化工生产基础知识(最终版)讲解学习课件.ppt

化工生产基础知识吴云龙 2011年10月2/22/20231目目 录录第一部分 化工生产概论 第一节 化学工业 第二节 化工生产过程的定义和特点 第三节 化工生产过程的基本组成规律 第四节 化工生产过程的有关基本概念2/22/20232第二部分 化工基本操作 第一节 流体输送 第二节 混合物的分离 第三节 传热 第四节 蒸发 第五节 液体的精馏 第六节 气体吸收 第七节 干燥 第八节 制冷 2/22/20233第三部分 有机化学工业 第一节 前言 第二节 有机化学基础知识 第三节 有机化学主要产品2/22/20234第四部 分己二酸产品及生产方法简介 第一节 己二酸分子式和结构式 第二节 己二酸物理性质 第三节 己二酸用途 第四节 己二酸生产方法 第五节 本公司己二酸项目生产规模和生产原理 第六节 己二酸的三种主要原料来源2/22/20235化工生产基础化工生产基础第一部分化工生产概念第一部分化工生产概念第一节第一节 化学工业化学工业一、化学工业的定义 以天然物质或其他物质为原料，通过化学方法和物理方法，使其结构、形态发生变化，生成新的物质，制成生产资料和生活资料的工业，称为化学工业。2/22/20236二、化学工业的重要性 1、化学工业是国民经济的重要部门 2、化学工业和人民生活息息相关 3、人类正面临着资源、能源、环境等危机，解决这些的根本途径也有赖于化学工业 4、核能的利用为解决能源危机开辟了广阔前景，但核能工业和化学工业的关系非常密切。化学工业上述的作用要通过化工生产过程来实现。2/22/20237第二节第二节 化工生产过程化工生产过程一、化工生产过程的定义 化工生产过程（又称：化工工艺过程）主要指原材料进入化工生产装置，经过物理方法和化学方法的加工到制成合格产品的过程。化工生产过程对化工企业创造物质财富起着决定性作用，是构成化工企业的主体。2/22/20238二、化工生产过程的四个特点1、化工生产过程连续性和间接性 化工生产过程是通过一定的工艺流程来实现的，属于流程型生产。工艺流程指的是以反应设备为骨干，由系列单元设备通过管路串联组成的系统装置。流程型生产一般具有连续性和间接性：2/22/20239（1）连续性 体现在两个方面：空间的连续性，生产过程是一条连锁式的生产线，各个工序紧密相联，首尾串通，无论哪个工序失调，都会导致整个生产线不能正常运转。时间的连续性，生产长期运转，昼夜不停，各个班次紧密衔接，无论哪班出故障，都会影响整个生产过程的正常运行。2/22/202310（2）间接性 体现在操作人员一般不和物料直接接触，生产过程在密闭的设备内进行，对物料的运行看不见，摸不着，操作人员要借助管道识别物料，靠检测仪表、分析化验,了解生产情况,用仪表和计算机控制生产运行.2/22/2023112、生产技术的复杂性和严密性（1）复杂性 化工的工艺流程多数比较复杂,当今的基础化学正朝着大型化和高度自动化发展；而应用化学工业正朝着精细化、专用化、高性能和深加工发展。（2）严密性 由于化工反应对其应具备的条件要求非常严格，每种产品都有一套严密的工艺流程，必须严格执行，否则不仅制造不出合格产品，还会造成事故。2/22/202312（3）原料、产品和工艺的多样性 化工生产可以用不同原料制造同一产品，也可用同一原料制造不同产品。化工产品一般都有两种以上的生产工艺。即使用同样原料制造同一产品，也常有几种不同的工艺流程。（4）安全生产极端重要 化工生产一般具有高温高压、易燃易爆、有毒有害的特点，这些特点决定了化工生产中安全的机器重要性。学习化工生产知识，要特别注重学习掌握安全生产的知识和技能。2/22/202313第三节第三节 化工生产过程的基本组成规律化工生产过程的基本组成规律一、基本组成规律主要有三条第一、化工生产过程是由若干单元操作和单元反应等基 本加工过程构成的，他们如同化工生产过程的构件；第二、化工生产过程是由原料的预处理、化学反应和反应产物加工这三个基本步骤构成的；第三、化工生产过程贯穿着两种转换，即物质转换和能量转换。2/22/202314二、单元操作和单元反应1、单元操作和单元反应的定义 在化工生产过程中，具有共同的特点，遵循共同的物理学和化学规律，所用设备相似，作用相同的基本加工过程称为单元操作或单元反应。其中：具有物理变化特点的基本加工过程成为单元操作（也称物理过程）具有化学变化特点的基本加工过程成为单元反应（也称单元过程或化学过程）。