化工原理課程

1、緒論緒論 化工原理課程是化工、制藥、生物、環(huán)境、化工原理課程是化工、制藥、生物、環(huán)境、過程控制與裝備的一門主干課程，是綜合運(yùn)用過程控制與裝備的一門主干課程，是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、計(jì)算技術(shù)等基礎(chǔ)知識(shí)，分?jǐn)?shù)學(xué)、物理、化學(xué)、計(jì)算技術(shù)等基礎(chǔ)知識(shí)，分析和解決化工類型生產(chǎn)過程中各種物理操作問析和解決化工類型生產(chǎn)過程中各種物理操作問題的技術(shù)基礎(chǔ)課。題的技術(shù)基礎(chǔ)課。學(xué)習(xí)緒論，掌握五個(gè)方面的內(nèi)容。學(xué)習(xí)緒論，掌握五個(gè)方面的內(nèi)容。 一、化工生產(chǎn)過程與單元操作一、化工生產(chǎn)過程與單元操作二、化工原理課程的研究方法二、化工原理課程的研究方法三、化工原理課程學(xué)習(xí)的要求三、化工原理課程學(xué)習(xí)的要求四、化工原理課程的五個(gè)重

2、要基本概念四、化工原理課程的五個(gè)重要基本概念 五、化工常用量和單位五、化工常用量和單位一、化工生產(chǎn)過程與單元操作一、化工生產(chǎn)過程與單元操作 化工生產(chǎn)過程：化工生產(chǎn)過程： 用化工的手段將原料加工成產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，稱為化工生產(chǎn)過程。 化 化 工產(chǎn)品成千上萬，每種產(chǎn)品均有它自己特定的生產(chǎn)過程。由于原料、 產(chǎn)品的多樣性及生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，形成了數(shù)以萬計(jì)的化工生產(chǎn)工藝。例如：乙炔法制取聚氯乙烯的生產(chǎn)是以乙炔和氯化氫為原料進(jìn)行加成反應(yīng)以制取氯乙烯單體，然后單體在0.8MPa、55左右進(jìn)行聚合反應(yīng)獲得聚氯乙烯。聚氯乙烯的工藝流程圖見圖1。（1）化工生產(chǎn)過程的步驟多； (2)各種不同的化工生產(chǎn)過程差別十分大。

3、 人們通過不斷的探索、研究、實(shí)踐、發(fā)現(xiàn)，各種各樣復(fù)雜 的化工生產(chǎn)過程可以抽象并歸納為這樣一種過程框圖。 原料前處理化學(xué)反應(yīng)后處理產(chǎn)品 (1)化學(xué)反應(yīng)為主的過程(每種產(chǎn)品特有的化學(xué)反應(yīng)過程)(2)物理操作為主的過程化工過程中常用單元操作化工過程中常用單元操作單元操作 目 的 物 態(tài) 原 理 傳遞過程流體輸送 輸送 液或氣 輸入機(jī)械能 動(dòng)量傳遞攪拌 混合或分散 氣-液；液-液； 輸入機(jī)械能 動(dòng)量傳遞 固-液過濾 非均相混合物分離 液-固；氣-固 尺度不同的截留 動(dòng)量傳遞沉降 非均相混合物分離 液-固；氣-固 密度差引起的沉降運(yùn)動(dòng) 動(dòng)量傳遞加熱、冷卻 升溫、降溫 改變相態(tài) 氣或液 利用溫度差而傳入或

4、移出熱量 熱量傳遞 蒸發(fā) 溶劑與不揮發(fā)性溶質(zhì)的分離 液 供熱以氣化溶劑 熱量傳遞 氣體吸收 均相混合物分離 氣 各組分在溶劑中溶解度的不同 質(zhì)量傳遞液體蒸餾 均相混合物分離 液 各組分間揮發(fā)度的不同 質(zhì)量傳遞萃取 均相混合物分離 液 各組分在溶劑中溶解度的不同 質(zhì)量傳遞 干燥 去濕 固體 供熱汽化物料內(nèi)的濕分 熱、質(zhì)同時(shí)傳遞吸附 均相混合物分離 液或氣 各組分在吸附劑中的吸附能力 質(zhì)量傳遞 不同..3人們這么做的目的有兩個(gè)：人們這么做的目的有兩個(gè)：對(duì)于任一復(fù)雜的化工生產(chǎn)過程，都可以認(rèn)為是若干個(gè)單元操作通過對(duì)于任一復(fù)雜的化工生產(chǎn)過程，都可以認(rèn)為是若干個(gè)單元操作通過某種適當(dāng)?shù)慕M合串聯(lián)

5、而成的過程。某種適當(dāng)?shù)慕M合串聯(lián)而成的過程。這樣分類有利于將主要精力投入到單元研究中，不具體到某一個(gè)工藝上。這樣分類有利于將主要精力投入到單元研究中，不具體到某一個(gè)工藝上。單元操作的特點(diǎn)：?jiǎn)卧僮鞯奶攸c(diǎn)：均為物理反應(yīng)的操作；均為物理反應(yīng)的操作；化工過程雖差別大，但均由單元操作適當(dāng)組合而成，是化工生產(chǎn)過程中化工過程雖差別大，但均由單元操作適當(dāng)組合而成，是化工生產(chǎn)過程中的共有操作；的共有操作；基本原理一樣，進(jìn)行過程的設(shè)備往往是通用的。基本原理一樣，進(jìn)行過程的設(shè)備往往是通用的。二、化工原理課程研究方法二、化工原理課程研究方法（1 1）實(shí)驗(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)法）實(shí)驗(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)法） 該方法一般用量綱分析和

6、相似論為指導(dǎo)，依靠實(shí)驗(yàn)來確定過程該方法一般用量綱分析和相似論為指導(dǎo)，依靠實(shí)驗(yàn)來確定過程變量之間的關(guān)系，通常用無量綱數(shù)群（或稱準(zhǔn)數(shù)群）構(gòu)成的關(guān)系來表達(dá)。變量之間的關(guān)系，通常用無量綱數(shù)群（或稱準(zhǔn)數(shù)群）構(gòu)成的關(guān)系來表達(dá)。實(shí)驗(yàn)研究方法避免了數(shù)學(xué)方程的建立，是一種工程上通用的基本方法。實(shí)驗(yàn)研究方法避免了數(shù)學(xué)方程的建立，是一種工程上通用的基本方法。（2 2）數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論方法）數(shù)學(xué)模型法（半經(jīng)驗(yàn)半理論方法）該方法是在對(duì)實(shí)際過程的機(jī)理深入分析的基礎(chǔ)上，在抓住過程本質(zhì)的前提該方法是在對(duì)實(shí)際過程的機(jī)理深入分析的基礎(chǔ)上，在抓住過程本質(zhì)的前提下，作出某些合理簡(jiǎn)化，建立物理模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，得出數(shù)學(xué)模型。

7、下，作出某些合理簡(jiǎn)化，建立物理模型，進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，得出數(shù)學(xué)模型。通過實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)，這是一種半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法。通過實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)，這是一種半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法。三、化工原理課程學(xué)習(xí)的要求三、化工原理課程學(xué)習(xí)的要求（1 1）單元操作和設(shè)備選擇的能力）單元操作和設(shè)備選擇的能力根據(jù)生產(chǎn)工藝要求和物性特性，合理地選擇單元操作及設(shè)備。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求和物性特性，合理地選擇單元操作及設(shè)備。（2 2）工程設(shè)計(jì)能力）工程設(shè)計(jì)能力學(xué)習(xí)進(jìn)行工藝過程計(jì)算和設(shè)備設(shè)計(jì)，當(dāng)缺乏現(xiàn)代數(shù)據(jù)時(shí)，要能夠從資料中查取學(xué)習(xí)進(jìn)行工藝過程計(jì)算和設(shè)備設(shè)計(jì)，當(dāng)缺乏現(xiàn)代數(shù)據(jù)時(shí)，要能夠從資料中查取，或從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)查定或通過實(shí)驗(yàn)測(cè)取。學(xué)習(xí)利用計(jì)

