化工原理精要課件

緒論緒論一、化工過程與單元操作二、《化工原理》課程的研究對象、內(nèi)容與任務(wù)三、研究本學(xué)科的基本方法四、研究單元過程的四個基本工具五、單位制及單位換算六、要求七、參考書目一、化工過程與單元操作

化工過程——通過對原料進(jìn)行大規(guī)模的加工處理，使其物理性質(zhì)或/與化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，以生產(chǎn)合格產(chǎn)品的工業(yè)過程（又稱化學(xué)工業(yè)的生產(chǎn)過程）。化工過程包含的步驟可分為兩大類：（1）以化學(xué)反應(yīng)為主，通常在反應(yīng)器中進(jìn)行，如催化裂化，高分子聚合等。（2）不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如蒸餾操作，干燥操作單元操作（UnitOperation)——化工過程中共有的基本物理過程。例如流體輸送，蒸餾，吸收，過濾等?；み^程＝若干單元操作＋反應(yīng)一、化工過程與單元操作化工過程的特點：原料——來源廣泛產(chǎn)品——種類繁多加工過程——復(fù)雜多樣原油泵換熱器加熱爐汽油煤油輕柴油重柴油重油常壓塔例1：常壓蒸餾（AtmosphericDistillation)工藝

原油經(jīng)過沉降罐脫鹽、脫水→進(jìn)入換熱器換熱→經(jīng)過加熱爐加熱→進(jìn)常壓蒸餾塔，得到不同產(chǎn)品。沉降罐

例2：催化裂化(CatalyticCracking)裝置兩器工藝流程一、化工過程與單元操作單元操作的特點：①單元操作都是物理性操作。在操作過程中只改變了物理狀態(tài)和物性，并沒有發(fā)生化學(xué)變化。②同一單元操作可以用在不同的工藝過程。③同一工藝過程可以用不同的單元操作來完成。④不同的單元操作有統(tǒng)一的研究對象和統(tǒng)一的研究方法?；こＳ脝卧僮?/p>

二、《化工原理》課程的研究對象、內(nèi)容與任務(wù)研究對象：煉油、化工過程。內(nèi)容：以傳遞過程和研究方法論為主線，對各單元操作進(jìn)行系統(tǒng)的研究。經(jīng)驗公式法，數(shù)學(xué)模擬法任務(wù)：培養(yǎng)運用單元操作及與石油加工有關(guān)的基本理論，解決石油加工及石油化工單元過程中各種工程實際問題的能力。

單元操作的基本原理；單元操作典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)；單元操作設(shè)備選型設(shè)計計算。三、研究本學(xué)科的基本方法經(jīng)驗公式法：建立在實驗基礎(chǔ)上。通過實驗直接測得各變量間的關(guān)系，得出經(jīng)驗公式。這種方法數(shù)學(xué)公式較簡單，但適用范圍窄，沒有理論依據(jù)。

數(shù)學(xué)模擬法：對過程的實質(zhì)有了一定的了解，經(jīng)過理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，初步建立數(shù)學(xué)模型。然后通過實驗確定待定參數(shù)，得到半經(jīng)驗的定量模型。這種方法是半經(jīng)驗的，但它在一定程度上反映了過程的實質(zhì)，適用范圍較廣。

四、研究單元過程的四個基本工具物料衡算：質(zhì)量守恒原理在化工過程中的應(yīng)用能量衡算：能量守恒原理在化工中的應(yīng)用相平衡關(guān)系：兩相接觸時在相間發(fā)生物質(zhì)傳遞，直至各相的性質(zhì)（如溫度壓力和組成等）不再變化為止?；み^程進(jìn)行的方向和極限。過程速率：指單位時間通過某一指定面積的物質(zhì)量或熱量。主要決定過程設(shè)備的尺寸。化工過程進(jìn)行的快慢。

物料衡算對單元過程：進(jìn)入的物料量必等于排出的物料量加上該過程積累的量穩(wěn)定過程（從物料方面）：積累的量ma=0不穩(wěn)定過程（從物料方面）：積累的量ma≠0例3：在某連續(xù)萃取設(shè)備中，用循環(huán)使用的煤油提取廢蠟紙中的蠟。已知：每小時廢蠟紙?zhí)幚砹縒=200kg/h，其中含25%蠟，75%紙；循環(huán)使用的煤油W1中，含3%蠟；用過的煤油為W2，含40.26%蠟；處理過的紙為W3，含11.3%煤油，0.199%蠟。求：①從廢紙中提取蠟的質(zhì)量數(shù)；②循環(huán)煤油量W1=

？；

③所獲得的含蠟煤油量W2=

？

煤油W2kg/h

，含蠟40.26%

循環(huán)使用的煤油W1kg/h

，含蠟3%

處理過的蠟紙W3kg/h含蠟0.199%，煤油11.3%

廢蠟紙W=200kg/h

含蠟25%

，紙

75%

解：先依題畫出示意圖（1）每小時從從廢紙中提取蠟的質(zhì)量數(shù)在萃取過程中，純紙的質(zhì)量不會變化，故在物料計算中，以1kg之為基準(zhǔn)會使計算變得比較簡單。廢紙中含紙的質(zhì)量數(shù)：

