化工原理主講人:姜美英2/2/20231化工原理緒論課程內(nèi)容流體流動(dòng)第一章液體輸送機(jī)械—離心泵第二章傳熱第三章精餾第四章吸收第五章2/2/20232化工原理緒論化工過(guò)程與單元操作單元操作的特點(diǎn)單元操作的分類單元操作常用基本概念緒論2/2/20233化工原理緒論化工過(guò)程與單元操作原料前處理化學(xué)加工后處理產(chǎn)品除去雜質(zhì)、改變溫度、壓力等物理變化過(guò)程生成新的物質(zhì)，化學(xué)變化過(guò)程精制、分離達(dá)必要的純度，物理變化過(guò)程化學(xué)反應(yīng)過(guò)程—特性—化工單元過(guò)程化工生產(chǎn)過(guò)程物理過(guò)程—共性—化工單元操作2/2/20234化工原理緒論化工生產(chǎn)中共有的操作;物理性操作：只改變物料狀態(tài)和物理性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)變。同一操作用于不同的化工生產(chǎn)過(guò)程，其作用相同、設(shè)備相似

化工單元操作：化工生產(chǎn)中普遍采用的、遵循共同的物理定律、所用設(shè)備相似、作用相同的那些基本操作。什么叫化工單元操作?單元操作三大特點(diǎn)：2/2/20235化工原理緒論按操作的理論基礎(chǔ)劃分以動(dòng)量傳遞為基礎(chǔ)：流體輸送、攪拌、沉降、過(guò)濾，離心分離以熱量傳遞理論為基礎(chǔ)：加熱、冷卻、蒸發(fā)、冷凝以質(zhì)量傳遞理論為基礎(chǔ)：蒸餾、吸收、吸附、萃取

熱、質(zhì)同時(shí)傳遞：干燥、結(jié)晶、增濕、減濕

單元操作分類2/2/20236化工原理緒論問(wèn)題：你車間有哪些化工單元操作？請(qǐng)說(shuō)出五種以上？其作用是什么？單元操作作用所用設(shè)備流體輸送輸送泵、壓縮機(jī)等傳熱改變溫度和相態(tài)換熱器吸收氣體分離吸收塔蒸發(fā)提濃蒸發(fā)器蒸餾液體分離蒸餾塔干燥除濕干燥塔2/2/20237化工原理緒論1、物料衡算：2、能量衡算：3、平衡關(guān)系：4、傳遞速率

單元操作常用基本概念輸入物料量=輸出物料量+物料損失輸入能量=輸出能量+能量損失判斷過(guò)程的方向和極限2/2/20238化工原理緒論第一節(jié)：流體靜力學(xué)第二節(jié)：流體動(dòng)力學(xué)第三節(jié)：流體在管內(nèi)流動(dòng)阻力第一章：流體流動(dòng)2/2/20239化工原理緒論第一節(jié)流體靜力學(xué)一、流體的密度、相對(duì)密度和比容二、流體靜壓強(qiáng)三、靜力學(xué)方程式四、靜力學(xué)方程式的應(yīng)用2/2/202310化工原理緒論一.密度、相對(duì)密度和比容1、密度：?jiǎn)挝惑w積流體的質(zhì)量，稱為流體的密度。第一節(jié)：流體靜力學(xué)常溫下水的密度：1000水銀的密度：1360098%硫酸的密度：1836kg/m3kg/m3kg/m3kg/m3

定義式：影響因素：溫度：T↑，ρ↓壓力：P↑，ρ↑（注意對(duì)液體忽略）常壓下水的密度4℃時(shí):100020℃時(shí):998.2100℃時(shí):958.4kg/m3kg/m3kg/m32/2/202311化工原理緒論3、比容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量流體具有的體積，稱為比容，是密度的倒數(shù)。m3/kg2、相對(duì)密度：在一定條件下，某種流體的密度與在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和4℃的純水的密度之比，稱為相對(duì)密度，又稱比重，用符號(hào)d表示。注意:三者關(guān)系：2/2/202312化工原理緒論1.從手冊(cè)中查得293k乙醇的相對(duì)密度為0.789，則其密度為

，500kg乙醇的體積為

。例(789kg/m3,0.634m3

)2/2/202313化工原理緒論

混合液體（m）假設(shè)各組分在混合前后體積不變，則有——液體混合物中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。氣體當(dāng)壓力不太高、溫度不太低時(shí)，可按理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算：2/2/202314化工原理緒論式中p——?dú)怏w的壓力，kPa；T——?dú)怏w的絕對(duì)溫度，K；M——?dú)怏w的分子量，kg/kmol（千摩爾質(zhì)量）R——通用氣體常數(shù)，8.314kJ/kmol·K。(1-3)氣體密度也可按下式計(jì)算(1-4)

