化工原理 1-1.ppt

1、1-0 概述,第一節(jié) 流體靜力學(xué),1-1-1 密度,1-1-2 壓力,1-1-3 流體靜力學(xué)平衡方程,P79(4)(5)(9),作業(yè)(在此點(diǎn)擊),一、 學(xué)習(xí)本章的意義：,1 流體存在的廣泛性。在化工廠中，管道和設(shè)備中絕大多數(shù)物質(zhì)都是流體 （包括氣體、液體或氣液混合物）。只是到最后，有些產(chǎn)品才是固體。,2 通過(guò)研究流體流動(dòng)規(guī)律，可以正確設(shè)計(jì)管路和合理選擇泵、 壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等流體輸送設(shè)備，并且計(jì)算其所需的功率。,3 流體流動(dòng)是化工原理各種單元操作的基礎(chǔ)，對(duì)強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)具有重要的實(shí)踐意義。因?yàn)闊崃總鬟f，質(zhì)量傳遞，以及化學(xué)反應(yīng)都在流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行，與流體流動(dòng)密切相關(guān)。,所以大家要認(rèn)真學(xué)習(xí)這一章，充分打

2、好基礎(chǔ)。,二 、 流體流動(dòng)的研究范疇,1、 流體的定義：,（具有流動(dòng)性的）液體和氣體統(tǒng)稱為流體。,2 、連續(xù)性介質(zhì)假定：,在化工生產(chǎn)過(guò)程中，我們對(duì)流體流動(dòng)規(guī)律的研究感興趣的并非是單個(gè)分子的微觀運(yùn)動(dòng)，而是流體宏觀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。所以我們不取單個(gè)分子作為考察對(duì)象，而取比分子平均自由程大得多，比設(shè)備尺寸小得多的這樣一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)作為最小考察對(duì)象，質(zhì)點(diǎn)是由大量分子組成的微團(tuán)，它可以代表流體的性質(zhì)。流體可以看成是由大量微團(tuán)組成的，質(zhì)點(diǎn)間無(wú)空隙，而是充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)，從而可以使用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具對(duì)流體的性質(zhì)加以描述。,返回,第一節(jié) 流體靜力學(xué) 流體靜力學(xué)主要研究流體處于靜止時(shí)各種物理量的變化規(guī)律。 1-

3、1-1 密度,一、密度 1、定義:,單位體積流體的質(zhì)量稱為密度.,2、公式:, =m/V 注,二、液體密度,三、氣體密度,一般液體可視為不可壓縮性流體，其密度基本上不隨壓力變化，但隨溫度變化，變化關(guān)系可從手冊(cè)中查得。, =PM/RT 注,四、混合物密度 1、液體混合物密度,1/ m =w1/ 1+w2/ 2+wn/ n 注,2、氣體混合物密度,m =PMm/RT 注,返回, -流體的密度，kg/m3； m -流體的質(zhì)量，kg； V -流體的體積，m3。 一般=f（p，T），但在研究流體流動(dòng)時(shí)，若壓力與溫度變化不大時(shí)，則可認(rèn)為液體的密度為常數(shù)。密度為常數(shù)的流體稱為不可壓縮流體。 嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，真實(shí)流

4、體都是可壓縮流體,不可壓縮流體只是在研究流體流動(dòng)時(shí)，對(duì)于密度變化較小的真實(shí)流體的一種簡(jiǎn)化。本章中如不加說(shuō)明均指不可壓縮流體。,返回,P- 氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，Pa或N/m2； M - 氣體的摩爾質(zhì)量，kg/mol； T - 氣體的絕對(duì)溫度，K； R - 氣體常數(shù)，8.314 J/(mol K)。 一般來(lái)說(shuō)氣體是可壓縮的，稱為可壓縮流體。但是，在壓力和溫度變化率很小的情況下，也可將氣體當(dāng)作不可壓縮流體來(lái)處理。 當(dāng)氣體的壓力不太高，溫度又不太低時(shí)，可近似按理想氣體狀態(tài)方程來(lái)計(jì)算密度。 因?yàn)?PV=nRT=（m/M）RT 所以=m/V=PM/RT,返回,式中 1、2n- 液體混合物中各純組分的密度， k