200×0.75=150kg/h廢蠟紙中蠟對純紙的質(zhì)量比：

25/75=0.3333蠟/kg紙?zhí)幚磉^的紙中蠟對純紙的質(zhì)量比：

每小時提取蠟的質(zhì)量數(shù)：

150×（0.3333-0.00225）=49.66kg/h(2)每小時循環(huán)煤油量對圖中虛線框作物料衡算，以1h為基準(zhǔn)?？偽锪虾馑悖?/p>

200+W1=W3+W2(A)蠟的衡算：

200×0.25+0.03W1=0.00199W3+0.4026W2(B)前面已算得純紙量為150

kg/h，因此：將W3的值帶入（A)、(B)兩式，聯(lián)解求出每小時循環(huán)煤油量W1=100.3kg/h（3）每小時所獲得的含蠟煤油量

將W1的值帶入式(A)可得W2=130.8kg/hkg/hkg蠟/kg紙根據(jù)能量守恒定律，對于連續(xù)、穩(wěn)定的操作過程：

輸入系統(tǒng)的總能量

=輸出系統(tǒng)的總能量

化工設(shè)備中主要涉及機(jī)械能衡算和熱量衡算，計算方法與物料衡算基本相同，也要確定衡算范圍和基準(zhǔn)。能量衡算

在煉油和化工生產(chǎn)中，經(jīng)常會遇到系統(tǒng)處于兩相或多相狀態(tài)，如氣液兩相共存。當(dāng)兩相接觸時，在相與相間會發(fā)生物質(zhì)交換，直到達(dá)到平衡狀態(tài)。這時各相的組成一般是不相等的。我們用xi表示液相組成，yi表示氣相組成。我們正是利用這種平衡組成的差別來進(jìn)行混合物的分離。

相平衡關(guān)系

過程速率

指單位時間通過某一指定面積的物質(zhì)量或熱量。它取決于體系的不平衡程度及影響過程變化的諸多其他因素。主要決定過程設(shè)備的尺寸。

五、單位制及單位換算（一）單位與單位制一個物理量的大小是通過數(shù)值和單位來表示的。通常選定幾個必不可少的獨立物理量，稱之為基本量。所規(guī)定的基本量的單位為基本單位。其他物理量的單位可根據(jù)其定義或物理方程導(dǎo)出，這些物理量被稱為導(dǎo)出量，其單位為導(dǎo)出單位?；締挝缓蛯?dǎo)出單位的和稱為單位制。五、單位制及單位換算

1.絕對單位制（物理單位制）厘米·克·秒制(CGS制）及米·千克·秒制（MKS制）2.工程單位制米·千克（力）·秒制3.國際單位制（SI）

7個基本量及其單位，2個輔助單位五、單位制及單位換算

國際單位制的基本單位和輔助單位五、單位制及單位換算（二）單位換算

對同一物理量采用不同單位度量時，需乘以兩單位之間的換算因數(shù)（不同單位表示時數(shù)值大小的關(guān)系）例4：將某溫度下原油的密度0.9g/cm3換算成kg/m3(SI單位）。解：由于1g=10-3kg,1cm3=10-6m3

則ρ=0.9g/cm3=0.9×10-3kg/(1

×10-6m3)=0.9×103kg/m3例5：將壓力P=14.7lbf(磅力)/in2(英寸2)

換算成kPa解：由于1lb=0.454kgf=0.454×9.81N=4.45N1in2=1×(2.54)2cm2=6.45×10-4m2

則1lbf/in2=4.45/6.45×6.45×10-4N/m2=6.9×103Pa=6.9kPaP=14.7lbf/in2=14.7×6.9kPa=101.4kPa六、要求1.出勤率

——三次無故曠課取消考試資格2.作業(yè)

——每周一交作業(yè)3.成績評定

——平時成績：10分（作業(yè)及課堂測驗）實驗成績：10分 期中考試：20分 期末考試：60分

七、參考書目教材類：1.《化工原理》(第二版）（上、下冊），譚天恩、麥本熙、丁惠華編，化學(xué)工業(yè)出版社，1990.6第二版。2.《化工原理》(上、下冊)，天津大學(xué)化工原理教研室，姚玉英主編，天津科學(xué)技術(shù)出版社，1992.11第一版七、參考書目習(xí)題類：3.《化工原理示例與練習(xí)》，叢德滋、方圖南編，華東化工學(xué)院出版社，1988.3第一版。4.《化工原理例題與習(xí)題》，姚玉英主編，化學(xué)工業(yè)出版社，1998.5第三版。第一章流體流動習(xí)題課作業(yè)中存在的問題1.計算時未選取進(jìn)、出口截面與基準(zhǔn)水平面，也未畫出圖形；2.圖形畫得太隨意，應(yīng)規(guī)范化；3.計算式中不用寫量綱，只要保證計算式中的量綱均為SI制即可；4.柏努利方程書寫錯誤；5.壓力為表壓時，一定要在壓力值后面括號內(nèi)寫上“表壓”二字；6.g=9.807，最好都與教材上一致；7.在查取當(dāng)量長度le和摩擦系數(shù)λ值時存在誤差；8.有同學(xué)物理量后邊未寫量綱；9.對于第19題，有些同學(xué)計算中未考慮管徑變化引起的局部阻力損失；10.對第20題，有些同學(xué)計算中未考慮彎頭、閘閥引起的局部阻力損失；11.大多數(shù)同學(xué)不會做課堂測試的計算題；12.有個別同學(xué)抄他人作業(yè)的現(xiàn)象。習(xí)題13.從容器A用泵B將密度為890kg/m3油品輸送到塔C頂部。容器內(nèi)與塔頂?shù)谋韷毫θ绫绢}附圖所示，管子的規(guī)格為φ114mm×4mm。油品的輸送流量為5.4×104kg/h，輸送管路的全部阻力損失為122J/kg，試求泵的有效功率。解：取容器A內(nèi)液面為截面1-1’，管路出口處為截面2-2’，并以O(shè)-O’為基準(zhǔn)水平面。列截面1-1’和2-2’間的柏努利方程式。已知：p1=0(表壓)，p2=2.16×106Pa(表壓)，d=114-2×4=106mm=0.106m,z1=2.1m,

