知的或者可以通过其它关系式计算出来。基准水平面的选取
33、基准水平面的选取 选取基准水平面的目的是为了确定流体位能的大小，实 际上在柏努利方程式中所反映的只是位能差的数值。所以基 准水平面的位置可以任意选取，但必须与地面平行，位能中 心的H值指截面中心点与基准水平面之间的垂直距离。为了计算方便，通常取基准水平面通过衡算范围的两个截面中的任意一个截面。如该截面与地面平行，则基准水平面与该截面重合H=0，如衡算范围为水平管道，则基准水平面通过管道 中心线，H=0。单位必须一致单位必须一致 在应用柏努利方程之前，应把有关的物理量换算成一 致的单位，然后进行计算。两截面的压强除要求单位一致 外，还要求表示方法一致。2）、柏努利方程的应用、柏努利方程的应用 例
34、：例：如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管为高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管为452.5mm的钢的钢管，要求送液量为管，要求送液量为3.6m3/h。设料液在管内的压头损失为。设料液在管内的压头损失为1.2m，（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？多少米？解：解：如图所示，如图所示，取高位取高位槽液面为槽液面为1-1截面，进料管截面，进料管出口内侧为出口内侧为2-2截面，以过截面，以过2-2截面中心线的水平面截面中心线的
35、水平面0-0为基准面。为基准面。在在1-1和和2-2截面间列柏努利方程截面间列柏努利方程（由（由于题中已知压头损失，以于题中已知压头损失，以单位重量流体为基准计算单位重量流体为基准计算比较方便）比较方便）feHgpugHHgpugH222212112121其中：其中：H1=h；因高位槽截面比管道截面大得多，故槽内流因高位槽截面比管道截面大得多，故槽内流速比管内流速小得多，速比管内流速小得多，可以忽略不计可以忽略不计，即即u10；p1=0（表（表压）；压）；He=0 H2=0；p2=0（表压）；（表压）；Hf=1.2m)/(796.004.0785.036006.34222smdquv将以上各值
36、代入上式中，可确定高位槽液位的高度)(23.12.1796.081.9212mh 计算结果表明，动能项数值很小，流体位能主要用于克服管路阻力。计算结果表明，动能项数值很小，流体位能主要用于克服管路阻力。解本题时注意，因题中所给的压头损失不包括出口能量损失，因此解本题时注意，因题中所给的压头损失不包括出口能量损失，因此2-2截面截面应取管出口内侧。若选应取管出口内侧。若选2-2截面为管出口外侧，计算过程有所不同。截面为管出口外侧，计算过程有所不同。运动着的流体内 部相邻两流体层间 的作用力，称为流 体的内摩擦力，是 流体粘性的表现，又 称为粘滞力或粘性摩擦力。流体流动时的内摩擦是流体阻力产生的依
37、据。流体流动时的内摩擦是流体阻力产生的依据。23 实际流体的流动实际流体的流动2-3.1粘度粘度 实验证明，对于一定的 液体，内摩擦力F与两流体 层的速度差du成正比，与 两层之间的垂直距离dy成 反比，两层间的接触面积A 成比。单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以表示。F=AF AAF：dydu：dydudydu牛顿粘性定律牛顿粘性定律式中：dydu速度梯度,即在流体流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率：粘度系数，简称为粘度它的值随流体的不同而不同，流体的粘性愈大，其值愈大，单位 由牛顿粘性定律得 dydu 粘度与温度、压强的关系粘度与温度、压强的关系 液体的粘度随温度升高而减
38、小，压强变化时，液体的粘度基本不变。dydu/msmmN)/(/22.mSNSPa.PCPsPa1010001气体的粘度随温度升高而增大，随压强增加而增加的很少，在一般的工程计算中可以予以忽略，只有在极低的 压强下，才需考虑压强对气体粘度的影响。1）、雷诺实验、雷诺实验 滞流或层流湍流或紊流2-3.2 流体流动的形态流体流动的形态2）、雷诺数、雷诺数ReduReRe是一个没有单位，没有因次的纯数。在计算Re时，一定要注意各个物理量的单位必须统一。雷诺准数可以判断流型,它的物理意义是表征惯性力与粘性力之比 层流区层流区2000 Re t2取热流方向微分厚度d进行考察,则在dt的瞬间内传递的热量为
