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1、化工基础化工基础Principles of Chemical EngineeringPrinciples of Chemical Engineeringhttp:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t模块一模块一 流体流动和流体输送流体流动和流体输送 FluidFlowhttp:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t项目1：流体静力学压力测量和控制、液位测量能力目标：1、能正确使用流体静压力测量控制、液位测 量装置；2、能进行流量计的流量调节。http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t-
2、内容提要内容提要-流体的基本概念流体的基本概念静力学方程及其应用静力学方程及其应用机械能衡算式及柏努机械能衡算式及柏努利方程利方程流体流动的现象流体流动的现象流动阻力的计算、管路计算流动阻力的计算、管路计算http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t概概 述述流流体体流流动动规规律律是是本本门门课课程程的的重重要要基基础础，主主要要原原因因有有以下三个方面：以下三个方面：（1 1）流动阻力及流量计算）流动阻力及流量计算（2 2）流动对传热、传质及化学反应的影响）流动对传热、传质及化学反应的影响（3 3）流体的混合效果）流体的混合效果 化工生产中，经常应用流
3、体流动的化工生产中，经常应用流体流动的基本原理及其流动规律解决关问题。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、水封箱中的水图图图图1-11-1煤气洗涤装置煤气洗涤装置http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t流体静力学基本方程流体静力学基本方程(Basicequationsoffluidstatics)*本节主要内容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
4、的重点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。*本节的难点本节的难点本节点无难点。http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t流体静力学基本方程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。以单位体积流体所具有的质量称为流体的密度。以表表示，单位为示，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V
5、0时，m/V 的极限值称为流体内部的某点密度。 http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t1.2.1.1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。 流体的密度流体的密度http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t 1.2.1.2 气体的密度气体
6、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。流体的密度流体的密度http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t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)气体的密度气体的密度或或http:/ pp
7、 pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t流体的压强及其特性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,简称压强简称压强。流体的压强具有点特性。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流体的压强流体的压强（1）定义和单位定义和单位.1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=
8、1.0133105Pahttp:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t绝对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表压强绝对压强大气压强真空度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流体的压强流体的压强http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t流体压强的特性流体压强的特性流
9、体压强具有以下两个流体压强具有以下两个重要特性重要特性：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:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt tzo流体静力学基本方程流体静力学基本方程(Basicequationsoffluidstatics) 推导过程推导过程推导过程推导过程使用条件使用条件使用条件使用条件物理意义物理意义物理意义物理意义 工程应用工程应用工程应用工程应用1.2.3.11.2.3.1方程式方
10、程式方程式方程式推导推导推导推导图图1-3所示的容器中盛有密度为所示的容器中盛有密度为的的均质、连续不可压缩静止液体均质、连续不可压缩静止液体。如如流体所受的体积力仅为重力流体所受的体积力仅为重力，并取，并取z轴方向与重力方向相反。若以容器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。现于液体内部任意划出一底面积为为A的垂直液柱。的垂直液柱。图图1-31-3流体静力学流体静力学基本方程推导基本方程推导http:/ pp pt t【大大学学课课件
11、件】化化工工基基础础p pp pt t（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：zo 方程式方程式方程式方程式推导推导推导推导图图1-31-3流体静力学基本方程推导流体静力学基本方程推导http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t分组讨论：流体静力学方程在应用注意哪些问题？http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t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
12、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（压强为p p0 0），则式），则式1-5a1-5a变为变为: : 上三式统称为流体静力学基本方程式。上三式统称为流体静力学基本方程式。上三式统称为流体静力学基本方程式。上三式统称为流体静力学基本方程式。图图1-41-4静止液体内压力的分布静止液体内压力的分布静止液体内压力的分布静止液体内压力的分布（1-5b）PaJ/kghttp:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t流体静力学基本方程式讨论流
