,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,过程原理与装备,化工原理,Principles of Chemical Engineering,化工原理教研室,Chemical Engineering Teaching&Research Section,1,化工原理Principles of Chemical E,第一章 流体流动,2,第一章 流体流动 2,流体：具有流动性的物体，包括液体和气体。,流体流动是其它单元操作过程的基础。,在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集团,所组成的连续介质。,流体力学：流体静力学和流体动力学,第一章 流体流动,3,流体：具有流动性的物体，包括液体和气体。第一章 流体流,提出,质点,概念作为流体宏观运动的最小考察对象，,工程上将流体看成是充满所占空间的由无数,质点（分子,微团）,所组成的彼此没有间隙的连续介质。,一、流体流动的考察方法,质点的含义：,（,1,）由大量分子构成的微团,（,2,）质点间无间隔,连续,（,3,）质点的大小远小于管路或容器的,尺寸，但比,分子自由程,大得多。,连续性假设,:,流体质点与连续介质模型,4,提出质点概念作为流体宏观运动的最小考察对象，一、流体流动的考,1.,流体的热力学性质,流体的密度,单位体积流体的质量。用,表示。,获得方法：,（,1,）查物性数据手册,影响因素：流体种类、浓度、温度、压力,（,2,）公式计算：,液体混合物：,气体：,-,理想气体状态方程,气体混合物：,质量分率,体积分率,液体：温度对密度的影响：,T,T.,故选用密度数值时要注意所确定的温度。,5,1.流体的热力学性质流体的密度单位体积流体的质量。用表,混合气体的平均密度,比容,v,：单位质量物体的体积,密度的倒数,液体的比重,d,：任一液体的密度与,4,水的密度之比,重度：单位体积的物体重量,工程上常用,6,混合气体的平均密度6,2,流体的压力及其表示方法,流体的压力,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强。用,p,表示，工程上习惯称之为压力。,（,1,）压力单位,SI,制,:N/m2=Pa,，称为帕斯卡,1,atm,(,标准大气压,),1.01310,5,Pa,760,mmHg,10.33,mH,2,O,总压力：作用于整个面上的力,工程制：,kgf,cm2,生产上：,atm,（标准大气压）、,m,（流体液柱高度）,1,at,(,工程大气压,)=l,kgf,cm,2,=10,mH,2,0,=735.6,mmHg,=9.81x10,4,Pa,7,2流体的压力及其表示方法 流体的压力流体垂直,3,压力的表示方法,绝对压力,表压,绝对真空（零压）为基准,大气压力为基准,表压绝对压力当地大气压,真空度当地大气压绝对压力,绝对真空,大气压,绝对压力,绝对压力,表压,真空度,p,1,p,2,图,1-1,绝对压力、表压,与真空度的关系,绝压、表压与真空度的关系：,8,3压力的表示方法绝对压力表压绝对真空（零压）为基准大气压力,例：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为,80KPa,。在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压力，真空表的读数应为多少,?,兰州地区的平均大气压为,85.3Kpa,，天津地区的平均大气压为,101.33KPa,。,解：根据兰州地区的大气压，可求得操作时塔顶的绝对压力：,绝对压力,=,大气压,真空度,=85.3-80=5.3KPa,天津操作时，塔内维持相同的绝对压力，而大气压不同，则塔顶的真空度也不同，其值为,:,真空度,=,大气压,绝对压力,=101.33-5.3=96.03KPa,9,例：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80KPa。,二,.,流体静力学基本方程,流体所受到的力,质量力,表面力,如重力、离心力等，属于非接触性的力。