《过程机械原理》PPT课件.ppt

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1、LOGOLOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 第第2章章 过程机械原理入门过程机械原理入门化工与能源学院化工与能源学院LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 主要内容主要内容流体动力过程流体动力过程1热量传递过程热量传递过程2质量传递过程质量传递过程3ZHENGZHOU UNIVERSITY 动量动力过程动量动力过程4热热 力力 过过 程程5化学反应过程化学反应过程6LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 绪论绪论一般机械原理一般机械原理研究机械中机构的结构研究机械中机构的结构和运动，以及机器的结构、受力、质和运动，以及机器的结构、受力、质量和运动。量和运动。过

2、程机械原理过程机械原理是研究机械及其系统中是研究机械及其系统中流程型物料的状态变化，以及这些物流程型物料的状态变化，以及这些物料和状态变化对机械及其系统影响的料和状态变化对机械及其系统影响的规律。规律。ZHENGZHOU UNIVERSITY LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.1 流体动力过程流体动力过程流体动力学过程流体静力学过程流体动力过程 ZHENGZHOU UNIVERSITY 流体动力流体动力过程过程（fluid fluid dynamicadynamical l processprocess）是指遵是指遵循流体力循流体力学规律的学规律的过程。过程。它涉及泵、它涉

3、及泵、压缩机、压缩机、风机、管风机、管道和阀门道和阀门等过程设等过程设备与元件。备与元件。LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.1.1 流体静力学过程流体静力学过程流动性流动性压缩性压缩性膨胀性膨胀性黏性黏性流体流体的性质的性质ZHENGZHOU UNIVERSITY 切应力作用下流体会变形，切应力作用下流体会变形，且无恢复原状的能力。且无恢复原状的能力。温度温度不变时，流体的体积不变时，流体的体积随随压力压力增大而缩小的性质。增大而缩小的性质。压力压力不变时，流体的体积不变时，流体的体积随随温度温度升高而增大的性质。升高而增大的性质。运动的流体，在运动的流体，在相邻的流层接触

4、相邻的流层接触面上，形成阻碍面上，形成阻碍流层相对运动的流层相对运动的等值而反向的摩等值而反向的摩擦力。擦力。液体和气液体和气体的统称体的统称LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.1.1 流体静力学过程流体静力学过程Text在重力作用下液体内部的压力随深度按直线变化。在重力作用下液体内部的压力随深度按直线变化。ZHENGZHOU UNIVERSITY 深度相同的各点压力相同，形成一个等压水平面。深度相同的各点压力相同，形成一个等压水平面。压力能和位能可以相互转化，但其总和保持不变。压力能和位能可以相互转化，但其总和保持不变。浸没在液体中的物体，浮力等于其排开液体的体积。浸没在液

5、体中的物体，浮力等于其排开液体的体积。（阿基米德定律）（阿基米德定律）密闭容器内的液体，外压力发生变化时，液体内密闭容器内的液体，外压力发生变化时，液体内任一点的压力均发生同样大小的变化。任一点的压力均发生同样大小的变化。（帕斯卡原理、静压传递原理）（帕斯卡原理、静压传递原理）流流体体静静力力学学的的性性质质流体静力学流体静力学是是研究流体在外研究流体在外力作用下达到力作用下达到平衡的规律，平衡的规律，以及这些规律以及这些规律的实际应用的实际应用。LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.1.1 流体静力学过程流体静力学过程应用应用U型管压力计型管压力计压强传递设备压强传递设备倍加

6、器的原理是一倍加器的原理是一个左右截面积不同个左右截面积不同的连通器。在小面的连通器。在小面积油缸上施加很小积油缸上施加很小的压力时，可以在的压力时，可以在大面积油缸上产生大面积油缸上产生很大的压力。很大的压力。U型管压力计是一型管压力计是一个连通器，根据连个连通器，根据连通器左右液面的高通器左右液面的高度差来测量压力。度差来测量压力。ZHENGZHOU UNIVERSITY LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.1.2 流体动力学过程流体动力学过程位能流体质量中心在重力作用下，高出某基准面而具有的能量位能位能=mgZ=mgZ流体流动时具有的能量 ZHENGZHOU UNIVE

7、RSITY 动能流体流动时所具有的能量。LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.1.2 流体动力学过程流体动力学过程Re40002100Re4000Re75100m惯性分离器惯性分离器惯性力惯性力5070250500除较大粒子，下除较大粒子，下限限2050m旋风分离器旋风分离器离心力离心力5090501500除一般粒子，除一般粒子，10100m袋式分离器袋式分离器过滤过滤9599251500除细尘，除细尘，1m静电分离器静电分离器高压电场高压电场909850250除细尘，除细尘，1m 气固分离常用设备LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.4.2 机械分离过程机械分