8、算機(jī)輔助設(shè)計(jì)?；驈纳a(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)查定或通過實(shí)驗(yàn)測(cè)取。學(xué)習(xí)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。（3 3）操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的能力）操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程的能力學(xué)習(xí)如何操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程。在操作發(fā)生故障時(shí)，能夠查找故障原因，提出學(xué)習(xí)如何操作和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程。在操作發(fā)生故障時(shí)，能夠查找故障原因，提出排出故障的措施，了解優(yōu)化生產(chǎn)過程的途徑。排出故障的措施，了解優(yōu)化生產(chǎn)過程的途徑。（4 4）過程開發(fā)或科學(xué)研究的能力）過程開發(fā)或科學(xué)研究的能力四、化工原理五個(gè)重要基本概念四、化工原理五個(gè)重要基本概念 （1 1）物料衡算）物料衡算 為了弄清化工生產(chǎn)過程中原料、成品以及損失的物料數(shù)量，為了弄清化工生產(chǎn)過程中原料、成品以及損失的物料數(shù)量，必

9、須要進(jìn)行物料衡算。必須要進(jìn)行物料衡算。物料衡算物料衡算質(zhì)量守恒定律，即：質(zhì)量守恒定律，即：AOIGGGIG 輸入物料的總和輸入物料的總和OG輸出物料的總和輸出物料的總和AG累積的物料量累積的物料量注意：注意：無化學(xué)反應(yīng)時(shí)，混合物中任何一組分服從此通式無化學(xué)反應(yīng)時(shí)，混合物中任何一組分服從此通式 當(dāng)有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，它只適用于任一元素的衡算當(dāng)有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，它只適用于任一元素的衡算 若過程中累積的物料量為零，則若過程中累積的物料量為零，則OIGG基準(zhǔn)選擇的原則：基準(zhǔn)選擇的原則：（1 1）對(duì)于間歇操作，常用一次投料為基準(zhǔn)。）對(duì)于間歇操作，常用一次投料為基準(zhǔn)。（）對(duì)于連續(xù)操作，常用單位時(shí)間為基準(zhǔn)。（）對(duì)于連

10、續(xù)操作，常用單位時(shí)間為基準(zhǔn)。 例例1:1:含有含有A A、B B、C C、D D四種組分各四種組分各0.250.25（摩爾分率，下同）某混合（摩爾分率，下同）某混合液，以液，以10001000 的流量送入精餾塔內(nèi)分離，得到塔頂與塔的流量送入精餾塔內(nèi)分離，得到塔頂與塔釜兩股產(chǎn)品。進(jìn)料中全部釜兩股產(chǎn)品。進(jìn)料中全部A組分，組分，96%B組分及組分及4%C組分存在于組分存在于塔頂產(chǎn)品中；全部塔頂產(chǎn)品中；全部D組分存在于塔釜產(chǎn)品中，試計(jì)算塔頂和塔釜組分存在于塔釜產(chǎn)品中，試計(jì)算塔頂和塔釜產(chǎn)品的流量及其組成。產(chǎn)品的流量及其組成。解：依題意畫出如本題附圖所示的流程圖。解：依題意畫出如本題附圖所示的流程圖。hk

11、mol /25025.01000FADAFxDx24025. 0100096. 096. 0FBDBFxDx1025. 0100004. 004. 0FCDCFxDx50010240250)(DCDBDAxxxD在全塔范圍內(nèi)列各組分的衡算式，取在全塔范圍內(nèi)列各組分的衡算式，取h h為衡算基準(zhǔn)。為衡算基準(zhǔn)。組分組分A A： 上三式相加，得：上三式相加，得：1DCDBDAxxxhkmolD/5005 . 0500250DAx48.0500240DBx02. 050010DCx因 故 由式（a）得：由式（b）得： 由式（c）得：hkmolDFWWDF/5005001000WBDBFBWxDxFx在全

12、塔范圍內(nèi)列總物料衡算，得：在全塔范圍內(nèi)列總物料衡算，得：再在全塔范圍內(nèi)列組分B及C的衡算，得：WCDCFCWxDxFxWCWBxx50002. 050025. 0100050048. 050025. 01000或：由上二式分別解得：5 . 048. 002. 01)(148. 002. 0WCWBWDWCWBxxxxx（2）能量衡算 能量衡算能量守恒定律 機(jī)械能、熱能、電能、磁能、化學(xué)能、原子能等統(tǒng)稱為能量。各種能量之間可以相互轉(zhuǎn)換，但在化工中往往不是能量間的轉(zhuǎn)換問題，而是總能量衡算，有時(shí)甚至簡(jiǎn)化為熱能或熱量衡算。熱量衡算的本質(zhì)是焓的計(jì)算，對(duì)熱量衡算：LOIQQQIQKWKJ /-隨物料進(jìn)入系

13、統(tǒng)的總能量隨物料進(jìn)入系統(tǒng)的總能量，OQKWKJ /-隨物料離開系統(tǒng)的總能量隨物料離開系統(tǒng)的總能量，LQKWKJ/-向系統(tǒng)周圍散失的熱量向系統(tǒng)周圍散失的熱量，上式也可寫成：LOIQWHWH)()(kgskg /式中：式中：W-W-物料的質(zhì)量或質(zhì)量流量物料的質(zhì)量或質(zhì)量流量，或H-H-物料的焓物料的焓kgKJ /注意點(diǎn)：注意點(diǎn)：熱量衡算和物料衡算一樣，要規(guī)定衡算基準(zhǔn)和范圍；熱量衡算和物料衡算一樣，要規(guī)定衡算基準(zhǔn)和范圍； 焓是相對(duì)值，要指明基準(zhǔn)溫度，習(xí)慣上選焓是相對(duì)值，要指明基準(zhǔn)溫度，習(xí)慣上選0為基準(zhǔn)為基準(zhǔn)溫度，溫度， 規(guī)定規(guī)定0時(shí)液態(tài)物質(zhì)的焓為零。時(shí)液態(tài)物質(zhì)的焓為零。（3）平衡關(guān)系）平衡關(guān)系化工過程

14、中的每一單元操作或化學(xué)反應(yīng)可稱為過程，研究過程的規(guī)律，化工過程中的每一單元操作或化學(xué)反應(yīng)可稱為過程，研究過程的規(guī)律，目的是使過程向有利于生產(chǎn)的方向進(jìn)行。平衡關(guān)系，就是研究過程的方目的是使過程向有利于生產(chǎn)的方向進(jìn)行。平衡關(guān)系，就是研究過程的方向和過程的極限（過程進(jìn)行的最大限度）。向和過程的極限（過程進(jìn)行的最大限度）。平衡關(guān)系就是指在一定條件下，過程的變化達(dá)到了極限，即達(dá)到了平衡平衡關(guān)系就是指在一定條件下，過程的變化達(dá)到了極限，即達(dá)到了平衡狀態(tài)。例如，高溫物體自動(dòng)地向低溫物體傳熱，直至兩個(gè)物體的溫度相狀態(tài)。例如，高溫物體自動(dòng)地向低溫物體傳熱，直至兩個(gè)物體的溫度相等。宏觀上熱量不再進(jìn)行傳遞，即達(dá)到了