z2=36m,u1=0,則泵的有效功率為：習(xí)題14.如圖1-52所示，從敞口高位槽向精餾塔供料，高位槽內(nèi)液面維持不

變，塔進(jìn)料口處的壓力為40kPa(表壓)，原料液的密度為890kg/m3，

管子直徑為φ60mm×3mm，從高位槽至塔的進(jìn)料管入口處的阻力

損失為22J/kg。試問要維持14m3/h的進(jìn)料量，高位槽中的液面須高

出塔的進(jìn)料口多少m?已知：p1=0(表壓)，p2=4.0×104Pa(表壓)，d=60-2×3=54mm=0.054m,z2=0,u1=0,解：取高位槽液面為1-1’，管子出口處為截面2-2’，并以截面2-2’為基準(zhǔn)水平面。列截面1-1’和2-2’間的柏努利方程式。則高位槽中的液面距塔進(jìn)料口的高度為：

習(xí)題16.如本題附圖所示，為丙烯精餾塔的回流系統(tǒng)，即回流罐內(nèi)的丙烯通過回流管返回至精餾塔頂。精餾塔頂?shù)牟僮鲏毫?.3MPa(表壓)，回流罐內(nèi)液面上方壓力為2.0MPa(表壓)。塔內(nèi)回流管口距回流罐內(nèi)液面的垂直距離為30m，回流管內(nèi)徑為140mm，丙烯精餾塔的回流量為4×104kg/h，丙烯的密度為600kg/m3，回流管路的全部阻力損失為150J/kg。試問將丙烯從回流罐送到精餾塔頂是否需要泵？解：取回流罐內(nèi)液面為截面1-1’，塔內(nèi)回流管出口處為截面

2-2’，并以截面1-1’為基準(zhǔn)水平面。列截面1-1’和2-2’

間的柏努利方程式。已知：p1=2.0×106(表壓)，p2=1.3×106Pa(表壓)，d=0.14m,z1=0,z2=30m,u1=0,該結(jié)果表明不需要泵。則：習(xí)題19.求如本題附圖所示20℃水穩(wěn)定流動管路的阻力損失(J/kg)。大、小管

的管徑分別為φ57mm×2.5mm和φ32mm×2.5mm，絕對粗糙度均為

0.5mm，管路中裝有一個全開截止閥，水在大管中的流速為0.5m/s，

其他有關(guān)數(shù)據(jù)如附圖所示。解：管路的總阻力損失：

d1=57-2×2.5=52mm=0.052m

d2=32-2×2.5=27mm=0.027m(1)對AC段：由圖1-44查得λ1=0.052對A-C段中的彎頭，查圖1-47得其當(dāng)量長度為

水由容器進(jìn)入管AC段的進(jìn)口局部阻力系數(shù)

(2)對CF段：由圖1-44查得λ2=0.054查圖1-47得全開截止閥的當(dāng)量長度

DE段中的彎頭當(dāng)量長度為0.8m

查表1-7得管子在C截面處變徑的局部阻力系數(shù)

所以該管路的總阻力損失為：

習(xí)題20.用泵將冷卻水從水池輸送到冷卻塔，已知從水池到泵的吸入口管路的管

徑為φ114mm×4mm、長度為10m，在吸入段管路上有1個90o標(biāo)準(zhǔn)彎

頭、1個吸濾底閥；從泵的出口到冷卻塔頂噴嘴的管路的管徑為φ88.5

mm×4mm、長度為36m，在排出段管路上有2個標(biāo)準(zhǔn)90o標(biāo)準(zhǔn)彎頭、1個

1/2開度的閘閥。已知水溫為20℃，塔內(nèi)壓力為69kPa(表壓)，噴嘴進(jìn)口處

的壓力比塔內(nèi)壓力高10kPa，輸送管道的絕對粗糙度均為0.2mm，其他數(shù)

據(jù)如本題附圖上所示。要求水的流量為56m3/h，求泵所需的有效功率Ne。

解：取水池內(nèi)液面為基準(zhǔn)水平面，列截面1-1’與截面2-2’間的柏努利方程式:式中：d1=114-2×4=106mm=0.106m，d2=88.5-2×4=80.5mm=0.0805m,z1=0,z2=23m，p1＝0(表壓)，p2=79kPa(表壓)，u1=0,(1)吸入管A的阻力損失

由圖1-44查得λ2=0.027由表1-7查得底閥的局部阻力系數(shù)為1.5，進(jìn)口的局部阻力系數(shù)為0.5

由圖1-47查得標(biāo)準(zhǔn)彎頭的當(dāng)量長度為3.5m(2)排出管B的阻力損失

由圖1-44查得λ2=0.029由圖1-47查得1/2開度閘閥的當(dāng)量長度為12m，2個90o標(biāo)準(zhǔn)彎頭的當(dāng)量長度為7m。(3)整個管路的阻力損失

