化工原理11、12 流体的重要性质及静力学方程课件

1、1复复 习习化工生产过程是由化工生产过程是由 一系列的一系列的_按一定的顺序所组成，在这按一定的顺序所组成，在这些单元中，有的主要是些单元中，有的主要是_作用作用, ,有的主要是有的主要是_变化。主变化。主要是要是_或或_的单元可归纳为传递过程。的单元可归纳为传递过程。化学工程中的传递过程包括化学工程中的传递过程包括_、_和和_。单元单元物理物理化学化学物理作用物理作用物理化学作用物理化学作用动量传递动量传递热量传递热量传递质量传递质量传递2教学目的：教学目的：重点难点：重点难点：课课 型：型： 第一章第一章 流体流动过程流体流动过程1 1.1 .1 流体的重要性质流体的重要性质掌握流体有关的

2、物理性质掌握流体有关的物理性质流体的压强流体的压强理论知识课理论知识课流体的流速和流量流体的流速和流量流体的粘度流体的粘度3流体的流动和输送在化工生产中占有非常重要的流体的流动和输送在化工生产中占有非常重要的地位地位,是必不可少的单元操作之一是必不可少的单元操作之一.4第一章第一章 流体流动流体流动流体流体(fluid)没有固定形状,能够自由流动liquidgasfluid 流体力学流体力学( (fluid mechanics)fluid mechanics)流体静力学流体静力学( (hydrostatic)hydrostatic)流体动力学流体动力学( (hydrodynamichydrod

3、ynamic) )动量传递过程动量传递过程momentum transfer process不可压缩流体 可压缩流体 体积压缩系数 5可压缩流体0 的流体为可压缩流体气体在一般情况下是可压缩流体不可压缩流体=0 的流体为不可压缩流体大多数液体可视为不可压缩流体。 值越大，流体越容易被压缩。6密度密度( (density)density): :是指单位体积物料所具有的质量是指单位体积物料所具有的质量, ,单位单位3mkgVm液体混合物密度的计算：液体混合物密度的计算：以1kg混合物为基准nnBBAAmV.1混合物中各组分的质量分率混合物中各组分的质量分率液体混合物中各组分的密度液体混合物中各组分

4、的密度NoteNote: 忽略体积效应忽略体积效应1 1.1 .1 流体的重要性质流体的重要性质注注: 流体的密度是流体的密度是温度温度和和压力压力的函数的函数7气体混合物密度的计算：气体混合物密度的计算： 当p不太高,T不太低时,可按理想气体处理RTpMmmMm气体平均分子量，nnBBAAmyMyMyMM.或或: :nnm2111由于各组分在混合前后质量不变，以1m3混合气体为基准 气体混合物中各组分的体积分率。 n21,在气体混合物的压力下各纯组分的密度，kg/m3。 n21,8比体积比体积( (specific volume)specific volume): :是指单位质量物料所具有的

5、体是指单位质量物料所具有的体积。积。mV113kgm9压强压强( (pressure):):物体单位面积上所受到的流体物体单位面积上所受到的流体垂直垂直作用力。作用力。压强的单位：压强的单位：国际单位制国际单位制 Pa物理学物理学(cgs制制) atm、mmHg、mH2O等。工程单位制工程单位制 千克(力)/厘米2(kgfcm-2)工程大气压（at）工程技术上习用工程技术上习用:8:8公斤蒸汽，是指公斤蒸汽，是指8 8 kgfkgfcmcm-2-2( (表压表压) )的饱和蒸汽；的饱和蒸汽； 反应釜有反应釜有5 5公斤压强，指公斤压强，指5 5 kgfkgfcmcm-2-2( (表压表压) )

6、的压强。的压强。压强的单位换算压强的单位换算:1atm=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgfcm-21mmHg=0.133kPa 1mH2O=9.81kPa1kgfcm-2=98.1kPa 1bar=100kPa液柱10以液柱表示压强：AhPaghAghAAmgAFpgPhm液柱液柱NoteNote：h即为该流体在压力p作用下能上升的高度；同一p值,因不同流体的密度不同,其h值也不同， 用液柱高度表示流体的压力时，必须注明是何种流体何种流体，必要时还应注明温度以确定流体的密度。ghghpBBAA11压强的基准压强的基准绝对压绝对压( (absolute pre

