北京化工大学化工原理上册讲解

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1、化工原理,Principles of Chemical Engineering,第一章 流体流动 Fluid Flow,-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,第一章 流体流动 .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

2、应的最佳条件。 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。,2 本章应掌握的内容 （1） 流体静力学基本方程式的应用； （2） 连续性方程、柏努利方程的物理意义、适用条件、解题要点； （3） 两种流型的比较和工程处理方法； （4） 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。,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

3、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

4、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

5、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

6、，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

7、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

8、 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)；

9、 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

10、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

11、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 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

12、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（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

13、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

14、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。,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

15、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）,（ 1-6a）,(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