8、离过程 重力沉降室重力沉降室静电分离器静电分离器旋风分离器旋风分离器LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.4.2 机械分离过程机械分离过程 液固分离过程液固分离过程液固分离过程分为以下两类：液固分离过程分为以下两类：1 1）液体受限制，固体颗粒在流动的过程）液体受限制，固体颗粒在流动的过程 对其分离取决于对其分离取决于固体颗粒与液体间的密度差，有浮选、重力沉降、离心固体颗粒与液体间的密度差，有浮选、重力沉降、离心沉降等。沉降等。2 2）固体颗粒受限制，液体在流动的过程）固体颗粒受限制，液体在流动的过程 以具有过滤介以具有过滤介质为前提，有压滤、筛滤等。质为前提，有压滤、筛滤等。

9、LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.4.2 机械分离过程机械分离过程 液固分离常用设备设备类型设备类型原理原理设备类型设备类型原理原理重力沉降室重力沉降室重力重力板框压滤机板框压滤机压滤压滤离心力离心力离心力离心力回转真空过滤机回转真空过滤机吸滤吸滤旋流分离器旋流分离器离心力离心力LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.4.2 机械分离过程机械分离过程 1-2-3-2-1-2-3-2-1板框式压滤机LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.4.2 机械分离过程机械分离过程 旋流式分离器LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.4.3 材料

10、成形加工过程材料成形加工过程 按成型方法分按成型方法分压制成型压制成型压铸成型压铸成型注射成型注射成型挤出成型挤出成型平板硫化机上模压成型平板硫化机上模压成型注射机中注射成型注射机中注射成型按生产设备不同分按生产设备不同分材料的成形加工过程实际上也都遵循动量传递及固体、流体力学规律。橡胶橡胶制品制品成型成型方法方法分类分类LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.4.3 材料成形加工过程材料成形加工过程橡胶挤出机结构 LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.5 热力过程热力过程热力过程（热力过程（thermodynamic process)指遵循热力指遵循热力学诸规律

11、的动力过程，它涉及发电、燃烧、冷冻、学诸规律的动力过程，它涉及发电、燃烧、冷冻、空气分离等过程及设备。空气分离等过程及设备。热力学主要研究热、功和其他形式能量之间的相互热力学主要研究热、功和其他形式能量之间的相互转换及转换及 其转换过程中所遵循的规律，成为自然科其转换过程中所遵循的规律，成为自然科学的共性规律。学的共性规律。原来只是物理学的一个分支学科，在原来只是物理学的一个分支学科，在19世纪中叶开世纪中叶开始形成。最初只是研究热能与机械能之间的转换。始形成。最初只是研究热能与机械能之间的转换。LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.5.1 热力学系统与过程热力学系统与过程 热

12、力学的一些基本概念热力学的一些基本概念系统系统(system)(system)：我们所：我们所研究的那部分物质世界；研究的那部分物质世界；环境环境(surounding)(surounding)：与：与系统相关的部分。系统相关的部分。系统与环境间有界面系统与环境间有界面(假想的或真实的假想的或真实的)分开，分开，可以有可以有物质和能量物质和能量的交的交换。换。封闭系统封闭系统(closed system)：与环境间有热、功等能量形式与环境间有热、功等能量形式的交换而无物质交换的系统。的交换而无物质交换的系统。隔离系统隔离系统(isolated system)：与环境间既没有物质交换，又与环境间

13、既没有物质交换，又没有能量交换的系统，又称孤立没有能量交换的系统，又称孤立系统。系统。敞开系统敞开系统(open system)：与环境间既有物质交换又有能与环境间既有物质交换又有能量交换的系统，又称开放系统量交换的系统，又称开放系统。LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.5.1 热力学系统与过程热力学系统与过程 热力学的一些基本概念热力学的一些基本概念热力学过程热力学过程：指系统在一指系统在一定的环境条定的环境条件下，从一件下，从一个状态到另个状态到另一个状态的一个状态的变化。变化。恒温过程恒温过程 系统与环境温度相等并恒定。系统与环境温度相等并恒定。恒压过程恒压过程 系统与

