化 工 原 理

1. 化 工 原 理

2. 学 时 安 排 绪论 2 第一章 流体输送 24 第二章 流体输送机械 8 第三章 非均相物系分离 6 第四章 液体搅拌（选学） 0 第五章 传热 20

3. 第六章 蒸发 4 第七章 传质与分离过程概论 6 第八章 气体吸收 20 第九章 蒸馏 22 第十章 液-液萃取和液-固浸取6 第十一章 固体物料的干燥6 总学时 124

4. 教 材 • 柴诚敬主编 • 普通高等教育“十五”国家级规划教材 • 化工原理（上册、下册） • 北京: 高等教育出版社 • 2006年1月

5. 参 考 教 材 (1) 贾绍义,柴诚敬. 化工传质与分离过程. 第二版 北京: 化学工业出版社, 2007 (2) 夏清，陈常贵. 化工原理，下册. 天津: 天津大 学出版社, 2005 (3) W. L. McCabe, J. C. Smith. Unit Operations of Chemical Engineering, 6th ed. New York: McGraw. Hill Inc., 2001

6. 第一章 流体流动Flow of Fluid

7. 流体是气体与液体的总称。 • 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。

8. 1. 研究流体流动问题的重要性

9. 煤气 填料塔 孔板流量计 煤气 水封 泵 水池 水 煤 气 洗 涤 塔

10. 流体流动是最普遍的化工单元操作之一； • 研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。 两类问题： 流体静力学问题 流体动力学问题 研究流体在流动和静止时的规律。

11. 2 . 连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有 间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。 质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备 尺寸、远大于分子自由程。 工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究 流体。

12. 1.1 流体的物理性质 1.1.1 密度 1.1.2 黏度 1.1.3 流体的压缩性和膨胀性

13. 1.1.1 密度 一、定义 单位体积流体的质量，称为流体的密度。 1.1 流体的物理性质 kg/m3 二、单组分密度 • 液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其变 • 化关系可从手册中查得。

14. 气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想 • 气体状态方程计算： 注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度 下之值，若条件不同，则密度需进行换算。

15. ——混合气体的平均摩尔质量 ——气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。 三、混合物的密度 • 混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有 或

16. ——液体混合物中各组分的质量分率。 • 混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有

17. 四.与密度相关的几个物理量 1）比容：单位质量的流体所具有的体积，用υ表示，单位 为m3/kg。 在数值上: 2）比重(相对密度)：某物质的密度与4℃下的水的密度的比 值，用 d 表示。

18. u F dy Y du y u=0 x 0 平板间的流体剪应力与速度梯度 1.1.2 流体的黏性 一、牛顿黏性定律 速度分布（速度侧形）：速度沿距离的变化关系。

19. 平板间的流体剪应力与速度梯度 只有流动的流体才体现黏性： 黏性 内摩擦力 保持一定的速度梯度 克服摩擦 力做功 能量损失 消耗能量

20. 实测发现： 牛顿黏性定律： 意义：剪应力的大小与速度梯度成正比。 描述了任意两层流体间剪应力大小的关系。 二、 流体的黏度 ①　物理意义 ——动力黏度，简称黏度

21. ②　单位 SI单位制 ： Pa· s ( N · s /m2) 物理单位制 ： P(泊) ，达因·秒/厘米2， cP(厘泊) 换算关系： 1cp=0.01 P=10-3 Pa · s=1 mPa ·s ③粘度的表示方法 动力黏度 Pa· s m2/s 运动黏度 1St = 1cm2/s = 100cSt = 10-4m2/s 恩氏黏度

22. 三、 影响因素 ① 液体 粘度随温度升高而降低，压力影响很小。 ② 气体 粘度随温度升高而增大，压力影响很小。 但在极高压力下，随压力增加有所增加；而在压力极低情况 下也要考虑压力的影响。 四、 数据来源 各种流体的粘度数据，主要由实验测得。 在缺少粘度实验数据时，可按理论公式或经验公式估算粘度。对于压力不太高的气体，估算结果较准，对于液体则较差。

23. 说明：不同流体的粘度差别很大。例如： 在压强为101.325kPa、温度为20℃的条件下，空气、水和甘油的动力粘度和运动粘度分别为： 空气 ＝17.9×10-6 Pa s， ν＝14.8×10 -6 m2/s 水 ＝1.01×10 -3 Pa s， ν＝1.01×10 -6 m2/s 甘油 ＝1.499Pa s， ν＝1.19×10 -3 m2/s 五、 混合物的粘度 按一定混合规则进行加和 对于分子不聚合的混合液可用下式计算 常压下气体混合物的粘度，可用下式计算

