第一讲 绪论及静力学方程

1、Principle of Chemical Engineering 化工原理是什么？化工原理是什么？ 化工原理是研究化学工业或过程工业化工原理是研究化学工业或过程工业中中的物理过程中共性规律的物理过程中共性规律典型化工过程 The chemical engineer must develop, design, and engineer both the complete process and equipments used; choose the proper raw materials; operate the plants efficiently, safely, and economi

2、cally; and see to it that products meet the requirement set by the customers. 化工原理学习化工原理学习培养化学工程师培养化学工程师中北大学化工原理课程设置情况中北大学化工原理课程设置情况（1）学会计算流体输送管道阻力及管路设计（2）学会流体输送机械（泵和风机）的选型。（3）学会换热器计算。（4）学会气体吸收塔的计算。（5）学会液体精馏塔的计算。（6）学会干燥器的计算。学习内容学习内容学时短、内容多、少而精、不拘泥于考试、重在能学时短、内容多、少而精、不拘泥于考试、重在能力培养。力培养。第一章第一章 流体流动流体流动1

3、.11.1基本概念基本概念1.21.2流体静力学方程流体静力学方程1.31.3连续性方程连续性方程1.41.4柏努利方程方程柏努利方程方程1.51.5管路阻力损失的计算管路阻力损失的计算 日常生活中流体是具有流动性的物质，是气体和液体总称。流体特性：（1）具有流动性；（2）无固定形状，随容器的形状而变化；（3）在外部作用下其内部发生相对运动。 自来水1.11.1基本概念基本概念煤 气 洗 涤 塔 工业生产过程中煤气煤气水孔板流量计泵水封填料塔水池连续介质假定：连续介质假定：将流体视为由无数质点组成的、彼此间没有空隙 的连续介质。流体质点：流体质点：含有大量分子的极小单元或微团，尺寸远小于流体所

4、 处空间的尺寸，但远大于分子自由程。 流体是由大量无规则运动的分子构成。化工过程中不研究单个分子的热运动，主要研究宏观流动运动。(1)(1)连续性假设连续性假设1.11.1基本概念基本概念1. 流体密度流体密度:单位体积的流体所具有的质量，:kg/m3。Vm2. 影响影响的主要因素的主要因素ptf,液体： tf不可压缩性流体不可压缩性流体气体：ptf,可压缩性流体可压缩性流体1.11.1基本概念基本概念3.单一气体密度的计算单一气体密度的计算理想气体在标况下的密度为：4 .220M 例如：标况下的空气， 4 .220M4 .22293/29. 1mkg操作条件下（T, P）下的密度： TTpp

5、000 由理想气体方程求得操作条件（T, P）下的密度RTPMnRTPV VmVnMRTVPVM （1)1)气体混合物的密度气体混合物的密度1m3 的气体为基准，令各组分的体积分率为：xvA,xvB,xVn,其中:总VVxiVii =1, 2, ., n4.4.混合物的密度混合物的密度 若混合前后，气体的质量不变， 总总Vxxxmmnn.2211当V总=1m3时, nnmxxx.2211气体混合物密度计算式气体混合物密度计算式当混合物气体可视为理想气体时, RTPMmm理想气体混合物密度计算式理想气体混合物密度计算式（2）液体）液体混合物的密度混合物的密度m 取1kg液体，令液体混合物中各组分

6、的质量分率分别为: ,wnwBwAxxx、总其中mmxiwiiwimxkgm 1时，当总假设混合后总体积不变，mnwnwBwAmxxxV?.21nwnwBwAmxxx.121液体混合物密度计算式液体混合物密度计算式5.与流体与流体密度相关的几个物理量密度相关的几个物理量 1）比容：单位质量的流体所具有的体积，用表示，单位 为m3/kg。 2）比重(相对密度)：某物质的密度与4下的水的密度的比 值，用 d 表示。1,4水Cd34/1000mkgC 水在数值上:(2) 流体的静压强流体的静压强流体的单位表面积上所受的压力，称为流体的静压强，简称压强。APp SI制单位：N/m2，即Pa。其它常用单

7、位有： atm（标准大气压）、工程大气压at；流体柱高度（mmH2O，mmHg等）。 PabarOmHmmHgcmkgfatm522100133. 10133. 133.10 760/033. 11 换算关系为：PabarOmHmmHgcmkgfat42210807. 99807. 010 6 .735/11 2、压强的表示方法、压强的表示方法 1）绝对压强（绝压）： 流体体系的真实压强称为绝对压强。 2）表压 强（表压）： 压力上读取的压强值称为表压。 3）真空度： 真空表的读数 真空度真空度 = = 大气压强大气压强 绝对压强绝对压强 = -= -表压表压绝对压强、真空度、表压强的关系为

8、绝对零压线大气压强线A绝对压强表压强B绝对压强真空度 当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。 如：4103Pa（真空度）、200KPa（表压）。 表压强表压强 = 绝对压强绝对压强 大气压强大气压强 某化工设备要求绝对压力为某化工设备要求绝对压力为20mmHg，兰州的，兰州的大气压力为大气压力为640mmHg，拉萨的大气压力为，拉萨的大气压力为459mmHg，求这台设备在上述各地操作时应，求这台设备在上述各地操作时应控制真空度各为多少控制真空度各为多少Pa？如果要求设备要求绝对压力为如果要求设备要求绝对压力为800mmHg，兰州和，兰州和拉萨两地设备的表压控制为多少拉萨两地设备的表压控制为