14、环境压力相等并恒定。系统与环境压力相等并恒定。绝热过程绝热过程 系统与环境间隔绝热的传递。系统与环境间隔绝热的传递。循环过程循环过程 封闭系统经历一定变化后复原。封闭系统经历一定变化后复原。稳流过程稳流过程 敞开系统虽有物质和能量进出，但系统中没敞开系统虽有物质和能量进出，但系统中没有物质和能量积累。有物质和能量积累。可逆过程可逆过程 正逆过程都可能进行，逆向进行时，每一步正逆过程都可能进行，逆向进行时，每一步的状态是原来正向时的重演。可逆循环复原后，不遗留永的状态是原来正向时的重演。可逆循环复原后，不遗留永久性的不可逆变化。久性的不可逆变化。不可逆过程不可逆过程 一切实际过程都是不可逆过程。

15、同样条件一切实际过程都是不可逆过程。同样条件下，逆过程不可能进行。系统经历不可逆循环复原后，将下，逆过程不可能进行。系统经历不可逆循环复原后，将遗留永久性的不可逆变化。遗留永久性的不可逆变化。LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.5.2 热力学第一定律热力学第一定律能量守恒定律（热力学第一定律）能量守恒定律（热力学第一定律）能量的形式虽能量的形式虽可以转换，但其总和既不会增加也不会减少可以转换，但其总和既不会增加也不会减少。Q+W=UQ-热，热，由于系统与环由于系统与环境温度有差别而引起境温度有差别而引起的从高温到低温物体的从高温到低温物体的能量传递。吸热为的能量传递。吸热为正

16、，放热为负。正，放热为负。U-内能内能 系统内部所有分子间相互吸引或系统内部所有分子间相互吸引或排斥的分子将位能、分子移动、转动、排斥的分子将位能、分子移动、转动、振动、电子运动、核运动能量的总和。振动、电子运动、核运动能量的总和。但不包括整个系统的动能和位能。但不包括整个系统的动能和位能。W-功功 除热以外系统与环境间的能量传递，得功为正，做功为负。除热以外系统与环境间的能量传递，得功为正，做功为负。LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.5.2 热力学第一定律热力学第一定律 LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.5.3 热力学第二定律热力学第二定律 永 动 机

17、 的 设 想 图LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.5.3 热力学第二定律热力学第二定律 第二定律的提出第二定律的提出1 功热转换的条件第一定律无法说明功热转换的条件第一定律无法说明.2 热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题第热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题第一定律无法说明一定律无法说明.LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.5.3 热力学第二定律热力学第二定律 开尔文开尔文(L.Kelvin)说法：说法：不可能制造出这样一种不可能制造出这样一种循环循环工作的热机，它只工作的热机，它只使使单一单一热源冷却来做功，热源冷却来做功，而而不不放出热量

18、给其他物放出热量给其他物体，或者说体，或者说不不使使外外界发界发生任何变化生任何变化。(It is impossible by means of inanimate material agency to derive mechanical effect from any portion of matter by cooling it below the temperature of the coldest of the surrounding objects.)热力学第二定律的两种表述热力学第二定律的两种表述 LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.5.3 热力学第二定律热力学第

19、二定律 克劳修斯克劳修斯(R.Clausius)说法说法：不可能把热量从低温物体不可能把热量从低温物体自自动动传到高温物体而传到高温物体而不不引起引起外外界的变化界的变化.(No process is possible whose sole effect is to transfer heat from a cold body to a hot body.By sole effect is meant without the rest of the universe changing,or changing in a cycle of operations.)LOGOZHENGZHOU UNI

20、VERSITY 2.5.2 热力学第一定律热力学第一定律 热机热机：持续地将热量转变为功的机器：持续地将热量转变为功的机器 工作物质工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质.LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.5.3 热力学第二定律热力学第二定律 虽然卡诺制冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使虽然卡诺制冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化环境发生变化.高温热源高温热源低温热源低温热源卡诺制冷机卡诺制冷机AABCDLOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.5.

21、3 热力学第二定律热力学第二定律 注注 意意1.热力学第二定律是大量实验和经验的总结。2.热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性。3.热力学第二定律可有多种说法，每一种说法都反映了自然界过程进行的方向性。LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.5.3 热力学第二定律热力学第二定律 热机从高温热源所吸的热热机从高温热源所吸的热 Q Q1 1 分成了两部分：对环境做功分成了两部分：对环境做功W W 和向低温热源放热和向低温热源放热 Q Q2 2。对系。对系统来说能量守恒：统来说能量守恒：对于循环热机，其热机效率为：对于循环热机，其热机效率为：循环热机正向和反向运行时的循环热

