化工原理及化工工艺-完整教材PPT文件格式下载.ppt

1、3.本章学时安排 授课14学时，习题课4学时。,1.1 概述,流体流动规律是本门课程的重要基础，主要原因有以下三个方面：（1）流动阻力及流量计算（2）流动对传热、传质及化学反应的影响（3）流体的混合效果,化工生产中，经常应用流体流动的基本原理及其流动规律解决关问题。以图1-1为煤气洗涤装置为例来说明：流体动力学问题：流体（水和煤气）在泵（或鼓风机）、流量计以及管道中流动等；流体静力学问题：压差计中流体、水封箱中的水,图1-1 煤气洗涤装置,确定流体输送管路的直径，计算流动过程产生的阻力和输送流体所需的动力。根据阻力与流量等参数选择输送设备的类型和型号，以及测定流体的流量和压强等。流体流动将影响

2、过程系统中的传热、传质过程等，是其他单元操作的主要基础。,图1-1 煤气洗涤装置,1.1 概述,1.1.1 流体的分类和特性,气体和流体统称流体。流体有多种分类方法：（1）按状态分为气体、液体和超临界流体等；（2）按可压缩性分为不可压流体和可压缩流体；（3）按是否可忽略分子之间作用力分为理想流体与粘 性流体（或实际流体）；（4）按流变特性可分为牛顿型和非牛倾型流体；流体区别于固体的主要特征是具有流动性，其形状随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。流动时产生内摩擦从而构成了流体力学原理研究的复杂内容之一,1.1.2 流体流动的考察方法,流体是由大量的彼此间有一定间隙的单个分子所组成。在

3、物理化学（气体分子运动论）重要考察单个分子的微观运动，分子的运动是随机的、不规则的混乱运动。这种考察方法认为流体是不连续的介质，所需处理的运动是一种随机的运动，问题将非常复杂。1.1.2.1 连续性假设（Continuum hypotheses）在化工原理中研究流体在静止和流动状态下的规律性时，常将流体视为由无数质点组成的连续介质。连续性假设:假定流体是有大量质点组成、彼此间没有间隙、完全充满所占空间连续介质，流体的物性及运动参数在空间作连续分布，从而可以使用连续函数的数学工具加以描述。,1.1.2.2 流体流动的考察方法 拉格朗日法 选定一个流体质点，对其跟踪观察，描述其运动参数（位移、数度

4、等）与时间的关系。可见，拉格朗日法描述的是同一质点在不同时刻的状态。欧拉法 在固定的空间位置上观察 流体质点的运动情况，直接描述各有关参数在空间各点的分布情况合随时间的变化，例如对速度u，可作如下描述：,1.1.2 流体流动的考察方法,任取一微元体积流体作为研究对象，进行受力分析，它受到的力有质量力（体积力）和表面力两类。（1）质量力（体积力）与流体的质量成正比，质量力对于均质流体也称为体积力。如流体在重力场中所受到的重力和在离心力场所受到的离心力，都是质量力。（2）表面力 表面力与作用的表面积成正比。单位面积上的表面力称之为应力。垂直于表面的力p，称为压力（法向力）。单位面积上所受的压力称为

5、压强p。平行于表面的力F，称为剪力（切力）。单位面积上所受的剪力称为应力。,1.1.3 流体流动中的作用力,1.2.流体静力学基本方程（Basic equations of fluid statics）,*本节主要内容 流体的密度和压强的概念、单位及换算等；在重力场中的静止流体内部压强的变化规律及其工程应用。*本节的重点 重点掌握流体静力学基本方程式的适用条件及工程应用实例。*本节的难点 本节点无难点。,1.2 流体静力学基本方程,流体静力学主要研究流体流体静止时其内部压强变化的规律。用描述这一规律的数学表达式，称为流体静力学基本方程式。先介绍有关概念：,1.2.1 流体的密度,单位体积流体所

6、具有的质量称为流体的密度。以表示，单位为kg/m3。（1-1）式中-流体的密度，kg/m3；m-流体的质量，kg；V-流体的体积，m3。当V0时，m/V 的极限值称为流体内部的某点密度。,1.2.1.1 液体的密度 液体的密度几乎不随压强而变化，随温度略有改变，可视为不可压缩流体。纯液体的密度可由实验测定或用查找手册计算的方法获取。混合液体的密度，在忽略混合体积变化条件下，可用下式估算（以1kg混合液为基准），即（1-2）式中i-液体混合物中各纯组分的密度，kg/m3；i-液体混合物中各纯组分的质量分率。,1.2.1 流体的密度,1.2.1.2 气体的密度 气体是可压缩的流体，其密度随压强和温

7、度而变化。气体的密度必须标明其状态。纯气体的密度一般可从手册中查取或计算得到。当压强不太高、温度不太低时，可按理想气体来换算：（1-3）式中 p 气体的绝对压强,Pa（或采用其它单位）；M 气体的摩尔质量,kg/kmol；R 气体常数,其值为8.315；T 气体的绝对温度，K。,1.2.1 流体的密度,对于混合气体，可用平均摩尔质量Mm代替M。（1-4）式中yi-各组分的摩尔分率（体积分率或压强分率）。,（下标0表示标准状态）,（1-3a）,1.2.1.2 气体的密度,或,1.2.2 流体的压强及其特性,垂直作用于单位面积上的表面力称为流体的静压强,简称压强。流体的压强具有点特性。工程上习惯上

8、将压强称之为压力。在SI中，压强的单位是帕斯卡，以Pa表示。但习惯上还采用其它单位，它们之间的换算关系为：（2）压强的基准 压强有不同的计量基准：绝对压强、表压强、真空度。,1.2.2.1 流体的压强（1）定义和单位.,1atm=1.033 kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133 bar=1.0133105Pa,1.2.1.1 流体的压强 绝对压强 以绝对零压作起点计算的压强，是流体的真实压强。表压强压强表上的读数，表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，即:表压强绝对压强大气压强 真空度 真空表上的读数，表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，即:真空度大气压