15、傳熱的平衡狀態(tài)。等。宏觀上熱量不再進(jìn)行傳遞，即達(dá)到了傳熱的平衡狀態(tài)。（4）過程速率）過程速率 過程速率是指在單位時(shí)間內(nèi)過程的變化，即表明過程進(jìn)行的快慢。過程速率是指在單位時(shí)間內(nèi)過程的變化，即表明過程進(jìn)行的快慢。在化工生產(chǎn)中，過程進(jìn)行的快慢遠(yuǎn)比過程的平衡更重要。在化工生產(chǎn)中，過程進(jìn)行的快慢遠(yuǎn)比過程的平衡更重要。過程速率過程速率= =過程阻力過程推動(dòng)力式中：過程推動(dòng)力指的是直接導(dǎo)致過程進(jìn)行的動(dòng)力，例如溫差等。式中：過程推動(dòng)力指的是直接導(dǎo)致過程進(jìn)行的動(dòng)力，例如溫差等。 過程阻力因素較多，與體系物性、過程性質(zhì)、設(shè)備結(jié)構(gòu)類型、過程阻力因素較多，與體系物性、過程性質(zhì)、設(shè)備結(jié)構(gòu)類型、 操作條件都有關(guān)系。操作

16、條件都有關(guān)系。（5 5）經(jīng)濟(jì)效益）經(jīng)濟(jì)效益經(jīng)濟(jì)效益也稱為經(jīng)濟(jì)效果，一般指經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，所取得的成經(jīng)濟(jì)效益也稱為經(jīng)濟(jì)效果，一般指經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，所取得的成果與勞動(dòng)消耗之比，即果與勞動(dòng)消耗之比，即經(jīng)濟(jì)效益經(jīng)濟(jì)效益= =勞動(dòng)消耗勞動(dòng)成果式中，勞動(dòng)成果是指最終的合格產(chǎn)品的價(jià)值；勞動(dòng)消耗包含操式中，勞動(dòng)成果是指最終的合格產(chǎn)品的價(jià)值；勞動(dòng)消耗包含操作費(fèi)用（人力、原材料、水電、維修等），設(shè)備折舊費(fèi)用（設(shè)作費(fèi)用（人力、原材料、水電、維修等），設(shè)備折舊費(fèi)用（設(shè)備的造價(jià)和使用年限折算）以及占用的固定資產(chǎn)和流動(dòng)資金。備的造價(jià)和使用年限折算）以及占用的固定資產(chǎn)和流動(dòng)資金。五、化工常用量和單位五、化工常用量和單位（1 1）化

17、工常用量）化工常用量 量是指物理量，任何物理量都是用數(shù)字和單位聯(lián)合表達(dá)的。量是指物理量，任何物理量都是用數(shù)字和單位聯(lián)合表達(dá)的。物理量分為基本量和導(dǎo)出量物理量分為基本量和導(dǎo)出量（2 2）單位制和單位換算）單位制和單位換算1 1、基本量與基本單位、基本量與基本單位 一般先選幾個(gè)獨(dú)立的物理量，如我們通常所說的長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量等，一般先選幾個(gè)獨(dú)立的物理量，如我們通常所說的長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量等，并以使用方便為原則規(guī)定出它們的單位。這些物理量稱為基本量，其單位稱為基并以使用方便為原則規(guī)定出它們的單位。這些物理量稱為基本量，其單位稱為基本單位。本單位。 2 2、導(dǎo)出單位、導(dǎo)出單位如速度、加速度的單位則根據(jù)其本

18、身的物理意義，由相關(guān)的基本單位組合構(gòu)成，如速度、加速度的單位則根據(jù)其本身的物理意義，由相關(guān)的基本單位組合構(gòu)成，這種單位稱為導(dǎo)出單位。這種單位稱為導(dǎo)出單位。 基本單位+導(dǎo)出單位=單位制化工原理課程采用國(guó)際單位制化工原理課程采用國(guó)際單位制( (簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱SISI制制) )。在國(guó)際單位制中，規(guī)定了在國(guó)際單位制中，規(guī)定了7 7個(gè)基本單位：個(gè)基本單位：長(zhǎng)度長(zhǎng)度 單位米（單位米（m m）質(zhì)量質(zhì)量 單位千克（單位千克（kgkg）時(shí)間時(shí)間 單位秒（單位秒（s s溫度溫度 單位開爾文（單位開爾文（K K）物質(zhì)的量物質(zhì)的量 單位摩爾（單位摩爾（molmol）電流強(qiáng)度電流強(qiáng)度 單位安培（單位安培（A A）發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光

19、強(qiáng)度 單位坎德拉（單位坎德拉（cdcd）兩個(gè)輔助量：兩個(gè)輔助量：平面角平面角 單位弧度（單位弧度（radrad）立體角立體角 單位球面度（單位球面度（srsr）其他單位均由這其他單位均由這7 7個(gè)基本單位導(dǎo)出?；び?jì)算中常用前個(gè)基本單位導(dǎo)出。化工計(jì)算中常用前5 5個(gè)基本單位。個(gè)基本單位。 在化工生產(chǎn)中，經(jīng)常使用一些非在化工生產(chǎn)中，經(jīng)常使用一些非SISI的法定計(jì)量單位，如時(shí)間單位中的的法定計(jì)量單位，如時(shí)間單位中的min(min(分分) )、h(h(小時(shí)小時(shí)) )、d(d(日日) )、a(a(年年) )；溫度單位還常使用；溫度單位還常使用(攝氏溫度攝氏溫度) )，旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)速度用用r rmin

20、(min(轉(zhuǎn)分轉(zhuǎn)分) )等。由于歷史原因，年代久遠(yuǎn)一點(diǎn)的化工文獻(xiàn)、手冊(cè)、資等。由于歷史原因，年代久遠(yuǎn)一點(diǎn)的化工文獻(xiàn)、手冊(cè)、資料中的數(shù)據(jù)常常是一些非料中的數(shù)據(jù)常常是一些非SISI或非法定計(jì)量單位，如壓力單位使用物理大氣壓或非法定計(jì)量單位，如壓力單位使用物理大氣壓(atm)(atm)、工程大氣壓、工程大氣壓( (歡、巴歡、巴(b3r)(b3r)、毫米汞桂、毫米汞桂(mmH2)(mmH2)、毫米水拄、毫米水拄(mmH zO)(mmH zO)等。等。 在化工原理使用的數(shù)據(jù)中，過去常用的非國(guó)際單位制有：工程單位制、在化工原理使用的數(shù)據(jù)中，過去常用的非國(guó)際單位制有：工程單位制、厘米厘米克克秒制和米秒制和米

21、千克千克秒制。秒制。 在工程單位制中在工程單位制中( (又稱重力單位制又稱重力單位制) )選長(zhǎng)度單位米、時(shí)間單位秒、力選長(zhǎng)度單位米、時(shí)間單位秒、力的單位千克作為基本單位，質(zhì)量是導(dǎo)出單位。在厘米的單位千克作為基本單位，質(zhì)量是導(dǎo)出單位。在厘米克克“秒制秒制( (簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱cGscGs制，制，又稱物理單位制又稱物理單位制) )中，選長(zhǎng)度單位厘米、質(zhì)量單位克、時(shí)間單位秒作為基本單中，選長(zhǎng)度單位厘米、質(zhì)量單位克、時(shí)間單位秒作為基本單位，其他物理量的單位可以通過物理或力學(xué)的定律導(dǎo)出。在米位，其他物理量的單位可以通過物理或力學(xué)的定律導(dǎo)出。在米千克千克”秒制中秒制中f f簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱MKsMKs制制) )，選長(zhǎng)度單