22、机正向和反向运行时的效率相同。效率相同。T1T2HQ1Q2W热机的能流图热机的能流图热机工作原理示意图热机工作原理示意图W=QW=Q1 1-Q-Q2 2LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.5.3 热力学第二定律热力学第二定律 理想热机与卡诺循环理想热机与卡诺循环Fig.1 理想热机理想热机1 2，恒温可逆膨胀恒温可逆膨胀。23c，绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀3 4，恒温可逆压缩恒温可逆压缩。4 1，绝热可逆压缩绝热可逆压缩。pVT1T21234卡诺循环卡诺循环LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.6 化学反应过程化学反应过程化学反应化学反应化学反应化学反应分解反应

23、分解反应分解反应分解反应A=B+C+化合反应化合反应化合反应化合反应A+B+=C复分解反应复分解反应复分解反应复分解反应AB+CD=AC+BDZHENGZHOU UNIVERSITY 置换反应置换反应置换反应置换反应A+BC=B+AC化学反应过程化学反应过程（chemical process）：）：指遵循化学反指遵循化学反应诸规律的过应诸规律的过程，它涉及化程，它涉及化学反应，如合学反应，如合成、分解等过成、分解等过程和设备程和设备LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.6.1 化学反应器化学反应器常见化学常见化学反应器反应器连续操作搅拌釜连续操作搅拌釜间歇操作搅拌釜间歇操作搅拌

24、釜连续操作管式反应器连续操作管式反应器固定床反应器固定床反应器鼓泡床反应器鼓泡床反应器流化床反应器流化床反应器ZHENGZHOU UNIVERSITY LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.6.1 化学反应器化学反应器 LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.6.2 电化学反应装置电化学反应装置电化学是指在电极和溶液截面上进行电能与化电化学是指在电极和溶液截面上进行电能与化学能之间的转变反应。学能之间的转变反应。1化学能转变为电化学能转变为电能的过程能的过程-自发进行自发进行2电能转变为化学电能转变为化学能的过程能的过程-强制过程强制过程如电解合成工业、如电解合成

25、工业、电解冶炼工业、电解冶炼工业、加工和电化学表加工和电化学表面处理。面处理。ZHENGZHOU UNIVERSITY LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.6.2 电化学反应装置电化学反应装置燃料电池是高技术电化学反应装置的代表。燃料电池是高技术电化学反应装置的代表。纯氢气、甲醇、纯氢气、甲醇、乙醇、天然气，乙醇、天然气，甚至汽油都可以甚至汽油都可以用做燃料电池的用做燃料电池的燃料。燃料。燃料电池的发电燃料电池的发电过程几乎没有造过程几乎没有造成任何污染。成任何污染。LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.6.2 电化学反应装置电化学反应装置 低温燃料电池低温燃

26、料电池（60120）中温燃料电池中温燃料电池(160220)高温燃科电池高温燃科电池(6001000)类型类型 AFC碱性燃料电池碱性燃料电池 PEMFC或或SPFC质子交换或固质子交换或固体聚合物燃料体聚合物燃料电池电池PAFC磷酸燃料电池磷酸燃料电池 MCFC熔融碳酸燃料熔融碳酸燃料电池电池 SOFC固态氧燃料电固态氧燃料电池池 特性特性 无污染无污染,电效率高电效率高制造费用非常贵制造费用非常贵,不适合于工业应不适合于工业应用少维护用少维护污染排放在很污染排放在很低的水平低的水平,低噪低噪音音,固体电解质固体电解质适合于大规模适合于大规模生产生产,与常规技与常规技术相比很贵术相比很贵低污

27、染低污染,低噪低噪音音,是热电联产是热电联产电厂的三倍费电厂的三倍费用用,随着连随着连续运行电效率续运行电效率降低降低有效利用能源有效利用能源,低噪音低噪音,没有外没有外部气体配置部气体配置,腐腐蚀性电解液蚀性电解液有效利用能源有效利用能源,低噪音低噪音,没有外没有外部气体配置部气体配置,腐腐蚀性电解液对蚀性电解液对材料的要求非材料的要求非常苛刻常苛刻电解体电解体氢氧化钾溶液氢氧化钾溶液 质子可渗透膜质子可渗透膜 磷酸磷酸 锂和碳酸钾锂和碳酸钾 固体院瓷体固体院瓷体 燃料燃料纯氢纯氢 氢，甲醇天然氢，甲醇天然气气 天然气，氢天然气，氢 天然气煤气天然气煤气沼气沼气 天然气煤气天然气煤气沼气沼气