上式中的ρ0＝M/22.4kg/m3為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（即T0=273K及p0=1atm）下氣體的密度。2/2/202315化工原理緒論——混合氣體的平均摩爾質(zhì)量——?dú)怏w混合物中各組分的摩爾(體積)分率。

混合氣體（m）各組分在混合前后質(zhì)量不變，則有——?dú)怏w混合物中各組分的體積分?jǐn)?shù)?；?/2/202316化工原理緒論壓力:流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓強(qiáng)，習(xí)慣上又稱為壓力。

1.定義式:

N/m2或Pa；第一節(jié)：流體靜力學(xué)2.壓力的單位⑴由定義導(dǎo)出:N/m2,kgf/m2⑵用在氣壓表示:物理大氣壓(atm),工程大氣壓(at)⑶用液柱高度表示:mH2OmmHg二、流體靜壓強(qiáng)2/2/202317化工原理緒論1atm=1.013×105Pa=1.033kgf/m2=760mmHg=10.33mH2O1at=98.1kPa=1kgf/m2=735.6mmHg=10mH2O壓強(qiáng)的單位換算關(guān)系:P178附表72/2/202318化工原理緒論2.壓力的表示方法

以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測(cè)得的壓力稱絕對(duì)壓力:反應(yīng)真實(shí)壓力三者關(guān)系:表壓=絕對(duì)壓力－大氣壓力真空度=大氣壓力－絕對(duì)壓力=-表壓兩種基準(zhǔn)絕對(duì)零壓以大氣壓為基準(zhǔn)比大氣壓低的部分稱真空度大氣壓強(qiáng)以大氣壓為基準(zhǔn)比大氣壓高的部分稱表壓。反應(yīng)相對(duì)壓力2/2/202319化工原理緒論絕對(duì)壓力

絕對(duì)壓力

絕對(duì)真空

表壓

真空度

大氣壓

絕對(duì)壓力=大氣壓力+表壓絕對(duì)壓力=大氣壓力－真空度P真空度越大，絕對(duì)壓強(qiáng)越小2/2/202320化工原理緒論流體壓力與作用面垂直，并指向該作用面；任意界面兩側(cè)所受壓力，大小相等、方向相反；作用于任意點(diǎn)不同方向上的壓力在數(shù)值上均相同。3.靜壓力的特性2/2/202321化工原理緒論注意幾點(diǎn):1、壓力表的讀數(shù)為表壓強(qiáng)，真空表的讀數(shù)為真空度。2、標(biāo)注壓強(qiáng)時(shí)，表壓和真空度必須注明，絕對(duì)壓強(qiáng)可不標(biāo)注。如P=100Pa（表壓）、P=100Pa（真空度）3、大氣壓強(qiáng)必須以當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)為準(zhǔn)2/2/202322化工原理緒論2/2/202323化工原理緒論例:PP1、如果當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)以100kPa計(jì)，要求塔頂操作壓強(qiáng)控制為5kPa（絕對(duì)），則塔頂應(yīng)裝真空表還是壓力表？表上讀數(shù)為多少？2、如果塔底壓力表的讀數(shù)為80kPa，問(wèn)塔頂和塔底兩處的絕對(duì)壓強(qiáng)之差為多少？真空度=大氣壓-絕對(duì)壓強(qiáng)

=100-5=95kPa絕對(duì)壓力=大氣壓力+表壓=100+80=180kPa兩處的絕對(duì)壓強(qiáng)之差=180-5=175kPa2/2/202324化工原理緒論例:在蘭州操作的某精餾塔頂?shù)恼婵斩葹?2KPa，問(wèn)在天津操作時(shí)，如果要維持相同的絕對(duì)壓強(qiáng)，真空表的讀數(shù)應(yīng)為多少？(蘭州地區(qū)的大氣壓強(qiáng)為85.33KPa，天津地區(qū)的大氣壓強(qiáng)為101.33KPa。)P蘭州，絕對(duì)=85.33-82=3.33KPa=P蘭州，絕對(duì)P天津，絕對(duì)=P蘭州，絕對(duì)P天津，真空度=P天津，大氣壓-P天津，絕對(duì)

=101.33-3.33=98KPa2/2/202325化工原理緒論在垂直方向上作用于液柱的力有：下底面所受之向上總壓力為p2A；上底面所受之向下總壓力為p1A；整個(gè)液柱之重力G＝ρgA(Z1-Z2)。