2/22/202315n举例说明：n尿素产品的生产过程示意如下：n液氨液氨泵预热 合合 吸收循环气n CO2 压缩 成成分离过滤蒸发 n 循环液n 造粒 n n 尿素产品合成原料的预处理化学反应反应产物加工2/22/2023162.常用的单元操作 单元操作和单元反应为数并不多，加起来不过几十种，但它们能组合成各种各样的化工生产过程，就像26个英文字母能组成无数的单词和词句一样。常用的单元操作有18种，见下表：2/22/202317类别 名称 作用 设备举例 流体流动过程 流体输送 液体输送 把液体物料从一处输送到另一处 泵 气体输送 把气体物料从一处输送到另一处 风机 气体压缩 提高气体压力，克服输送阻力 压缩机 非均相物系分离 沉降 用沉降的方法把悬浮颗粒从液体或气体中分离出来 沉降机 过滤 用多孔物质阻挡固体颗粒，使之从气体或液体中分离出来 过滤机 离心分离 在离心力作用下，分离悬浮液或乳浊液 离心机 固体流态化 用流体使大量固体颗粒悬浮而具有流体特点 流化床反应器 2/22/202318传热过程 传热使物料升温、降温或改变相态 换热器 蒸发 用气化的方法，使非挥发性物质的稀溶液浓缩成较浓的溶液 蒸发器 结晶 使溶质成为晶体，从溶液中析出 结晶器 传质过程 蒸馏通过气化和冷凝将液体混合物分离 精馏塔吸收用液体吸收剂将气体混合物分离 吸收塔萃取用液体萃取剂将液体混合物分离 萃取塔干燥一般指用加热气化的方法除去固体物料所含水分 干燥器2/22/202319热力过程 冷冻将物料温度降到比常温低的操作冷冻循环装置机械过程 粉碎在机械外力作用下，使固体颗粒变小 粉碎机筛分将固体颗粒分为大小不同的部分 网形筛固体输送把固体物料从一处输送到另一处 皮带运输机说明：(1)流体流动过程的单元操作 遵循流体动力学规律进行的操作过程，如液体输送、气体输送、气体压缩、过滤、沉降等。2/22/202320(2)热量传递过程的单元操作 遵循热量传递规律进行的操作过程，也叫传热过程，如传热、蒸发等。(3)质量传递过程的单元操作 物质从一个相转移到另一个相的操作过程，也叫传质过程，如蒸馏、吸收、萃取等。(4)热力过程的单元操作 遵循热力学原理进行的单元操作，如冷冻等。(5)机械过程的单元操作 靠机械加工或机械输送的单元操作，如粉碎、固体输送等。2/22/202321三、结论 化工生产过程的表现形式是由若干操作和单元反应串联组成的一套工艺流程，通过三个步骤（即1原料预处理；2化学反应；3反应产物加工。），进行两种转换（即物质转换与能量转换），将化工原料制成化工产品。2/22/202322第四节第四节 化工生产过程的有关基本概念化工生产过程的有关基本概念一、相和相变 化工生产过程有化学变化和物理变化 物理变化有相变和非相变之分，如结晶、溶解、蒸发等操作，物质的相态发生了变化，属于相变，粉碎、筛分等操作，只改变形态，没有相态的变化，属于非相变。2/22/202323二、下面介绍有关相和相变的基本概念1、系统和环境 为了研究和计算的方便，人们常将研究的部分从周围事物中划分出来，作为研究的对象。被划分出来的部分称为系统（也叫体系、物系、系）。系统以外与系统有关的物质和空间称为环境（也叫外界）。系统可以是一个产品的整个流程，也可以是一个工序，一个设备。2/22/2023242、相和相数 系统内的物质，具有相同物理性质和相同化学性质的并且完全均匀的部分，称为相。系统中相的数目，称为相数。例如一杯水，杯中各部分的水都具有相同的物理性质和化学性质，就整杯水来说，他们性质是均匀的。因此，若以水为系统，不论水量多少，它为一相。如果杯中有几块冰，虽然水和冰有共同的化学性质，但在水和冰的界面上其物理性质发生了突变，若以水和冰为系统，它就是两相。显然，若以水、冰和水面上的气体为系统，它就是三相。2/22/202325 确定混合物相的数目，主要看其组成是否均匀。组成均匀的是一相，称单相混合物；否则就是多相，称为多相混合物。气体混合物无论有几种气体组成，一般是均匀的，所以是一相。液体混合物中，如果几种液体是完全互溶的，就是一相。例如酒精的水溶液是一相。如果几种液体不是完全互溶的，就不是一相。例如水和油混合在一起是两相。2/22/202326 固体混合物一般情况只是掺和，无论粉碎的多么细，其组成也不均匀，所以每种固体各自成为一相。一种物质可以有多个相，水、冰和水蒸气就是水的三相。2/22/2023273、相变和相平衡 物质从一个相转变到另一个相的过程称为相变过程。