化学工程手册:第1卷

第1篇化工基础数据 1引言1-2 1.1化工数据概述1-2 1.2化工数据内容范围1-2 1.3化工数据查找指南1-4 2纯物质基本物性1-6 2.1沸点1-6 2.1.1沸点常用数据源1-6 2.1.2沸点的估算方法1-6 2.2熔点1-20 2.2.1熔点常用数据源1-20 2.2.2熔点的估算方法1-20 2.3临界参数1-21 2.3.1临界参数数据源1-21 2.3.2临界参数的估算方法1-21 2.4偏心因子1-24 2.5微观参数1-25 2.5.1偶极矩1-25 2.5.2极化率1-25 2.5.3Lennard-Jones 12-6参数1-25 2.6定位分布贡献法估算物性1-26 参考文献1-27 3蒸气压和相变焓1-29 3.1数据源1-29 3.1.1蒸气压数据源1-29 3.1.2相变焓数据源1-37 3.2估算方法1-42 3.2.1蒸气压估算方法1-42 3.2.2蒸发焓的估算方法1-51 3.2.3熔化焓的估算方法1-62 3.2.4升华焓的估算方法1-63 3.2.5溶解焓（热）ΔsolH的估算方法1-63 参考文献1-64 4热化学数据1-66 4.1（比）热容1-66 4.1.1（比）热容数据源1-66 4.1.2（比）热容的估算方法1-77 4.2焓和熵1-84 4.2.1焓1-84 4.2.2熵1-84 4.3燃烧焓、生成焓、生成Gibbs自由能1-85 4.3.1燃烧焓1-85 4.3.2生成焓1-87 4.3.3生成Gibbs自由能1-91 参考文献1-98 5pVT及相平衡1-100 5.1纯液体pVT1-100 5.1.1纯液体密度数据源1-100 5.1.2利用关联式计算液体密度1-100 5.1.3纯液体密度的估算1-113 5.2混合液体pVT1-117 5.2.1混合液体密度数据源1-117 5.2.2混合液体密度估算（混合规则）1-117 5.3气体pVT1-118 5.4相平衡1-118 5.4.1VLE数据1-118 5.4.2GLE数据1-119 5.4.3LLE数据1-120 5.4.4SLE数据（或LSE）1-120 5.4.5辛醇/水分配系数1-120 参考文献1-121 6传递过程相关数据1-128 6.1黏度1-128 6.1.1常用气体黏度-温度关联式及其系数1-128 6.1.2空气的黏度1-131 6.1.3常用液体物质黏度关联式及其系数1-131 6.1.4黏度的估算方法1-134 6.2热导率1-144 6.2.1热导率数据源1-144 6.2.2热导率的估算方法1-149 6.3扩散系数1-151 6.3.1扩散系数数据源1-154 6.3.2扩散系数估算方法1-155 6.4表面张力1-157 6.4.1表面张力数据源1-157 6.4.2表面张力的估算方法1-160 参考文献1-161 符号说明1-163 第2篇化工数学 1数学基础及常用公式2-2 1.1数学模型、常数及计算用表2-2 1.2代数公式与不等式2-16 1.2.1代数式运算2-16 1.2.2二项式定理2-16 1.2.3数列2-16 1.2.4排列、组合2-17 1.2.5自然数之幂的求和公式2-18 1.2.6对数及其运算规律2-18 1.2.7合比、分比2-18 1.2.8待定型表2-19 1.2.9不等式2-19 1.3平面三角函数公式2-20 1.3.1角与三角函数2-20 1.3.2诱导公式2-21 1.3.3特殊角的三角函数值2-22 1.3.4三角恒等式2-22 1.3.5三角形边角关系及其解法2-24 1.3.6有关反三角函数的一些恒等式2-26 1.3.7三角函数值的近似计算2-26 1.4几何图形与初等几何2-27 1.4.1平面图形2-27 1.4.2立体图形2-32 1.4.3基本初等函数及其图形2-35 参考文献2-40 2代数2-41 2.1线性代数2-41 2.1.1行列式理论2-41 2.1.2线性方程组2-41 2.1.3矩阵代数2-43 2.1.4二次型2-44 2.1.5线性空间与线性变换简介2-44 2.1.6欧氏空间2-46 2.2矩阵分析2-47 2.2.1向量范数2-47 2.2.2矩阵范数2-47 2.2.3方阵的谱半径2-48 2.2.4用距离做样本间的分类2-48 2.2.5方阵函数与函数矩阵2-48 2.2.6在简单不可逆反应系统中的应用2-49 2.3矩阵计算2-50 2.3.1矩阵的列主元LU分解2-50 2.3.2由LU分解求解非奇异线性方程组2-50 2.3.3矩阵的QR分解2-51 2.3.4由QR分解求解矩阵特征值问题2-52 2.3.5矩阵的奇异值分解SVD2-52 2.3.6由SVD求解线性*小二乘问题2-52 2.3.7化工案例2-53 参考文献2-54 3解析几何2-55 