39、dQ42 传传 导导 传传 热热 42.1 热传导基本方程傅立叶定律热传导基本方程傅立叶定律dddtAdQ比例系数，称为导热系数。w/mk 付立叶定律付立叶定律 在稳定导热时,导热量不随时间而改变,即单位时间内的导热量为定值。引入一个比例系数引入一个比例系数,将上式变为一个等式将上式变为一个等式温度梯度,单位为.m-1,表示热流方向温度变化的强度,温度梯度越大,说明在热流方向单位长度上的温度差就越大。ddtAQ负号表示传热的方向与温度升高的负号表示传热的方向与温度升高的方向相反方向相反ddt2）导热系数 一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体的较小，气体的最小。（金属）（非金属）（固
40、体）（液体）（气体）（紧密）（疏松）ddtA 物性之一：是物质导热能力的标志,与物质种类、热力学状态（T、P）有关。物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，即：当物体两个面（等温面）间温差为1K，厚度为1m时，每经过1m2传热面积所能传导的热量。故物质的越大，导热性能越好。在数值上等于单位温度梯度下的传热强度，是物质的物理性质之一。固体的导热系数固体的导热系数 纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低，金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增 大，也随温度升高而增大。液体的导热系数液体的导热系数 液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液
41、体的导热系数随温度的升高而略有减小，气体的导热系数气体的导热系数 气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。气体的导热系数随温度升高而加大。在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小 注意：注意：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同，因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平 均值。1）、单层平壁的稳定热传导、单层平壁的稳定热传导 边界条件为：n=0时，t=t1 n=时，t=t2 21ttAQ 42.2 平面壁的定态热传导平面壁的定态热传导RtAtt热阻推动)(21力qA R导热热阻，传导距离越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大。t：壁面两侧的温度差。：壁面
42、两侧的温度差。2）、多层平壁的稳定热传导、多层平壁的稳定热传导 1211ttAQAt11111Rt2322ttAAt22222Rt3433ttAAt33333Rt11QRt,22QRt 33QRt 321321RRRtttQAAAtt33221141推广到n层平壁有：niiinniinAttRttQ111111 多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程 的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为 各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。例例:有一锅炉墙,有下列三种材料组成,耐火砖1=1.4w.m-1.c-1，1=225mm，保温砖2=0.15w.m-1.c-1,2=115mm,
43、建筑砖3=0.8w.m-1.c-1 3=225mm,今测得其内壁温度为930,外壁温度为55,求每秒钟每平方米壁面损失的热量,并求出各层接触面上的温度。43 对对 流流 传传 热热传热方式传热方式热辐射热辐射热对流热对流热传导热传导 43.1 对流传热机理对流传热机理一、对流传热机理一、对流传热机理 对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中在滞流内层热阻主要集中在滞流内层。减薄滞流内层的厚 度是强化对流传热的主要途径。流体沿固体 壁面的流动 流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。在垂直于流动方向上不存 在热对流，该方向上的热传递仅为流 体的热传导。该层中温度差较大，
44、即 温度梯度较大。滞流内层缓冲层热对流和热传导作用大致相同，在该层 内温度发生较缓慢的变化。湍流主体温度梯度很小，各处的温度基本相同。2、牛顿传热方程、牛顿传热方程据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：对流传热阻力对流传热推动力对流传热速率牛顿冷却定律牛顿冷却定律 21ttAQ工程上AttaQ)(21推动力：壁面和流体间的温度差 阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。对流传热速率方程可以表示为：Q=t/R R=1/aA)(令对流传热系数a定义式：tAQ a,对流传热的传热膜系数,也称为给热系数，其物理意义是指当流体主体与壁面间温度差为1k时，每秒通过1m2壁面所传给流体的