当外界条件变化时，才会发生相变。如水凝结成冰，冰融化成水，水汽化成水蒸气，水蒸气凝结成冰，都是相变过程。2/22/202328 相变规律在化工生产中得到广泛应用，人们常常为了生产的需要，有意识的促使物质发生相变。例如，将轻油为原料生产氨，必须先将液态的轻油气化，才能同水蒸气发生转化反应。许多气体混合物的分离，必须在液相的情况下进行。例如，空分制氧和氮的工艺。如果两个以上的相共存，在较长时间内，从表面上看没有任何物质在各相之间传递时，可以认为这些相之间已达到平衡，称为相平衡。2/22/202329二.过程的平衡关系和过程速率 化学工程中所说的“过程”有其特定的含义：当系统发生变化时，发生变化的经过视为过程。化工生产中的每一种物理变化或化学变化，每一种单元操作或单元反应，都可视为过程。研究过程的规律，目的是使过程的进行有利于生产。平衡关系和过程速率就是其中两条重要规律。2/22/2023301、过程的平衡关系 过程的平衡关系是指任何过程都在变化着，都是在一定条件下由不平衡向平衡状态转化。平衡状态是变化的极限。例一：蒸发和凝结的平衡，如在一个密闭容器内液体，蒸发和凝结处于动态平衡。例二：可逆反应。2/22/2023312、过程速率 过程速率是单位时间内过程进行的变化量。如传热过程的速率是单位时间内传递的热量；传质过程的速率是单位时间内传递的质量。任何过程速率都与过程的推动力成正比，与过程的阻力成反比。可用以下基本关系式表示:过程速率=2/22/202332 过程的推动力是指直接导致过程进行的动力。如流体流动过程的推动力是压差或位差，传热过程的推动力是冷热流体的温度差，吸收过程的推动力是浓度或分压差。过程的阻力因素，与过程的性质、操作条件都有关系。提高过程速率的途径是加大过程的推动力和减少过程的阻力。研究怎样加大过程推动力和减少阻力，是提高产品收率的关键问题。2/22/202333三、化工生产常用的量和单位1、法定计量单位 由国家依法令形式规定允许使用的单位叫法定计量单位。它是在1984年由中华人民共和国国务院公布实施的 中国的法定计量单位是以国际单位制（英文缩写SI）为基础，并根据本国实际情况以适当选用了一些非国际单位所构成的。2/22/2023342、化工生产常用的法定计量单位（1）化工常用的5种SI基本单位长度 基本单位是米（m），其倍数和分数单位有千米(Km)、厘米（cm）、毫米（mm）时间 基本单位是秒（s）。国家选定的SI之外时间单位还有分（min）、小时（h）、天（日，d）2/22/202335质量（法定计量单位有3种）千克（公斤，kg），是基本单位 克（g）及其部分倍数和分数单位，如兆克（Mg）、毫克（mg）等 吨（t）及其倍数单位热力学温度 基本单位是开尔文（K）与摄氏温度t（）的关系K=273.16+物质的量 基本单位是摩尔（mol），其倍数、分数单位 有kmol、mmol等。2/22/202336（2）化工生产常用法定计量单位见表（25种）量的名称量的符号SI单位SI值外法定计量单位单位名称单位符号单位名称单位符号长度L；l米m时间t秒s分 小时 天（日）min h d质量m千克（公斤）kg吨t热力学单位T开尔文K物质的量n摩尔mol2/22/202337力F牛顿N压力，压强p帕斯卡Pa能量 功 热量 F W Q焦耳J千瓦特小时功率P瓦特W面积A平方米体积V立方米m升L速度米每秒m/s密度千克每立方米kg/cm相对密度d1粘度()帕斯卡秒Pas2/22/202338体积流量qv立方米每秒m/s比热容c千焦耳每千克开尔文kg/(m.K)导热系数瓦特每米开尔文W/(m.K)传递系数K瓦特每平米开尔文W/(.K)摩尔质量M千克每摩尔kg/(.k)B的质量浓度B千克每立方米kg/m克每升g/LB的物质的量浓度CB；B摩尔每立方米mol/m摩尔每升mol/LB的质量分数B1B的摩尔分数xB，（yB）1B的体积分数B12/22/2023393、常用单位换算法定计量单位不应使用的单位量的单位单位名称单位符号单位名称单位符号单位制与法定计量单位的换算长度米m英尺英寸Ftin 英制1ft=0.3048m 1in=25.4mm时间秒s 1min=60s 1h=3600s 1d=86400s2/22/202340质量千克（公斤）吨kg t(103kg)市斤kg.s2/m市制工程1市斤=500g 1kg.s2/m=9.81kg 热力学温度摄氏度开尔文 摄氏度K 物质的量摩尔mol克分子 克当量按当量粒子相当于mol力牛顿N千克力 