3.1平面解析几何2-55 3.1.1坐标系2-55 3.1.2直线2-56 3.1.3圆锥曲线2-57 3.1.4曲线与方程2-60 3.1.5参数方程2-61 3.2空间解析几何2-62 3.2.1坐标系2-62 3.2.2平面和直线2-64 3.2.3曲面2-65 3.2.4空间曲线2-68 3.2.5化工案例2-69 参考文献2-70 4微积分：微分、积分、无穷级数2-71 4.1微分学2-71 4.1.1导数的概念2-71 4.1.2复合函数的求导2-73 4.1.3函数的微分2-74 4.1.4偏导数与全微分2-75 4.1.5化工案例2-75 4.2一元函数的积分学2-77 4.2.1不定积分及其计算2-77 4.2.2定积分2-79 4.2.3微积分基本定理2-80 4.2.4化工案例2-81 4.3无穷级数2-82 4.3.1级数的概念2-82 4.3.2正项级数及其敛散性判别法2-83 4.3.3绝对收敛与条件收敛2-84 4.3.4幂级数与泰勒展开2-84 4.3.5化工案例2-86 参考文献2-86 5微分方程与差分方程2-87 5.1常微分方程2-87 5.1.1绪论2-87 5.1.2一阶微分方程 2-88 5.1.3高阶微分方程2-89 5.1.4一些特殊微分方程的例子2-92 5.2偏微分方程2-94 5.2.1输运方程：一阶拟线性偏微分方程2-95 5.2.2二阶拟线性偏微分方程及其典型代表2-95 5.2.3一些常用解法2-96 5.3差分方程2-100 5.3.1有限差分运算与差分方程基本概念 2-100 5.3.2线性差分方程求解2-101 5.3.3非线性差分方程：Riccati差分方程2-104 参考文献2-104 6积分方程与积分变换2-105 6.1复变函数理论2-105 6.1.1复变函数的导数2-105 6.1.2解析函数与奇点2-105 6.1.3复变函数的积分2-106 6.1.4留数理论2-108 6.2积分方程2-109 6.2.1基本概念2-109 6.2.2积分方程的解法2-111 6.3积分变换2-113 6.3.1傅里叶变换的概念2-114 6.3.2傅里叶变换的性质2-115 6.3.3卷积定理2-116 6.3.4傅里叶变换在化学与化工中的应用2-116 6.3.5拉普拉斯变换的定义2-117 6.3.6拉普拉斯变换的性质2-117 6.3.7卷积定理2-119 6.3.8拉普拉斯变换在化学与化工中的应用2-119 6.3.9z变换2-121 参考文献2-122 7随机对象的处理与分析方法2-123 7.1概率基础2-123 7.1.1随机事件与概率2-123 7.1.2抽样数据的“描述统计”和随机变量的“概率分布”2-125 7.2统计推断2-137 7.2.1随机样本统计量及分布2-137 7.2.2参数估计2-140 7.2.3假设检验2-143 7.2.4回归分析2-146 7.3试验的设计与分析2-154 7.3.1方差分析2-155 7.3.2析因试验设计2-158 7.3.3试验的分批与混杂现象2-163 7.3.4部分析因试验设计与因子的别名现象2-168 7.3.5正交试验设计2-172 7.4随机过程与随机分析2-175 7.4.1随机过程2-175 7.4.2白噪声与随机微积分2-177 7.4.3Ito公式与随机微分方程2-181 7.5随机模拟2-183 7.5.1随机变量的模拟方法2-184 7.5.2随机模型模拟法2-192 参考文献2-195 8常微分方程数值解2-196 8.1常微分方程初值问题的数值解法2-196 8.1.1Euler方法2-196 8.1.2Runge-Kutta 方法2-197 8.1.3算法的稳定性2-199 8.1.4刚性问题 2-200 8.1.5微分代数系统 2-201 8.2常微分方程边值问题2-202 8.2.1有限差分法 2-202 8.2.2正交配置法2-204 8.2.3Galerkin 有限元法 2-204 参考文献2-205 9*优化方法2-206 9.1*优化问题及*优性条件2-206 9.1.1*优化问题2-206 9.1.2*优性条件2-207 9.2*优化算法2-208 9.2.1非线性规划问题算法2-208 9.2.2线性规划问题算法2-213 9.2.3整数规划问题算法2-215 9.2.4智能优化算法2-218 参考文献2-221 10图论2-222 10.1图论的基本概念2-222 10.1.1图的定义与矩阵表示2-222 10.1.2路、连通与树2-223 10.1.3平面图2-225 10.1.4化学图2-226 10.1.5具体案例：图论解析化学反应体系——电镀过程中的氢电极反应2-227 10.2分子图的拓扑指标2-228 10.2.1引言2-228 