,法向力,切向力,(,剪力,),(,压力,),静止流体所受到的力,质量力,法向力,-,静止流体内部任一点的压力,习惯上称为,静压力,。,-,重力场中单位质量流体所受,质量力,即为,重力加速度,。,10,二.流体静力学基本方程流体所受到的力质量力表面力如重力、,1,静压力的特点：,从各个方向作用于某一点上的静压力相等。,若通过该点指定一作用平面，则压力的方向垂直于作用面；,重力场中，同一水平面上各点的静压力相等，随位置高低而变。,作用于薄层下底面的总压力,pA,作用于薄层上底面的总压力,(p+dp)A,重力作用,gAdz,2,、静力学方程的推导：,二,.,流体静力学基本方程,11,1静压力的特点：作用于薄层下底面的总压力 pA,三力之和为,0,：向上作用力为正,pA,(p,+,dp)A,gAdz,0,dp,gdz,0,dZ,(P,dP)A,gAdz,P,压力形式,能量形式,液柱高形式,积分：,p,gz,C,或,p/,gz,C,-,流体静力学基本方程,12,三力之和为0：向上作用力为正,1.,液面上方的压力,一定,，内部任一点压力与液体密度,和液面深度,h,有关。静止的、连通的同种液体，处于同一水平面上的各点压力都相等。压力相等的面称为,等压面。,2.,液面压力,改变,时，内部各点的压力将发生同样大小的改变,帕斯卡原理（,压力具有传递性）,3.,压力或压力差的大小可用液柱高度来表示。,4.,=,z,1,z,2,p,1,g,p,2,g,或,=,z,常数,p,g,适用场合：绝对静止、连续、均质、不可压缩流体,三,.,流体静力学基本方程的讨论,静力学方程反映了静止流体内部能量守恒与转换的关系。,13,1.液面上方的压力 一定，内部任一点压力与液体密度 和液,等压面的确定：,具备四个条件：,静止、连通、同一水平面、同一流体,Pa Pb,a,a,b,b,截面,aa,、,bb,为,等压面,Pa=Pa,，,Pb=Pb,四,.,流体静力学方程的应用,14,等压面的确定：Pa Pbaabb截面aa、b,1.,压力计,(1),单管压力计,p,a,R,A,1,.,p,1,p,a,=,p,1,(,表,),=,g R,(2),U,形压力计,r,p,a,A,1,h,R,2,3,r,0,p,1,=,p,a,+,0,gR,g h,U,管压差计：,U,形管内装入与被测流体不同的液体,指示液,。,指示液与所测流体不互溶，密度要大于被测流体的密度，常选,Hg,。,15,1.压力计(1)单管压力计p a R A1,2,测,压差,(1),U,形管压差计,2,1,z,2,z,1,r,R,a,b,r,0,1,2,p,1,+,g,(,z,1,+R,),=,p,2,+,g z,2,+,0,g R,p,1,-,p,2,=,g,(,z,2,-,z,1,),+,(,0,-,),g R,由,p,a,=,p,b,，得,：,16,2测压差(1)U形管压差计 2,若管路水平：,z,2,z,1,P,1,P,2,(,0,),gR,若管路内是气体,0,P,1,-,P,2,=,0,g R,+,g,(,z,2,-z,1,),若,U,管一端连被测流体，一端通大,气，,读数,R,指示被测流体表压。,P,表,P,1,P,大,3.,倒,U,管压差计,17,若管路水平：z2 z1 P1P,4.,双液体压差计,(,微压差计,),1,略小于,2,读数放大,p,1,-,p,2,=,(,2,-,1,),g R,5.,斜管压差计,18,4.双液体压差计(微压差计)1略小于2读数放大 p,6,、液位的测量：,测液位置,:,容器底部器壁及液面,上方器壁处各开一小孔，两孔,间,U,形玻璃管相连,。,p,a,=p,0,+gh,p,b,=p,0,+,Hg,gR,19,6、液位的测量：测液位置:容器底部器壁及液面pa=p0+,7,、液封高度的计算：,液封目的,:,防止气体泄漏,保证流体自由流动,气压超标时,保证安全,20,7、液封高度的计算：液封目的:20,第二节 流体流动的基本方程,一、概述：,1,、流量与流速,流量：,单位时间流过管路任一截面的流体量。,体积流量,单位时间流过管路任一截面的流体体积，用,V,s,表示，单位为,m,3,/s,。