則泵的有效功率為：習(xí)題30.如本題附圖所示為一供水系統(tǒng)，高位槽內(nèi)的水面維持恒定。AB

管段、BC管段和BD管段的內(nèi)徑分別為41mm、25mm和32

mm；它們的管長分別為6m、15m和24m。上述管長均包括各

種局部阻力的當(dāng)量長度，分流點B處的能量損失可以忽略不計。

全部管路的摩擦系數(shù)均可取0.03，且不變化。水的密度和粘度

分別為1000kg/m3和1mPa·s。試計算：

(1)BC、BD兩支管路的流量為多少；

(2)當(dāng)BD支路上的閥門關(guān)閉時，BC支路的水流量為多少。

B解：(1)取水槽液面為1-1’截面，C截面處為2-2’截面，并取2-2’截面為基

準(zhǔn)水平面。在1-1’截面與2-2’截面之間列柏努利方程：已知：z1=10m，z2=0，p1=0，p2=0，u1=0

B根據(jù)分支管路在分流點B處的總比能相等，分支管BC和BD滿足以下關(guān)系式：已知：zC=zD=0，pC=pD=0(表壓），則上式簡化為：(a)(b)由(b)、(c)兩式，可得到BC管段和BD管段的流量分別為：

VBC＝1.52×10-3m3/sVBD＝2.23×10-3m3/sB(2)取水槽液面為1-1’截面，C截面處為2-2’截面，并取2-2’截面為基準(zhǔn)水

平面。在1-1’截面與2-2’截面之間列柏努利方程：已知：z1=10m，z2=0，p1=0，p2=0，u1=0

即V＝1.55×10-3m3/s則BC支路的水流量為B

1.某流體在圓形直管中做層流流動時，其速度分布是_______型曲

線，其管中心最大速度為平均流速的_____倍，摩擦系數(shù)λ與Re

的關(guān)系為______。

2.流體流動的連續(xù)性方程是____________；適用于不可壓縮流體流

動的連續(xù)性方程是_____________。

3.孔板流量計和轉(zhuǎn)子流量計的最主要區(qū)別在于：前者是恒______，

變______；后者是恒______，變_________。

4.流體在管內(nèi)做湍流流動時（不是阻力平方區(qū)），其摩擦系數(shù)λ隨______和_________而變。

5.處于同一水平面高的流體，維持等壓面的條件是_____________。

6.測流體流量時，隨著流體流量增加，孔板流量計兩側(cè)壓差值將

___________，若改用轉(zhuǎn)子流量計測量，當(dāng)流量增大時，轉(zhuǎn)子兩端壓差值將_____________。畢托管測量管道中流體的__________,而孔板流量計則用于測量管道中流體的_________________。

水在敞口恒液位的高位槽通過一管道流向壓力恒定的反應(yīng)器，當(dāng)管道上的閥門開度減小后，水流量將

，閥門的阻力系數(shù)將

，摩擦系數(shù)

，管道總阻力將

。

有一并聯(lián)管路，兩端管路的流量、流速、管徑、管長及流動阻力損失分別為V1,u1,d1,L1,hf1及V2,u2,d2,L2,hf2。若d1=2d2,L1=2L2，則：

(1)hf1/hf2=______;

(2)當(dāng)兩段管路中流體均作層流流動時，V1/V2=______;

(3)當(dāng)兩段管路中流體均作湍流流動時，并取λ1=λ2，則

V1/V2=_______。

從自來水總管引一支路AB向居民樓供水，在端點B分成兩路各通向一樓和二樓。已知管段AB、BC和BD的長度(包括管件的當(dāng)量長度)各為100m，10m和20m，管徑皆為30mm，直管摩擦阻力系數(shù)皆為0.03，兩支路出口各安裝一球心閥。假設(shè)總管壓力為3.43×105Pa(表壓)。試求：

(1)當(dāng)一樓閥門全開(ξ=6.4)，高度為5m的二樓能否有水供應(yīng)？此時管路AB內(nèi)流量為多少？

(2)若將一樓閥門關(guān)小(ξ=7.5)使其流量減半，二樓最大流量為多少？

解：(1)首先判斷二樓是否有水供應(yīng)，為此，可假設(shè)支路BD流量為零，

并在截面A和1-1之間列機(jī)械能衡算式：

在截面A與B之間列機(jī)械能衡算式，得此結(jié)果表明二樓無水供應(yīng)。此時管路AB內(nèi)的流量為

(2)設(shè)一樓流量減半時，二樓流量為V2，此時管段AB內(nèi)的流速為：管段BD內(nèi)的流速為在截面A與2-2之間，列機(jī)械能衡算式解得：V2＝8.07×10-4m3/s

在相同的容器1、2內(nèi)填充高度為1m和0.5m的固體顆粒，并以相同的管路并聯(lián)組合，兩支路的管長皆為5m，管徑均為200mm，直管阻力系數(shù)為0.02，每支管安裝一閘閥，容器1和2的局部阻力系數(shù)各為10和5。已知管路的總流量為0.3m3/s，求：