10.2.2Randic指标2-230 10.2.3Hosoya指标和Merrifield-Simmons指标2-231 10.2.4Wiener指标2-232 10.3过程系统的结构分析2-233 10.3.1引言2-233 10.3.2系统分隔的树搜索法2-235 10.3.3甲醇合成系统的分隔2-235 参考文献2-238 11量纲分析2-239 11.1量纲齐次原则2-239 11.2π定理及其应用2-241 11.3应用举例2-241 参考文献2-244 12张量与连续介质力学2-245 12.1张量初步2-245 12.1.1张量的定义2-245 12.1.2逆变张量、协变张量和混合张量的定义2-245 12.1.3张量代数2-246 12.2连续介质力学2-247 12.2.1连续介质2-247 12.2.2动力学（运动）方程式2-248 12.3流体2-249 12.3.1牛顿流体2-249 12.3.2非牛顿流体2-250 12.3.3非牛顿流体物质函数的连续介质力学描述2-250 参考文献2-251 13拓扑方法2-252 13.1拓扑空间与连续映射2-252 13.1.1拓扑空间2-252 13.1.2连续映射与同胚映射2-252 13.2几个重要的拓扑性质2-253 13.2.1连通性2-253 13.2.2紧致性2-254 13.2.3拓扑性质与同胚2-255 13.2.4具体应用2-255 13.3同伦2-255 13.3.1引言2-255 13.3.2映射的同伦2-256 13.3.3多相反应混合物相图分析、共沸混合物的计算2-256 参考文献2-257 14元胞自动机2-258 14.1元胞自动机概述2-258 14.1.1引言2-258 14.1.2一维元胞自动机的定义2-259 14.1.3二维元胞自动机的定义2-260 14.1.4高维元胞自动机的定义2-261 14.2元胞自动机的应用2-262 14.2.1引言2-262 14.2.2生命游戏2-262 14.2.3元胞自动机在化学工程中的应用2-263 参考文献2-263 第3篇化工热力学 1引论3-2 1.1沿革3-2 1.2热力学常用术语3-2 1.2.1系统和环境3-2 1.2.2状态和状态函数3-3 1.2.3过程3-3 1.2.4热力学标准状态3-3 1.2.5本篇若干符号规定3-4 1.3解决实际问题的框架3-4 参考文献3-5 2热力学基本定律3-7 2.1热力学第零定律3-7 2.2热力学**定律3-7 2.2.1**定律对化学反应的应用3-8 2.2.2**定律对敞开系统的应用3-9 2.3热力学第二定律3-10 2.4热力学第三定律3-14 3热力学关系式3-15 3.1热力学基本方程3-15 3.1.1热力学偏导数关系式3-16 3.1.2Maxwell关系式3-17 3.1.3Gibbs-Helmholtz方程3-17 3.2用pVT和Cp表达热力学偏导数3-17 3.3偏摩尔量和Gibbs-Duhem方程3-19 3.3.1偏摩尔量3-19 3.3.2偏摩尔量和总体摩尔量的关系3-20 3.3.3Gibbs-Duhem方程3-21 3.4平衡判据和相律3-22 3.4.1平衡判据3-22 3.4.2相律3-23 3.5稳定性判据3-23 3.6逸度和逸度系数3-29 3.6.1逸度3-29 3.6.2逸度系数3-30 3.7偏离函数和剩余函数3-31 3.7.1以p、T为独立变量表达偏离函数和剩余函数3-32 3.7.2以V、T为独立变量表达偏离函数和剩余函数3-32 3.8活度和活度系数3-33 3.8.1理想溶液3-33 3.8.2活度3-35 3.8.3活度系数3-36 3.9混合函数和过量函数3-38 3.10缔合系统的热力学3-40 3.10.1缔合系统的化学位3-41 3.10.2缔合平衡常数3-42 3.11电解质溶液的热力学3-43 3.11.1电解质溶液的活度和活度系数3-44 3.11.2电解质溶液的渗透压和渗透系数3-48 3.11.3活度系数和渗透系数间的关系3-49 3.11.4电解质溶液的过量函数3-50 3.12多分散系统的连续热力学3-52 3.12.1多分散系统的偏摩尔量3-54 3.12.2多分散系统的化学位、逸度和活度3-56 3.12.3多分散系统的相平衡3-56 3.12.4多分散系统的稳定性判据3-57 参考文献3-58 4实验数据和分子热力学模型3-60 4.1实验数据综述3-60 4.2物性和热化学数据的估算3-60 4.2.1临界点、沸点、凝固点的估算3-61 4.2.2热化学数据的Benson基团贡献法3-62 4.2.3溶解度参数的估算3-63 4.3过量函数（活度系数）模型3-65 4.3.1Wohl型过量函数（活度系数）模型3-65 