《化工原理》全冊配套完整教學課件

1、化工原理化工原理全冊配套全冊配套完整教學課件完整教學課件2化工原理化工原理3緒緒 論論一、本課程的研究對象、內容及任務一、本課程的研究對象、內容及任務二、研究本學科的基本方法二、研究本學科的基本方法三、研究單元過程的基本工具三、研究單元過程的基本工具四、單位制及單位換算四、單位制及單位換算4原料原料 （1）預處理預處理 化工過程化工過程：有目的的使原料經過一系列的化學或物有目的的使原料經過一系列的化學或物理變化，以獲得產品的工業(yè)過程，也稱為化工生產理變化，以獲得產品的工業(yè)過程，也稱為化工生產過程。過程。 （2） 反反 應應 （3）后處理后處理產品產品圖圖1-1 基本化工生產過程基本化工生產過程

2、一、本課程的研究對象、內容及任務一、本課程的研究對象、內容及任務1 1 研究對象研究對象例如：例如：甲醇的生產甲醇的生產：可見，一個化工過程往往包含幾個或幾十個加工過程?？梢姡粋€化工過程往往包含幾個或幾十個加工過程。苯的生產苯的生產：原料油（甲苯、二甲苯）、原料油（甲苯、二甲苯）、H H2 2輸送輸送加熱加熱反應器反應器減壓蒸減壓蒸餾塔餾塔精餾精餾苯（苯（99.99299.99299.999%）合成氣（合成氣（CO，H2，CO2）輸送輸送反應器反應器粗甲醇粗甲醇冷卻冷卻精精餾餾精甲醇（精甲醇（99.8599.95%） 主：主：CO+2H2 CH3OH（g）+Q+Q 副：副： CO2+3H2

3、CH3OH（g）+H2O（g） 2CO+4H2 （CH3）2O+H2O CO+3H2 CH4+H2O 4CO+8H2 C4H9OH+3H2O CO2+H2 CO+H2O6化工生產過程化工生產過程化學反應過程化學反應過程物理處理過程物理處理過程 化工生產的核心化工生產的核心 原料的預處理原料的預處理 產品的加工產品的加工（單元操作）（單元操作） 化學反應和若干個單元操作串聯(lián)而成 單元操作單元操作 工藝過程中遵循相同的基本原理、只改變物工藝過程中遵循相同的基本原理、只改變物料狀態(tài)或物理性質，不改變物料化學性質的過程。料狀態(tài)或物理性質，不改變物料化學性質的過程。是組成工藝過程的基本單元。是組成工藝過

4、程的基本單元。7單元操作的特點單元操作的特點所有的單元操作都是物理性操作所有的單元操作都是物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或物理性質，并不改變化學性質。 單元操作是化工生產過程中共有的操作單元操作是化工生產過程中共有的操作，只是不同的化工生產中所包含的單元操作數(shù)目、名稱與排列順序不同。 單元操作作用于不同的化工過程時，基本原理基本原理相同，所用的設備也是通用的相同，所用的設備也是通用的。 8原油常壓蒸餾原理流程原油常壓蒸餾原理流程 9常減壓工藝流程常減壓工藝流程 原原 油油電脫鹽電脫鹽脫水脫水換熱換熱 加熱加熱 常常 壓壓 蒸蒸 餾餾冷凝冷凝冷卻冷卻 油水油水分離分離 水水 直餾汽油直餾汽油 煤油

5、煤油 輕柴油輕柴油 重柴油重柴油 重油重油 10柴油催化加氫工藝流程柴油催化加氫工藝流程柴油柴油加熱加熱 加氫反應加氫反應 油氣分離油氣分離 換熱換熱 氣體脫硫氣體脫硫 乙醇胺乙醇胺氣體壓縮氣體壓縮 氫氣氫氣吸收液吸收液 蒸餾蒸餾 柴油柴油 冷凝冷卻冷凝冷卻 含氫氣體含氫氣體 蒸餾蒸餾 液化氣液化氣 汽油汽油 循環(huán)氫循環(huán)氫11過程：單元操作的基本原理、計算方法過程：單元操作的基本原理、計算方法設備：設備的結構、操作、設計和選型等設備：設備的結構、操作、設計和選型等2.2.課程內容：課程內容：單元操作的分類：單元操作的分類：按理論基礎分類：按理論基礎分類：流體流動過程動量傳遞流體流動過程動量傳遞

6、傳熱過程熱量傳遞傳熱過程熱量傳遞傳質過程質量傳遞傳質過程質量傳遞12質量傳遞：由質量傳遞：由濃度濃度在時空中分布的不均勻性而引起質量在時空中分布的不均勻性而引起質量在時空中的傳遞過程。在時空中的傳遞過程。三傳三傳: :化工原理化工原理的共同規(guī)律和聯(lián)系的共同規(guī)律和聯(lián)系動量傳遞：由于動量傳遞：由于動量、密度動量、密度的空間分布不均而引起動量在的空間分布不均而引起動量在時空中的傳遞過程。時空中的傳遞過程。熱量傳遞：是由熱量傳遞：是由溫度溫度在空間的非均勻分布引起內能在時空在空間的非均勻分布引起內能在時空中的傳遞過程。中的傳遞過程。13緒論緒論物料的增壓、減壓和輸送：物料的增壓、減壓和輸送： 流體輸送

7、、氣體壓縮、固體流態(tài)化等流體輸送、氣體壓縮、固體流態(tài)化等物料的混合或分散：攪拌物料的混合或分散：攪拌物料的加熱或冷卻：物料的加熱或冷卻：非均相物系的分離：過濾、沉降、篩分等非均相物系的分離：過濾、沉降、篩分等均相物系的分離：吸收、蒸餾、萃取、吸附等均相物系的分離：吸收、蒸餾、萃取、吸附等單元操作按操作目的分類：單元操作按操作目的分類：14流體輸送流體輸送：流體通過管道的阻力損失，輸送設備：流體通過管道的阻力損失，輸送設備過濾：液固混合物的分離過濾：液固混合物的分離沉降：液固或氣固混合物的分離（重力、離心）沉降：液固或氣固混合物的分離（重力、離心）攪拌：液液或液固體系的混合攪拌：液液或液固體系的