达因kgf dyncgs1kgf=9.81N 1dyn=10-5N2/22/202341压力 压强帕斯卡Pa(N/m2)千克每平方厘米kgf/m2cgs1kgf/m2=9.81104Pa公斤每平方米kg/m2工程1kg/m2=9.81Pa毫米水柱mmH2O1mmH2O=9.81Pa毫米汞柱mmHg1mmHg=133.32Pa标准大气压atm1at,=101.3Pa2/22/202342能量 能量焦耳J/(N.m)千克米kgf.mcgs 1kgf.m=9.81J卡cal1cal=4.1868J功率瓦特W公斤米每秒kg.m/s工程1kg.m/s=9.81W密度克每立方厘米g/cm3质量热容焦耳每千克卡尔文J/kg.k千卡每公斤摄氏度kcal/kg.工程1kcal/kg.=4.2kJ/kg.K2/22/202343四.物料计算和能量计算 化工生产贯穿着物料转换和能量转换。准确地掌握这两种转换的数量关系，就要进行物料衡算和能量衡算。化工设计必须要进行物料衡算和能量衡算，它是设计的重要依据。而化工生产管理和化工操作，也应进行简单的物料衡算和能量衡算，通常称其为物料计算和能量计算，它是生产管理和班组核算的重要内容。依次可以判定操作优劣，分析经济效益，提供工艺数据，为严密地控制生产运行打下基础。2/22/2023441、质量守恒，物料计算 物料衡算的依据是质量守恒定律，即化学反应中，反应物的质量总和等于生成物的质量总和。这个定律用于化工生产过程，可表述为：任何一个生产过程，其原料消耗量应为产品量与物料损失量之和。输入的物料质量=输出的物料质量+损失物料的质量 上述这个公式是物料衡算（物料计算）的通式。2/22/202345物料衡算的步骤，按以下六步进行：（1）分析题意。（2）画示意图 将输入、输出的所有物料逐个标在图上，用箭头表示方向。（3）选择系统 系统中应包括尽可能多的已知量和尽可能少的未知量。如果系统选择得恰当，可以很简便地求出解来。否则会使求解复杂化，甚至求不出解。选定系统后，在图上用虚线画出方框表示，虚线表示边界。2/22/202346（4）选定衡算对象和基准 衡算对象就是对哪种物料进行衡算。基准可以是一定的时间，也可以是一定质量的物料。整个计算必须依据同一基准。（5）写出物料平衡方程式，并计算，求解。（6）列出物料平衡表，并用平衡表验算。2/22/2023472/22/202348注意点：物料衡算题，应按以上步骤进行。计算时用的单位应统一。物料衡算是质量的衡算，物料衡算方程式只能用质量单位，不能用体积单位。应用举例：含有60%（质量分数）乙醇的溶液，以每小时1000Kg的加料量进入精馏塔，要求塔顶产90%浓度乙醇，塔釜出来的残液中含乙醇小于10%，计算每小时的乙醇产量和残液量。2/22/202349（产品）2/22/202350解：（1）分析题意后，画乙醇精馏流程示意图。（2）设加料量为F，产量为D，残液量为W，则 F=D+W 对总物料进行衡算：1000=D+W，或W=1000-D 对乙醇进行衡算 加料中乙醇含量=100060%=600kg,产品中乙醇含量=D90%，残液中乙醇含量=W10%100060%=D90%+W10%=D0.9+(1000-D)0.1 解该一元一次方程，得D=625kg 代入得W=1000-D,得W=1000-625=375kg 2/22/202351计算结果:每小时的乙醇产量为625kg,残液量为375kg。2.能量守恒，能量计算 化工生产中，能量消耗是一项重要的经济指标，它是衡算工艺过程、设备设计、操作水平是否合理的重要指标之一。能量衡算是以物料衡算为基础的，同时又是设备计算的基础。通过能量衡算可以求出设备的热负荷，进行确定设备的传热面积以及加热或冷却剂的用量。2/22/202352 化工生产中热量的消耗是能量消耗的主要部分，因此化工生产中的能量衡算主要是热量衡算。热量衡算的依据是能量守恒定律，即输入体系的热量等于输出体系的热量加上体系内积累或损失的热量。热量衡算的步骤，按以下六步进行：2/22/202353（1）明确计算任务 明确热量衡算类型是分别进行物料衡算和热量衡算，还是两者联算。此外还应了解是属于单个设备的热量衡算，还是属于由多个单元设备组成的复杂化工过程的热量衡算。2/22/202354（2）绘出热量衡算示意图 热量衡算一般是在物料衡算的基础上进行的，因此必须先画出物料流程图，在图中标明各物流与热量有关的变量，如温度、压力、相态等。