4.3.2局部组成型过量函数（活度系数）模型3-68 4.3.3过量函数（活度系数）的估算3-73 4.4电解质溶液的过量函数（活度系数）模型3-77 4.4.1Debye-Huckel模型3-77 4.4.2Pitzer模型3-77 4.4.3局部组成模型3-78 4.4.4电解质溶液的积分方程理论和微扰理论3-80 4.5高分子系统的混合亥姆霍兹函数模型3-81 4.5.1Flory-Huggins模型3-81 4.5.2修正的Freed模型3-82 4.5.3LSAFT模型3-82 4.5.4随机共聚物的混合亥姆霍兹函数模型3-83 4.5.5高分子系统的COSMO法3-83 4.6pVT状态方程 3-84 4.6.1维里方程3-84 4.6.2立方型方程3-86 4.6.3立方型方程的混合规则3-88 4.6.4多参数方程3-90 4.6.5基于微扰理论的状态方程3-91 4.7对应状态原理3-94 4.7.1两参数对应状态方法3-94 4.7.2三参数对应状态方法3-95 4.7.3量子流体的对应状态方法3-97 4.7.4对应状态原理的混合规则3-97 4.8缔合系统的状态方程3-99 4.8.1基于缔合平衡的状态方程3-99 4.8.2基于统计缔合理论的状态方程3-100 4.9高分子系统的状态方程3-103 4.9.1胞腔模型3-103 4.9.2格子流体模型3-104 4.9.3自由连接链状态方程3-105 参考文献3-108 5过程的热力学性质计算3-113 5.1恒温过程3-115 5.2绝热过程3-115 5.3恒焓过程3-117 5.4多变过程3-117 6过程的热力学分析3-119 6.1能量衡算3-119 6.2理想功和功损失3-120 6.2.1封闭系统的理想功和功损失3-120 6.2.2敞开系统稳流过程的理想功和功损失3-121 6.3有效能和有效能分析3-122 参考文献3-124 7相平衡计算3-125 7.1气液平衡计算3-126 7.1.1泡点计算3-126 7.1.2露点计算3-127 7.1.3闪蒸计算3-128 7.2液液平衡计算3-129 7.3液固平衡计算3-129 7.4电解质溶液的相平衡计算3-130 7.5多分散系统的相平衡计算3-131 7.5.1具有简单分布函数的系统3-131 7.5.2具有任意分布函数的系统3-133 7.6高分子溶液的相平衡计算3-135 7.7气液相平衡计算——由T、p、x推算y3-139 7.8热力学一致性检验3-142 参考文献3-144 8化学平衡3-146 8.1标准平衡常数3-146 8.1.1气相化学反应3-146 8.1.2多相化学反应3-147 8.1.3溶液化学反应3-148 8.2由热力学性质计算标准平衡常数3-151 8.2.1利用标准生成焓、标准熵和标准恒压热容计算3-151 8.2.2利用标准生成吉布斯函数、标准生成焓和标准恒压热容计算3-151 8.3平衡组成的计算3-152 8.3.1一般化学反应3-152 8.3.2溶液化学反应3-153 8.4各种因素对平衡组成的影响3-153 8.4.1一般化学反应的压力影响3-153 8.4.2溶液化学反应的压力影响3-154 8.4.3温度影响3-154 8.5多个化学反应同时存在时的平衡3-154 8.5.1平衡常数法3-155 8.5.2*小吉布斯函数法3-155 8.6化学反应的方向和限度，等温方程3-156 参考文献3-158 9界面与吸附现象的热力学3-159 9.1吸附量3-159 9.1.1Guggenheim法3-159 9.1.2Gibbs法3-159 9.2界面热力学3-160 9.2.1热力学基本方程3-160 9.2.2平衡判据3-161 9.2.3Laplace方程3-162 9.2.4Kelvin方程3-163 9.2.5界面化学位3-163 9.2.6Gibbs吸附等温式3-164 9.3混合物的界面张力3-164 9.3.1界面化学位法3-165 9.3.2Gibbs-Duhem方程法3-165 9.3.3实用的界面张力模型3-166 9.4分子热力学模型3-167 9.4.1过量函数模型3-167 9.4.2界面状态方程3-167 9.4.3实用的吸附等温式3-168 9.5气固吸附平衡3-169 参考文献3-170 10电化学过程的热力学3-171 10.1两种电化学过程3-171 10.2电化学位3-172 10.3电池的电动势3-172 10.3.1电动势与活度的关系3-173 10.3.2电动势与平衡常数的关系3-173 10.3.3电动势与温度的关系3-174 10.3.4电化学过程的有效能3-174 10.4膜电位与Donnan平衡3-174 11不可逆过程的热力学3-176 11.1基本假定3-176 11.1.1局部平衡假定3-176 