8、混合顆粒流態(tài)化：強化氣（液）固兩相間的接觸顆粒流態(tài)化：強化氣（液）固兩相間的接觸氣力輸送：固體微粒的管道輸送氣力輸送：固體微粒的管道輸送加熱冷卻加熱冷卻：增加或降低特定物質的溫度：增加或降低特定物質的溫度蒸發(fā)：對含有固體溶質的溶液進行濃縮制取固體產品蒸發(fā)：對含有固體溶質的溶液進行濃縮制取固體產品蒸餾蒸餾：液體混合物的分離（組分揮發(fā)度的差異）：液體混合物的分離（組分揮發(fā)度的差異）吸收：氣體混合物的分離（組分在吸收液中的溶解度）吸收：氣體混合物的分離（組分在吸收液中的溶解度）吸附：氣體混合物的分離（組分在固體表面的吸附能力）吸附：氣體混合物的分離（組分在固體表面的吸附能力）萃?。簭囊后w混合物中分離

9、有用組分（濕法冶金）萃?。簭囊后w混合物中分離有用組分（濕法冶金）干燥：從固體產品中去除濕分干燥：從固體產品中去除濕分結晶：從液體混合物中得到純的固體產品結晶：從液體混合物中得到純的固體產品緒論緒論常見的單元操作過程：常見的單元操作過程：15單元操作單元操作 目的目的 物態(tài)物態(tài) 原理原理 傳遞過程傳遞過程流體輸送流體輸送 輸送輸送 液或氣液或氣 輸入機械能輸入機械能 動量傳遞動量傳遞 攪拌攪拌 混合或分離混合或分離 氣氣- -液液 輸入機械能輸入機械能 動量傳遞動量傳遞 液液- -液液, ,固固- -液液 過濾過濾 非均相混合物分離非均相混合物分離 氣氣- -固固, ,固固- -液液 尺度不同的

10、截留尺度不同的截留 動量傳遞動量傳遞 沉降沉降 非均相混合物分離非均相混合物分離 氣氣- -固固, ,固固- -液液 密度差引起的密度差引起的 動量傳遞動量傳遞 沉降運動沉降運動加熱加熱, ,冷卻冷卻 升溫升溫, ,降溫降溫, ,改變改變 氣或液氣或液 利用溫差傳入利用溫差傳入 熱量傳遞熱量傳遞 相態(tài)相態(tài) 或移出熱量或移出熱量 蒸發(fā)蒸發(fā) 溶劑與不揮發(fā)性溶劑與不揮發(fā)性 液液 供熱汽化溶劑供熱汽化溶劑 熱量傳遞熱量傳遞 溶質的分離溶質的分離表表1-1 1-1 單元操作單元操作16續(xù)表續(xù)表1-1 1-1 單元操作單元操作173.3.工程學和工程觀念工程學和工程觀念 凡是研究如何有效地將原料變?yōu)楣I(yè)產

11、品凡是研究如何有效地將原料變?yōu)楣I(yè)產品的學科統(tǒng)稱的學科統(tǒng)稱工程學。工程學。工程觀念工程觀念理論上的正確性理論上的正確性技術上的可行性技術上的可行性操作上的安全性操作上的安全性經濟上的合理性經濟上的合理性1822332(92.12)NHNHQkJ【例例1 1】 850-900、450MPa，NH3合成率為合成率為97% 理論上，高壓、低溫有利于理論上，高壓、低溫有利于NH3合成合成。 700-800、200MPa，反應速率急劇下降，反應速率急劇下降技術性？技術性？安全性？安全性？經濟合理經濟合理性？性？ 最優(yōu)條件：最優(yōu)條件： 450-550、20-30MPa，使用，使用催化劑鐵（含少量氧化鋁、氧

12、化鉀）催化劑鐵（含少量氧化鋁、氧化鉀）19二、研究本學科的基本方法二、研究本學科的基本方法1.1.實驗研究方法（經驗的方法）實驗研究方法（經驗的方法） 依靠實驗來確定過程變量之間的關系，得到經驗公式，依靠實驗來確定過程變量之間的關系，得到經驗公式，理論基礎為因次分析法和相似論。理論基礎為因次分析法和相似論。 避免了復雜的數(shù)學描述，但應用范圍受限。避免了復雜的數(shù)學描述，但應用范圍受限。2.2.數(shù)學模型法（半經驗半理論的方法）數(shù)學模型法（半經驗半理論的方法）保證主要部分準確的基礎上進行合理簡化保證主要部分準確的基礎上進行合理簡化建立數(shù)學模型建立數(shù)學模型實驗測定系數(shù)或指數(shù)實驗測定系數(shù)或指數(shù)應用范圍廣

13、，一定程度應用范圍廣，一定程度上反應了過程本質上反應了過程本質20三、研究單元過程的基本工具三、研究單元過程的基本工具1.1.物料衡算物料衡算理論基礎：物質守恒定律理論基礎：物質守恒定律在一個單元過程中，進入的物料量等于排出的物料量與在一個單元過程中，進入的物料量等于排出的物料量與積累的物料量之和。積累的物料量之和。aoutinmmm例子：一水箱容積為例子：一水箱容積為8m8m3 3，進水管每，進水管每小時注入小時注入5m5m3 3 水，排水管每小時排出水，排水管每小時排出3m3m3 3水，問何時可以將水箱注滿。水，問何時可以將水箱注滿。5m5m3 3/h/h8m8m3 33m3m3 3/h/

14、h21精餾塔精餾塔原料液原料液含乙醇含乙醇510噸噸/時時乙醇產品乙醇產品含乙醇含乙醇95含乙醇含乙醇0.1 廢水廢水每小時有每小時有10 噸噸 5 的乙醇水溶液進入精餾塔，塔頂餾的乙醇水溶液進入精餾塔，塔頂餾出的產品中含乙醇出的產品中含乙醇 95，塔底排出的廢水中含乙醇，塔底排出的廢水中含乙醇 0.1。求每小時可得產品多少噸？若廢水全部排放，。求每小時可得產品多少噸？若廢水全部排放，每年（按操作每年（按操作 7200小時小時 計）損失的乙醇多少噸？計）損失的乙醇多少噸？解：解：已知：已知：原料液流量及其中乙醇含量原料液流量及其中乙醇含量產品和廢水中乙醇含量產品和廢水中乙醇含量 求：求：產品和