（3）搜集数据 通过查阅手册得到各物料有关的热性质数据，如温度、压力、热熔、焓值、化学反应热等。2/22/202355（4）确定计算基准 为了计算方便，可取0为基准。鉴于手册上查到的热力学数据大多为25时的数据，所以也常选25为计算基准。（5）列出热量衡算式，求解 Q入入 =Q出（6）列表并校核计算结果2/22/202356应用举例 用20的冷却水将物料2000kg/h在一个换热器内由80冷却到40，冷却水从换热器出口温度为35，计算每小时需要多少kg冷却水 通过查阅手册，已得到在0时，水的比热容为1kcal/(kg)；物料的比热容0.4kcal/(kg)2/22/202357解：（1）绘出热量衡算示意图(2000Kg/h)(2000Kg/h)2/22/202358（2）选0为基准温度（3）求解：设每小时需要的冷却水量为W水水 进入热量：物料带入热量Q1=2000（80-0）0.4 =64000kal/h 冷却水带入热量Q2=W水水（20-0）1=20W水水 放出热量 物料带出热量Q3=2000（40-0）0.4 =32000kcal/h 冷却水带出热量Q4=W水（35-0）1=35W水水2/22/202359列出热量衡算式，并代入：Q1+Q2=Q3+Q4 64000+20W水水=32000+35W水水 W水水=32000/15=2133kg/h 即:每小时需要20冷却水2133kg/h2/22/202360五、化工生产中常用的指标 指标在化工生产中具有重要的作用，它是反映生产状况的标志，检验质量的基准，指导生产操作的规范，与生产操作有关的指标主要有技术经济指标和工艺指标。2/22/202361 技术经济指标 技术经济指标是经济指标的一种。技术经济指标是每个行业、企业结合自己的实际情况制定的一套适合本行业、本企业生产技术特点情况的经济指标，它是反映本行业生产技术水平的标志。化工生产管理与操作中经常接触到的技术经济指标有：2/22/202362（1）产品产率 产品产率是实际产量与理论计算产量的百分比。即：产品产率=实际产量/理论产量100%（2）单位产品消耗量（又称：单耗）单位产品消耗量是生产每单位产品平均消耗原料、能源的数量。即：单位产品原料消耗量=原料消耗总量/产品产量 单位产品耗电量=用电总量/产品产量2/22/202363（3）原料利用率 原料利用率是原料理论消耗量与实际消耗量的百分比。其中，原料理论消耗量是指根据化学方程式计算的生产单位产品应消耗的原料量。即:原料利用率=理论原料消耗量/实际原料消耗量100%2/22/202364（4）化学反应过程的转化率、选择性、收率转化率 转化率是指某一反应物参加反应而转化的数量占该反应起始量的百分比。转化率=某一反应物的转化量/该反应的起始量100%选择性 选择性是指体系中转化成目的产物的某反应物量与参加反应所有反应而转化的改反应物总量之比。选择性=转化为目的产物的某反应物的量/该反应物的转化总量2/22/202365收率 收率是从产物角度来描述反应过程的效率。收率=转化为目的产物的某反应物的量/该反应物的起始量2/22/2023662、工艺指标 工艺指标是指生产加工过程中对各种工艺条件的要求标准，它是工艺规程的重要组成部分。生产操作中常用的工艺指标有以下四种：（1）原料质量指标 它是指原料的质量指标（2）生产操作指标 它是指操作过程中的工艺控制参数，如温度、压力、流量等。2/22/202367（3）中间控制指标 它是指各工序中间产品质量控制指标，简称中控指标，按照工艺规程分析方法测定。（4）成品质量指标 它是指最终产品的质量指标，是依据产品的国家标准（或部颁标准、企业标准）制定的，要求按照标准规定的分析方法测定。2/22/202368第二部分 化工基本操作第一节第一节 流体输送流体输送 具有流动性的液体和气体（简称流体）在化工生产中进行蒸发、精馏、吸收等操作，通常需要把它们从一个设备送到另一个设备，或从一个车间送到另一个车间，因此流体运输是化工厂的一个基本操作。2/22/202369一 流体力学基础 1 压强及单位（1）压强流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压力，简称流体的压强。（2）单位 法定计量单位中，压强的单位为帕斯卡，代号pa，简称帕 1千帕（kpa）=1000帕（pa）1兆帕（mpa）=1000千帕（kpa）1兆帕（mpa）=106帕（pa）2/22/202370化工生产中，压强也有用液位高度来表示。