5、g/m3 ； w1、w2.wn- 液體混合物中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 【例1-1】 已知硫酸與水的密度分別為1830kg/m3與998kg/m3，試求含硫酸為60%（質(zhì)量）的硫酸水溶液的密度為若干。,解：根據(jù)上式： 1/ m =w1/ 1+w2/ 2+wn/ n =0.6/1830+0.4/998 =（3.28+4.01）10-4 =7.2910-4 所以m=1372kg/m3,返回,Mm=M1y1+M2y2+Mnyn 式中，yi-為氣體混合物中各組分的摩爾分率。 對(duì)于理想氣體，其摩爾分率y與體積 分?jǐn)?shù)相同。 【例1-2】 已知干空氣的組成為：O221%、N278%和Ar1%（均為體積%），試求干

6、空氣在壓力為9.81104Pa及溫度為100時(shí)的密度。,解：首先將攝氏度換算成開(kāi)爾文, 100=273+100=373k,再求干空氣的平均摩爾質(zhì)量:Mm=320.21+280.78+39.90.01 =28.96 g/mol 根據(jù)上式，氣體的平均密度為： m =PMm/RT = 9.8110 28.96/（8.314 373）=0.916 kg/m3,返回,1-1-2 壓力,流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓強(qiáng)，又稱為壓力。在靜止流體中，作用于任意點(diǎn)不同方向上的壓力在數(shù)值上均相同。,一、壓力的單位,1）按壓力的定義，其單位為N/m2，或Pa；2） 以流體柱高度表示，如用米水柱或毫米汞

7、柱等。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的換算關(guān)系 1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O,二、壓力的表示方法,1）表壓 = 絕對(duì)壓力 大氣壓力 2）真空度 = 大氣壓力 絕對(duì)壓力 課堂練習(xí)：P79（3）,返回,一、靜力學(xué)基本方程,p2=p0+ gh 推導(dǎo),二、靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用,壓力及壓差的測(cè)量 1）U型壓差計(jì),2)倒U形壓差計(jì) pA - pB = gR,3)雙液體U管壓差計(jì),2.液位測(cè)量 生產(chǎn)中經(jīng)常要了解容器里液體的貯存量或要控制液面，因此要進(jìn)行液面測(cè)量。大多數(shù)的液面計(jì)均利用靜力學(xué)的原理設(shè)計(jì)的。 1）玻璃管液面計(jì),2）遠(yuǎn)距離控制液面計(jì),3）液封高度的計(jì)算,返回,如圖1所示，

8、從靜止流體內(nèi)部任意取一小方塊流體，其底面積為A，將這小方塊放大為圖2；對(duì)其受力情況進(jìn)行分析： 方向向上的壓力：p2A 方向向下的壓力：p1A 重力mg=gA（Z1-Z2）,流體靜止時(shí)三力之和為零，所以 p2A=p1A +gA（Z1-Z2） 即 p2=p1+g（Z1-Z2），或p1/ + gZ1= p2/ + gZ2 當(dāng)p1= p0時(shí)，h= Z1-Z2， 上式改為p2=p0+ gh 注:,1. 方程應(yīng)用條件：靜止，連續(xù)，同一流體。 2. 當(dāng)p0一定時(shí)，靜止流體中任一點(diǎn)的壓力與流體密度和所處高度h有關(guān)，而與該點(diǎn)所在的水平位置及容器的形狀無(wú)關(guān)。所以同一高度處?kù)o壓力相等。 3. 當(dāng)表面壓強(qiáng)p0變化時(shí)，

9、內(nèi)部壓強(qiáng)p也發(fā)生同樣大小的變化。 4. 由p=p0+gh可得： h=P表/g 這就是用流體高度表示壓強(qiáng)單位的計(jì)量依據(jù)。 從公式可知，密度會(huì)有影響，因此必須注明流體的名稱。 5.物理意義：靜力學(xué)基本方程p1/ + gZ1= p2/ + gZ2反映了靜止流體內(nèi)部能量守恒與轉(zhuǎn)換的關(guān)系，在同一靜止流體中，處在不同位置的位能和靜壓能各不相同，二者可以相互轉(zhuǎn)換，但兩項(xiàng)能量總和恒為常量。,返回,如圖3:位于同一水平面1，2兩點(diǎn)的壓強(qiáng)相等，即 p1 = p2 ，而 p1 = pA + gh1 ， p2 = pB +g(h2 - R) +igR ， 故有 (pA + gh1)- (pB + g h2) = (i