9、多少Pa？dzdydxp1p2xyzz2z1p2p1p1p21.2 流体静力学流体静力学轴 12d dd d0py zpy z 120pp12d dd d0py zpy z120ppy 轴 12d dd dd d d0p x ypx yg x y z12d0ppg z21dzzz2112()ppg zzghpp0流体的静力学方程流体的静力学方程 静力学方程的几种不同形式 2211gZpgZpaPgzpgzp2211kgJ /2211zgpzgpNJ /1132244535p1p2p等压面等压面定义定义: : 静止、连续的均质流体，处于同一水平面上的各点压力相等关于静力学方程的讨论关于静力学方程

10、的讨论 测压管php0ghp0 测压管测压管: : 绝压:气压计气压计:ghp0pghp 气压计p = 0p0h（1） 压力的测量压力的测量表压: （2） U形管压差计形管压差计 选基准面列静力学方程110gzppgRgzpp220Rzz21gRpp)(21R则）（若gRpp21则若1122p1p2z1z2RU 形管压差计00110gzpp11p1paz1R00若U形管压差计一端与大气相通，则可测得表压（或绝压）。 11gzgRp（表）apgzgRp11（绝）gRppa0gRpp)(21倒倒U U形管压差计形管压差计gRpp21倒U形管压差计1122p1p2z1z2R00U型管压差计型管压差计

11、baPP 根据流体静力学方程RmgPPBa1gRmzgPPABb)(2 )( 21gRmzgPRmgPABB gz 21ABAgRPP当被测的流体为气体时， 可忽略,则 BBA，两点间压差计算公式两点间压差计算公式gRPPA21当管子平放时：gRPPBA21 当P1-P2值较小时，R值也较小，若希望读数R清晰，可采取三种措施：两种指示液的密度差尽可能减小、采用倾斜U型管压差计、 采用微差压差计。gRpp)(211 1、倾斜液柱压差计、倾斜液柱压差计sin1RR R1Rp1p2倾斜液柱压差计2 2、微差压差计、微差压差计)(10略小且形管直径扩张室直径ACU)(21CAgRppp2RcA微差压差

12、计p1 U型管的两侧管的顶端增设两个小扩大室,其内径与U型管的内径之比10，装入两种密度接近且互不相溶的指示液A和C，且指示液C与被测流体B亦不互溶。 2）用倾斜U型管压差计，=30，指示液为苯，其读 数R为多少？ 3）若用微差压差计，其中加入苯和水两种指示液，扩大 室截面积远远大于U型管截面积，此时读数R为多少？ R为R的多少倍？已知：苯的密度 3/879mkgc水的密度 3/998mkgA 计算时可忽略气体密度的影响。 解：1）普通管U型管压差计gPRC807. 9879100m0116. 0 例：用3种压差计测量气体的微小压差 PaP100 试问： 1）用普通压差计，以苯为指示液，其读数

13、R为多少？2）倾斜U型管压差计 30singPRC3）微差压差计 gPRCA0116. 00857. 0RR故：5 . 0807. 9879100m0232. 0807. 9879998100m0857. 039. 7目的：目的： 恒定设备内的压力， 防止超压；(2) 液封高度液封高度安全液封h0p溢流水00气液气gph0液封高度计算：液封高度计算：p00水气体h0. 煤气柜 防止气体外泄； 水封 例：如图所示，某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过10.7103Pa（表压），需在炉外装有安全液封，其作用是当炉内压强超过规定，气体就从液封管口排出，试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。解

14、：过液封管口作基准水平面o-o，在其上取1，2两点。压强炉内 1P3107 .10aPghPPa221PP ghPPaa3107 .10mh9 .103、液位的测定、液位的测定 远距离控制液位的方法远距离控制液位的方法： 压缩氮气自管口经调节阀通入，调节气体的流量使气流速度极小极小，只要在鼓泡观察室内看出有气泡缓慢逸出即可。 压差计读数R的大小，反映出贮罐内液面的高度 。 一、流量与流速一、流量与流速 1、流量、流量 单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。 若流量用体积来计量，称为体积流量VS；单位为：m3/s。 若流量用质量来计量，称为质量流量WS；单位：kg/s。 体积流量和质量流

15、量的关系是：SSVW 2、流速、流速 单位时间内流体在流动方向上流过的距离，称为流速u。单位为：m/s。数学表达式为： AVuS流量与流速的关系为： uAVSuAWS 质量流速：单位时间内流体流过管道单位面积的质量流量用G表示，单位为kg/(m2.s)。 数学表达式为：AWGs 对于圆形管道，24dA24dVuSAVSuuVdS4管道直径的计算式管道直径的计算式生产实际中，管道直径应如何确定？生产实际中，管道直径应如何确定？二、定态流动与非定态流动二、定态流动与非定态流动流动系统定态流动流动系统中流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而改变，而不随时间而改变非定态流动 上述物理量不仅随位置

16、而且随时间 变化的流动。 三、连续性方程三、连续性方程在稳定流动系统中，对直径不同的管段做物料衡算衡算范围：取管内壁截面1-1与截面2-2间的管段。衡算基准：1s对于连续稳定系统： 21 SSWWuAWs222111AuAu如果把这一关系推广到管路系统的任一截面，有： 常数uAAuAuWS222111若流体为不可压缩流体 常数uAAuAuWVSS2211一维稳定流动的连续性方程一维稳定流动的连续性方程 对于圆形管道，22221144dudu21221dduu表明：当体积流量VS一定时，管内流体的流速与管道直径 的平方成反比。基础条件为：某小区居住人数为基础条件为：某小区居住人数为5530人，人，生活用水量为生活用水量为95m3/h，试设计合适的水管，试设计合适的水管并选型。并选型。已知甲醇水的二元体系，甲醇的质量分数为20%，混合液体密度为900kg/m