現(xiàn)從靜止液體中任意劃出一垂直液柱，如圖所示。液柱的橫截面積為A，液體密度為ρ，若以容器器底為基準(zhǔn)水平面，則液柱的上、下底面與基準(zhǔn)水平面的垂直距離分別為Z1和Z2，以p1與p2分別表示高度為Z1及Z2處的壓力。

p0p1p2Gz2z11、方程的推導(dǎo)三、流體靜力學(xué)方程式2/2/202326化工原理緒論上兩式即為液體靜力學(xué)基本方程式.p2＝p1＋ρg(Z1-Z2)（1-10）p2＝p0＋ρgh

如果將液柱的上底面取在液面上，設(shè)液面上方的壓力為p0，液柱Z1-Z2＝h，則上式可改寫為在靜止液體中，上述三力之合力應(yīng)為零，即：p2A－p1A－ρgA(Z1-Z2)＝0（1-11）2/2/202327化工原理緒論2、靜止流體內(nèi)部壓強(qiáng)的變化規(guī)律：

1）當(dāng)液面上方的壓力一定時(shí)，在靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)壓力的大小，與液體本身的密度和該點(diǎn)距液面的深度有關(guān)。與容器形狀無(wú)關(guān)。3）當(dāng)液面的上方壓力p0有變化時(shí)，必將引起液體內(nèi)部各點(diǎn)壓力發(fā)生同樣大小的變化。p2＝p0＋ρgh可改寫為

由上式可知，壓力或壓力差的大小可用液柱高度表示。

2）因此，在靜止的、連續(xù)的同一液體內(nèi)，處于同一水平面上的各點(diǎn)的壓力都相等。此壓力相等的水平面，稱為等壓面。2/2/202328化工原理緒論小結(jié)統(tǒng)稱靜力學(xué)基本方程

J/kgPamP0P1P2Z1Z2h2/2/202329化工原理緒論1、某塔高30m,現(xiàn)進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，離塔底10m高處的壓強(qiáng)計(jì)讀數(shù)為500KPa,如圖所示。當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為100KPa.求塔底和塔頂處水的壓強(qiáng)。例30m10m解：距塔底10m高處水的絕對(duì)壓強(qiáng)P=P表+P大=500+100=600KPa已知：h1=10m，h2=30m，則P底=600+1000×9.81×10×10-3=698KPa=600-1000×9.81×（30-10）×10-3=404KPa2/2/202330化工原理緒論3、靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用（一）壓力測(cè)量

測(cè)量壓強(qiáng)的儀表很多，現(xiàn)僅介紹以流體靜力學(xué)基本方程式為依據(jù)的測(cè)壓儀器---液柱壓差計(jì)。液柱壓差計(jì)可測(cè)量流體中某點(diǎn)的壓力，亦可測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的壓力差。常見(jiàn)的液柱壓差計(jì)有以下幾種：2/2/202331化工原理緒論普通U型管壓差計(jì)倒U型管壓差計(jì)傾斜U型管壓差計(jì)微差壓差計(jì)

常見(jiàn)液柱壓差計(jì)

2/2/202332化工原理緒論1.U形管液柱壓差計(jì)

設(shè)指示液的密度為被測(cè)流體的密度為A與A′面為等壓面，即而p1p2mRAA’2/2/202333化工原理緒論所以整理得若被測(cè)流體是氣體，，則有p1p2mRAA’2/2/202334化工原理緒論討論：①U形管壓差計(jì)可測(cè)系統(tǒng)內(nèi)兩點(diǎn)的壓力差，當(dāng)將U形管一端與被測(cè)點(diǎn)連接、另一端與大氣相通時(shí)，也可測(cè)得流體的表壓或真空度。p1paR表壓p1paR真空度P14例1-5，1-62/2/202335化工原理緒論②指示液的選?。褐甘疽号c被測(cè)流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；其密度要大于被測(cè)流體密度。根據(jù)⊿P一定時(shí)，R與成反比，R↑，↓應(yīng)根據(jù)被測(cè)流體的種類及壓差的大小選擇指示液。

注意：用U管壓強(qiáng)計(jì)測(cè)壓強(qiáng)時(shí)，所測(cè)壓強(qiáng)只有指示劑讀數(shù)、流體密度、指示劑密度有關(guān)，與U管的長(zhǎng)短、粗細(xì)和連接方式無(wú)關(guān)2/2/202336化工原理緒論若U形壓差計(jì)安裝在傾斜管路中，此時(shí)讀數(shù)R反映了什么？p1p2z2RAA’z1思考：2/2/202337化工原理緒論

gRpp)(021-=-rr或可見(jiàn)R反映的是勢(shì)能差。只有當(dāng)管子水平時(shí)，才有2/2/202338化工原理緒論2.倒U形管壓差計(jì)

