化工原理 1-1.ppt

1、1-0 概述,第一节 流体静力学,1-1-1 密度,1-1-2 压力,1-1-3 流体静力学平衡方程,P79(4)(5)(9),作业(在此点击),一、 学习本章的意义：,1 流体存在的广泛性。在化工厂中，管道和设备中绝大多数物质都是流体 （包括气体、液体或气液混合物）。只是到最后，有些产品才是固体。,2 通过研究流体流动规律，可以正确设计管路和合理选择泵、 压缩机、风机等流体输送设备，并且计算其所需的功率。,3 流体流动是化工原理各种单元操作的基础，对强化传热、传质具有重要的实践意义。因为热量传递，质量传递，以及化学反应都在流动状态下进行，与流体流动密切相关。,所以大家要认真学习这一章，充分打

2、好基础。,二 、 流体流动的研究范畴,1、 流体的定义：,（具有流动性的）液体和气体统称为流体。,2 、连续性介质假定：,在化工生产过程中，我们对流体流动规律的研究感兴趣的并非是单个分子的微观运动，而是流体宏观的机械运动。所以我们不取单个分子作为考察对象，而取比分子平均自由程大得多，比设备尺寸小得多的这样一个流体质点作为最小考察对象，质点是由大量分子组成的微团，它可以代表流体的性质。流体可以看成是由大量微团组成的，质点间无空隙，而是充满所占空间的连续介质，从而可以使用连续函数的数学工具对流体的性质加以描述。,返回,第一节 流体静力学 流体静力学主要研究流体处于静止时各种物理量的变化规律。 1-

3、1-1 密度,一、密度 1、定义:,单位体积流体的质量称为密度.,2、公式:, =m/V 注,二、液体密度,三、气体密度,一般液体可视为不可压缩性流体，其密度基本上不随压力变化，但随温度变化，变化关系可从手册中查得。, =PM/RT 注,四、混合物密度 1、液体混合物密度,1/ m =w1/ 1+w2/ 2+wn/ n 注,2、气体混合物密度,m =PMm/RT 注,返回, -流体的密度，kg/m3； m -流体的质量，kg； V -流体的体积，m3。 一般=f（p，T），但在研究流体流动时，若压力与温度变化不大时，则可认为液体的密度为常数。密度为常数的流体称为不可压缩流体。 严格说来，真实流

4、体都是可压缩流体,不可压缩流体只是在研究流体流动时，对于密度变化较小的真实流体的一种简化。本章中如不加说明均指不可压缩流体。,返回,P- 气体的绝对压强，Pa或N/m2； M - 气体的摩尔质量，kg/mol； T - 气体的绝对温度，K； R - 气体常数，8.314 J/(mol K)。 一般来说气体是可压缩的，称为可压缩流体。但是，在压力和温度变化率很小的情况下，也可将气体当作不可压缩流体来处理。 当气体的压力不太高，温度又不太低时，可近似按理想气体状态方程来计算密度。 因为 PV=nRT=（m/M）RT 所以=m/V=PM/RT,返回,式中 1、2n- 液体混合物中各纯组分的密度， k

5、g/m3 ； w1、w2.wn- 液体混合物中各组分的质量分数。 【例1-1】 已知硫酸与水的密度分别为1830kg/m3与998kg/m3，试求含硫酸为60%（质量）的硫酸水溶液的密度为若干。,解：根据上式： 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-为气体混合物中各组分的摩尔分率。 对于理想气体，其摩尔分率y与体积 分数相同。 【例1-2】 已知干空气的组成为：O221%、N278%和Ar1%（均为体积%），试求干

6、空气在压力为9.81104Pa及温度为100时的密度。,解：首先将摄氏度换算成开尔文, 100=273+100=373k,再求干空气的平均摩尔质量:Mm=320.21+280.78+39.90.01 =28.96 g/mol 根据上式，气体的平均密度为： m =PMm/RT = 9.8110 28.96/（8.314 373）=0.916 kg/m3,返回,1-1-2 压力,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，又称为压力。在静止流体中，作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。,一、压力的单位,1）按压力的定义，其单位为N/m2，或Pa；2） 以流体柱高度表示，如用米水柱或毫米汞

7、柱等。标准大气压的换算关系 1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O,二、压力的表示方法,1）表压 = 绝对压力 大气压力 2）真空度 = 大气压力 绝对压力 课堂练习：P79（3）,返回,一、静力学基本方程,p2=p0+ gh 推导,二、静力学基本方程的应用,压力及压差的测量 1）U型压差计,2)倒U形压差计 pA - pB = gR,3)双液体U管压差计,2.液位测量 生产中经常要了解容器里液体的贮存量或要控制液面，因此要进行液面测量。大多数的液面计均利用静力学的原理设计的。 1）玻璃管液面计,2）远距离控制液面计,3）液封高度的计算,返回,如图1所示，

