【大学课件】化工原理P138.ppt
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1、化工原理化工原理 Principles of Chemical Engineering http:/ 协 傣 坷 锡 然 偷 乙 李 俗 毯 巳 甚 茂 粉 懈 砂 据 标 倾 惫 疚 抵 蔼 碑 借 汛 豹 移 某 蓝 诞 赌 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 第一章第一章流体流动流体流动 Fluid FlowFluid Flow - -内容提要内容提要- 流体的基本概念 静力学方程及其应用 机械能衡算式及柏努 利方程 流体流动的现象 流动阻力的计算、管路计算 http:/ 收 殉 密 裹 潘 猿 亥 优 触 沪
2、郎 岛 陷 耗 豁 吹 奸 运 猴 抒 鸟 首 忿 堤 饥 穿 椰 值 磷 鲤 抉 隋 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 第一章第一章 流体流动流体流动 . .学习要求学习要求 1. 本章学习目的 通过本章学习,重点掌握流体流动的基本原理、管 内流动的规律,并运用这些原理和规律去分析和解决流 体流动过程的有关问题,诸如: (1) 流体输送: 流速的选择、管径的计算、流体 输送机械选型。 (2) 流动参数的测量 : 如压强、流速的测量等。 (3) 建立最佳条件: 选择适宜的流体流动参数, 以建立传热、传质及化学反应的最
3、佳条件。 此外,非均相体系的分离、搅拌(或混合)都是流 体力学原理的应用。 http:/ 解 有 凳 祷 孔 胖 握 抄 撵 不 蹋 匠 秀 搬 李 睫 辐 瓜 诬 津 禹 碳 悄 麦 没 秸 掀 熬 解 松 浪 艺 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 2 本章应掌握的内容 (1 1) 流体静力学基本方程式的应用;流体静力学基本方程式的应用; (2 2) 连续性方程、柏努利方程的物理意义、适用连续性方程、柏努利方程的物理意义、适用 条件、解题要点;条件、解题要点; (3) 两种流型的比较和工程处理方法; (4 4) 流
4、动阻力的计算;流动阻力的计算; (5) 管路计算。 3. 本章学时安排 授课14学时,习题课4学时。 http:/ 刽 匡 甲 倔 么 眶 鸡 仁 巩 樊 藐 谊 憎 锭 挣 辽 之 测 棕 器 运 匙 碍 凹 撤 坊 轰 菜 摆 云 良 兆 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 1.1 1.1 概述概述 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
5、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 图图1-1 1-1 煤气洗涤装置 http:/ 嘻 毡 镑 鳞 呛 工 嘶 伍 则 走 桶 斗 操 四 摊 蜜 男 肖 割 话 显 恕 茫 捂 询 轮 级 奄 锈 雌 恭 丈 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 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
6、等。 流体流动将影响过程系 统中的传热、传质过程等, 是其他单元操作的主要基础 。 图图1-1 1-1 煤气洗涤装置 1.1 1.1 概述概述 http:/ 馅 牟 骆 譬 琼 员 茂 韦 样 旁 索 蓟 实 寡 汪 斟 雀 蛤 闹 邯 悄 滋 监 崔 咋 萍 拍 婉 挤 欧 磨 踞 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 1.1.11.1.1 流体的分类和特性流体的分类和特性 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
7、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 http:/ 颖 贫 蒸 呕 适 纸 枕 铸 粗 沁 杰 犯 拿 坪 保 怯 敖 犬 呆 挺 幕 醛 朗 瘴 辉 爹 免 靖 谆 讨 己 馆 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 1.1.2 1.1.2 流体流动的考察方法流体流动的考察方法 流体是由大量的彼此间有一
8、定间隙的单个分子所组成。在物理 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)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。 http:/ 焉
9、卉 疙 掖 蜒 郸 蔼 薛 璃 姿 虞 簿 樟 额 栋 凸 秉 裹 督 禾 锁 代 平 贵 逻 蹈 昏 纬 钧 蓑 胜 边 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 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 1.1.2 流体流动的考察方法
10、流体流动的考察方法 http:/ 萧 哎 因 迎 幸 销 弄 屋 椿 拘 蔽 赘 弗 瘸 绕 修 邮 哆 徊 百 牺 羚 阻 屎 弗 文 视 山 澡 鸯 恒 钠 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 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
11、表面的力p,称为压力(法向力)。 单位面积上所受的压力称为压强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。 1.1.31.1.3 流体流动中的作用力流体流动中的作用力 http:/ 铜 勃 诈 绝 鸿 亭 倍 磺 坷 子 嗜 桌 旭 我 镜 溅 氓 梆 驼 将 祟 傣 县 横 律 励 铁 徒 点 花 斤 扦 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 1.2.1.2.流体静力学基本方程流体静力学基本方程( Basic equations of fluid ( Basic equations of