9、强绝对压强 绝对压强，表压强，真空度之间的关系见图1-2。,图压强的基准和量度,1.2.1.2 流体压强的特性,流体压强具有以下两个重要特性：流体压力处处与它的作用面垂直，并且总是指向流体的作用面；流体中任一点压力的大小与所选定的作用面在空间的方位无关。,熟悉压力的各种计量单位与基准及换算关系，对于以后的学习和实际工程计算是十分重要的。,1.2.3 流体静力学基本方程（Basic equations of fluid statics）,推导过程 使用条件 物理意义 工程应用1.2.3.1方程式推导 图1-3所示的容器中盛有密度为的均质、连续不可压缩静止液体。如流体所受的体积力仅为重力，并取z

10、轴方向与重力方向相反。若以容器底为基准水平面，则液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为Z1、Z2。现于液体内部任意划出一底面积为A的垂直液柱。,图1-3流体静力学基本方程推导,（1）向上作用于薄层下底的总压力，PA（2）向下作用于薄层上底的总压力，（P+dp）A（3）向下作用的重力，由于流体处于静止，其垂直方向所受到的各力代数和应等于零，简化可得：,1.2.3.1方程式推导,图1-3流体静力学基本方程推导,1.2.3.1 流体静力学基本方程式推导,在图1-4中的两个垂直位置2 和 1 之间对上式作定积分 由于 和 g 是常数，故,（1-5）,（1-5a）,若将图1-4中的点1移至液面上（

11、压强为p0），则式1-5a变为:上三式统称为流体静力学基本方程式。,图1-4静止液体内压力的分布,（1-5b）,Pa,J/kg,1.2.3.2流体静力学基本方程式讨论,（1）适用条件 重力场中静止的，连续的同一种不可压缩流体（或压力 变化不大的可压缩流体,密度可近似地取其平均值）。（2）衡算基准 衡算基准不同，方程形式不同。若将（1-5）式各项均除以密度，可得 将式（1-5b）可改写为：压强或压强差的大小可用某种液体的液柱高度表示，但必须注 明是何种液体。,m,m,（1-5c）,（1-5d）,1.2.3.2流体静力学基本方程式讨论,（3）物理意义,（i）总势能守恒 重力场中在同一种静止流体中不

12、同高度上的微元其静压能和位能各不相同，但其总势能保持不变。（ii）等压面 在静止的、连续的同一种液体内，处于同一水平面上各点的静压强相等-等压面（静压强仅与垂直高度有关，与水平位置无关）。要正确确定等压面。静止液体内任意点处的压强与该点距液面的距离呈线性关系，也正比于液面上方的压强。（iii）传递定律 液面上方的压强大小相等地传遍整个液体。,1.2.4 静力学基本方程式的应用,流体静力学原理的应用很广泛，它是连通器和液柱压差计工作原理的基础，还用于容器内液柱的测量，液封装置，不互溶液体的重力分离（倾析器）等。解题的基本要领是正确确定等压面。本节介绍它在测量液体的压力和确定液封高度等方面的应用。

13、,1.2.3.1 压力的测量 测量压强的仪表很多，现仅介绍以流体静力学基本方程式为依据的测压仪器-液柱压差计。液柱压差计可测量流体中某点的压力，亦可测量两点之间的压力差。常见的液柱压差计有以下几种。,普通 U 型管压差计倒 U 型管压差计倾斜 U 型管压差计微差压差计,图1-常见液柱压差计,（）普通 U 型管压差计,p0,p0,0,p1,p2,R,a,b,U 型管内位于同一水平面上的 a、b 两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等,式中 工作介质密度；0 指示剂密度；R U形压差计指示高度，m；侧端压差，Pa。若被测流体为气体，其密度较指示液密度小得多，上式可简化为,（1-6）,（1-

14、6a）,（b）倒置 U 型管压差计（Up-side down manometer）,用于测量液体的压差，指示剂密度 0 小于被测液体密度，U 型管内位于同一水平面上的 a、b 两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等,由指示液高度差 R 计算压差 若 0,（1-7）,（1-7a）,（c）微差压差计,在U形微差压计两侧臂的上端装有扩张室，其直径与U形管直径之比大于10。当测压管中两指示剂分配位置改变时，扩展容器内指示剂的可维持在同水平面压差计内装有密度分别为 01 和 02 的两种指示剂。上。有微压差p 存在时，尽管两扩大室液面高差很小以致可忽略不计，但U型管内却可得到一个较大的 R 读数

15、。,对一定的压差 p，R 值的大小与所用的指示剂密度有关，密度差越小，R 值就越大，读数精度也越高。,（1-8）,【例2-1】,如图所示密闭室内装有测定室内气压的U型压差计和监测水位高度的压强表。指示剂为水银的U型压差计读数 R 为 40mm，压强表读数 p 为 32.5 kPa。试求：水位高度 h。,解：根据流体静力学基本原理，若室外大气压为 pa，则室内气压 po 为,例2-1附图,1.2.3.2 液封高度,液封在化工生产中被广泛应用：通过液封装置的液柱高度，控制器内压力不变或者防止气体泄漏。为了控制器内气体压力不超过给定的数值，常常使用安全液封装置（或称水封装置）如图1-6，其目的是确保设备的安全，若气体压力超过给定值，气体则从液封装置排出。,图1-6 安全液封,1.2.3.2 液封高度,液封还可达到防止气体泄漏的目的，而且它的密封效果极佳，甚至比阀