11.1.2不完全平衡假定3-176 11.2熵流和熵产生3-177 11.2.1离散系统的熵产生率3-177 11.2.2连续系统的熵产生率3-179 11.3广义推动力和广义通量3-179 11.3.1通量和推动力间的关系3-179 11.3.2Onsager倒易定理3-180 11.4应用举例3-180 11.4.1动电现象3-180 11.4.2膜过程3-181 11.4.3连串反应的稳态3-183 参考文献3-184 符号说明3-185 第4篇流体流动 1流体流动的基本原理与基本方程4-2 1.1流体的物理属性4-2 1.2流体运动学4-4 1.2.1流动的分析描述4-4 1.2.2流动的几何描述4-4 1.2.3流体微团运动分析4-5 1.2.4流体运动的分类4-7 1.2.5二维流动与流函数4-7 1.3流体运动的守恒原理和宏观衡算4-8 1.3.1控制体和控制面4-8 1.3.2质量守恒4-8 1.3.3能量守恒4-9 1.3.4动量守恒4-14 1.3.5动量矩守恒4-16 1.4流体运动微分方程4-17 1.4.1连续性微分方程4-17 1.4.2理想流体动量守恒微分方程4-17 1.4.3黏性流体动量方程——应力形式4-18 1.4.4奈维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程4-18 1.4.5运动方程的定解条件与无滑移条件4-19 1.5奈维-斯托克斯方程的解4-19 1.5.1精确解4-20 1.5.2近似解4-21 1.5.3数值解4-23 1.6流体动力相似与相似律4-23 1.7层流与湍流及临界Re数4-24 1.8流动可视化与流动测量4-25 参考文献4-26 2有旋流动与无旋流动4-28 2.1定义4-28 2.2涡旋运动特征4-28 2.3涡旋的产生、扩展与消失——黏性作用4-29 2.4典型涡旋流动——Euler方程或N-S方程解析解4-29 2.4.1二维无黏涡旋4-29 2.4.2二维黏性涡旋，黏性效应：涡量扩散与能量耗散4-30 2.5无旋运动特征与速度势4-31 2.6无旋流理论的应用4-32 参考文献4-33 3边界层理论与外部绕流4-34 3.1边界层概念及平面上的边界层4-34 3.2曲面上的边界层及边界层分离4-37 3.3圆柱绕流4-39 3.3.1尾流边界层4-39 3.3.2尾流结构随Re变化4-40 3.4传热和传质边界层4-41 3.4.1传热边界层4-41 3.4.2传质边界层4-44 3.5高速边界层4-45 参考文献4-45 4湍流理论与实验观测4-46 4.1湍流基本特征4-46 4.2湍流运动基本方程4-46 4.3湍流半经验理论4-47 4.3.1Boussinesq湍流黏度4-47 4.3.2Prandtl 混合长4-48 4.3.3壁面湍流多层结构4-49 4.3.4圆管湍流速度分布4-49 4.3.5湍流边界层4-51 4.3.6自由湍流：射流4-52 4.4湍流统计理论及其应用4-54 4.4.1湍流统计特性参数4-54 4.4.2均匀湍流及Kolmogorov理论4-58 4.5剪切湍流拟序结构4-60 4.6湍流参数的实验测量4-62 4.6.1热丝流速仪4-62 4.6.2激光流速仪4-63 4.6.3粒子图像测速法4-63 4.6.4管流实验测定结果4-63 4.7流动控制4-64 参考文献4-65 5流动稳定性4-66 5.1两类不稳定：对流/绝对不稳定4-66 5.2Benard涡和Benard对流4-66 5.3Marangoni对流和扩散对流4-67 5.4Taylor涡4-68 参考文献4-69 6流体阻力计算4-70 6.1流体阻力的分类和机理4-70 6.2管路阻力4-74 6.2.1管道与管件4-74 6.2.2管路进口段压力与剪切应力4-74 6.2.3直管阻力4-75 6.2.4局部阻力4-77 6.2.5非常规管道阻力计算4-80 6.2.6多孔管的阻力4-82 6.2.7非等温流动的阻力4-84 6.3管路计算4-84 6.3.1简单管路4-85 6.3.2复杂管路及管网4-88 参考文献4-93 7流体均布4-95 7.1流动均匀性的表示方法4-95 7.2改善流体均匀分布的方法4-96 参考文献4-99 8可压缩流动4-100 8.1气体流动的摩擦因子和能量方程4-100 8.2等温流动4-100 8.3绝热流动（等熵流动）4-101 8.4喷管中的气体流动4-101 参考文献4-103 9稀薄气体动力学4-104 9.1克努森数与低压下气体流动状态4-104 9.2流导、流量和抽气速率4-105 9.3黏滞流的流导4-106 9.4分子流的流导4-106 9.5过渡流的流导4-106 9.6管路及阀门的压降4-107 参考文献4-107 