22、位米、質(zhì)量單位千克、時(shí)間單位秒作為基本單位，其，選長(zhǎng)度單位米、質(zhì)量單位千克、時(shí)間單位秒作為基本單位，其他單位均由這三個(gè)基本單位導(dǎo)出。他單位均由這三個(gè)基本單位導(dǎo)出。 在化工計(jì)算中，計(jì)算前必須把不同的單位換算成統(tǒng)一的單位進(jìn)行計(jì)算。在化工計(jì)算中，計(jì)算前必須把不同的單位換算成統(tǒng)一的單位進(jìn)行計(jì)算。第第1 1章章 流體流動(dòng)流體流動(dòng)概述概述1.1 1.1 流體的物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì)1.2 1.2 流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)基本方程式1.3 1.3 流體流動(dòng)的基本方程流體流動(dòng)的基本方程1.4 1.4 流體流動(dòng)現(xiàn)象流體流動(dòng)現(xiàn)象1.5 1.5 流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力1.6 1.6 管路計(jì)算

23、管路計(jì)算1.7 1.7 流量測(cè)量流量測(cè)量概述概述 流體是一種物質(zhì)，主要指氣體和液體?；どa(chǎn)中處理的物料多數(shù)是流體。連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì) 在研究流體流動(dòng)時(shí)，常將流體視為由無數(shù)流體微團(tuán)組成的連續(xù)介質(zhì)。所謂流體微團(tuán)或流體質(zhì)點(diǎn)是指這樣的小塊流體：它的大小與容器或管道相比是微不足道的，但是比起分子自由程長(zhǎng)度卻要大得多，它包含足夠多的分子，能夠用統(tǒng)計(jì)平均的方法來求出宏觀的參數(shù)(如壓力、溫度)，從而可以觀察這些參數(shù)的變化情況。連續(xù)性的假設(shè)首先意味著流體介質(zhì)是由連續(xù)的液體質(zhì)點(diǎn)組成的；其次還意味著質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程的連續(xù)性。但是，高度真空下的氣體就不再視為連續(xù)性介質(zhì)了。不可壓縮性流體不可壓縮性流體 流體的體積如果不隨壓

24、力及溫度變化，這種流體稱為不可壓縮性流體 ?？蓧嚎s性流體可壓縮性流體 如果流體的體積隨壓力及溫度變化，則稱為可壓縮性流體。 本章流體流動(dòng)解決兩個(gè)中心問題。1、確定流體輸送所用的動(dòng)力，并由此決定輸送機(jī)械的大小和功率。2、測(cè)定流量的各種方法，來確保輸送的可靠與正常。 1.11.1流體的物理性質(zhì)流體的物理性質(zhì)1.1.1流體的密度流體的密度：?jiǎn)挝惑w積流體具有的質(zhì)量 。其表達(dá)式為 當(dāng) 時(shí)， 的極限值即為流體某點(diǎn)的密度。通常用的是平均密度。 -流體的質(zhì)量， -流體的體積， 流體的密度一般可在物理化學(xué)手冊(cè)或有關(guān)資料中查得。 實(shí)際上，某狀態(tài)下理想氣體的密度可按下式進(jìn)行計(jì)算：Vm0VVmVm3/ mkgmkgV

25、3m 或RTpM004 .22TppMTMkmolkg /)/(10315. 83KkmolJ式中： -氣體的摩爾質(zhì)量； R-氣體常數(shù)，其值為下標(biāo)“0”表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。 對(duì)于液體混合物，各組分的組成常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示?，F(xiàn)以混合液體為基準(zhǔn)，若各組分在混合前后其體積不變，則混合物的體積等于各組分單獨(dú)存在時(shí)的體積之和，即式中 -液體混合物中各純組分的密度， ； -液體混合物中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 對(duì)于氣體混合物，各組分的組成常用體積分?jǐn)?shù)來表示?，F(xiàn)以 混合氣體為基準(zhǔn)，若各組分混合前后其質(zhì)量不變，則 混合氣體的質(zhì)量等于各組分的質(zhì)量之和，即nwnBwBAwAmxx 1nBA, wnwBwAxxx, 3/ mkg

26、31m31mVnnVBBVAAmxxx 式中：VnVBVAxxx, -氣體混合物中各組分的體積分?jǐn)?shù)。1 11 12 2 流體的黏度流體的黏度 流動(dòng)中的流體受到的作用力可分為體積力和表面力兩種。體積力-作用在體積V內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)，與V以外的流體無關(guān)，例如重力、離心力、慣性力。表面力-流體是連續(xù)介質(zhì)， V的流體微元與周圍流體表面接觸的相互作用力，只與接觸表面有關(guān)，與質(zhì)量體積無關(guān)。表面力表面力法向力-與表面法線一致切向力-與表面相切1牛頓粘性定律粘性粘性：當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，在其內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)叫粘性?；虍?dāng)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體還有一種抗拒內(nèi)在的向前運(yùn)動(dòng)的特性，稱為粘性，粘性是流動(dòng)性的反面。例如：設(shè)有上下兩塊

27、平行放置而相距很近的平板。兩板間充滿了靜止的液體，如下圖所示。運(yùn)動(dòng)快的流體推動(dòng)運(yùn)動(dòng)慢的流體向前流動(dòng)。運(yùn)動(dòng)慢的流體將產(chǎn)生一個(gè)大小相等，方向相反的力，阻礙運(yùn)動(dòng)快的流體層向前流動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層之間的相互作用力，稱為流體的內(nèi)摩擦力或粘滯力。實(shí)驗(yàn)證明，內(nèi)摩擦力與下列因素有關(guān)無關(guān)。與成反比。的垂直距離成正比，與兩層之間差摩擦力與流體層的速度，對(duì)于一定的液體，內(nèi)接觸面積成正比。擦力與兩流體層之間的對(duì)于一定的液體，內(nèi)摩P,FyuyuFSF 引入比例系數(shù) ，則,yuSFdyduyuSFyuSF或,dydu式中:為單位面積上的內(nèi)摩擦力，通常稱為內(nèi)摩擦應(yīng)力或剪應(yīng)力。 -速度梯度，即在與流動(dòng)方向相

28、垂直的y方向上流體速度的變化率；-比例系數(shù)，其值隨流體的不同而異，流體的粘性愈大，其值愈大，所以稱為粘滯系數(shù)或動(dòng)力粘度，簡(jiǎn)稱為粘度。上式稱為牛頓粘性定律。2.流體的粘度dydu粘度的物理意義：促使流體流動(dòng)產(chǎn)生單位速度梯度的剪應(yīng)力。粘度總是與速度梯度相聯(lián)系，只有在運(yùn)動(dòng)時(shí)才顯現(xiàn)出來。分析靜止流體的規(guī)律時(shí)就不用考慮粘度這個(gè)因素。粘度的單位： sPamsmPadydu/（SI制） 泊）(/22Pscmgcmsdyncmscmcmdyndydu（物理單位制）SPaPcPSPamSNmSNcmsdyncPcPP1000101.011000110001)1001(10000001100101.0110012