(1)當(dāng)兩閥門同時全開時，兩支路的流量比和并聯(lián)管路的阻力損失。

(2)當(dāng)兩閥門同時關(guān)小至ζC=ζD＝30時，兩支路的流量比及并聯(lián)管路的阻力

損失有何變化？

解：由物料守恒關(guān)系,得

由機(jī)械能衡算式得(1)當(dāng)兩閥門全開時：

(a)(b)由(a)、(b)式得并聯(lián)管路的阻力損失為(2)當(dāng)兩閥門同時關(guān)小時：(c)由(a)、(c)式得并聯(lián)管路的阻力損失為化工常用單元操作

研究單元過程的四個基本工具物料衡算：質(zhì)量守恒原理在化工過程中的應(yīng)用能量衡算：能量守恒原理在化工中的應(yīng)用相平衡關(guān)系：兩相接觸時在相間發(fā)生物質(zhì)傳遞，直至各相的性質(zhì)（如溫度壓力和組成等）不再變化為止。化工過程進(jìn)行的方向和極限。過程速率：指單位時間通過某一指定面積的物質(zhì)量或熱量。主要決定過程設(shè)備的尺寸?；み^程進(jìn)行的快慢。

第一章流體流動第一章

流體流動

流體及其主要性質(zhì)流體靜力學(xué)基本方程式*機(jī)械能平衡方程式——柏努利方程阻力損失計算*復(fù)雜管路計算流量測量

第一節(jié)流體及其主要性質(zhì)

流體——液體和氣體統(tǒng)稱為流體。液體————不可壓縮流體氣體————可壓縮流體

第一節(jié)流體及其主要性質(zhì)

流體及其特點液體：分子間距離小。所以分子間吸引力較大，具有一定的體積，在容器中能形成一定的自由表面。體積隨溫度、壓力的變化很小，可視為不可壓縮的流體。氣體：沒有一定的體積?？偸浅錆M容納它的整個容器。體積隨溫度、壓力的變化較大，可視為可壓縮流體。第一節(jié)流體及其主要性質(zhì)

流體流動規(guī)律是本門課程的重要基礎(chǔ)，主要原因是：①流體的輸送；②壓強(qiáng)、流速和流量的測量；③為強(qiáng)化設(shè)備提供適宜的流動條件。

第一節(jié)流體及其主要性質(zhì)

連續(xù)性假設(shè)：質(zhì)點：

指的是一個含有大量分子的流體微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸，但比起分子自由程卻要大得多。

假定流體是由大量質(zhì)點組成的、彼此之間沒有空隙、完全充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)。第一節(jié)流體及其主要性質(zhì)流體的物理性質(zhì)*

流體的密度

*流體的相對密度（比重）和比重指數(shù)

*流體的粘度

第一節(jié)流體及其主要性質(zhì)

一、流體的密度單位體積流體具有的質(zhì)量稱為密度，用符號ρ表示。１.純物質(zhì)的密度２.混合物的密度

一、流體的密度流體密度的確定方法氣體純物質(zhì)混合物液體純物質(zhì)混合物查圖表或測定二、流體的相對密度和比重指數(shù)

對于液體，其相對密度是指該流體的密度與277.15K(即4oC)時純水的密度之比，也稱為流體的比重。

在歐美各國，常用15.6oC時純水的密度作為參考物質(zhì)計算液體的相對密度。在石油行業(yè)常采用oAPI(API度，或比重指數(shù)）表示油品的輕重。三、流體的粘度1.流體的粘性

流體抵抗相鄰流體層發(fā)生相對運動的性質(zhì)稱為流體的粘性。2.牛頓粘性定律3.流體的粘度當(dāng)流體流動的速度梯度等于1時，單位面積上由于流體的粘性所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力的大小。粘度的單位未Pa·s(SI制)或P(泊，物理制)。4.流體的運動粘度m2/sFBAyxuΔyΔuu=0平板間流體流速變化圖二、流體的壓力

流體垂直作用于單位面積上的力稱為流體的靜壓強(qiáng)，簡稱壓強(qiáng)。工程上有時習(xí)慣稱壓力，用p表示。

第二節(jié)流體靜力學(xué)第二節(jié)流體靜力學(xué)壓力的基準(zhǔn)： 表壓真空度絕對壓力絕對壓力當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮航^對真空表壓＝絕對壓力－大氣壓力真空度＝大氣壓力－絕對壓力＝－表壓 20kPa(表)20kPa(絕)20kPa(真)壓力的單位： ①按壓力定義：SI單位制中N/m2=Pa；②間接以流體柱高表示，但必須指明流體種類，常用的有mmHg，mH2O柱；③以大氣壓為計量單位。當(dāng)?shù)卮髿鈮菏窃谧兓?，作為計量單位用的是?biāo)準(zhǔn)物理大氣壓，atm。工程上以kgf/cm2為單位稱工程大氣壓，at。１atm＝1.013×105Pa＝1.033at＝10.33mH2O＝760mmHg第二節(jié)流體靜力學(xué)

二、流體的壓力流體靜力學(xué)

研究靜止?fàn)顟B(tài)時流體在外力作用下的平衡規(guī)律。

實質(zhì)上是研究靜止流體壓力的分布規(guī)律。

流體的靜壓強(qiáng)

流體單位面積上所受的力稱為流體的靜壓強(qiáng)。習(xí)慣上稱壓力。

第二節(jié)流體靜力學(xué)

三、流體靜力學(xué)基本方程式流體靜力學(xué)基本方程式的兩種表達(dá)形式：。p+dppzdz描述靜止流體內(nèi)部壓力分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式，稱為流體靜力學(xué)基本方程式第二節(jié)流體靜力學(xué)