10非定常流4-108 10.1水锤4-108 10.2汽蚀4-108 参考文献4-109 11多孔介质中的流动4-110 11.1多孔介质结构4-110 11.2多孔介质中流动的基本定律、Darcy定律及其修正4-112 11.2.1代表性单元体积与体积平均速度4-112 11.2.2Darcy定律4-112 11.2.3Darcy 定律修正4-112 参考文献4-113 12气液两相流动4-114 12.1气泡/液滴动力学4-114 12.1.1气泡形成过程及影响气泡大小的因素4-114 12.1.2气泡上升速度及其运动4-117 12.1.3液滴阻力曲线与终端速度曲线4-124 12.1.4表面活性物质效应及其相关模型4-125 12.2液膜流动4-127 12.2.1基本特性4-127 12.2.2液膜流体动力学4-128 12.3管内气液两相流动4-130 12.3.1基本流动参数4-130 12.3.2基本流型4-132 12.3.3持料量4-136 12.3.4气液两相流动压降、两相模型4-140 参考文献4-146 13非牛顿流体的流动4-148 13.1按流变行为的分类4-148 13.1.1非牛顿流体的黏度4-148 13.1.2广义牛顿流体4-149 13.1.3依时性流体（触变性）4-151 13.1.4黏弹性流体4-151 13.2广义牛顿流体的管内流动4-151 13.2.1充分发展的层流流动4-151 13.2.2从层流向湍流的过渡4-155 13.2.3管内湍流的速度分布4-156 13.2.4流动阻力和摩擦因子4-157 13.3非牛顿流体绕流边界层4-161 13.4黏弹性流体的流动4-161 13.4.1黏弹性流体的特异流动行为4-161 13.4.2黏弹性流体的定常剪切行为4-162 13.4.3黏弹性流体的本构方程及其力学行为4-165 13.4.4拉伸流动4-169 13.5流变参数的实验测定4-172 13.5.1毛细管流变仪4-172 13.5.2旋转圆筒流变仪4-175 13.5.3锥板流变仪4-176 参考文献4-177 14微流动4-178 14.1概述4-178 14.2微尺度效应4-178 14.3控制方程与滑移模型4-179 14.4微尺度的热效应4-180 14.4.1热蠕变4-180 14.4.2微泊肃叶流（Poiseuille flow）中的热传递4-180 14.4.3微库特流（Couette flow）中的热传递4-181 14.5微流道及其特点4-181 参考文献4-183 15计算流体力学4-184 15.1概述4-184 15.2计算区域及控制方程的离散化4-185 15.2.1空间区域的离散化4-185 15.2.2控制方程的离散化4-186 15.3离散方程解法4-189 15.3.1数值解的计算误差源4-189 15.3.2离散方程的数学性质4-189 15.3.3离散方程的直接解法及迭代法4-189 15.4求解Navier-Stokes方程的压力修正方法4-191 15.4.1交错网格4-191 15.4.2SIMPLE算法4-191 15.5湍流模型4-192 15.5.1湍流数值模拟方法4-192 15.5.2湍流模型4-192 15.6多相流模拟4-195 15.6.1多相流的数值模拟方法4-195 15.6.2多相流数值模型4-195 15.7反应流模拟4-197 15.8其他数值方法4-197 参考文献4-198 第5篇流体输送 概述5-2 1流体输送管路5-3 1.1流体输送管路选择的原则5-3 1.2管内介质的流速范围5-3 1.3管径的选择5-6 1.3.1管径的计算5-6 1.3.2利用算图选管径5-7 1.4真空管路5-10 1.5压力管道类别、级别5-10 1.5.1GA类［长输（油气）管道］5-10 1.5.2GB类（公用管道）5-10 1.5.3GC类（工业管道）5-10 1.5.4GD类（动力管道）5-11 1.6《工业金属管道设计规范》的管道分类5-11 参考文献5-12 2气体输送机械概述5-13 2.1分类与特点5-13 2.2理论基础5-14 2.2.1气体状态方程5-14 2.2.2气体在压缩机内的热力状态变化过程和压缩功5-15 2.2.3真实气体压缩功计算5-16 参考文献5-16 3容积式压缩机5-17 3.1活塞式压缩机5-17 3.1.1分类与结构5-17 3.1.2工作原理及主要参数5-18 3.1.3结构型式及主要零部件5-24 3.1.4活塞式压缩机的选型5-30 3.1.5压缩机的变工况工作5-32 3.1.6压缩机排气量的调节5-33 3.2其他类型压缩机5-34 3.2.1螺杆式压缩机5-34 3.2.2罗茨鼓风机5-37 3.2.3滑片式压缩机5-38 3.2.4液环式压缩机5-40 