24. 六、流体类型 ①　牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体。 气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。 ② 非牛顿型流体 油墨、泥浆

25. 七、剪应力的计算 例：油在直径为100mm的管内流动，在管截面上的速度分布大致用下式表示： 式中： y为截面上的任一点距管壁的径向距离，m； u为该点上的流速，m/s。 求：1.求管中心的流速、管半径中点处的流速。 2.求管壁处的剪应力，又求长100m的管内壁面所作用的全部阻力。油的黏度为50cP。

26. 解：（1）求流速 管中心 代入 得u=0.5m/s 管半径中点处 代入 得u=0.375 m/s （2）求管壁处的剪应力及管壁阻力 由牛顿粘性定律可算出任一位置上的剪应力，计算时所需的速度梯度可对给出的速度分布式求导而得。

27. 管壁处，y=0，故

28. 油的粘度 故壁面上的剪应力为 100m管壁面上的总阻力为：

29. 1.1.3 流体的压缩性与膨胀性 可压缩： 不可压缩： 1.压缩性： 2.膨胀性：流体的热膨胀性可由体积热膨胀系数β来衡量 对于理想气体： 当温度变化不太大时：

30. 1.2 流体静力学 1.2.1 流体的压强 1.2.2 流体静力学方程

31. 1.2.1 压力 一、压力的定义 流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。 二、压力的单位 SI制：N/m2或Pa； 或以流体柱高度表示 ： 注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，如600mmHg，10mH2O等。

32. 标准大气压的换算关系： 1atm = 1.013×105Pa=101.3kPa=0.1013MPa =760mmHg =10.33m H2O=1.033kgf/cm2 三、 压力的表示方法 • 绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。 • 表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。

33. 表压 大气压 真空度 绝对压力 绝对压力 绝对真空 表 压 = 绝对压力 － 大气压力 真空度 = 大气压力 － 绝对压力 当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。 如：4×103Pa（真空度）、200KPa（表压）。

34. 真空表 压力表

35. 四、压力的特性 （1）流体压力与作用面垂直，并指向该作用面； （2）任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反； （3）作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同

36. p0 p1 G z1 z2 p2 1.2.2 流体静力学平衡方程 一、静力学基本方程 设流体不可压缩， 重力场中对液柱进行受力分析： （1）上端面所受总压力 方向向下 （2）下端面所受总压力 方向向上 （3）液柱的重力 方向向下

37. 液柱处于静止时，上述三项力的合力为零: 设液面上方的压强为P0 ——静力学基本方程

38. 讨论： （1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体； （2）液体内部压强P是随P0和h的改变而改变的，即： （3）当容器液面上方压强P0一定时，静止液体内部的压强P仅与垂直距离h有关，即： 在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。

39. 等压面概念

40. 等压面的选取 例：如图所示的测压管分别与三个设备A、B、C相连通，连通管的下部是水银，上部是水，三个设备内的水面在同一水平面上。 问：①1、2、3三处压力是否相等。 ②4、5、6处压力是否相等。 ③若h1=100mm， h2=200mm且设备A直接通大气，求B、C两设备内水面上方的压力。

42. （5） 可以改写成 （4）当液面上方的压强改变时，液体内部的压强也随之改变，即：液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部的任一点。 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。

43. 静力学方程的几种不同形式 压力形式 Pa 能量形式 位能形式 m ——静力学基本方程

44. ——单位质量流体所具有的位能，J/kg； ——单位质量流体所具有的静压能，J/kg。 讨论： 在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变 。

45. 设指示液的密度为 ， 被测流体的密度为 。 p1 p2 A与A′面 为等压面，即 m R A A’ 普通的 起放大作用 复式压差计 二、静力学基本方程的应用 1. 压力及压力差的测量 （1）U形压差计 而

46. 若被测流体是气体， ，则有 整理得 所以

47. p1 p1 pa pa 讨论： （1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度； 表压 真空度

48. （2）指示液的选取： • 指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应； • 其密度要大于被测流体密度。 • 应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。

49. 密度接近但不互溶的两种指示 • 液A和C ； （2）双液体U管压差计 适用于压差较小的场合。 • 扩大室内径与U管内径之比应大于10 。

50. （3） 倒U形压差计 指示剂密度小于被测流体密度， 如空气作为指示剂 注意：等压面如何选取？ （4） 倾斜式压差计 适用于压差较小的情况。 （5） 复式压差计 适用于压差较大的情况。