三、流體靜力學(xué)基本方程式1靜止液體內(nèi)部的壓力僅是高度的函數(shù)，與容器大小和形狀無關(guān)。2自由液面上的壓力p0↑，液體內(nèi)各點壓力p↑?！獕毫鬟f原理。3在靜止的、連續(xù)的同一液體同一水平面上各點的壓力相等。4氣體為可壓縮流體，基本方程式不適用于氣體，但在空間小、壓力變化不大時，ρ≈常數(shù)，可用于氣體。因為ρg<<ρL，∴認(rèn)為整個氣體空間p相等。流體靜力學(xué)方程式的應(yīng)用

*壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差測量*液面的測量*液封高度的計算對指示液的要求：①不互溶；②不反應(yīng)；③r0>r。

p1p2z1h1z2h2Rr0

rab●●且對氣體：第二節(jié)流體靜力學(xué)

四、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用1.Ｕ形管壓差計測壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差Ｕ形管壓差計測壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差①兩取壓口不在同一水平面p1p2z1h1z2h2Rρ0ρa(bǔ)b●●即：第二節(jié)流體靜力學(xué)

四、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用例1-2:敞口容器內(nèi)裝有油和水。

paOO′h1h2BB′AA′h已知：ρ油=800kg/m3

h1

=700mmρ水=1000kg/m3

h2=600mmpa=740mmHg求：(1)

pA=pA′?

pB=pB′?

pO=pO′?

(2)

pA=?

(3)h=?為便于安裝、測量，一般要求R<1500mm=1.5m。當(dāng)R讀數(shù)過大時，可采取的措施：①可使r０↑→R↓；②可采用復(fù)式壓差計。1.

Ｕ形管壓差計測壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差

②R讀數(shù)過大 Ｒ１Ｒ２PaPbPba第二節(jié)流體靜力學(xué)

四、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用當(dāng)Ｒ讀數(shù)過小時，讀數(shù)的相對誤差會較大。此時可采取以下措施：①使r０↓→Ｒ↑；②使用斜管壓差計；③使用微差壓差計（雙液杯式微壓計）。1.

Ｕ形管壓差計測壓強(qiáng)或壓強(qiáng)差

③R讀數(shù)過小 RR′α第二節(jié)流體靜力學(xué)

四、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用流體ρ11′2′2z1z2ABRρg倒裝U形管壓差計

微差壓差計最原始的液位計如下圖所示：

缺點：①易于破損；

②不便于遠(yuǎn)處觀測。第二節(jié)流體靜力學(xué)

四、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用2.液位測量RrArhZ1Z22.液位測量第二節(jié)流體靜力學(xué)

四、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用2.液位測量第二節(jié)流體靜力學(xué)

四、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用Z氣體p塔底液封，應(yīng)略大于計算的z值；氣柜液封，應(yīng)略小于計算的z值。第二節(jié)流體靜力學(xué)

四、流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用3.液封 液封例1—4:已知：使用普通U形管壓差計測量水平的氣體管路上兩截面1，2間的壓力差，指示液為水，ρ0=1000kg/m3

壓差計的讀數(shù)為

R=12mm,改用微差壓差計時，ρ1（酒精）=920kg/m3ρ2（煤油）=850kg/m3求：R可放大到多少？（微差壓差計液杯直徑為D=60mm,U形管壓差計直徑為d=6mm）hΔhΔh微壓計未與管路相通時，兩臂指示液界面位于同一平面。此平面與杯內(nèi)液面的距離為h。與管路相通后，左側(cè)界面下降了R/2，右側(cè)界面上了R/2，同時，左側(cè)杯內(nèi)液面下降了右側(cè)杯內(nèi)液面上升了由p3=p4可得34液封高度的計算

氣體pppaRpaΔhpG=2.9t補(bǔ)充習(xí)題：一濕式煤氣罐如圖所示。罐體浮頂內(nèi)徑為6m，浮頂重為2.9噸，外界大氣壓為735.5mmHg。

求：(1)罐內(nèi)煤氣壓力為多少mmH2O(絕)？(2)罐內(nèi)外水面差Δh=？mm

(3)若使煤氣壓力p達(dá)到1860Pa(表)，罐頂需加多少kg壓力？

第一章流體流動1.牛頓粘性定律第四節(jié)流體的流動阻力

一、流體的粘度uFu=0內(nèi)摩擦力——運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層之間的相互作用力。粘性——流體抵抗相鄰流體層發(fā)生相對運動的性質(zhì)稱為流體的粘性。確定流體流動時內(nèi)摩擦力大小的物理性質(zhì)。粘度——當(dāng)流體流動的速度梯度等于1時，單位面積上由于流體的粘性所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力的大小。粘度的單位未Pa·s(SI制)或P(泊，物理制)。衡量流體粘性大小的物理量。2.非牛頓型流體牛頓型流體與非牛頓型流體特性類型典型舉例特點剪應(yīng)力表達(dá)式

牛頓型流體氣體、水、大多數(shù)液體剪應(yīng)力正比于法向速度梯度非牛頓型流體塑性流體牙膏、泥漿、油墨等剪應(yīng)力超過某臨界值后才能流動，剪應(yīng)力正比于法向速度梯度假塑性流體高分子溶液、油漆等表觀粘度隨速度梯度的增大而降低漲塑性流體塑料溶液，高固體含量的懸浮液等表觀粘度隨速度梯度的增大而增加第四節(jié)流體的流動阻力