10、-)gR 整理得 pA - pB =(i-)gR- g(h1 - h2) 水平放置時(shí)（h1 = h2 pA - pB = (i-)gR 若被測(cè)流體是氣體， 可簡(jiǎn)化為 pA - pB = igR U形壓差計(jì)也可測(cè)量流體的壓力， 測(cè)量時(shí)將U形管一端與被測(cè)點(diǎn)連接， 另一端與大氣相通，此時(shí)測(cè)得的是流體的表壓或 真空度。 注,動(dòng)畫(huà),同樣的壓差，用U型壓差計(jì)測(cè)量的讀數(shù)R與密度差（i-）有關(guān)，故應(yīng)妥善選擇指示液的密度i，使讀數(shù)R在適宜的范圍內(nèi)。 【例1-3 】 本題附圖所示的開(kāi)口容器內(nèi)盛有油和水。油層高度h1=0.7m、密度1=800kg/m3，水層高度h2=0.6m、 密度2=1000kg/m3。 （1）

11、判斷下列兩關(guān)系是否成立， 即pA=pA ， pB=pB （2）計(jì)算水在玻璃管內(nèi)的高度h。,解：（1）判斷：pA=pA的關(guān)系成立。因A與A兩點(diǎn)在靜止的連通著的同一流體內(nèi)，并在同一水平面上。所以截面A-A稱為等壓面。pB=pB的關(guān)系不能成立。因B及B兩點(diǎn)雖在靜止流體的同一水平面上，但不是連通著的同一種流體，即截面B-B不是等壓面。 （2）計(jì)算玻璃管內(nèi)水的高度h 由上面討論知，pA=pA， 而 pA=pa+1gh1+2gh2 ， pA=pa+2gh 于是 pa+1gh1+2gh2=pa+2gh 將已知值代入，得 8000.7+10000.6=1000h，解之得 h=1.16m,返回,若所測(cè)量的壓強(qiáng)差

12、很小，U型壓差計(jì)的讀數(shù)R也就很小，有時(shí)難以準(zhǔn)確讀出R值。為把讀數(shù)R放大，除了在選用指示液時(shí)，盡可能使其密度與被測(cè)流體的密度相接近外，還可采用如圖4所示的微差壓差計(jì)，其特點(diǎn)是： （1）壓差計(jì)內(nèi)裝有兩種密度相接近且不互溶的指示液A和C，而指示液C與被測(cè)流體B亦不互溶。 （2）為了讀數(shù)方便，U形管的兩側(cè)臂頂端裝有擴(kuò)大室。擴(kuò)大室內(nèi) 徑與U形管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。這樣 ，擴(kuò)大室的截面積比U形管的截面積 大很多，即使U形管內(nèi)指示液A的液 面差R很大，兩擴(kuò)大室內(nèi)的指示液C 的液面變化仍很微小，可以認(rèn)為維 持等高。于是壓強(qiáng)差p1-p2便可用下 式計(jì)算，即 p1-p2 = （A - B）gR 注,上式的（A -

13、 B）是兩種指示液的密度差，不是指示液與被測(cè)流體的密度差。 擴(kuò)大室的內(nèi)徑與U形管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。這樣，擴(kuò)大室的截面積比U形管的截面積大很多，即使U形管內(nèi)指示液A的液面差R很大，兩擴(kuò)大室內(nèi)的指示液C的液面變化仍很微小，可以認(rèn)為維持等高。,返回,這種液面計(jì)是在容器底部器壁及液面器壁處各開(kāi)一個(gè)小孔，兩孔間用短管，管件及玻璃管相連。玻璃管內(nèi)液面高度即為容器內(nèi)的液面高度。玻璃管液面計(jì)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用比較普遍，但有易于破損，不便遠(yuǎn)處觀測(cè)等缺點(diǎn)。,返回,若容器離操作點(diǎn)較遠(yuǎn)或埋在地下，要測(cè)量其液位可采用如圖5所示的裝置?？刂普{(diào)節(jié)閥使壓縮空氣（若容器內(nèi)液體為易燃易爆液體則用壓縮氮?dú)猓┚徛毓呐萃ㄟ^(guò)觀察瓶通入容器。通氣管距容器底面為h。因通氣管內(nèi)壓縮空氣流速很小，可以認(rèn)為在容器內(nèi)通氣管出口1 - 1面的壓強(qiáng)與通氣管上的U型壓差計(jì)2 - 2面的壓強(qiáng)相等，即p1 = p2，而 p1 = pa +gH , p2 = pa +igR 由于pa為大氣壓強(qiáng)，則 H= iR/ ,返回,在化工生產(chǎn)中常遇到設(shè)備的液封問(wèn)題。例如，乙炔發(fā)生爐需維持一定壓強(qiáng)，爐外裝有安全液封等。設(shè)備內(nèi)操作條件不同，采用液封的目的也就不同，但其液封的高度則