如毫米汞柱。压强法定计量单位与压强公制单位的换算：0.1mpa=1kg/cm2 1物理大气压=760mmHg柱=10.33mH2O柱 =1.033kg/cm2=0.1013mpa=101.3kpa 2 绝对压强、表压和真空度 绝对压强和表压或真空度的关系，用公式表示如下：绝对压强=表压+大气压强 真空度=大气压强-绝对压强2/22/202371应用举例：某设备出、进口测压的压力表读数分别为45mmHg柱（真空度）和700mmHg（表压），求这两处的绝对压强差为多少kpa？解：出口绝对压强=760-45=715mmHg 进口绝对压强=760+760=1460mmHg柱 两处压强差 =1460-715=745mmmHg =99.3kpa 2/22/202372二、流体流动的性质1、流量和流速（1）流量单位时间内流经管道任一截面流体的量。流量可以用体积流量和质量流量两种方法表示。体积流量单位时间内流经管道任一截面的流体体积。公式：qv=v/t（式中v为体积，t为时间）单位：m3/s,m3/h 质量流量单位时间内流经管道任一截面流体的质量。2/22/202373质量流量与体积流量的关系式：式中：qm为质量流量；qv为体积流量，为流体密度。（2）流速-单位时间内流体在流动方向流过的距离。（由于流体在管道截面上各点的流速不同，管中心速度最快，利中心越远的流速越慢。紧靠管壁处流速为0。因此，通常所指的流速是指整个管道截面上平均流速。）公式：=（式中qv为体积流量，A为管道截面积）单位：m/s。2/22/202374应用举例：用截面积为0.1m2的管道来输送密度为1.5103kg/m3的酸，要求每小时输送360吨，求该管道中酸的体积流量、质量流量和流速。解：质量流量=360t/h=100kg/s =0.067 m3/s =0.67m/s2/22/2023752、流体稳定流动时的物料衡算 假定流体在管道中流动时，与流体流动有关的速度、压强等都不随时间而变化，这样的流动称为稳定流动。如果速度、压强等随时间而变化，则称为不稳定流动。稳定流动时，流体在圆形管道中总是充满的，如流体是液体，则通过管道中任一截面的流体质量应相等，即得：2/22/202376 2/22/202377m1=m2(式中：m表示质量)(式中：A、分别表示截面积、流速、密度)管道中为同一种液体，=又A1=，A2=（式中：d表示管道内直径）2/22/202378 流体稳定流动的物料平衡方程式 上述这个方程式表明流速与管道的内直径平方成反比，这个式子称为流体稳定流动时的物料平衡方程式（又称：连续性方程式）。2/22/202379应用举例：水泵站使用的一台水泵，吸水管外径为108mm，壁厚为4mm，出水管外径为76mm，壁厚为2.5mm。已知吸水管中水的流速为1.5m/s，求泵出水管中的水流速。解：由已知得 代入答：泵出管中的水流速为2.98m/s。2/22/202380三、流体稳定流动下的能量计算1、流体流动中的能量变化的规律（1）流体具有的能量 流动着的流体具有一定的机械能，具体表现为位能、动能和静压能。位能 在重力作用下流体质量中心高于基准水面而具有的能量称为位能。（它相当于把流体从基准水平面升举到某一位置所做的功）2/22/202381设有m Kg的流体，其在基准水平面以上h（米）处，则其位能E位=mgh （单位为焦耳，J）1N（即：单位重量）流体所具有的位能称为位压头，位压头=（单位为米，m）动能流体以一定的速度流动而具有的能量，称为动能。若流体的质量m（kg），流速为（m/s），则其具有的动能E动=（单位为焦耳，J）2/22/2023821N流体所具有的动能称为动压头动压头=（单位为米，m）静压能 与静止流体一样，流动着的流体由于静压强存在而推动流体运动而具有的能量，称为静压能。E静=（单位为焦耳，J）2/22/202383 1 N流体的静压能称为静压头 静压头=（单位为米，m）（式中：p为压强、为密度、g为重力加速度）以上三种压头之和称为总压头，以H表示。H=h+上式表示了据基准面为h处，流速为 ,压强为p的1N流体所具有的总机械能。2/22/202384（2）外加能量 流体在流动过程中，假如中间加了输送设备（如泵），则便将机械能作用于流体。通常把流体从输送设备获得的机械能称为外加能量。1N流体所获得的外界能量称为外加压头。用符号He表示。2/22/202385（3）损失能量 流体在流动时，由于分子间的内摩擦，产生了摩擦阻力。