29、222定義 sm /2 2121iiiiimMyMyM式中 -kmolkg / -氣體混合物中組分的摩爾分?jǐn)?shù)；my 與氣體混合物同溫下組分的粘度；-常壓下混合氣體的粘度； -氣體混合物中組分的摩爾質(zhì)量， 粘度數(shù)據(jù)的求取單組份單組份：一般是查手冊(cè)?；旌衔锏恼扯然旌衔锏恼扯龋阂话闳Q于實(shí)驗(yàn)。如缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可參閱有關(guān)資料，選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。對(duì)于常壓氣體混合物的粘度，可采用下式計(jì)算。下標(biāo) 表示組分的序號(hào)。對(duì)非締合液體混合物的粘度，可采用下式進(jìn)行計(jì)算，即iiimxlglgmxi式中 -液體混合物的粘度；-液體混合物中組分的摩爾分?jǐn)?shù)； -與液體混合物同溫下組分的粘度 下標(biāo) 表示組分的序號(hào)。粘

30、度的影響因素i液體的粘度： , 壓力的影響可忽略不計(jì)。氣體的粘度：,T ,一般也與壓力無關(guān)。,T3. 理想流體粘度為零的流體稱為理想流體。4. 流體分類牛頓型流體-符合牛頓粘性定律的流體。非牛頓型流體-不符合牛頓粘性定律的流體。具有粘性的流體-非理想流體（實(shí)際流體）。沒有粘性的流體-理想流體。1.2 流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)研究流體在外力作用下達(dá)到平衡時(shí)各物理量的變化規(guī)律。在實(shí)際生產(chǎn)中，主要用于設(shè)備或管道內(nèi)壓強(qiáng)的變化與測(cè)量、液體在貯罐內(nèi)液位的測(cè)量、設(shè)備的液封確定等。1.1.2 靜止流體的壓力1、壓力的定義、壓力的定義流體垂直作用于單位面積上的壓力，稱為流體的壓強(qiáng)，俗稱壓力。式中： p-流

31、體的壓強(qiáng)，Pa； P-垂直作用于流體表面上的總壓力，N; A-作用面的面積，流體中，從各方向作用于某一點(diǎn)的壓力大小均相等。 流體壓力具有以下兩個(gè)重要特性：流體壓力具有以下兩個(gè)重要特性： (1) 流體壓力處處與它的作用面垂直，并總是指向流體的作用面； (2) 流體中任一點(diǎn)壓力的大小與所選定的作用面在空間的方位無關(guān)。 例如，例如，當(dāng)測(cè)定流體內(nèi)某點(diǎn)的壓力時(shí)，不論將測(cè)壓管按水平、垂直還是其他方向插入管的管端正好與該點(diǎn)接觸，則壓力表上所顯示的讀數(shù)都是相同的。 App2 2壓力的單位和單位換算壓力的單位和單位換算在國(guó)際單位制中，壓力的單位是在國(guó)際單位制中，壓力的單位是N Nm sm s稱為帕斯卡，以稱為帕

32、斯卡，以PaPa表示。但長(zhǎng)表示。但長(zhǎng)期以來采用的單位為期以來采用的單位為atm(atm(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓) )、某流體柱高度或、某流體柱高度或 等。等。它們之間的換算關(guān)系為它們之間的換算關(guān)系為 1 1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)(atm)1 10133013310105 5PaPa1.033 kgf1.033 kgfcmcm2 2101033mH 33mH 2020760 mmHg760 mmHg工程上為使用和換算方便工程上為使用和換算方便1at=1 kgf1at=1 kgfcmcm2 2( (工程大氣壓）工程大氣壓）=735.6mmHg=10mH=735.6mmHg=10mH2 2O=

33、0.9807bar=9.807O=0.9807bar=9.80710104 4 Pa Pa。3.3.壓力的基準(zhǔn)壓力的基準(zhǔn) 壓力可以有不同的計(jì)量基準(zhǔn)，如果以絕對(duì)真空壓力可以有不同的計(jì)量基準(zhǔn)，如果以絕對(duì)真空( (即零大氣壓即零大氣壓) )為基準(zhǔn)，稱為基準(zhǔn)，稱為絕對(duì)壓力。為絕對(duì)壓力。 以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)，則稱為表壓。以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)，則稱為表壓。 表壓絕對(duì)壓力一大氣壓力表壓絕對(duì)壓力一大氣壓力 ， 當(dāng)被測(cè)流體的絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，其低于大氣壓的數(shù)值稱為真空當(dāng)被測(cè)流體的絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，其低于大氣壓的數(shù)值稱為真空度，即度，即 真空度大氣壓力一絕對(duì)壓力真空度大氣壓力一絕對(duì)壓力2/cmkgf本章

34、中如不加說明時(shí)均可按標(biāo)準(zhǔn)大氣壓計(jì)算；此處的大氣壓力均應(yīng)指當(dāng)?shù)卮髿鈮?，壓力的?shù)值如不加特殊說明，均指絕對(duì)壓力。 絕對(duì)壓力、表壓和真空度的關(guān)系，如下圖所示。例題1：某設(shè)備上真空表的讀數(shù)為13.3103Pa，試計(jì)算設(shè)備內(nèi)的絕對(duì)壓強(qiáng)與表壓強(qiáng)。已知該地區(qū)大氣壓強(qiáng)為98.7103Pa。解：設(shè)備內(nèi)的絕對(duì)壓強(qiáng)為絕對(duì)壓強(qiáng)=大氣壓-真空度=98.7103Pa- 13.3103Pa=85.4103Pa設(shè)備內(nèi)的表壓強(qiáng)為表壓強(qiáng)= -真空度= - 13.3103Pa。1.2.2流體靜力學(xué)基本方程式 流體靜力學(xué)基本方程式 流體靜力學(xué)基本方程式是用于描述靜止流體內(nèi)部的壓力沿著高度變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式 對(duì)于不可壓縮流體，密度不隨壓

35、力變化，其靜力學(xué)基本方程可用下述方法推導(dǎo) 在具有密度為的靜止流體中，取一微元立方體，其邊長(zhǎng)分別為dx、dy、dz，分別與x、y、z軸平行見上圖 由于流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此所有作用于該立方體上的力在坐標(biāo)軸上的投影之代數(shù)和應(yīng)等于零 對(duì)于Z軸，作用于該立方體上的力有： （1）作用于下底面的總壓力為pdxdy；（2）作用于上底面的總壓力為-（p+ dz）dxdy；（3)作用于整個(gè)立方體的重力為-gdxdydz。Z軸方向力的平衡式可寫成Pdxdy-（p+ dz）dxdy-gdxdydz=0 即 - dxdydz-gdxdydz=0上式各項(xiàng)除以dxdydz，則Z軸方向力的平衡式可簡(jiǎn)化為 -g=0對(duì)于X軸、

36、y軸，作用于該立方體的力僅有壓力，也可寫出其相應(yīng)的力的平衡式，簡(jiǎn)化后得zpzpzpzp X軸 -0 xpY軸 0yp上式等號(hào)的左側(cè)即為壓強(qiáng)的全微分dp，于是dp+gdz=0對(duì)于不可壓縮性流體，=常數(shù)，積分上式，得gdzdzzpdyypdxxp常數(shù) gzp液體可視為不可壓縮性的流體，在靜止液體中取任意兩點(diǎn)，如圖所示，則有)(21122211zzgppgzpgzp或上式為流體靜力學(xué)基本方程式。如使點(diǎn)1處于容器的液面上，設(shè)液面上方的壓強(qiáng)為p 0 ，p1=p0，距液面h處的點(diǎn)2壓強(qiáng)為p，p2= p，z1-z2=h，則ghpp0討論：討論：1.靜止流體內(nèi)任一點(diǎn)壓強(qiáng)只與位置有關(guān)，而與方向無關(guān)2.靜止流體可