8、从静止流体内部任意取一小方块流体，其底面积为A，将这小方块放大为图2；对其受力情况进行分析： 方向向上的压力：p2A 方向向下的压力：p1A 重力mg=gA（Z1-Z2）,流体静止时三力之和为零，所以 p2A=p1A +gA（Z1-Z2） 即 p2=p1+g（Z1-Z2），或p1/ + gZ1= p2/ + gZ2 当p1= p0时，h= Z1-Z2， 上式改为p2=p0+ gh 注:,1. 方程应用条件：静止，连续，同一流体。 2. 当p0一定时，静止流体中任一点的压力与流体密度和所处高度h有关，而与该点所在的水平位置及容器的形状无关。所以同一高度处静压力相等。 3. 当表面压强p0变化时，

9、内部压强p也发生同样大小的变化。 4. 由p=p0+gh可得： h=P表/g 这就是用流体高度表示压强单位的计量依据。 从公式可知，密度会有影响，因此必须注明流体的名称。 5.物理意义：静力学基本方程p1/ + gZ1= p2/ + gZ2反映了静止流体内部能量守恒与转换的关系，在同一静止流体中，处在不同位置的位能和静压能各不相同，二者可以相互转换，但两项能量总和恒为常量。,返回,如图3:位于同一水平面1，2两点的压强相等，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) 水平放置时（h1 = h2 pA - pB = (i-)gR 若被测流体是气体， 可简化为 pA - pB = igR U形压差计也可测量流体的压力， 测量时将U形管一端与被测点连接， 另一端与大气相通，此时测得的是流体的表压或 真空度。 注,动画,同样的压差，用U型压差计测量的读数R与密度差（i-）有关，故应妥善选择指示液的密度i，使读数R在适宜的范围内。 【例1-3 】 本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1=0.7m、密度1=800kg/m3，水层高度h2=0.6m、 密度2=1000kg/m3。 （1）

11、判断下列两关系是否成立， 即pA=pA ， pB=pB （2）计算水在玻璃管内的高度h。,解：（1）判断：pA=pA的关系成立。因A与A两点在静止的连通着的同一流体内，并在同一水平面上。所以截面A-A称为等压面。pB=pB的关系不能成立。因B及B两点虽在静止流体的同一水平面上，但不是连通着的同一种流体，即截面B-B不是等压面。 （2）计算玻璃管内水的高度h 由上面讨论知，pA=pA， 而 pA=pa+1gh1+2gh2 ， pA=pa+2gh 于是 pa+1gh1+2gh2=pa+2gh 将已知值代入，得 8000.7+10000.6=1000h，解之得 h=1.16m,返回,若所测量的压强差

12、很小，U型压差计的读数R也就很小，有时难以准确读出R值。为把读数R放大，除了在选用指示液时，尽可能使其密度与被测流体的密度相接近外，还可采用如图4所示的微差压差计，其特点是： （1）压差计内装有两种密度相接近且不互溶的指示液A和C，而指示液C与被测流体B亦不互溶。 （2）为了读数方便，U形管的两侧臂顶端装有扩大室。扩大室内 径与U形管内径之比应大于10。这样 ，扩大室的截面积比U形管的截面积 大很多，即使U形管内指示液A的液 面差R很大，两扩大室内的指示液C 的液面变化仍很微小，可以认为维 持等高。于是压强差p1-p2便可用下 式计算，即 p1-p2 = （A - B）gR 注,上式的（A -

13、 B）是两种指示液的密度差，不是指示液与被测流体的密度差。 扩大室的内径与U形管内径之比应大于10。这样，扩大室的截面积比U形管的截面积大很多，即使U形管内指示液A的液面差R很大，两扩大室内的指示液C的液面变化仍很微小，可以认为维持等高。,返回,这种液面计是在容器底部器壁及液面器壁处各开一个小孔，两孔间用短管，管件及玻璃管相连。玻璃管内液面高度即为容器内的液面高度。玻璃管液面计由于结构简单使用比较普遍，但有易于破损，不便远处观测等缺点。,返回,若容器离操作点较远或埋在地下，要测量其液位可采用如图5所示的装置。控制调节阀使压缩空气（若容器内液体为易燃易爆液体则用压缩氮气）缓慢地鼓泡通过观察瓶通入容器。通气管距容器底面为h。因通气管内压缩空气流速很小，可以认为在容器内通气管出口1 - 1面的压强与通气管上的U型压差计2 - 2面的压强相等，即p1 = p2，而 p1 = pa +gH , p2 = pa +igR 由于pa为大气压强，则 H= iR/ ,返回,在化工生产中常遇到设备的液封问题。例如，乙炔发生炉需维持一定压强，炉外装有安全液封等。设备内操作条件不同，采用液封的目的也就不同，但其液封的高度则