15、廢水流量產品和廢水流量分析：分析：兩個未知量，需列出兩個物料衡兩個未知量，需列出兩個物料衡算方程求解！算方程求解！精餾塔精餾塔原料液原料液含乙醇含乙醇510噸噸/時時乙醇產品乙醇產品含乙醇含乙醇95含乙醇含乙醇0.1 廢水廢水【例例2 2】22確定：確定：衡算范圍：衡算范圍：包含精餾塔在內的虛線框衡算對象：衡算對象：a. 物流的流量 b. 物流中乙醇的量衡算基準：衡算基準：單位時間：小時設：產品流量為 X 噸/時、廢水流量為 Y 噸/時。由物料衡算式：M入入 M出出對物流的量進行衡算：10 X + Y (1)對乙醇的量進行衡算：10 5 X 95 + Y 0.1 (2)X 0.516 噸/時

16、Y 9.484 噸/時 每年損失乙醇：9.484 0.1 7200 68.28 噸/年23【例例3 3】濃縮濃縮NaOHNaOH水溶液的流程如圖，水溶液的流程如圖，F(xiàn) F、G G、E E 皆為皆為NaOHNaOH水溶水溶液的質量流量，液的質量流量，x x 表示溶液中含表示溶液中含NaOHNaOH的質量分數(shù)，的質量分數(shù)，W W 表示表示各蒸發(fā)器產生水蒸汽的質量流量。各蒸發(fā)器產生水蒸汽的質量流量。試根據(jù)圖示的各已知量，計算試根據(jù)圖示的各已知量，計算W W1 1、W W2 2、G G、E E 之值。之值。A AB B24說明：說明：穩(wěn)定過程穩(wěn)定過程：物料積累量等于：物料積累量等于0 0； outin

17、mm不穩(wěn)定過程不穩(wěn)定過程：物料積累量不等于：物料積累量不等于0 0； aoutinmmm可列總物平，也可列任意組分物平可列總物平，也可列任意組分物平；必須確定衡算范圍，明確衡算對象，選定計算基必須確定衡算范圍，明確衡算對象，選定計算基準準（單位時間或單位質量物料）。（單位時間或單位質量物料）。單位時間：單位時間： dtdmmmoutin25能量衡算：能量衡算：理論基礎：能量守恒定律理論基礎：能量守恒定律通式：輸入能量輸出能量能量積累通式：輸入能量輸出能量能量積累輸入：物料帶入、外界傳入的熱量輸入：物料帶入、外界傳入的熱量輸出：物料帶出、對外界作功輸出：物料帶出、對外界作功連續(xù)、穩(wěn)定的過程：輸入

18、輸出連續(xù)、穩(wěn)定的過程：輸入輸出機械能機械能熱能熱能26說明：說明：只能進行總物料的能量平衡計算只能進行總物料的能量平衡計算；要確定衡算范圍，明確衡算對象，選定要確定衡算范圍，明確衡算對象，選定計算基準（單位時間或單位質量、單位體計算基準（單位時間或單位質量、單位體積物料）；積物料）；計算之前要規(guī)定焓值及位能的計算基準計算之前要規(guī)定焓值及位能的計算基準。27在一列管式熱交換器中用壓強為在一列管式熱交換器中用壓強為 136 kPa 的飽和蒸汽的飽和蒸汽加熱加熱 298 K 的冷空氣，蒸汽的流量為的冷空氣，蒸汽的流量為 0.01 kg/s，空氣，空氣的流量為的流量為 1 kg/s。冷凝水在飽和溫度。

19、冷凝水在飽和溫度 381 K下排出。下排出。若取空氣的平均比熱為若取空氣的平均比熱為 1.005 kJ/(kgK)，試計算空氣，試計算空氣的出口溫度（熱損失忽略不計）。的出口溫度（熱損失忽略不計）。解：解：熱空氣熱空氣 T冷空氣冷空氣298 K1 kg/s加熱蒸汽加熱蒸汽 381K 冷凝水冷凝水熱交換器熱交換器381 K0.01 kg/s分析：分析：該題只有一個未知變量，只需列一個熱量衡算方程即可求解。關鍵問題是確定熱量衡算的基準！【例例4 4】28熱量衡算基準：熱量衡算基準：數(shù)量基準：數(shù)量基準： 以單位時間內物流量為基準以單位時間內物流量為基準溫度基準：溫度基準：以進口冷空氣的溫度為基準：以

20、進口冷空氣的溫度為基準：298Kw冷空氣H冷空氣w蒸汽H蒸汽 w冷空氣H熱空氣w蒸汽H冷凝水加熱蒸汽：加熱蒸汽： 0.01 kg/s ； 冷空氣：冷空氣： 1 kg/s 取取 H冷空氣冷空氣 0由熱量衡算式 得： 進入系統(tǒng)熱量 離開系統(tǒng)熱量整理得：w蒸汽 ( H蒸汽 H冷凝水 ) w冷空氣 ( H熱空氣 H冷空氣)29 查飽和水蒸汽表，得到 136 kPa、381K 條件下的物性數(shù)據(jù)：H蒸汽 2690 kJ/kg H冷凝水 452.9 kJ/kg H冷空氣 0 H熱空氣 Cp t = Cp (T-298)0.01 ( 2690- 452.9 ) 1 1.005 (T-298) T = 320.

21、3 K將數(shù)據(jù)代入上式得：303.3.系統(tǒng)的平衡關系：系統(tǒng)的平衡關系：兩大平衡：相平衡與化學平衡兩大平衡：相平衡與化學平衡任何過程都是由不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)進行任何過程都是由不平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)進行平衡態(tài)：自然過程所能達到的極限程度，平衡態(tài)：自然過程所能達到的極限程度，用用來判斷過程進行的方向及限度來判斷過程進行的方向及限度。動態(tài)平衡動態(tài)平衡如傳熱過程、密閉容器中的乙醇水混合溶如傳熱過程、密閉容器中的乙醇水混合溶 液、用水吸收含氨的混合空氣等液、用水吸收含氨的混合空氣等314.4.過程速率：過程速率：過程阻力過程阻力過程推動力過程推動力過程速率過程速率 過程推動力：系統(tǒng)與平衡態(tài)相差的程度；過程推