37、將外部壓強(qiáng)大小不變向內(nèi)部各個(gè)方向傳遞 帕斯卡定律 3.變換同除同除 （1）)(21122211zzgppgzpgzp或gzgzpp2112gzpgzp2211能單位質(zhì)量流體具有的位壓能單位質(zhì)量流體具有的靜_/232kgJkgmNkgkgsmmzgkgJkgmNmkgmNp上式表明： 靜止流體中，任一截面單位質(zhì)量流體具有的靜壓能和位能之和恒為常數(shù)或靜壓能和位能可以互相轉(zhuǎn)換，但總值不變能量守恒（2）4.從公式 hzzgpp2112上式表明： 壓強(qiáng)差可用流體的液柱高度來表示，但需注明是某種流體ghpp0可見：靜止流體中，同一水平面各點(diǎn)壓強(qiáng)相等，稱此水平面為等壓面等壓面的條件：靜止、連續(xù)、同一流體、同

38、一水平面（缺一不可）1.2.3 流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用1.壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差的測(cè)量1）簡(jiǎn)單測(cè)壓管選取等壓面：A-A/gRPpppAA0/表壓強(qiáng)）絕對(duì)壓強(qiáng)）(00/0gRppppgRppppppaAAa2）U型測(cè)壓管測(cè)壓強(qiáng)指示液與被測(cè)液體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且0取等壓面 BB/gRppghghgRppghgRppgRpghpppgRppghppAAAABBBAB00000000/00/可以忽略不計(jì)，則是氣體的密度，若（表壓強(qiáng)）（絕對(duì)壓強(qiáng)）所以：)()(001202102211RggRgRgzzgRppppgRgzppgzppAAAA測(cè)量壓強(qiáng)差（水平管道測(cè)壓強(qiáng)）取等壓面A-A/3）微差壓差計(jì)應(yīng)用

39、于所測(cè)得的壓強(qiáng)差很小，U管壓差計(jì)的讀數(shù)R也就很小，有時(shí)難以準(zhǔn)確讀出R值。條件：)(pd. 2. 121CACARgpDUD管的直徑，大于擴(kuò)大室的直徑互溶，不反應(yīng)指示液密度接近，但不與3）傾斜液柱壓差計(jì) 當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)壓強(qiáng)差很小時(shí)，為了提高讀數(shù)的精度，可將液柱壓差計(jì)傾斜傾斜液柱或稱為斜管壓差計(jì)此壓差計(jì)的讀數(shù)R/與U管壓差計(jì)的讀數(shù)R的關(guān)系為 sinR/R 為傾斜角，其值越小，R/越大）（）（00sinRRp注意點(diǎn)：注意點(diǎn)：1.當(dāng)R1500mm時(shí)，調(diào)節(jié)指示劑的密度指，將其變小，如果使用水銀指示劑后，還是R1500mm，則用幾個(gè)U管壓差計(jì)進(jìn)行串聯(lián)2.指示劑的密度指必須大于被測(cè)液體的測(cè)，用正U型管；如果指示

40、劑的密度指小于被測(cè)液體的測(cè)，則用倒U型管3.U管壓差計(jì)不但可用來測(cè)量液體的壓強(qiáng)差，也可測(cè)量流體在任一處的壓強(qiáng)（表壓強(qiáng)），將U管壓差計(jì)的一端與大氣相通 化工生產(chǎn)中經(jīng)常需要了解容器里液體的貯存量，或需要控制設(shè)備里液體的液面，因此要對(duì)液面進(jìn)行測(cè)定。有些液面測(cè)定方法，是以靜力學(xué)基本方程式為依據(jù)的 若容器離操作室較遠(yuǎn)或埋在地面以下，要測(cè)量其液位可采用下圖的裝置，其中 2.液位的測(cè)量RhA3.液封高度的計(jì)算 在化工生產(chǎn)中、為了控制設(shè)備內(nèi)氣體壓力不超過規(guī)定的數(shù)值，常用如下裝置的安全液封(或稱為水封)。其作用是當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力超過規(guī)定值時(shí)，氣體就從液封管排出，以確保設(shè)備操作的安全。1）穩(wěn)壓安全作用 若設(shè)備要求壓力

41、不超過P(表壓)，按靜力學(xué)基本方程式，則液封管插入液面下的深度h為gphhgp2）維持真空度 真空蒸發(fā)操作中，產(chǎn)生的水蒸氣，往往送入附圖所示的混合冷凝器中與冷水直接接觸而冷凝。為了維持操作的真空度，冷凝器上方與真空泵相通，不時(shí)將器內(nèi)的不凝性氣體（空氣）抽走。為了防止外界空 gpphghppaa氣由氣壓管漏入，使設(shè)備內(nèi)真空度降低，氣壓管必須插入液封槽中。 13 流體流動(dòng)的基本方程流體流動(dòng)的基本方程 化工生產(chǎn)中流體大多是沿密閉的管道流動(dòng)，因此研究管內(nèi)流體流動(dòng)化工生產(chǎn)中流體大多是沿密閉的管道流動(dòng)，因此研究管內(nèi)流體流動(dòng)的規(guī)律是十分必要的。反映管內(nèi)流體流動(dòng)規(guī)律的基本方程式有連續(xù)性方的規(guī)律是十分必要的。反

42、映管內(nèi)流體流動(dòng)規(guī)律的基本方程式有連續(xù)性方程式和伯努利方程式，本節(jié)主要圍繞這兩個(gè)方程式進(jìn)行討論。程式和伯努利方程式，本節(jié)主要圍繞這兩個(gè)方程式進(jìn)行討論。 131 流量與流速流量與流速1流量流量1)體積流量體積流量 單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體的體積，稱為體積流量，以單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體的體積，稱為體積流量，以VS表示，其單位為表示，其單位為m3s或或m3 /h。 2)質(zhì)量流量質(zhì)量流量 若流量用質(zhì)量來計(jì)算，則稱為質(zhì)量流量，以若流量用質(zhì)量來計(jì)算，則稱為質(zhì)量流量，以 表示，其單位為表示，其單位為kgs或或kg /h。體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系為體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系為swssVw

43、2 2流速流速1)1)平均流速平均流速 流速是指單位時(shí)間內(nèi)液體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離。流速是指單位時(shí)間內(nèi)液體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離。 工程上，一般以體積流量與管道截面積之比，來表示流體在管道中的工程上，一般以體積流量與管道截面積之比，來表示流體在管道中的速度。此速度稱為平均速度，簡(jiǎn)稱流速，以速度。此速度稱為平均速度，簡(jiǎn)稱流速，以u(píng) u 表示，單位為表示，單位為m ms s。 流量與流速關(guān)系為流量與流速關(guān)系為AVus式中式中 A與流動(dòng)方向相垂直的管道截面積，與流動(dòng)方向相垂直的管道截面積，m2。uAVwss 2)質(zhì)量流速質(zhì)量流速 單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道單位截面的質(zhì)量稱為質(zhì)量流速，也稱質(zhì)

44、量通量單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道單位截面的質(zhì)量稱為質(zhì)量流速，也稱質(zhì)量通量， 以以G表示，其表達(dá)式為表示，其表達(dá)式為uAVAwssG其中其中G的單位為的單位為 )/(2smkg 由于氣體的體積與溫度、壓力有關(guān)。當(dāng)溫度、壓力發(fā)生變化時(shí)，氣體的體積流量與其相應(yīng)的流速也將隨之改變，但其質(zhì)量流量不變。此時(shí)，采用質(zhì)量流速比較方便。 一般管道的截面均為圓形，若以d 表示管道內(nèi)徑，則uuVddVusss785. 0V442于是通常：通常： 投資大，操作費(fèi)用小。阻力小，但投資小，操作費(fèi)用大。阻力大，但,dudu 通過權(quán)衡考慮，工業(yè)上比較有經(jīng)驗(yàn)的范圍 水及一般液體 13 m/s 粘度大的液體 0.51 m/s 低壓氣