二、流體流動的類型（層流與湍流）1883年英國著名科學(xué)家雷諾(OsborneReynolds)進(jìn)行的實驗

——雷諾實驗流動型態(tài)層流：流速較小時，可看到一條穩(wěn)定的直線。表明此時流體各個質(zhì)點互不混雜，平行于管軸向前運動。過渡流：隨著流速的增加，有顏色的直線開始出現(xiàn)波浪。湍流：速度再增大，流體質(zhì)點不僅沿管軸運動，而且還做不規(guī)則的橫向運動。

45°lgHflguabcdelguclguc′雷諾數(shù)的物理意義

雷諾數(shù)：由影響流型的管徑d、流速u和流體的粘度μ、密度ρ等因素組成的無因次數(shù)群,以Re表示。雷諾數(shù)的物理意義為流體流動時慣性力與粘性力之比.

層流：Re≤2000

湍流：Re>2000粘性力：使流體保持層流的趨勢。慣性力：使流體做不規(guī)則的自由運動，流動趨于湍流。邊界層概念

在工程上，通常把流速為零的壁面到流速等于主體流速u∞的99%處之間的區(qū)域稱為邊界層。

第四節(jié)流體的流動阻力

三、邊界層的概念1.邊界層的形成與發(fā)展第四節(jié)流體的流動阻力

三、邊界層的概念2.邊界層的分離1.直管阻力損失的計算通式 第四節(jié)流體的流動阻力

四、直管阻力損失的計算——范寧(Fanning)公式直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時由于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力。2.流體層流時的速度分布和摩擦因數(shù)

第四節(jié)流體的流動阻力

四、直管阻力損失的計算

哈根—泊謖葉(Hagen-Poiseuille)方程3.湍流時的速度分布和摩擦因數(shù)

第四節(jié)流體的流動阻力

四、直管阻力損失的計算

湍流主體：速度脈動較大，以湍流粘度為主，徑向傳遞因速度的脈動而大大強(qiáng)化；過渡層：分子粘度與湍流粘度相當(dāng)；層流內(nèi)層：速度脈動較小，以分子粘度為主，徑向傳遞只能依賴分子運動。

（1）湍流時的速度分布第四節(jié)流體的流動阻力

四、流體直管阻力損失的計算圓管內(nèi)層流與湍流的比較項目層流湍流剪應(yīng)力速度分布平均速度動能第四節(jié)流體的流動阻力

四、流體直管阻力損失的計算（2）湍流時的摩擦因數(shù)常見工業(yè)管道的絕對粗糙度金屬管e/mm非金屬管e/mm無縫黃銅管、銅管及鋁管0.01～0.05干凈玻璃管0.0015～0.01新的無縫鋼管或鍍鋅鐵管0.1～0.2橡皮軟管0.01～0.03新的鑄鐵管0.3木管道0.25～1.25具有輕度腐蝕的無縫鋼管0.2～0.3陶土排水管0.45～6.0具有顯著腐蝕的無縫鋼管0.5以上很好整平的水泥管0.33舊的鑄鐵管0.85以上石棉水泥管0.03～0.8第四節(jié)流體的流動阻力

四、流體直管阻力損失的計算3.湍流時的摩擦因數(shù)

因次分析法第一步：析因試驗——尋找影響過程的主要因素第二步：無因次化——減少變量數(shù)第三步：數(shù)據(jù)處理——實驗結(jié)果的正確表達(dá)摩擦系數(shù)λ雷諾數(shù)Re相對粗糙度ε/d0.0000010.000010.000050.00020.00060.0020.0060.010.020.05光滑管層流湍流完全湍流過渡區(qū)第四節(jié)流體的流動阻力

四、流體直管阻力損失的計算

3.湍流時的摩擦因數(shù)經(jīng)驗公式Re=(5～100)×103柏拉修斯（Blasius)公式Re=(4～105)×103e/d=1×10-6～0.05柯爾布魯克（Colebrook)公式1.阻力系數(shù)法將局部阻力表示為動能的某一倍數(shù)。

第四節(jié)流體的流動阻力

五、局部阻力局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力。

2.當(dāng)量長度法將流體流過管件或閥門的局部阻力，折合成直徑相同、長度為le的直管所產(chǎn)生的阻力。常見管件及閥門的阻力系數(shù)及當(dāng)量長度[53]名稱zle/d名稱zle/d45?標(biāo)準(zhǔn)彎頭0.3517閘閥(全開)0.17990?標(biāo)準(zhǔn)彎頭0.7535閘閥(半開)4.5225180?回彎頭1.575標(biāo)準(zhǔn)閥(全開)6.0300標(biāo)準(zhǔn)三通管150標(biāo)準(zhǔn)閥(半開)9.5475管接頭0.042止逆閥(球式)70.03500活接頭0.042止逆閥(搖板式)2.0100第一章流體流動1.當(dāng)量直徑de及水力學(xué)半徑rH第四節(jié)流體的流動阻力

五、非圓形直管的阻力損失de=4(流動截面積）/潤濕周邊長度de=4rH此法一般適用于湍流時的阻力損失計算層流：

非圓形直管的阻力損失時，只能用當(dāng)量直徑de代替雷諾數(shù)和計算阻力損失公式中的直徑d，而不能用de計算其中的流速u,流速通過實際流動截面積計算。1.阻力系數(shù)法將局部阻力表示為動能的某一倍數(shù)。