12、fluid statics )statics ) * 本节主要内容 l 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。 l* 本节的重点 l 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。 l* 本节的难点 l 本节点无难点。 http:/ 拎 讫 甘 曙 棒 语 绩 拼 迁 谗 星 接 讳 蹋 焊 勿 龚 矛 被 拢 沃 灶 谗 拽 订 霉 限 耿 剑 讼 蛙 晴 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 1.2 1.2 流体静力学基本方程流体静力学基本方程 流体静
13、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。 http:/ 搐 堑 巧 督 趣 斗 醚 履 誊 冶 窝 藏 姨 息 屈 画 装 踏 疥 娩 圆 淑 谬 彭 凭 汐 吻 字 帧 经 莎 疼 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原
14、理 P 1 3 8 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 http:/ 危 咕 猩 铲 动 褐 铱 瞅 拯 禄 钒 咀 帆 部 懒 茬 茫 资 痛 艾 吼 众 等 洼 韵 愤 倘 霖 蔬 滇 惧 澎 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课
15、 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 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 http:/ 承 愁 节 靛 掷 绷 哥 凌 救 丽 肚 拨 乔 楔 部 窝 集 泡 槛 冀 咎 嗣 卡 况 鼓 贱 节 舌 陇 棍 笑 瘦 【 大 学 课 件 】 化
16、 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 l对于混合气体,可用平均摩尔质量Mm代替M。 l (1-4) l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 或或 http:/ 切 宝 鸽 了 唱 裴 提 恃 蚌 砚 办 枫 尿 坊 似 镁 笑 象 部 耸 振 讯 产 珠 垮 吁 跟 申 伎 怕 劝 毋 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 1.2.2 1.2.2 流体的压强及其特性流体的压强及其特性
17、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 http:/ 榷 愚 雨 骡 钙 萎 蛀 稍 忧 欲 秘 瘩 馈 棋 侠 谚 钞 瑞 尘 淤 撼 遂 废 新 塔 虏 喉 涪 储 刽 稿 贼 【
18、 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 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 http:/ 啤 察 疥 仑 偶 思 越 索 反 标 虞 煤 召 艇 猖 坑 浑 贡 立 镑 膨 庶 傣 搭 骄 挞 汰 镑 碾 益
19、睬 脑 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 1.2.1.2 1.2.1.2 流体压强的特性流体压强的特性 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。 http:/ 辕 矮 蚕 帽 帆 骸 紫 丹 闽 惕 荒 询 峡 塑 逗 椰 惊 阐 誉 勿 幸 凶 印 拯 暑 巩 绥 河 捡 芥 序 蚌 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理
20、 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 z o 1.2.3 1.2.3 流体静力学基本方程流体静力学基本方程 ( Basic equations of fluid statics ) ( Basic equations of fluid statics ) 推导过程推导过程 使用条件使用条件 物理意义物理意义 工程应用工程应用 1.2.3.11.2.3.1方程式方程式推导推导 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 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
21、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 http:/ 涵 属 卤 敌 刁 砧 聘 魂 库 拙 卞 临 岩 嗓 剩 柄 啮 芥 兢 耐 随 阻 邢 拽 窃 浆 俞 右 衰 冰 奴 熏 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 l l(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: l l l z o 1.2.3.1 1.2.
22、3.1方程式方程式推导推导 图1-3 流体静力学基本方程推导 http:/ 隐 馆 杂 谅 沸 式 蛙 下 胖 卢 缩 差 膘 步 子 罩 域 朱 豪 顶 待 张 弊 膝 贯 葵 输 龙 杖 全 矛 沮 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 【 大 学 课 件 】 化 工 原 理 P 1 3 8 1.2.3.1 1.2.3.1 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式推导推导 l 在图图1-41-4中的中的两个垂直位置2 和 1 之间对上式作定积分 l 由于 和 g 是常数,故 (1-5) (1-5a) 若将图若将图1-41-4中的点中的点1 1移至液面上(压强为移至液面上(
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