28、 氧化剂氧化剂纯氧纯氧大气中的氧气大气中的氧气 大气中的氧气大气中的氧气 大气中的氧气大气中的氧气 大气中的氧气大气中的氧气 系统的电效率系统的电效率 60-90 43-58 37-42 50%50-65%LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.6.3 生物反应器生物反应器由生物工程所引出的生产过程可统称为生物反应工由生物工程所引出的生产过程可统称为生物反应工程。程。在生物反应工程中若采用活细胞（包括微生物、动在生物反应工程中若采用活细胞（包括微生物、动植物细胞）为生物催化剂，称为发酵过程或细胞培植物细胞）为生物催化剂，称为发酵过

29、程或细胞培养过程；采用游离酶或固定化酶，则称为酶反应过养过程；采用游离酶或固定化酶，则称为酶反应过程。程。生化反应器生化反应器(生物反应器生物反应器)就是为适应生化反应就是为适应生化反应(生物生物反应反应)的特点而设计的反应设备。包括酶反应器、微的特点而设计的反应设备。包括酶反应器、微生物反应器（发酵罐）和动植物细胞培养用反应器。生物反应器（发酵罐）和动植物细胞培养用反应器。LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.6.3 生物反应器生物反应器 典型的生物反应工程包括四个部分：典型的生物反应工程包括四个部分：I.原材料预处理原材料预处理II.生物催化剂的制备生物催化剂的制备III.

30、生化反应器及反应条件的选择与监控生化反应器及反应条件的选择与监控IV.产物的分离纯化产物的分离纯化LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.6.3 生物反应器生物反应器生化反应中的颗粒有：单个细胞、细胞群、絮凝细胞团、生化反应中的颗粒有：单个细胞、细胞群、絮凝细胞团、丝状细胞、固定化酶颗粒。它们的形状可能是球形、柱形、丝状细胞、固定化酶颗粒。它们的形状可能是球形、柱形、无定形等，比化工过程复杂。无定形等，比化工过程复杂。生物颗粒的特点是有生命活力。微生物、动物或植物细胞生物颗粒的特点是有生命活力。微生物、动物或植物细胞是无数个微型反应器，从环境中提取原料，获取能量，自是无数个微型反

31、应器，从环境中提取原料，获取能量，自我繁殖加工，合成能储存在细胞里或分泌至细胞外的产品。我繁殖加工，合成能储存在细胞里或分泌至细胞外的产品。生物细胞颗粒的结构和形态可随加工过程而变化。细胞可生物细胞颗粒的结构和形态可随加工过程而变化。细胞可从丝状变为圆球状，又从单个细胞到絮凝细胞团。从丝状变为圆球状，又从单个细胞到絮凝细胞团。生物颗粒的另一个特点是对流动或机械剪切力十分敏感。生物颗粒的另一个特点是对流动或机械剪切力十分敏感。一般生物反应器有如下特点：LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.6.3 生物反应器生物反应器 生物反应器的分类生物反应器的分类生物反应器生物反应器间歇操作间

32、歇操作半间歇半连续操作半间歇半连续操作连续操作连续操作生物团块反应器生物团块反应器生物膜反应器生物膜反应器全混流型全混流型活塞流型活塞流型全混流型全混流型活塞流型活塞流型搅拌釜式反搅拌釜式反应器应器循环反应器循环反应器环流反应器环流反应器管式反应器管式反应器鼓泡塔鼓泡塔多级串联式多级串联式反应器反应器流化床反应流化床反应器器循环管反应循环管反应器器完全混合膜完全混合膜反应器反应器固定床固定床生物转盘生物转盘渗滤器渗滤器膜反应器膜反应器LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 2.6.3 生物反应器生物反应器 工业反应器工业反应器实验室反应器实验室反应器LOGOZHENGZHOU UNI

33、VERSITY LOGOZHENGZHOU UNIVERSITY 结束语结束语需要指出的是，在实际生产设备中，大多传热、需要指出的是，在实际生产设备中，大多传热、传质、动量传递和反应过程等兼而有之，上述传质、动量传递和反应过程等兼而有之，上述六大基本过程常常相互耦合。六大基本过程常常相互耦合。如何从高效节能的目的出发，将不同的过程工如何从高效节能的目的出发，将不同的过程工艺巧妙地集成于一体，需要过程机械工程师在艺巧妙地集成于一体，需要过程机械工程师在设计中充分发挥自己的智慧。设计中充分发挥自己的智慧。LOGOLOGOZHENGZHOU UNIVERSITY ZHENGZHOU UNIVERSITY