45、热量为1J。单位W/m2.k。反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。、流体的流动形态和对流情况、流体的物理性质：密度、比热cp、导热系数、粘度等；、传热温度、流体传热时的相变化、传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、排列方式、垂直或水平放置等。1、影响因素 43.2 对流传热膜系数对流传热膜系数2、传热过程的特征数 对流给热系数的因素非常多，工程上采用因次分析和实验的方法确定不同影响因素之间的具体关系，所有这些关系式统称为对流给热系数的经验关联式。准数名称准数名称符符 号号意意 义义努塞尔特准数努塞尔特准数（NusseltNusselt）NuNu=d/=d/表示对流传热系表示对
46、流传热系数的准数数的准数雷诺准数雷诺准数 （ReynoldsReynolds）Re=du/Re=du/确定流动状态的确定流动状态的准数准数普兰特准数普兰特准数 （PrandtlPrandtl）Pr=cPr=cp p/表示物性影响的表示物性影响的准数准数格拉斯霍夫准数格拉斯霍夫准数（GrashofGrashof）GrGr=gtd=gtdi i3 32 2/2 2 表示自然对流影表示自然对流影响的准数响的准数 44 热交换的计算热交换的计算 在实际生产中，需要冷热两种流体进行热交换，但不允在实际生产中，需要冷热两种流体进行热交换，但不允许它们混合，为此需要采用间壁式的换热器。此时，冷、许它们混合，
47、为此需要采用间壁式的换热器。此时，冷、热两流体分别处在间壁两侧，两流体间的热交换包括了固热两流体分别处在间壁两侧，两流体间的热交换包括了固体壁面的传导传热和流体与固体壁面间的对流传热。关于体壁面的传导传热和流体与固体壁面间的对流传热。关于传导传热和对流传热在前面已介绍过，本节主要在此基础传导传热和对流传热在前面已介绍过，本节主要在此基础上进一步讨论间壁式换热器的传热计算。上进一步讨论间壁式换热器的传热计算。44.1 总传热速率方程总传热速率方程 化工生产中的冷热流体的热交换，其热量通过壁面传给冷流体，实际上包括对流-传导-对流的传热过程，间壁两侧流体的热交换过程包括三个串联的传热过程。流体在换
48、热器中的温度分布如图所示.热流体的对流传热：热流体的对流传热：)(111wTTA管壁热传导：管壁热传导：)(2wwmtTA冷流体的对流传热冷流体的对流传热)(223ttAw对于稳定传热：对于稳定传热：321总热阻总推动力221122111111AAAtTAttAtTATTmwmwww1 1当传热面为平面时，当传热面为平面时，A=AA=A1 1=A=A2 2=A=Am m，则：，则：tKAtTKAtTA)(11)(21mtKAQK换热器的传热系数，物理意义：在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传 热速率。K值越大，则单位传热面积所传递的热量就越多。若间壁为平面壁或近似平面壁则：A1=A2=A
49、3其中其中21111K式中式中 K总传热系数总传热系数，wm-2K-1。对流传热阻力对流传热推动力对流传热速率总传热方程式我们还可以改写为：=R，R就相当于系统的总热阻。KA1Q Rt2当传热面为圆筒壁时，两侧的传热面积不等，则：当传热面为圆筒壁时，两侧的传热面积不等，则：221122111111AAAtTAttAtTATTmwmwwwtAKAAAAtTAm112211111)(22111111AAAAKmtAKAAAAtTAm222211221)(22112211mAAAAKtAKAAAAtTAmmmm22111)(22111AAAAKmmmlrA112lrA222lrAmm21212ln)
50、(rrrrrmrm 对数平均半径，对数平均半径，Am 对数平均面积对数平均面积例：有一列管式换热器，被加热的原油流经列管内，给热系数a1=100 W/m2.k，列管外用饱和水蒸气加热，蒸汽的给热系数a2=10000W/m2.k，列管有53mm1.5mm的钢管组成，钢的导热系数为50 W/m2.k，管壁有一垢层，其热阻为R=0.0005m2.k.w-1,试计算该换热器的总传热数值,若其它条件不变,管内外给热系数分别提高一倍,试分别计算其总传热系数。4 44.2 4.2 传热系数的大致范围传热系数的大致范围4 44.3 4.3 传热温差传热温差1.1.定态恒温传热的传热温差：定态恒温传热的传热温差