7、ssure):absolute pressure):以绝对零压为起点的压强称为绝对压强。以绝对零压为起点的压强称为绝对压强。表压表压( (super atmospheric pressure):super atmospheric pressure):以当时当地大气压为起点的压强。以当时当地大气压为起点的压强。真空度真空度( (degree of vacuum)degree of vacuum)：低于当时当地大气压的这部分压强。低于当时当地大气压的这部分压强。绝对零压线当时当地大气压(1.0 atm)p1(1200mmHg)绝对压绝对压表压表压绝对压绝对压真空度真空度p2(500mmHg)绝对压

8、绝对压= =当时大气压当时大气压+ +表压表压= =当时大气压当时大气压真空度真空度12体积流量体积流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的体积，：单位时间内通过导管任一横截面的流体的体积， 称为体积流量，称为体积流量， q v 流量流量(flow,flux)体积流量体积流量(volume flow rate)质量流量质量流量(mass flow rate)质量流量质量流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的质量，单位时间内通过导管任一横截面的流体的质量， 称为质量流量，称为质量流量， q m（m3s-1）。（kgs-1）。q m = q v 摩尔流量摩尔流量:单位时间内通过导管任一横截面

9、的流体的物质的量，单位时间内通过导管任一横截面的流体的物质的量， 称为摩尔流量，称为摩尔流量，qn(mol.s-1) 摩尔流量摩尔流量(molar flow rate)13流流 速速 (velocity of flow) 点速度点速度(spot speed)：单位时间内流体质点在流动方向上通 过的距离，u r（mS-1） 平均流速平均流速(average flow rate)：u= q v /s（ms-1）= 4 q v / d 2 质量流速质量流速: 单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，单位时间内流体流经管路单位截面积的质量， kg.s-1.m-2usqm/14管径的计算管径的计算 q

10、V是由生产是由生产任务决定的任务决定的ud材料费用设备费用阻力能量消耗操作费用优化优化：两两者之和最者之和最小小uqdv415表表1-1 工业上管内流体常用的流速范围工业上管内流体常用的流速范围流动介质流速(ms-1)液体自然流动粘性流体（油类、硫酸等）一般液体0.11.00.51.00.5 2.5气体自然流动不大的压强下(鼓风机管路)压缩气体2 48 151525蒸汽常压和略高于常压的饱和蒸汽0.1 0.5MPa(表压)饱和水蒸汽15 2520 4016管径的计算管径的计算表表1-2 水管、煤气管的规格水管、煤气管的规格公称口径 Dg外径mm普通管壁厚mm加厚管壁厚mmmm英寸1015202

11、532401251503/811 1 561721.2526.7533.542.25481401652.252.752.753.253.253.54.54.52.753.253.5444.255.55.517maxuuRr 0u0r流动的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称流动的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的为流体的内摩擦力内摩擦力，它是，它是流体粘性的表现流体粘性的表现。流体流。流体流动时，必须克服粘性阻力而作功，从而造成能量损动时，必须克服粘性阻力而作功，从而造成能量损失。失。粘粘 度度( (viscosity)viscosity)18粘粘 度度( (viscosity)

12、viscosity)牛顿型流体的粘度牛顿型流体的粘度:粘度是流体内部摩擦力的表现内部摩擦力的表现，衡量流体粘性大小的物理量，是流体的重要物性参数之一。流体的粘流体的粘度越大，流体的流动性越小。度越大，流体的流动性越小。F(F(剪切力剪切力) )uu 0udyduAFy(牛顿粘性定律牛顿粘性定律) 作用于单位面积上的剪切力，称为剪应力。作用于单位面积上的剪切力，称为剪应力。 比例系数，即流体的比例系数，即流体的粘度粘度。主要通过实验测定。主要通过实验测定.速度梯度速度梯度19粘粘 度度( (viscosity)viscosity)粘度的单位：粘度的单位： 国际单位制： Pas物理学单位制：泊泊(

13、poise，p)或厘泊或厘泊(cp)1泊泊=0.1Pas液体的粘度液体的粘度: 受压力影响很小，随温度的升高而显著降低。受压力影响很小，随温度的升高而显著降低。气体的粘度：气体的粘度：随温度升高而增大，随压力升高而增加的很少。随温度升高而增大，随压力升高而增加的很少。NOTENOTE：粘度不仅与分子间的吸引力有关，还与分子热运动有关。工业上常常遇到各种流体的混合物，它们的粘度一般应用实验的方法测定其数值，或选用适当的经验公式进行估算。20运动粘度运动粘度(kinemetic viscosity): 流体的粘度与密度的比值流体的粘度与密度的比值)(/12sm在在CGS制中运动粘度的单位为制中运动