13、体静力学基本方程式讨论 (1)(1)适用条件适用条件重力场中静止的，连续的同一种不可压缩流体重力场中静止的，连续的同一种不可压缩流体(或或压力压力 变化不大的可压缩流体变化不大的可压缩流体, ,密度可近似地取其平均值密度可近似地取其平均值 ）。（2）衡算基准）衡算基准 衡算基准不同，衡算基准不同，方程形式不同。方程形式不同。 若将若将（1-5）式各项均除以密度，可得式各项均除以密度，可得 将式将式(1-5b)可改写为：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，压强或压强差的大小可用某种液体的液柱高度表示，但必须注但必须注明是何种液体明是何种液体。mm（1-5c）（1-5d）htt
14、p:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t流体静力学基本方程式讨论流体静力学基本方程式讨论(3)物理意义物理意义 (i)总势能守恒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)等压面等压面在静止的、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)传递定律传递定律液面上方的压强大小相等地传遍整个液体。http:/ pp pt t【大大学学课课件
15、件】化化工工基基础础p pp pt t休息一下吧！休息一下吧！http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t静力学基本方程式的应用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
16、计有以下几种。http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt ta)普通 U 型管压差计b)倒 U 型管压差计c)倾斜 U 型管压差计d)微差压差计图图1-1-常见液柱压差计http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t（）普通U型管压差计p0p00p1p2RabU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 （1-61-6）（1-6a1-6a）http:
17、/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t(b)倒置U型管压差计（Up-sidedownmanometer）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 （1-71-7） （1-7a1-7a）http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t(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0
18、2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。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。 （1-81-8）http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t【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32.5kPa。试求：水位高度h。解解：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为例例2-12-1附图附图http:/ pp pt t【大大学
19、学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t液液 封封 高高 度度 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http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t液液 封封 高高 度度 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，甚至比阀门还要严密。例如煤气柜通常用水来封住，以防止煤气泄漏。 液封高度可根据静力学基本方程式进行计算。设器内压
20、力为p（表压），水的密度为，则所需的液封高度h0 应为 为了保证安全，在实际安装时使管子插入液面下为了保证安全，在实际安装时使管子插入液面下的深度应比计算值略小些，使超压力及时排放；对于的深度应比计算值略小些，使超压力及时排放；对于后者应比计算值略大些，严格保证气体不泄漏后者应比计算值略大些，严格保证气体不泄漏。 （1-91-9）http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t小小 结结密度具有点特性，液体的密度基本上不随压强而密度具有点特性，液体的密度基本上不随压强而密度具有点特性，液体的密度基本上不随压强而密度具有点特性，液体的密度基本上不随压强而变化，随
21、温度略有改变；气体的密度随温度和压强而变化，随温度略有改变；气体的密度随温度和压强而变化，随温度略有改变；气体的密度随温度和压强而变化，随温度略有改变；气体的密度随温度和压强而变。混合液体和混合液体的密度可由公式估算。变。混合液体和混合液体的密度可由公式估算。变。混合液体和混合液体的密度可由公式估算。变。混合液体和混合液体的密度可由公式估算。与位能基准一样，静压强也有基准。工程上常用与位能基准一样，静压强也有基准。工程上常用与位能基准一样，静压强也有基准。工程上常用与位能基准一样，静压强也有基准。工程上常用绝对压强和表压两种基准。在计算中，应注意用统一绝对压强和表压两种基准。在计算中，应注意用
22、统一绝对压强和表压两种基准。在计算中，应注意用统一绝对压强和表压两种基准。在计算中，应注意用统一的压强基准。的压强基准。的压强基准。的压强基准。压强具有点特性。流体静力学就是研究重力场中，压强具有点特性。流体静力学就是研究重力场中，压强具有点特性。流体静力学就是研究重力场中，压强具有点特性。流体静力学就是研究重力场中，静止流体内部静压强的分布规律。静止流体内部静压强的分布规律。静止流体内部静压强的分布规律。静止流体内部静压强的分布规律。 对流体元对流体元对流体元对流体元( (或流体柱或流体柱或流体柱或流体柱) )运用受力平衡原理，可以得运用受力平衡原理，可以得运用受力平衡原理，可以得运用受力平
23、衡原理，可以得到流体静力学方程。流体静力学方程表明静止流体内到流体静力学方程。流体静力学方程表明静止流体内到流体静力学方程。流体静力学方程表明静止流体内到流体静力学方程。流体静力学方程表明静止流体内部的压强分布规律或机械能守恒原理。部的压强分布规律或机械能守恒原理。部的压强分布规律或机械能守恒原理。部的压强分布规律或机械能守恒原理。 UU形测压管或形测压管或形测压管或形测压管或U U形压差计的依据是流体静力学原理。形压差计的依据是流体静力学原理。形压差计的依据是流体静力学原理。形压差计的依据是流体静力学原理。应用静力学的要点是正确选择等压面。应用静力学的要点是正确选择等压面。应用静力学的要点是正确选择等压面。应用静力学的要点是正确选择等压面。http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t仿真试验：流量计的调节点击播放点击播放http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t作业布置：预习连续性方程和柏努利方程。http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t与同学们共勉！http:/ pp pt t【大大学学课课件件】化化工工基基础础p pp pt t