22、動力：系統(tǒng)與平衡態(tài)相差的程度； 相差程度越大，推動力越大；相差程度越大，推動力越大； 當過程達到平衡時，推動力為當過程達到平衡時，推動力為0 0。過程阻力：比較復雜，影響因素很多。過程阻力：比較復雜，影響因素很多。過程平衡關系是過程設備尺寸設計計算的理論依據(jù)；過程平衡關系是過程設備尺寸設計計算的理論依據(jù)；過程速率是計算設備尺寸的基本工具。過程速率是計算設備尺寸的基本工具。緒論緒論32四、單位制及單位換算四、單位制及單位換算1.1.單位與單位制：單位與單位制：計量中計數(shù)單元所規(guī)定的基本量計量中計數(shù)單元所規(guī)定的基本量壓力壓力p=100kPap=100kPa數(shù)值數(shù)值單位單位單位單位基本單位基本量基本

23、單位基本量導出單位導出量導出單位導出量物理量物理量= =數(shù)字數(shù)字單位單位單位單位= =物理量數(shù)字物理量數(shù)字單位：單位：33緒論緒論基本單位與導出單位的總和?；締挝慌c導出單位的總和。常用單位制：國際單位制（常用單位制：國際單位制（SISI）、工程單位制、物理）、工程單位制、物理單位制、英制單位制、英制單位制：單位制：絕對單位制：絕對單位制：物理單位制，科學手冊和數(shù)據(jù)手冊中常用物理單位制，科學手冊和數(shù)據(jù)手冊中常用CGS CGS 制：長度制：長度cmcm，質量，質量g g，時間，時間s s；MKS MKS 制：制：m m，kgkg，s s34質量質量時間時間溫度溫度長度長度物質的量物質的量電流強度

24、電流強度發(fā)光強度發(fā)光強度千克千克kgkg秒秒s s開爾文開爾文K K米米m m摩爾摩爾molmol安培安培A A坎德拉坎德拉candelacandela基本單位基本單位: :工程單位制：工程單位制：基本單位：長度基本單位：長度m m，力，力kgfkgf，時間，時間s s國際單位制：國際單位制：SISI制制 在1960年10月的第11屆國際計量大會上通過了一種新的單位制度，稱為國際單位制度，代號為 “SI”，也稱為 SI單位制。SI 單位制是目前國際上最先進的一種單位制，被許多國家廣泛使用。我國的法定計量單位也是以 SI單位制為基礎的。352.2.單位換算單位換算: :K Kkgkgs sm m

25、國際國際單位制單位制kgfkgf重量重量（F)F)s sm m米制米制工程工程單位制單位制kgkgs sm mmksmks制制g gs scmcmCgsCgs制制物理物理單位制單位制溫度溫度（T T）質量質量（M M）時間時間（t)t)長度長度（L)L) 基本物理基本物理單位制單位制其中：其中：1m=100cm1m=100cm，1kg=1000g1kg=1000g，t t=1K=1=1K=136 一管路內空氣的流量為一管路內空氣的流量為3600m3/h，將此流量用國際單位制，將此流量用國際單位制表示。表示。 一設備內部壓強為一設備內部壓強為1kgf/cm2，試用國際單位制表示。，試用國際單位制

26、表示。smsmhmV/13600/3600/3600333PamNcmkgf424-210807. 910/807. 91/1【例例5 5】【例例6 6】37 通用氣體常數(shù) R82.06 atmcm3/(molK)，將其換算成國際單位：kJ/(kmolK) 表示。解：解：K)kJ/(kmol8.314K)m/(kmolN8314K1kmol001. 01)m01. 0(mN10013. 106.82Kmolcmatm82.06R3253【例例7 7】38本節(jié)思考題本節(jié)思考題1.1.本課程的研究對象是什么？本課程的研究對象是什么？2.2.什么是單元操作？什么是單元操作？3.3.物料衡算和能量衡算

27、的基本原理是什么？物料衡算和能量衡算的基本原理是什么？4.4.什么是單位制？目前最常用的是什么單位制？什么是單位制？目前最常用的是什么單位制？5.5.試寫出幾種典型的單元操作過程。試寫出幾種典型的單元操作過程。39課本課本P8 1P8 1、3 3、4 4作業(yè)作業(yè)40課前練習l1.1.按定義寫出下列物理量的按定義寫出下列物理量的SISI單位與工程單位與工程單位單位 密度密度- -單位體積的質量單位體積的質量 功率功率- -單位時間所做的功單位時間所做的功 重度重度- -單位體積的流體所具有的重量單位體積的流體所具有的重量l2.2.將下列單位換算為將下列單位換算為SISI單位單位 =71dyn/c

28、m=71dyn/cm =0.008g/cm=0.008g/cms s k kG G=1.6kmol/m=1.6kmol/m2 2h h W=J/skgfs2/m4kgfm/skg/m3N/m3kgf/m30.071N/m0.0008kg/ms0.444mol/m2s41第1章 流體流動42第1章 流體流動1.1 1.1 流體及其主要物理性質流體及其主要物理性質1.2 1.2 流體靜力學流體靜力學1.3 1.3 流體動力學流體動力學1.4 1.4 流體在管內的流動阻力流體在管內的流動阻力1.5 1.5 管路計算管路計算1.6 1.6 流量測量流量測量431.1 1.1 流體及其主要物理性質流體及

29、其主要物理性質1.1.1 1.1.1 流體及其特點流體及其特點1.1.2 1.1.2 連續(xù)介質假定連續(xù)介質假定1.1.3 1.1.3 流體的物理性質流體的物理性質44流體流體：氣體和液體統(tǒng)稱為流體。氣體和液體統(tǒng)稱為流體。1.1.1 1.1.1 流體及其特點流體及其特點特點：特點：a. 流動性；流動性； b. 無固定形狀無固定形狀; c. 在外力作用下，其內部質點會發(fā)生在外力作用下，其內部質點會發(fā)生 相對運動相對運動.分類：分類：液體：不可壓縮性流體液體：不可壓縮性流體 氣體：可壓縮性流體，氣體：可壓縮性流體，(P(P1 1-P-P2 2)/P)/P1 120%20%時可視為不可壓縮性流體時可視