14、粘度的单位为 cm2.s-1 ，称为，称为 沲沲(stoke，st)1st=100cst=10-4 m2.s-1211 1.2 .2 流体静力学方程流体静力学方程 根据用液柱表示压强的方法，p=h g，则在静止静止液面下面深度h处的压强为：ghpp0（流体静力学方程）（流体静力学方程）在重力场中，静止流体内任一点的静压力的大小与液体的密度及在重力场中，静止流体内任一点的静压力的大小与液体的密度及该点的深度有关，与该点所在的水平位置及容器的形状无关。该点的深度有关，与该点所在的水平位置及容器的形状无关。在连续、静止的同一流体中，在同一水平面上，流体的静压力在连续、静止的同一流体中，在同一水平面上

15、，流体的静压力相等，这样的水平面称为相等，这样的水平面称为等压面等压面。0ABCDghpghppBA0hBApp DCpp？液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部, ,此规律即物理此规律即物理学中的学中的巴斯噶原理巴斯噶原理. .22练练 习习水水水Q Q1 1:A:A1 1、A A2 2、A A3 3的压力是否相同？的压力是否相同？ 他们的大小顺序如何？他们的大小顺序如何？A1A2A3B1B2B3Q Q2 2:B:B1 1、B B2 2、B B3 3的压力是否相同？的压力是否相同？C1C2C3Q Q3 3: :C C1 1、C C2 2、C C3

16、 3的压力是否相同？的压力是否相同？Q Q4 4: :D D1 1、D D2 2、D D3 3的压力是否相同？的压力是否相同？D1D2D3A: A3A2A1A: B3B2C2=C3A: D1=D2=D323练练 习习离H0为0.5m，油的密度0为800 kgm-3 ，水的密度为1000 kgm-3。如果要求油水分界面位于观察孔中心，则倒U型管顶部至观察孔中心的垂直距离H应为多少？设液体在器内的流动缓慢，可按静力学处理。而且油水易于分层，没有乳化界面。H0H溢流混合物水水油和水的混合物在分离器内利用密度差异进行分离。油由上部的侧管溢流排走，水由底部的倒U型管排出。倒U型管顶部有平衡管与分离器顶部

17、连通，使两处压力相等。油面至观察孔中心的距gHgH0024练练 习习乙炔发生器装有水封管乙炔发生器装有水封管, ,当器内压力过大时通过水封排气至安当器内压力过大时通过水封排气至安全处。要控制发生器内压力不超过全处。要控制发生器内压力不超过1212kPakPa（表压）。求水封管表压）。求水封管应插入水的深度应插入水的深度H H。乙乙炔炔发发生生器器H4102 . 1 gHp25流体压强或压流体压强或压强差的测量强差的测量流体静力学方程的应用流体静力学方程的应用 i RA BP1P22612()ABppgR应用流体静力学原理的压强计应用流体静力学原理的压强计U U型管压强计型管压强计Z1选取等压面

18、选取等压面a、a：所选指示剂与所测流体不互溶，且AB当测量系统某一点的压强时,U型关压强计一端连通大气,一端接测压点,测得的是表压或真空度表压或真空度.想一想想一想: :如何提高测量的灵敏度如何提高测量的灵敏度? ?NoteNote:1()aBppg mR2aBAppgmgR 12()BBApg m RpgmgR27微差压力计微差压力计 i i,p2p1RRgpppii)(12两种密度不同且不互溶而有明显界面的指示液NOTENOTE: 两种指示液的密度相差越小两种指示液的密度相差越小, ,测量的测量的 灵敏度越高灵敏度越高. .双液双液U管微压力计管微压力计28机械式压强表机械式压强表弹簧管压力表弹簧管压力表(spring manometer)测量较高压力 将被测压力转换成弹性元件变形的位移29二、流体静力学方程的应用二、流体静力学方程的应用液位计液位计(tank gauge):30流体静力学方程的应用流体静力学方程的应用液封液封( (水封水封) )( (water lute,water seal,liquid seal):water lute,wa