,质量流量,单位时间流过管路任一截面的流体质量，用,m,s,表示，单位为,kg/s,。,体积流量和质量流量的关系,21,第二节 流体流动的基本方程一、概述：21,质量流速与流速的关系,：,质量流量与流速的关系：,平均流速：,单位时间质点在流动方向上所流经的距离，简称流速，用,u,表示，单位为,m/s,质量流速：,单位时间内流经管路单位截面的流体质量，用,G,表示，单位为,kg,(m,2,s),22,质量流速与流速的关系：平均流速：单位时间质点在流动方向上所流,2,、管径的计算,圆形管路,若管道内径,d,表示，则,一般,:,密度大或粘度大的液体，,u,应小,;,含固体杂质流体,u,应大，避免固体沉积在管内,;,气体稍大,10-30,m/s,，,液体,0.5-3m/s,。,23,2、管径的计算23,二、定态流动与非定态流动,1,、定态流动：,任一点处流体的流速、压力、密度等物理量仅随位置变，而不随时间改变的流动。,2,、非定态流动：,各物理量不仅随位置而改变，而且随时间而变的流动。,24,二、定态流动与非定态流动 1、定态流动：任一点处流体的流速、,三、粘性与粘度,内摩擦力：,运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力。,粘性：,流体流动时产生内摩擦力并阻碍流体相对运动的特性。,粘性是内摩擦力的表现，粘性是阻力产生的根本原因,。,y,f,A,f,B,v,B,v,A,B,A,25,三、粘性与粘度内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的相互,粘度，衡量流体粘性大小的物理量，粘性越大,越大,。,法向速度梯度，垂直于流动方向上速度的变化率，,速度梯度有正负。,牛顿粘性定律,：,物理意义：,流体流动过程中，产生单位速度梯度时的剪应力。,粘度总是与速度梯度相联系，又称动力粘度。,26,粘度，衡量流体粘性大小的物理量，粘性越大越大。牛顿,粘度的影响因素：,液体,的粘度随温度升高而减小，,气体,的粘度随温度升高而增大。,液体：,T,体积膨胀分子间距吸引力,气体：,T,u,分子碰撞,牛顿型流体：,服从牛顿粘性定律的流体。所有气体和大多数液体。,非牛顿型流体：,不符合牛顿粘性定律的流体,.,27,粘度的影响因素：液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度随温度,四、连续性方程,质量衡算：,截面,11,与,22,为衡算范围，,由质量守恒定律，,定态流动的连续性方程,推广到管路上任何一个截面,不可压缩的流体,V,s1,=V,s2,=V,s3,=,=V,s,=,常数,28,四、连续性方程质量衡算：截面11与22为衡算范,圆形管路：,分支管路：,总管质量流量为各分支管路质量流量之和。,m,s,=m,s1,m,s2,m,s,m,s2,m,s1,以上各式都称为,管内定态流动的连续性方程。,29,圆形管路：分支管路：总管质,五,.,伯努利方程,传热速率,q,e,，,能量,：,运动着的流体涉及的能量形式有,内能,、,位能、动能、静压能、热、功,u,2,/2,，,J/kg,gz,，,J/kg,功率,w,e,，,He,取决于温度，,U,，,J/kg,图,2-4,控制体的能量衡算,p/,，,J/kg,.,能量衡算,30,五.伯努利方程 传热速率qe，能量：运动着的流体涉,静压能的概念：,在静止和流动流体内部都存在着静压力，因此，系统的任一截面上都具有压力。当流体要通过某一截面进入系统时，必须要对流体做功，才能克服该截面的压力，把流体压入系统内。通过该截面的流体便带着与此功相当的能量进入系统，流体所具有的这种能量称为静压能。,静压能的计算：,设：,1kg,流体体积为,v,=1/,流体通过管道某截面所受压力,P,pA,。,则：,流体通过该截面所走的距离：,1,=,A,l,流体具有的静压能：,静压能,P,l,p/,31,静压能的概念：在静止和流动流体内部都存在着静压力,流体稳定流动时的能量衡算：,输入能量,U,1,+,gZ,1,+,u,1,2,/,2,+,p,1,/,1,+,q,