30、為不可壓縮性流體451.1.2 連續(xù)介質假定1.1.流體是由無數(shù)個分子集團所組成的連續(xù)介質，每個流體是由無數(shù)個分子集團所組成的連續(xù)介質，每個 分子集團稱為質點；分子集團稱為質點；2.2.質點大小遠小于容器或管道的尺寸；質點大小遠小于容器或管道的尺寸；3.3.流體質點間沒有空隙，流體充滿其所占據(jù)的空間。流體質點間沒有空隙，流體充滿其所占據(jù)的空間。注：該假定對絕大多數(shù)流體都適用。但是當流動體系注：該假定對絕大多數(shù)流體都適用。但是當流動體系的特征尺度與分子平均自由程相當時，連續(xù)介質的特征尺度與分子平均自由程相當時，連續(xù)介質假定不再適用，例如高真空稀薄氣體的流動。假定不再適用，例如高真空稀薄氣體的流動

31、。 目的目的：從：從宏觀宏觀角度研究流體流動規(guī)律角度研究流體流動規(guī)律。假定：假定：461.1.3 流體的物理性質1.1.密度：單位體積流體所具有的質量。密度：單位體積流體所具有的質量。 =m/V=m/V， kg/mkg/m3 3 均質流體：均質流體： =f(T=f(T，P)P)液體：液體： f(T) f(T) V Vnnwwwmxxx,22,11 ,.1混合物：取混合物：取1kg1kg混合液為基準，設混合液為基準，設x xw,iw,i為為i i 組分的組分的質量分率，則：質量分率，則：47氣體：氣體： =f(T=f(T，P)P)理想氣體：理想氣體：或者：或者：000TPPT標態(tài)下：標態(tài)下：0

32、0 = =M M/22.4/22.4 ，T T0 0 =273.15K=273.15K，P P0 0 =101.3kPa=101.3kPaRTPMVm48（2） 以以1m1m3 3混合氣體為基準，混合氣體為基準， 設設xv,i 為為i 組分的體組分的體積分率，則：積分率，則：理想氣體混合物：理想氣體混合物：iimyMMmnVnVVmxxx,2,21 ,1.M Mm m 為平均分子量：為平均分子量：yi 為為i 組分的摩爾分率組分的摩爾分率RTPMmm （1 1）492.2.流體的重度、比重和比重指數(shù)流體的重度、比重和比重指數(shù)1 1）重度：單位體積的流體所具有的重量，用）重度：單位體積的流體所具

33、有的重量，用表示。表示。 =G/V=mg/V=G/V=mg/V=g g 單位：單位： SISI單位制單位制 N/m N/m3 3 工程單位制工程單位制 kgf/m kgf/m3 3 注意：注意：a.a.在同一單位制中，在同一單位制中，=g b. b.同一流體，工程單位制中的同一流體，工程單位制中的和和SISI制中的制中的 數(shù)值相等。數(shù)值相等。502 2）比重：）比重：液體的比重通常指其密度（或重度）與水液體的比重通常指其密度（或重度）與水在在44時的密度（或重度）之比時的密度（或重度）之比 ，也稱相對密度。，也稱相對密度。1000444wwtd3 3）比重指數(shù)：比重指數(shù)：對油品，常采用一種特殊

34、的比重計測對油品，常采用一種特殊的比重計測得的讀數(shù)來表示輕重，該讀數(shù)稱為比重指數(shù)，得的讀數(shù)來表示輕重，該讀數(shù)稱為比重指數(shù)，o oAPIAPI。 5.1315.141 6.156.15dAPIo415.60.9990ttdd51流體的比體積單位質量流體的體積單位質量流體的體積又稱為流體的比容又稱為流體的比容單位：單位： m m3 3/kg /kg 1mV52流體的粘度1 1）流體的粘性：）流體的粘性：粘性：粘性：流體在運動狀態(tài)下具有的流體在運動狀態(tài)下具有的抗拒向前運動抗拒向前運動的特性。的特性。內摩擦力（粘滯力）內摩擦力（粘滯力）流動阻力流動阻力產生的根源產生的根源說明：說明：a. a. 粘性是

35、流體的固有屬性粘性是流體的固有屬性 b.b.只有在流動時才表現(xiàn)出來只有在流動時才表現(xiàn)出來532 2）牛頓粘性定律：）牛頓粘性定律：平板實驗平板實驗yuSFSyuF或AyuF引入引入：54實質：實質：即：單位時間通過單位面積的即：單位時間通過單位面積的動量通量動量通量，其產生，其產生的原因是流體層之間的的原因是流體層之間的動量傳遞動量傳遞。圓形管內：圓形管內：dydu牛頓粘性定律牛頓粘性定律速度梯度速度梯度流體的粘度流體的粘度 dSmudSddumSamSF剪應力剪應力動量動量553 3）流體的粘度：）流體的粘度：粘度粘度 ：，粘滯系數(shù)、動力粘度、絕對粘度，粘滯系數(shù)、動力粘度、絕對粘度SISI單

36、位制：單位制：物理單位制：物理單位制： smkgsPamsNmsmmN22/ Pscmgcmsscmgcmsdyncmscmcmdyn 2222)/(/ 換算：換算：1Pas=1 Ns /m2=10P=1000cP 1P（泊）（泊）=1dynscm-256運動粘度運動粘度 ： =/=/SISI制：制： s/mm/kg)sm/(kgm/kgsPa233 物理單位制（物理單位制（CGSCGS）：為）：為cmcm2 2/s/s，稱為斯托克斯，用，稱為斯托克斯，用st st 表示，簡稱表示，簡稱（tuotuo）。 換算：換算：1st =100cSt1st =100cSt（厘（厘tuotuo）=1=11

37、010-4-4m m2 2/s /s 1cst =10 1cst =10-2-2st =10st =10-6-6m m2 2/s/s57粘度粘度的影響因素的影響因素 ： =f ( =f ( T T、P P、物質種類、物質種類 ) )液體：液體：T T分子間距離分子間距離引力引力液體的液體的氣體：氣體：T T分子的混亂運動和碰撞分子的混亂運動和碰撞壓力壓力P P 的影響一般不予考慮，只有在極高或極低的影響一般不予考慮，只有在極高或極低的壓力下才考慮壓力對氣體粘度的影響。的壓力下才考慮壓力對氣體粘度的影響。58混合物粘度：混合物粘度：分子不締合的液體混合物：分子不締合的液體混合物：iimxlglg