第四節(jié)流體的流動阻力

六、局部阻力局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門等局部地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力。

第四節(jié)流體的流動阻力

六、局部阻力2.當(dāng)量長度法將流體流過管件或閥門的局部阻力，折合成直徑相同、長度為le的直管所產(chǎn)生的阻力。阻力計算通式為：減少流動阻力的途徑：

管路盡可能短，盡量走直線，少拐彎；盡量不安裝不必要的管件和閥門等；管徑適當(dāng)大些。常見管件及閥門的阻力系數(shù)及當(dāng)量長度名稱zle/d名稱zle/d45?標(biāo)準(zhǔn)彎頭0.3517閘閥(全開)0.17990?標(biāo)準(zhǔn)彎頭0.7535閘閥(半開)4.5225180?回彎頭1.575標(biāo)準(zhǔn)閥(全開)6.0300標(biāo)準(zhǔn)三通管150標(biāo)準(zhǔn)閥(半開)9.5475管接頭0.042止逆閥(球式)70.03500活接頭0.042止逆閥(搖板式)2.0100簡單管路——沒有分支與匯合的單一管路復(fù)雜管路——有分支與/或匯合的管路，包括最為復(fù)雜的管網(wǎng)按管路配置分類：區(qū)別：是否有分流或合流第五節(jié)管路計算條件：1-1液位恒定，定態(tài)流動，管徑相同。AB1122閥門關(guān)小，A、B點壓力如何變化？第五節(jié)管路計算

一、阻力對管內(nèi)流動的影響結(jié)論：①任何局部阻力的增加將使管內(nèi)各處的流速下降；

②下游阻力增大將使上游壓強(qiáng)上升；

③上游阻力增大將使下游壓強(qiáng)下降。閥門A關(guān)小，各參數(shù)如何變化？AB1122330結(jié)論：關(guān)小閥門使所在支管的流量下降，與之平行的支管內(nèi)流量上升，但總的流量還是減少了。第五節(jié)管路計算

一、阻力對管內(nèi)流動的影響1.簡單管路的計算表示簡單管路中各參數(shù)間關(guān)系的方程如下：

連續(xù)性方程：Bernoulli方程：阻力計算式：摩擦系數(shù)計算式：第五節(jié)管路計算

二、管路計算

已知管徑、管長、管件和閥門的設(shè)置及流體的性質(zhì)、輸送量，求通過管路的能量損失，以便進(jìn)一步確定輸送設(shè)備所加入的外功、設(shè)備內(nèi)的壓強(qiáng)或設(shè)備間的相對位置等。即已知：

求：∑Wf→WS或p2或Dz步驟：①qV,d

,r

,m→Re→流動形態(tài)；

②Re,e/d→l→∑Wf

；

③Bernoulli方程→確定一個未知數(shù)WS或p2或Dz

。第五節(jié)管路計算

二、管路計算1.簡單管路的計算第一類問題：順序求解

已知管徑、管長、管件和閥門的設(shè)置、流體的性質(zhì)及允許的能量損失，求流速或流量。即已知：

求：u（qV）步驟：①設(shè)l設(shè)→②u,d

,r

,m→Re→流動形態(tài)

③Re,e/d→l計

④l設(shè)≠l計→①/l設(shè)=l計→qV=0.785d2u第五節(jié)管路計算

二、管路計算1.簡單管路的計算第二類問題：迭代求解第五節(jié)管路計算

二、管路計算

【例題】——簡單管路已知管長為20m，管徑為53mm，高位槽的安裝高度為4m。管路中有一個標(biāo)準(zhǔn)直角彎頭，一個閘閥。已知水溫為20℃，高位槽液面上方壓強(qiáng)為大氣壓。當(dāng)閘閥開度為1/2時，流量為多少？當(dāng)閘閥全開時，流量又為多少？

已知管長、管件和閥門的設(shè)置、流體的性質(zhì)及流量，求管徑。即已知：

求：d第五節(jié)管路計算

二、管路計算1.簡單管路的計算第三類問題：優(yōu)化求解如補(bǔ)充已知條件∑Wf，則退化為第二類問題。uuopt設(shè)備費總費用費用操作費第五節(jié)管路計算

二、管路計算2.復(fù)雜管路的計算特點：①總流量等于各支管流量之和，即：

②可對任一支管，列出分支或匯合前后的機(jī)械能守恒式。對并聯(lián)管路：第五節(jié)管路計算

二、管路計算

【例題】——并聯(lián)管路在相同的容器1，2內(nèi)填充高度為1m和0.5m的固體顆粒，并以相同的管路并聯(lián)組合。兩支路的管長皆為5m，管徑皆為200mm。直管阻力系數(shù)為0.02。每支管安裝一閘閥。容器1和2的局部阻力系數(shù)各為10和5。已知管路的總流量為0.3m3/s，試求：①當(dāng)兩閥門全開時，兩支路的流量比和并聯(lián)管路的阻力損失；

②當(dāng)兩閥門同時關(guān)小至zC=zD=30時，兩支管的流量比及并聯(lián)管路的阻力損失有何變化？12CDAB第五節(jié)管路計算

二、管路計算

【例題】——并聯(lián)管路

①閥門全開②閥門半開討論：

①對于并聯(lián)管路，若各支管阻力不等，即使直徑相同，也會導(dǎo)致流