为了克服这部分阻力，就消耗了流体的一部分能量，这部分能量称为系统损失能量。1N流体在流动中因摩擦阻力而损失的能量称为损失压头，用符号h损表示。2/22/202386 2、流体在稳定流动时的能量衡算式柏努力方程式柏努力方程式（1）柏努力方程式定义 在下图所示的液体输送设备中，在截面1-1和2-2间装有泵，两截面中心离基准水平面高度分别为h1和h2，液体在截面1-1和2-2处的流速分别为 、和压强分别为p1、p2，流体密度为 。根据能量守恒原则，在截面1-1和2-2间的输送设备中，输入的总能量等于输出的总能量。2/22/2023872/22/202388 输入的能量有两项：1N液体从1-1截面流进时带入的能量为H1；=泵对液体做了功，1N液体所获外加能量为2/22/202389输出的能量也有两项：1N液体从2-2截面流出时带走的能量为H2：=1N液体在流动中因摩擦阻力损失的能量为h损。2/22/202390n根据能量守恒原则可得：上式是不可压缩流体在稳定流动下的能量衡算式，习惯上称为：柏努力方程式柏努力方程式。2/22/202391 （2）柏努力方程式的应用 利用柏努力方程式可以解决生产中很多实际问题，如计算流体的速度、流量及输送机械的功率，测定管路阻力损失，流量计数值的换算等。下面列举两个应用实例。2/22/202392a）管路中流体流速、流量计算。例题1 如附图所示，高位槽水面保持稳定，水面距水管出口为5m，所用管路为1084mm钢管，若管路压头损失为4.5m，求该系统每小时的送水量。解：取水槽页面为1-1截面，水管出口为2-2截面，并以出口管中心线为基准水平面，列出截面1-1和2-2间的柏努力方程。2/22/2023932/22/202394 +=+h损 已知h1=5m，h2=0 p1=p2=0（表压）0（高位槽截面很-大，很小，可忽略不计）=0 h损=4.5m d均=0.108-24=0.1m2/22/202395代入柏努力方程式，5=+4.5 解得：=3.13ms-1 则每小时输水量为 =0.7850.123.133600=88.5 m3h-12/22/202396b）泵外加能量的计算 例题2 附图所示为洗涤塔的供水系统。洗涤塔内压强为300kPa（绝压），贮槽水面压强为100 kPa（绝压），塔内水管与喷头连接处的压强为320 kPa（绝压），塔内水管出口处高于贮槽内水面20m，管路为572.5mm钢管，送水量为14m3/h，系统能量损耗4.3m水柱，求水泵所需的外加压头。2/22/2023972/22/202398解 取贮槽内水面为1-1截面，以此为基准面，塔内水管与喷头连接处为2-2截面，列出截面1-1与2-2间的柏努力方程式。移项整理得：已知h1=0，h2=20m，p1=100 kPa（绝压），p2=320 kPa（绝压），=0，=4.3m根据题意算出：=m/s2/22/202399将已知值代入上式得：H=20+22.43+0.171+4.3=46.9 m2/22/2023100（3）应用柏努力方程式时要注意以下两点：第一、正确选定计算截面。一般将上游截面定为1-1截面，下游截面定为2-2截面，两截面间的流体必须连续，截面与流动方向垂直。第二、合理确定基准水平面。把基准水平面定在一个较低的截面处可以简化计算。计算中的单位要统一，尤其是截面间压强的表示方法要一致（同为表压或绝压）。2/22/20231011、流体的粘度 流体在流动时，由于分子间存在吸引力，使流体内部存在一种影响流动的阻力，这种阻力称为内摩擦力。流体在流动时产生内摩擦力的这种性质，称为流体的粘性。把衡量流体粘性大小的物理量称为粘度，用符号 表示。流体的粘度大，流动时内摩擦力大，即液体阻力大，输送也较困难。在法定单位制中，粘度单位为帕秒，单位符号是Pas2/22/20231022、流体的流动类型 流体的流动状态分为层流（或滞流）和湍流（或紊流）两种。当流体在管道中流动时，其质点始终沿着管道中心向平行的方向流动，质点之间互不混合，这种流动称为层流。假如流体质点除沿管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，质点间彼此碰撞，互相混合，这种流动状态称为湍流。2/22/2023103 在化工生产条件下，由于管路、流体的密度和粘度均已确定，影响流动类型的主要因素是流速。因而，减少流体的流速，流体的流动类型将为层流；增大流体的流速，流动类型将为湍流。