3.2.5隔膜压缩机5-41 3.2.6超高压压缩机5-42 参考文献5-44 4速度式（透平式）压缩机5-45 4.1分类5-45 4.2离心式鼓风机与压缩机5-45 4.2.1构造与特点5-45 4.2.2理论基础5-46 4.2.3结构及主要零部件5-49 4.2.4选型5-54 4.2.5主要辅机与辅助设备5-56 4.2.6性能曲线、调节5-57 4.3轴流式压缩机5-59 4.3.1结构及功能5-59 4.3.2特性曲线及其估算5-61 4.3.3调节、防喘振和安全工作区5-61 4.4通风机5-63 4.4.1化工用通风机的特殊要求5-63 4.4.2原理、结构和选型5-64 4.5复合式压缩机5-66 4.6整体内部齿轮压缩机5-66 4.7磁力轴承离心式压缩机5-67 参考文献5-69 5化工用泵5-70 5.1特点、分类及工作原理5-70 5.1.1特点5-70 5.1.2分类及工作原理5-70 5.2叶片式泵5-71 5.2.1泵的性能参数5-71 5.2.2理论基础、基本方程5-73 5.2.3离心泵5-74 5.2.4部分流泵5-81 5.2.5旋涡泵5-82 5.2.6轴流泵5-83 5.3容积式泵5-84 5.3.1泵的基本参数5-85 5.3.2容积式泵的性能曲线和性能换算5-85 5.3.3往复泵5-87 5.3.4转子泵5-89 5.3.5真空泵5-90 5.3.6化工特殊用泵5-93 5.4无密封离心泵5-98 5.4.1磁力泵5-98 5.4.2屏蔽泵5-101 5.5流体动密封5-105 5.5.1填料密封5-105 5.5.2机械密封5-106 5.6化工用泵的选型5-112 5.6.1选型依据5-112 5.6.2选型步骤5-113 5.6.3确定泵的台数、备用率5-114 参考文献5-115 6压缩机的故障诊断技术及典型案例5-116 6.1往复压缩机状态监测与故障诊断5-116 6.1.1大型往复压缩机的状态监测与故障诊断5-116 6.1.2往复压缩机典型故障特征分析与诊断实例5-116 6.2离心压缩机的状态监测与故障诊断5-123 6.2.1离心压缩机的状态监测5-123 6.2.2透平机械故障一次原因分析5-124 6.2.3离心压缩机的故障诊断实例5-124 6.3往复压缩机管线振动故障诊断案例5-128 参考文献5-133 7工业汽轮机5-134 7.1汽轮机的基本原理和分类5-134 7.1.1汽轮机的基本工作原理5-134 7.1.2汽轮机的分类5-134 7.2工业汽轮机的结构及特点5-136 7.2.1工业汽轮机的结构5-136 7.2.2工作特点5-139 7.3工业汽轮机的调节保安系统5-143 7.3.1基本调节规律5-143 7.3.2工业汽轮机的调节系统5-145 7.3.3工业汽轮机的保安系统5-147 7.4汽轮机变工况5-149 7.4.1背压式汽轮机的变工况5-149 7.4.2抽汽式汽轮机的变工况5-149 7.4.3变工况运行对汽轮机主要零部件强度的影响5-150 7.4.4工业汽轮机蒸汽参数波动的允许范围5-151 7.5工业汽轮机的选型5-152 7.5.1化工用工业汽轮机型式的选择5-152 7.5.2几种常用的工业汽轮机特性5-152 7.5.3汽轮机型式的选择5-153 参考文献5-154 符号说明5-155 第6篇搅拌及混合 1概论6-2 1.1搅拌釜的结构6-2 1.1.1釜体6-2 1.1.2搅拌器6-2 1.1.3挡板6-4 1.1.4导流筒6-5 1.2搅拌釜内流体的流动特性6-5 1.2.1流型6-5 1.2.2速度分布6-6 1.2.3湍流特性6-6 1.3搅拌过程常用的无量纲数群及其意义6-10 1.4搅拌效果的量度及其影响因素6-12 参考文献6-13 2搅拌桨的分类及其特性6-14 2.1按流动的形态分类6-14 2.1.1轴向流搅拌桨6-14 2.1.2径向流搅拌桨6-18 2.2适用于高黏度流体的桨型6-20 2.2.1锚式桨及框式桨6-20 2.2.2螺杆式桨及螺带式桨6-21 参考文献6-24 3低黏度互溶液体的混合6-25 3.1过程的特征及其基本原理6-25 3.2桨型的选择6-25 3.3设计计算6-26 3.4多层桨6-28 4高黏度液体的混合6-29 4.1高黏度液体的混合机理6-29 4.2高黏度液体搅拌桨的混合性能6-29 4.2.1混合性能指标6-29 4.2.2各种搅拌桨的混合性能6-30 4.3非牛顿流体的混合6-32 4.3.1非牛顿流体的分类6-32 4.3.2非牛顿流体性质对混合的影响6-33 4.4搅拌桨型式的选择6-33 4.5牛顿流体的搅拌功率6-33 4.5.1锚式搅拌桨的搅拌功率6-33 4.5.2螺带式搅拌桨的搅拌功率6-34 4.5.3多种型式高黏度搅拌桨的KP值6-34 