38、氣體混合物：氣體混合物：2121iiiiimMyMy式中：式中：x xi i液體混合物中液體混合物中i i 組分的摩爾分率；組分的摩爾分率； y yi i氣體混合物中氣體混合物中i i 組分的摩爾分率；組分的摩爾分率； i i與混合物相同溫度下的與混合物相同溫度下的i i 組分的粘度；組分的粘度； M Mi i氣體混合物中氣體混合物中i i 組分的分子質量。組分的分子質量。59理想流體與粘性流體：理想流體與粘性流體： 自然界中的所有流體都具有粘性，具有自然界中的所有流體都具有粘性，具有粘性的流體統(tǒng)稱為粘性的流體統(tǒng)稱為粘性流體粘性流體或或實際流體實際流體。完全沒有粘性的流體，完全沒有粘性的流體，

39、即即=0=0，稱為，稱為理想流體理想流體。是假設。是假設. . 1.2 流體靜力學1.2.1 1.2.1 流體的靜壓強流體的靜壓強1.2.2 1.2.2 流體靜力學基本方程式流體靜力學基本方程式1.2.3 1.2.3 流體靜力學基本方程式流體靜力學基本方程式 的應用的應用 61地球表面附近受力主要是地球表面附近受力主要是重力和壓力重力和壓力。重力可以看作常數(shù)。重力可以看作常數(shù)。流體靜力學流體靜力學實質實質是研究靜止流體所受壓力的平衡關系。是研究靜止流體所受壓力的平衡關系。前言前言重力場中的流體，無論運動與否都受到力的作用。重力場中的流體，無論運動與否都受到力的作用。連續(xù)介質的受力情況（規(guī)律）服

40、從牛頓第二定律。連續(xù)介質的受力情況（規(guī)律）服從牛頓第二定律。62定義：定義： 流體垂直作用于單位面積上的力，簡稱流體垂直作用于單位面積上的力，簡稱壓強壓強，習，習慣上稱為慣上稱為壓力壓力。 P = F/AP = F/A特性：特性：在靜止流體中，流體內任一點各個方向上壓力在靜止流體中，流體內任一點各個方向上壓力均相等。均相等。 1atm=1.0131atm=1.013 10105 5 Pa=10.33 mH Pa=10.33 mH2 2O=760mmHg O=760mmHg 1at=9.811at=9.81 10104 4Pa=10mHPa=10mH2 2O=735.6mmHg=1kgf/cmO

41、=735.6mmHg=1kgf/cm2 2 1atm=1.033at 1atm=1.033at 1kgf/m1kgf/m2 2=1mmH=1mmH2 2O O壓力的單位及換算：壓力的單位及換算：1.2.1 流體的靜壓強63以以絕對真空絕對真空（0atm0atm）為基準：絕對壓力，真實壓力）為基準：絕對壓力，真實壓力以以當?shù)卮髿鈮寒數(shù)卮髿鈮簽榛鶞剩罕韷夯蛘婵斩葹榛鶞剩罕韷夯蛘婵斩葔簭姷幕鶞剩簤簭姷幕鶞剩航^壓大氣壓：壓力表絕壓大氣壓：壓力表表壓力表壓力 表壓力表壓力= =絕對壓力大氣壓力絕對壓力大氣壓力絕壓大氣壓：真空表絕壓大氣壓：真空表真空度真空度 真空度真空度= =大氣壓力絕對壓力大氣壓力絕對

42、壓力64注：大氣壓力應從當?shù)貧鈮河嬌献x得；注：大氣壓力應從當?shù)貧鈮河嬌献x得； 對表壓和真空度應予以注明。對表壓和真空度應予以注明。65例例1 1：在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔頂?shù)恼婵毡碜x：在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔頂?shù)恼婵毡碜x數(shù)為數(shù)為808010103 3PaPa，在天津操作時，若要求塔內維持相同，在天津操作時，若要求塔內維持相同的絕對壓強，真空表的讀數(shù)應為若干？的絕對壓強，真空表的讀數(shù)應為若干？已知已知P Pa a，蘭州，蘭州=85.3=85.310103 3PaPa，P Pa a，天津，天津=101.33=101.3310103 3PaPa。解：蘭州：絕壓解：蘭州：絕壓= =大氣壓真空度

43、大氣壓真空度 =85.3=85.310103 3808010103 3=5300Pa=5300Pa 天津：真空度天津：真空度= =大氣壓絕壓大氣壓絕壓 =101.33=101.3310103 35.35.310103 3 =96.03 =96.0310103 3PaPa66例例2 2：某設備進、出口測壓儀表上的讀數(shù)分別為：某設備進、出口測壓儀表上的讀數(shù)分別為120mmHg120mmHg（真空度）和（真空度）和1.2 kgf/cm1.2 kgf/cm2 2（表壓），試求進、出口處（表壓），試求進、出口處的絕壓分別為多少的絕壓分別為多少PaPa？當?shù)卮髿鈮簽?？當?shù)卮髿鈮簽?50 mmHg750 m

44、mHg。解：進口處（解：進口處（P P1 1）：絕壓）：絕壓= =大氣壓力真空度大氣壓力真空度 P P1 1=750-120=630mmHg=750-120=630mmHg =630/760 =630/7601.0131.01310105 5=8.4=8.410104 4PaPa 出口處（出口處（P P2 2）：絕壓）：絕壓= =大氣壓力大氣壓力+ +表壓表壓 P P2 2=750/760=750/7601.0131.01310105 5+1.2+1.29.0879.08710104 4 =2.18 =2.1810105 5PaPa671.2.2 流體靜力學基本方程式模型：模型：681.2.2

45、 1.2.2 流體靜力學基本方程式流體靜力學基本方程式公式推導：公式推導：Z Z軸方向（取向上方向為正）：軸方向（取向上方向為正）：向上的力：向上的力： 向下的力向下的力: : 重力重力mg =-gdxdydzmg =-gdxdydz 三力之和為零三力之和為零 ：1()2ppdz dxdyz1-( +)2ppdz dxdyz11()-( +)-022pppdz dxdypdz dxdygdxdydzzz69不可壓縮流體，不可壓縮流體，為常數(shù)：為常數(shù)：靜止流體內同一水平面上各點壓力相同靜止流體內同一水平面上各點壓力相同流體壓力只沿高度變化。流體壓力只沿高度變化。-0pgzx x軸方向軸方向0px