流体处于湍流状态时，由于流体的质点相互混合，对提高传热和传质速率有利，且可增大流体的输送量。因此，生产中一般要求流体处于湍流状态。2/22/20231043、减低流体阻力 流体阻力越大，则输送流体所消耗的能量越大，流体在输送系统中阻力增大，会影响流体的输送能力和生产能力。因此，在化工生产中应尽量减低流体的阻力，一般从下面几点着手。（1）在不影响管路布置的基本要求下，尽量缩短管路的长度。（2）管路中接头、三通、弯头、阀门以及管径突然变大或者变小都会对流体产生阻力，为此管路每安装一个管件或阀门都要认真考虑。例如，在管路布置中，应尽量少装弯头。2/22/2023105（3）适当放大管径。例如，将管径增大一倍，阻力将变为原来的，这是流体的动力消耗大大降低。但管径不能放得太大，从而增加金属的消耗，使基建费增大。（4）在流体中加入某种添加剂。当这些添加剂加入流体后，可使管壁附近流体的层流层变薄，还能阻止漩涡的产生，使阻力降低。2/22/2023106五管路布置1、管径的选择 化工厂管道投资费用较贵，因此合理选择管径对节约管材和保证流体正常输送具有十分重要的作用。在讲解“流量和流速”这小节中，我们懂得了公式：=（公式中：流速m/s；体积流量m3/s；A管道截面积m2）圆型管道截面积A=（公式中d管道内直径 m）2/22/2023107代入上式，整理后得：d=从上述这个公式可知，当流体的体积流量一定时，流速越快，则所需的管径越小；反之，流速越慢，则所需的管径越大。某些流体在管道中的常用流速根据生产经验确定，如下所表示：2/22/2023108流 体 种 类流速范围（m/s）流 体 种 类 流速范围（m/s）水及一般液体1.53.0饱和水蒸气0.3kPa（表压）0.8 kPa（表压）20404060 粘性液体，如油0.51.0常压下一般气体压1020强较高的气体1525过热水蒸气 3050 2/22/2023109 根据工艺上需要的流量，按上表流速范围，可通过计算求得管子的内径。内径确定后，可查“常用管子规格表”，从而确定管子的规格。应用举例 有一台水泵从一个水池中抽水，泵的输送量为36t/h，当时水温是4，试确定输水管道的规格。（注：4时水的密度 =1000Kg/m3）2/22/2023110解：（1）水的体积流量=（2）设：水的流速 =1.5 m/s （3）d=2/22/2023111（4）若采用无缝钢管，查“常用管子规格表”，查得公称直径为100mm，它的内径为100mm，与计算值接近，所以选用公称直径100mm的无缝钢管。2、管子的种类 管路主要由管子、管件和阀门三部分组成的。常用的管子种类有铸铁管、钢管、有色金属管、塑料管、橡胶管、陶瓷管等，各有它们的用途和优缺点，使用时可根据工艺要求加以选用。2/22/20231123、管件 根据管件在管路中作用，主要有弯头、三/四通、接头、异径管（大小头）、外方管堵头（堵头）。4、阀门 阀门用于控制流体在管内流动（开启或切断）、控制流量、控制压力及保证安全等作用。常用阀门主要有七种：截止阀、闸阀、单向阀（止逆阀）、旋塞阀（考克）、气动薄膜调节阀、电动调节阀、蝶阀（翻板阀）。2/22/2023113六流体的输送设备 1、流体输送设备主要有：离心泵、往复泵、旋转泵 2、气体输送设备主要有：往复式压缩机、离心式压缩机、离心鼓风机。2/22/2023114第二节第二节 混合物的分离混合物的分离 悬浮在气体中的固体尘埃或液体中的固体颗粒称为分散物质；包围在分散物质周围的气体或液体，称为连续物质。将分散物质与连续物质进行分离的操作，称为混合物的分离。液固混合物的分离操作，主要有沉降，过滤和离心分离三种方法。而气固分离操作有旋风分离、泡沫除尘、布袋过滤、电除尘等。2/22/2023115一、液体和固体分离1、重力沉降 借助重力使悬浮液中固体粒子沉降以达到与流体分离的过程，称为重力沉降。重力沉降适合于分离较大的固体颗粒。2、过滤 为了使固体颗粒与液体分离完全，可以利用一种具有很多毛细孔的物体作为过滤介质，使被过滤的液体由介质小孔通过，与固体微粒分离，这种将悬浮在液体中固体颗粒分离出来的操作，称为过滤。2/22/2023116 通过介质的清夜称为滤液；被留在介质上得固体层称为滤渣（又称滤饼）。过滤操作通常分为三种类型：常压过滤、加压过滤、减压过滤。3、离心分离 离心分离是依靠离心力分离悬浮液或乳浊液。通常用于离心分离的设备是离心机，其工作过程与洗衣机中的甩水机相同。2/22/2023117二、气体和固体分离 化工厂常用的气固分离