4.6非牛顿流体的搅拌功率6-35 4.6.1假塑性流体的搅拌功率6-35 4.6.2宾汉塑性流体的搅拌功率6-41 4.6.3触变性流体的搅拌功率6-42 4.6.4黏弹性流体的混合及功率6-42 参考文献6-44 5固液悬浮6-45 5.1过程特征及其基本原理6-45 5.1.1固体颗粒悬浮状态6-45 5.1.2固体颗粒的沉降速度6-45 5.1.3固液悬浮机理6-47 5.2搅拌设备选型6-47 5.2.1搅拌桨的型式6-47 5.2.2搅拌桨参数的确定6-47 5.2.3搅拌釜的结构6-48 5.3搅拌桨的工艺设计6-48 5.3.1悬浮临界转速6-48 5.3.2工艺设计6-50 5.3.3固液悬浮搅拌桨设计实例6-51 5.4带导流筒的搅拌釜6-53 5.4.1流动特性6-53 5.4.2搅拌桨型式6-53 5.4.3导流筒直径与釜直径之比6-53 5.4.4固液传质6-54 参考文献6-55 6气液分散6-56 6.1过程特征6-56 6.1.1通气式气液搅拌器及其釜体结构6-56 6.1.2自吸式气液搅拌器及釜体结构6-57 6.2气液搅拌釜的分散特性6-59 6.2.1搅拌釜内的气液流动状态6-59 6.2.2*大通气速度6-60 6.2.3气泡直径、气含率、比表面积6-60 6.3气液搅拌釜的传质特性6-62 6.4搅拌器型式的选择6-63 6.5通气时的功率计算6-63 6.5.1通气功率6-63 6.5.2不通气时的功率确定6-65 参考文献6-68 7液液分散6-70 7.1过程特征6-70 7.2液液搅拌釜的分散特性6-71 7.3桨型选择与釜体结构6-73 7.4达到要求的分散程度所需的搅拌功率6-73 参考文献6-76 8气液固三相混合6-77 8.1过程特征6-77 8.2气液固三相混合原理6-77 8.2.1气液分散6-77 8.2.2固体颗粒悬浮6-78 8.3搅拌设备选型6-79 参考文献6-79 9粉体混合6-81 9.1过程特征6-81 9.2粉体混合特性6-81 9.3粉体混合设备的设计6-83 参考文献6-86 10搅拌釜的传热6-88 10.1搅拌釜内壁传热膜系数h的计算6-88 10.1.1涡轮类搅拌桨、带挡板釜6-88 10.1.2涡轮类搅拌桨、无挡板釜6-88 10.1.3三叶推进式搅拌桨6-89 10.1.4六叶后弯式搅拌桨6-89 10.1.5MIG搅拌桨6-89 10.1.6螺带式搅拌桨6-89 10.2搅拌釜内盘管外侧传热膜系数hi的计算6-92 10.2.1涡轮搅拌桨、无挡板釜6-92 10.2.2涡轮搅拌桨、有挡板釜6-92 10.2.3三叶推进式搅拌桨6-92 10.2.4六叶后弯式搅拌桨6-92 10.2.5双层盘管6-92 10.3搅拌釜内垂直管外壁传热膜系数hc的计算6-92 10.4搅拌釜内垂直板式蛇管的传热膜系数h′c的计算6-93 10.5计算实例6-93 11搅拌釜的CFD模拟与优化6-95 11.1搅拌釜内流动场的CFD模拟6-95 11.1.1单相流场6-95 11.1.2多相流场6-98 11.2搅拌釜内浓度场的CFD模拟6-101 11.2.1相内质量传递6-101 11.2.2相际质量传递6-101 11.3搅拌釜内温度场的CFD模拟6-103 11.4搅拌釜内反应过程的CFD模拟6-104 参考文献6-105 12搅拌釜的放大6-106 12.1前言6-106 12.2搅拌釜放大的准则及方法6-106 12.3几何相似放大时搅拌性能参数的变化关系6-107 12.4互溶液体混合过程的放大6-108 12.4.1几何相似放大6-108 12.4.2非几何相似放大6-108 12.5气液分散、液液分散过程的放大6-110 12.6固液悬浮过程的放大6-111 12.7气液固三相体系的放大6-111 参考文献6-113 13混合过程强化新技术6-114 13.1动静转子混合技术6-114 13.1.1动静转子反应器的原理6-114 13.1.2动静转子反应器6-114 13.1.3研究方法6-114 13.1.4应用6-116 13.2高速撞击流混合技术6-117 13.2.1撞击流技术原理6-117 13.2.2撞击流的特性6-117 13.2.3撞击流技术的研究6-118 13.2.4撞击流的应用6-119 13.3微通道混合技术6-120 13.3.1微通道混合技术的原理及特点6-120 13.3.2微通道反应器6-121 13.3.3应用6-121 13.4旋转填充床混合技术6-122 13.4.1旋转填充床技术的原理6-122 13.4.2旋转填充床反应器6-123 13.4.3旋转填充床的研究6-125 13.4.4旋转填充床的应用6-125 参考文献6-126 符号说明6-128 本卷索引本卷索引1