46、0pyy y軸方向軸方向EulerEuler方程方程z z軸方向軸方向流體靜力學基本方程式流體靜力學基本方程式gz+Pgz+P常數(shù)常數(shù)70P P2 2 = P= P1 1 + +g(Zg(Z1 1 - Z - Z2 2) )流體靜力學基本方程式流體靜力學基本方程式1122gzPgzP應用于應用于1 1、2 2兩點：兩點：71討論：討論：應用條件應用條件：連續(xù)、靜止狀態(tài)的不可壓縮性流體；：連續(xù)、靜止狀態(tài)的不可壓縮性流體； 若若P P1 1=P=P0 0，P P2 2=PP=P=PP=P0 0+gh+gh，當當P P0 0一定時，一定時，h hP P，即：靜止流體中任一點的壓力，即：靜止流體中任一

47、點的壓力與流體密與流體密度度和所處高度和所處高度h h 有關有關，與容器形狀無關；，與容器形狀無關； P P0 0 變化時，會以同樣大小傳遞到液體內部變化時，會以同樣大小傳遞到液體內部 ；72靜止、連續(xù)、同一流體、同一水平面上靜止、連續(xù)、同一流體、同一水平面上，各點的，各點的壓力相等，即：等壓面為一水平面壓力相等，即：等壓面為一水平面 連通器原理連通器原理； 對于氣體，考慮到氣體密度隨容器高低變化甚微，對于氣體，考慮到氣體密度隨容器高低變化甚微，一般也可視為常數(shù)，故靜力學基本方程亦適用于氣一般也可視為常數(shù)，故靜力學基本方程亦適用于氣體。由于體。由于g g很小，很小，g ggh gh 可以忽略，

48、因此：可以忽略，因此：空間內空間內氣體的壓力相等氣體的壓力相等；73壓差可用液柱高度表示壓差可用液柱高度表示P=PP=P0 0+gh h=(P-P+gh h=(P-P0 0)/g )/g 液柱壓差計原理液柱壓差計原理; ;P P2 2 = P= P1 1 +g(Z +g(Z1 1 - Z - Z2 2)P)P1 1/+gz/+gz1 1 = P = P2 2/+gz/+gz2 2 gzgz 單位質量流體具有的位能，單位質量流體具有的位能，J/kgJ/kg； P/P/ 單位質量流體具有的靜壓能，單位質量流體具有的靜壓能， J/kgJ/kg；故：故：連續(xù)、靜止的同一流體中，能量守恒。連續(xù)、靜止的同

49、一流體中，能量守恒。741.2.3 流體靜力學基本方程式的應用（一）壓力測量液柱壓差計（一）壓力測量液柱壓差計普通普通 U U 型管壓差計型管壓差計指示液選用原則：指示液選用原則： a. a. 與所測流體不互溶與所測流體不互溶b. b. 與被測流體不起化學作用與被測流體不起化學作用c.c.其密度應大于所測流體的密其密度應大于所測流體的密度度 （0 0）d. d. 易于觀察易于觀察7511gZPPAgRgZPPB022gRgZPgZP02211gRPP)(021ABpp12zzR當被測流體為氣體時，由于氣當被測流體為氣體時，由于氣體的密度相對于指示液的密度體的密度相對于指示液的密度小得多（小得多

50、（0 0），則：），則：gRgRPPP0021)(根據(jù)流體靜力學基本方程式，根據(jù)流體靜力學基本方程式， A、B為為等壓面等壓面可得：可得：76壓強差壓強差P P 僅與讀數(shù)僅與讀數(shù)R R 和密度差（和密度差（0 0- -）有關，）有關，而而與與U U 型管的粗細、長短、位置無關；與測壓引線型管的粗細、長短、位置無關；與測壓引線的粗細、長短亦無關；的粗細、長短亦無關； 說明：說明：若若P P 一定，（一定，（0 0- -）R R選擇適當?shù)闹高x擇適當?shù)闹甘疽菏疽?。測量液體壓差時，可選用密度大的指示液，。測量液體壓差時，可選用密度大的指示液，如水銀；測量氣體壓差時，一般用水作指示液；如水銀；測量氣體壓

51、差時，一般用水作指示液；77若把若把U U 型管一端與設備或型管一端與設備或管路的某一截面連接，另一管路的某一截面連接，另一端與大氣相通，這時讀數(shù)所端與大氣相通，這時讀數(shù)所反映的就是管路中這一截面反映的就是管路中這一截面處流體的表壓力，因此也處流體的表壓力，因此也可可用用U U 型管壓差計來測量某一型管壓差計來測量某一處的壓力處的壓力。78倒裝倒裝U U型管壓差計型管壓差計取等壓面取等壓面ABAB（靜止、連續(xù)、同一（靜止、連續(xù)、同一流體、同一水平面），可以得到：流體、同一水平面），可以得到： P PA A = P= PB B11gZPPAgRgZPPgB22gRgZPgZPg2211整理后得：

52、整理后得：（g g） gRgRPPPg)(2179斜管壓差計斜管壓差計采用傾斜采用傾斜 U U 型管可在測量較小的壓差型管可在測量較小的壓差 p p 時，時，得到較大的讀數(shù)得到較大的讀數(shù) R R1 1 值。值。gRpp0121sin壓差計算式：壓差計算式：1515，一般約為，一般約為202080雙液壓差計雙液壓差計（Two-liquid manometerTwo-liquid manometer）特點：使讀數(shù)特點：使讀數(shù)R R 擴大擴大對一定的壓差對一定的壓差 P P，R R 值的大小與所用的指值的大小與所用的指示劑密度有關，密度差越小，示劑密度有關，密度差越小，R R 值就越大，值就越大，讀

53、數(shù)精度也越高。讀數(shù)精度也越高。雙液：水雙液：水- -煤油、酒精煤油、酒精- -煤油、煤油、CClCCl4 4- -水等水等0102p1p2abgRpp020121壓差：壓差：計入擴大室內的液面差：計入擴大室內的液面差：gDdRPPP022020121)()(81（二）液面測量（二）液面測量玻璃管液面計玻璃管液面計壓差液面計壓差液面計1.2.3 流體靜力學基本方程式的應用82例：用遠距離液位裝置測量貯例：用遠距離液位裝置測量貯槽內某液體的液位，流程如槽內某液體的液位，流程如圖。自管口流入壓縮氮氣，圖。自管口流入壓縮氮氣，調節(jié)流量。管內氮氣流速調調節(jié)流量。管內氮氣流速調節(jié)得很小，只要在鼓泡觀察節(jié)得