45、體 815 m/s 高壓氣體 1525 m/s重點(diǎn)：液體流速： 0.33 m/s 氣體流速： 1030 m/s例2在3835mm的無縫鋼管內(nèi)流過壓力為05KPa，平均溫度為0，流量為160 kgh的空氣?？諝庠跇?biāo)準(zhǔn)狀況下的密度為1.2kgm3。試求其平均流速。解：將標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度0換算成操作狀況下的密度smdwAwumkgTppss/94. 9)20035. 0038. 0(923. 543600/1604/923. 53 .10115.273105 . 015.2732 . 1T2233000則例3. 某廠精餾塔進(jìn)料量為50000kg/h,料液的性質(zhì)和水相近，密度960kg/m3 ,試選擇

46、進(jìn)料管的管徑。解：因?yàn)閟mummmdmmmmmdsmusmwuVdsS/85. 11 . 00145. 041 . 0100241084108101. 08 . 10145. 04,/8 . 1/0145. 0960360050000V423S重新核算流速，即無縫鋼管，其內(nèi)徑為，選用根據(jù)附錄中的管子規(guī)格故，選取因料液的性質(zhì)與水相近式中1.3.2 穩(wěn)定流動(dòng)與非穩(wěn)定流動(dòng)穩(wěn)定流動(dòng)：流體在管道中流動(dòng)時(shí)，在任一點(diǎn)上的流速、壓力等 有關(guān)物理參數(shù)都不隨時(shí)間而改變。非穩(wěn)定流動(dòng)：若流動(dòng)的流體中，任一點(diǎn)上的物理參數(shù)，有部分或 全部隨時(shí)間而改變。在化工生產(chǎn)中，流體的流動(dòng)情況大多為穩(wěn)定流動(dòng)。故除非有特別指明者外，本書

47、中所討論的均系穩(wěn)定流動(dòng)問題。 1.3.3 連續(xù)性方程式設(shè)流體在如圖所示的管道中作連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)，從截面 流入，從截面 流出。若在管道兩截面之間無流體損失。1122 1sw2sw11 1sw222sw根據(jù)質(zhì)量守恒定律，從截面進(jìn)入的流體質(zhì)量流量應(yīng)等于從截面質(zhì)量流量即流出的流體反比即流速與管徑的平方成則有，對(duì)于截面為圓形的導(dǎo)管成反比即導(dǎo)管的流速與截面積常數(shù)常數(shù)，則對(duì)于不可壓縮性流體，常數(shù)即對(duì)管路上的任一截面，故因2122122211222111222111214uAuA, dduudAAuAuVAuAuwAuAuwuAwwwssssss注意點(diǎn)：管內(nèi)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的連續(xù)性方程式，反映了在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)中，流量一

48、定時(shí)，管路各截面上流速的變化規(guī)律。此規(guī)律與管路的安排以及管路上是否裝有管件、閥門、流體輸送設(shè)備等無關(guān)。1.3.4 柏努力方程式1.流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算右圖為穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)其做能量衡算。輸出的能量輸入的能量質(zhì)量流體恒算基準(zhǔn)：截面之間截面與恒算范圍：基準(zhǔn)面：kg12-21-10-0分析1kg流體在流動(dòng)過程中具有哪些能量。內(nèi)能：是貯存于物質(zhì)內(nèi)部的能量（J） 由物質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)、分子之間的互相吸引力、排斥力、分子內(nèi)部振動(dòng)而來，內(nèi)能決定于流體本身的狀態(tài)，并為狀態(tài)函數(shù)。1kg流體的內(nèi)能:在1-1面和2-2面分別為U1和U2，J/kg位能：流體在重力作用下，因高出某基準(zhǔn)面而具有的能量（J）1kg流體的位能:

49、在1-1面和2-2面分別為z1g和z2g，J/kg動(dòng)能：流體流動(dòng)時(shí)，因具有一定的速度而具有的能量（J）1kg流體的動(dòng)能:在1-1面和2-2面分別為J/kg。，和22212121uu靜壓能：靜止流體內(nèi)部任一處都有一定的靜壓強(qiáng)。流動(dòng)的流體內(nèi)部任何位置也都有一定的靜壓強(qiáng)。如附圖所示。1kg流體的靜壓能= 21221111pmVppmVp及，J/kg其中：位能+動(dòng)能+靜壓能=總機(jī)械能此外，管路上還安裝有換熱器和泵，則進(jìn)出系統(tǒng)的能量還有熱 設(shè)換熱器向1kg流體供應(yīng)的或從1kg流體取出的熱量，Qe其單位為J/kg.外功 1kg流體通過泵（或其它輸送設(shè)備）所獲得的能量，We 其單位為J/kg.輸入的總能量=

50、輸出的總能量：eeeeWQpuZgUpppuuugZgZZgUUUpugZUWQpugZU)(2)(,222,-2221122212221212222222112111，令上式是穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算式。2.流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算式與柏努力方程式1）流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能衡算式根據(jù)熱力學(xué)第一定律：./2-21-11;/2-21-112121kgJkgQkgJkgpdvpdvQUee之間所獲得的熱，與流體在截面膨脹所做的功，引起體積的過程中，因被加熱而流到截面流體從截面式中feppppfefefeehWdpuZgdppdpdphWpdpuZgpdhQUhQQ21212121212)()(22212得：

51、（因?yàn)樯鲜綖?kg流體流動(dòng)時(shí)的機(jī)械能的變化關(guān)系，稱為流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)的機(jī)械能衡算式，適用于可壓縮性流體與不可壓縮性流體。2）柏努力方程式不可壓縮性流體 fpphpugZWpugZpppdpe222212111222)(21常數(shù)或密度比容柏努力方程，則入，即理想流體，沒有外功加222212112Z2Z0, 0pugpugWhef3. 柏努利方程式的討論1）上式表示理想流體在管道內(nèi)作穩(wěn)定流動(dòng)，而又沒有外功加入時(shí)，在任一截面上單位質(zhì)量流體所具有的位能、動(dòng)能、靜壓能之和為一常數(shù)。也就是說，1kg理想流體在各截面上所具有的總機(jī)械能相等，而每一種形式的機(jī)械能不一定相等，但各種形式的機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)換。112

52、2112pp 例如：管徑一致，則u不變化，但是Z變化，為保證動(dòng)能、位能、靜壓能三項(xiàng)之和為常數(shù)。則必有。即：靜壓能轉(zhuǎn)化為位能了。 12pp 2）柏努力方程中，由于摩擦引起的能量損失具有重要的意義。必須指出的數(shù)值永遠(yuǎn)為正值。 hf hf3）輸送單位質(zhì)量流體所需加入的外功We是決定流體輸送設(shè)備的重要數(shù)據(jù)。如果被輸送流體的質(zhì)量流量為Ws kg/s,則輸送流體需要供給的功率 即流體輸送設(shè)備的有效功率）為：.)/(esJwwNse實(shí)際上，應(yīng)考慮流體輸送設(shè)備的效率，以符號(hào)表示流體輸送設(shè)備的效率，即實(shí)際消耗的功率為：sewwNhf流體靜力學(xué)基本方程式2211pgZpgZ4）當(dāng)We=0，流體靜止，流速u=0，從