54、很小，只要在鼓泡觀察器內看出有氣泡緩慢逸出即器內看出有氣泡緩慢逸出即可。管內某截面上壓強用可。管內某截面上壓強用U U形形壓差計測量，則壓差計讀數(shù)壓差計測量，則壓差計讀數(shù)R R可反映貯槽內液位高度。可反映貯槽內液位高度。（二）液面測量液面測量已知已知R=200mmHg,R=200mmHg,液體密度為液體密度為12501250kgkgm m-3-3, ,試求貯槽試求貯槽液面離吹氣管出口距離液面離吹氣管出口距離h h為若干？為若干？83（二）液面測量（二）液面測量l解：解：cbap=p=pmRho 176. 212502 . 013600 000acppgRppghc84（三）液封高度的計算（三）

55、液封高度的計算 如各種氣液分離器的后如各種氣液分離器的后面、氣體洗滌塔底以及氣柜面、氣體洗滌塔底以及氣柜等等, ,為了防止氣體泄漏和安為了防止氣體泄漏和安全等目的，都要采用液封全等目的，都要采用液封( (或稱水封或稱水封) )。 gzP水gpz水表壓表壓85（三）液封高度的計算（三）液封高度的計算l例：某廠為了控制乙炔發(fā)生例：某廠為了控制乙炔發(fā)生爐內的壓強不超過爐內的壓強不超過107kPa107kPa（絕），需在爐外裝有安全液（絕），需在爐外裝有安全液封裝置，其作用是當爐內壓強封裝置，其作用是當爐內壓強超過規(guī)定值時，氣體就從液封超過規(guī)定值時，氣體就從液封管中排出，試求此爐的安全液管中排出，試求

56、此爐的安全液封管應插入槽內水面下的深度封管應插入槽內水面下的深度h h。86（三）液封高度的計算（三）液封高度的計算l解：以液封管口為基準水平面解：以液封管口為基準水平面 0-00-0ghpppao 1l為保證安全液封高度應大于計算值為保證安全液封高度應大于計算值。P11apphg871 1、2 2、6 6作業(yè)作業(yè)88復習復習dydu牛頓粘性定律牛頓粘性定律一、流體的物理性質一、流體的物理性質密度密度重度、比重和比重指數(shù)重度、比重和比重指數(shù)比體積比體積粘度粘度89復習復習二、壓強的定義及單位、壓強的基準二、壓強的定義及單位、壓強的基準絕對壓力絕對壓力表壓表壓大氣壓力大氣壓力測定壓力測定壓力絕對

57、壓力為零絕對壓力為零大氣壓力大氣壓力絕對壓力絕對壓力真空度真空度表壓為負值表壓為負值測定壓力測定壓力表壓強表壓強= =絕對壓強絕對壓強- -大氣壓強大氣壓強真空度真空度= =大氣壓強大氣壓強- -絕對壓強絕對壓強90三、流體靜力學基本方程式三、流體靜力學基本方程式復習復習四、流體靜力學基本方程式的應用四、流體靜力學基本方程式的應用P P2 2 = P= P1 1 + +g(Zg(Z1 1 - Z - Z2 2) )a)a)普通普通 U U 型管壓差計型管壓差計b)b)倒倒 U U 型管壓差計型管壓差計c)c)傾斜傾斜 U U 型管壓差計型管壓差計d)d)微差壓差計微差壓差計關鍵：找等壓面？關鍵

58、：找等壓面？91思考思考1.為什么深海魚類被捕撈上岸后會死亡？為什么深海魚類被捕撈上岸后會死亡？ 帶魚等深海魚類長期生活在深海當中帶魚等深海魚類長期生活在深海當中, ,內臟器官內臟器官適應了深海中巨大的壓強。一旦離開海洋適應了深海中巨大的壓強。一旦離開海洋, ,由于外界由于外界壓強的忽然降低壓強的忽然降低, ,內臟器官會爆裂而導致死亡。內臟器官會爆裂而導致死亡。2.為什么潛水員穿的深海潛水服比淺海潛水服要厚重為什么潛水員穿的深海潛水服比淺海潛水服要厚重一些？一些？ 液體壓強隨深度的增加而增大，故深海潛水液體壓強隨深度的增加而增大，故深海潛水服要比淺海潛水要更耐壓，更厚重些。服要比淺海潛水要更耐

59、壓，更厚重些。 92練習練習油油=800kg/m3水水=1000kg/m3a)x=1 b) x1c)x=0 d) 0 xEE2 2 ，1 1流向流向2 2；E E1 1EE2 2 ，2 2流向流向1 1；E E1 1=E=E2 2 ，流體靜止或流體為理想流體。，流體靜止或流體為理想流體。127【例例1 1】某液體在如圖所示管路中某液體在如圖所示管路中穩(wěn)定流動，忽略阻力損失，穩(wěn)定流動，忽略阻力損失，問不同截面各自位能、動問不同截面各自位能、動能、壓能有何變化？能、壓能有何變化？如流體流動方向相反，各如流體流動方向相反，各截面位能、動能、壓能有截面位能、動能、壓能有何變化？何變化？128 水在如圖

60、所示的水在如圖所示的虹吸管內作定態(tài)流動，虹吸管內作定態(tài)流動，管徑沒有變化，水流管徑沒有變化，水流經管路的能量損失可經管路的能量損失可以忽略不計，試計算以忽略不計，試計算管內截面管內截面2-22-2、3-33-3、4-44-4、5-55-5處的壓強。處的壓強。大氣壓為大氣壓為1.0131.01310105 5PaPa，流體，流體密度密度= 1000kg/m= 1000kg/m3 3。【例例2 2】129【例例3 3】容器容器B B 內保持一定真空度，溶液內保持一定真空度，溶液從敞口容器從敞口容器A A 經內徑為經內徑為30mm30mm的導的導管自動流入容器管自動流入容器B B 中。容器中。容器A