53、而=0此時(shí)，柏努力方程式為：由此可見：柏努力方程式除表示流體流動(dòng)的規(guī)律外，也包括了流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律，流體的靜止不過是流體運(yùn)動(dòng)的一個(gè)特殊形式。5）氣體在流動(dòng)過程中，若通過所取系統(tǒng)截面之間的壓力變化小于原來壓力的20%，即%20121ppp 此時(shí)的密度可用氣體的平均密度m來代替，即： fmemhpuZgw221212則6）柏努力方程具有不同的形式以單位重量流體為衡算基準(zhǔn))/(2Z2 Z2)(2Z2 Z2Z2Z22222121122222121122221211，帕單位為基準(zhǔn)以單位體積流體為衡算總摩擦損失壓頭泵壓頭或有效壓頭靜壓頭動(dòng)壓頭或稱為速度頭位壓頭或稱為壓頭單位為或者mNhpugwpugHH

54、gpguZmHgpguHgpgughgpgugwgpgufefefefe1.3.5 柏努力方程式的應(yīng)用1. 應(yīng)用柏努力方程式解題要點(diǎn)(1)作圖與確定衡算范圍根據(jù)題意畫出流動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，并指明流體的流動(dòng)方向。定出上下游截面，以明確流動(dòng)系統(tǒng)的衡算范圍。（2）在用柏努力方程式之前，單位必須統(tǒng)一SI制，應(yīng)把有關(guān)物理量換算成一致的單位，然后進(jìn)行計(jì)算。（3）兩截面上的壓強(qiáng)P必須統(tǒng)一基準(zhǔn)除要求單位一致外，還必須表示方法一致，或絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓、或真空度。（4）基準(zhǔn)水平面的選取基準(zhǔn)水平面選取的目的是為了確定流體位能的大小，實(shí)際上在柏努力方程式中所反映的是位能差的數(shù)值12ZZZ（5）截面的選取 兩截面均應(yīng)與流動(dòng)

55、方向相垂直，并且在兩截面的流體必須是連續(xù)的。兩截面應(yīng)包括已知參數(shù)多。2.柏努力方程式的應(yīng)用（1）確定管道中流體的流量（2）確定容器間的相對(duì)位置（3）確定輸送設(shè)備的有效功率（4）確定管路中流體的壓強(qiáng)例4.某化工廠用泵將堿液池的堿液輸送至吸收塔頂，經(jīng)噴嘴噴出，如附圖所示。泵的進(jìn)口管為 的鋼管。堿液在進(jìn)口管中的流速為1.5m/s，出口管為 的鋼管。貯液池中堿液的深度為1.5m，池底至塔頂噴嘴上方入口處的垂直距離為20m，堿液經(jīng)管系的摩擦損失為30J/kg,堿液進(jìn)噴嘴處的壓力為 0.3at(表壓)，堿液的密度為1100kg/m3.設(shè)泵的效率為65%，試求泵所需的功率。貯液池上方為常壓。mm5 . 41

56、08mm5 . 276解：取堿液池的液面為1-1截面并兼作基準(zhǔn)面，以塔頂噴嘴上方入口處的管口為2-2截面，在1-1與2-2截面之間列柏努力方程式。smuumhpugZWpugZfe/5 . 1. 05 .185 . 120Z0Z212112122221211堿液在進(jìn)口管中速度大得多，因貯液池面較管道截面，已知：則堿液在出口管中流速按連續(xù)性方程20m1.5mkgJhmNpmNpmkgsmummdmmddduAAuuf/30/10807.9)3.01(/10807.91/1100/92.2)7199(5.17125.2769925.4108)()(242241322222122又知：則堿液出口管內(nèi)

57、徑堿液進(jìn)口管內(nèi)徑將以上各值代入柏努力方程式，得輸送堿液所需的外加能量。kWWsJwskgudwkgJhuuppgZZWsesf31. 44310/431065. 055.114 .242WN%65/55.1111005 . 1)10099(785. 04/4 .2423027. 47 .265 .18130292. 2110010807. 9) 13 . 1 (81. 95 .182)(222421221212e，則此泵的軸功率為泵的效率為堿液的質(zhì)量流量： 例5本題右圖所示的開口貯槽內(nèi)液面與排液管出口間的垂直距離h1=9m，貯槽的內(nèi)徑D=3m，排液管的內(nèi)徑d0=0.04m；液體流過該系統(tǒng)的能量

58、損失：為流體在管內(nèi)的流速。式中uuf,40h2試求 ：經(jīng)4h后貯槽內(nèi)液面下降的高度。解：本題屬于非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。經(jīng)4h后貯槽內(nèi)液面下降的高度可通過微分時(shí)間內(nèi)的物料衡算式和瞬間的柏努力方程式求解。udhdDddhDudddhDAdudDFudhdAddDdddAdd20220220)(444,4, 0,FDF則上式變?yōu)閯t液體在管內(nèi)瞬間流速為時(shí)間內(nèi)，槽內(nèi)液面下降又設(shè)在時(shí)間內(nèi)物料衡算式為時(shí)間內(nèi)的積累量，則在為在為瞬時(shí)出料率；為瞬時(shí)進(jìn)料率；算。設(shè)時(shí)間內(nèi)對(duì)系統(tǒng)作物料衡在 在瞬間液面1-1與管子出口內(nèi)側(cè)截面2-2間列柏努力方程式，并以截面2-2為基準(zhǔn)水平面，得huuhuhppuuuZhhpugZpugZff4

59、92. 05 .4081. 940, 0, 0,Z222221212122221211則式中.38. 362. 59462. 52114333600411433,36004,9011433492. 0)04. 03(492. 0)(21212191236004092211220mhmhhhhdhdhmhsmhhdhhdhhdhdDdhhhhhh為后貯槽內(nèi)液面下降高度所以經(jīng)解得：，邊界條件：1.4 流體流動(dòng)現(xiàn)象1.4.1 流動(dòng)類型與雷諾數(shù)1.雷諾實(shí)驗(yàn)與雷諾數(shù) 如圖為一雷諾實(shí)驗(yàn)裝置圖。水箱中的水位通過溢流裝置保持恒定。1為紅墨水瓶。 dudu結(jié)論：流體流動(dòng)可分為兩種截然不同的類型1）層流（滯流）：

60、流體質(zhì)點(diǎn)沿軸向做層次分明、互不干擾的直線運(yùn)動(dòng)2）湍流（紊流）：流體在做軸向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，且沿徑向做雜亂無章的橫向運(yùn)動(dòng)經(jīng)雷諾研究發(fā)現(xiàn)，上述流動(dòng)類型不但和u有關(guān)，而且和管徑d以及流體的性質(zhì)、 有關(guān)。、d、u、 這四個(gè)參數(shù)可組合成一個(gè) 的形式。數(shù)群（準(zhǔn)數(shù)）稱為雷諾準(zhǔn)數(shù)Re（Reynolds）。這樣就可以根據(jù)Re準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值來分析流動(dòng)狀態(tài)。雷諾準(zhǔn)數(shù)的量綱為相等。都是無量綱的，且數(shù)值，計(jì)算出的用相同單位制中的單位物理量采單位制，只要數(shù)群中各的數(shù)群。無論采用何種是一個(gè)量綱為雷諾數(shù)eTMLTLMLMTLLdueR1ReR0003當(dāng)Re2000 時(shí)，流體流動(dòng)一定屬于層流狀態(tài)當(dāng)Re4000 時(shí)，流體流動(dòng)一般處于湍流