指示劑為被測(cè)流體。適用范圍：用于測(cè)量液體的壓差，指示劑密度

0小于被測(cè)液體密度

若>>0（1-7a）（Up-sidedownmanometer）2/2/202339化工原理緒論3.斜管壓差計(jì)

適用于壓差較小的情況。值越小，讀數(shù)放大倍數(shù)越大。

2/2/202340化工原理緒論4.微差壓差計(jì)

有微壓差p存在時(shí)，盡管兩擴(kuò)大室液面高差很小以致可忽略不計(jì)，但U型管內(nèi)卻可得到一個(gè)較大的R讀數(shù)。適用于壓差較小的場(chǎng)合密度接近但不互溶的兩種指示液A和C；擴(kuò)大室內(nèi)徑與U管內(nèi)徑之比應(yīng)大于10。對(duì)一定的壓差p，R值的大小與所用的指示劑密度有關(guān)，密度差越小，R值就越大，讀數(shù)精度也越高。2/2/202341化工原理緒論2/2/202342化工原理緒論（二）液位測(cè)量

1.近距離液位測(cè)量裝置

壓差計(jì)讀數(shù)R反映出容器內(nèi)的液面高度。

液面越高，h越小，壓差計(jì)讀數(shù)R越?。划?dāng)液面達(dá)到最高時(shí)，h為零，R亦為零。2/2/202343化工原理緒論2.遠(yuǎn)距離液位測(cè)量裝置

管道中充滿氮?dú)?，其密度較小，近似認(rèn)為

而所以

ABP17例1-72/2/202344化工原理緒論2/2/202345化工原理緒論（三）

液封高度的計(jì)算

確保設(shè)備安全：當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，氣體從液封管排出；防止氣柜內(nèi)氣體泄漏。2.液封高度：1.液封作用：P17例1-82/2/202346化工原理緒論2/2/202347化工原理緒論某廠為了控制乙炔發(fā)生爐內(nèi)的壓強(qiáng)不超過(guò)10.7×108Pa（表），需在爐外裝有安全液封裝置，某作用是當(dāng)爐內(nèi)壓強(qiáng)超過(guò)規(guī)定值時(shí)，氣體就從液封管2中排出，試求此爐的安全液封管應(yīng)插入槽內(nèi)水面下的深度h。例:h解：以液封管口為基準(zhǔn)水平面0－0’,并取a、b兩點(diǎn)，如圖所示。則pa=pb=P所以：p=p0+ghh=p/g=1.09mp0Pabp0=0（表壓）2/2/202348化工原理緒論第二節(jié)流體動(dòng)力學(xué)一、流量與流速二、穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)三、穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的物料衡算——連續(xù)性方程四、穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的能量衡算——伯努利方程五、伯努利方程的應(yīng)用研究流體流動(dòng)時(shí)的基本規(guī)律2/2/202349化工原理緒論2)質(zhì)量流量:單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的質(zhì)量，稱為質(zhì)量流量，以qm表示，其單位為kg/s或者kg/h。1）體積流量:單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的體積，稱為體積流量，以qV表示，其單位為m3/s。qV,m3/h一、流量與流速1、流量體積流量與質(zhì)量流量之間的關(guān)系為：qm=ρqv

（1-14）單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體的量，稱為流量，以V表示，其單位為m3/s。2/2/202350化工原理緒論實(shí)驗(yàn)證明，流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于流體具有粘性，管道橫截面上流體質(zhì)點(diǎn)速度是沿半徑變化的。管道中心流速最大，愈靠管壁速度愈小，在緊靠管壁處，由于液體質(zhì)點(diǎn)粘附在管壁上，其速度等于零。流速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離。一般是指平均流速。用u表示,單位為m/s2、流速2/2/202351化工原理緒論流速與流量的關(guān)系：

流量與流速關(guān)系為：式中A——管道的截面積，m2圓形管道：2/2/202352化工原理緒論單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道單位截面積的質(zhì)量稱為質(zhì)量流速。它與流速及流量的關(guān)系為：

G＝qm/A=ρAu/A=ρu

（1-17）由于氣體的體積與溫度、壓力有關(guān)，顯然，當(dāng)溫度、壓力發(fā)生變化時(shí)，氣體的體積流量與其相應(yīng)的流速也將之改變，但其質(zhì)量流量不變。此時(shí)，采用質(zhì)量流速比較方便。

3、質(zhì)量流速2/2/202353化工原理緒論對(duì)于圓形管道：流量qV一般由生產(chǎn)任務(wù)決定。流速選擇：4.管徑的估算↑→d↓→設(shè)備費(fèi)用↓流動(dòng)阻力↑→動(dòng)力消耗↑

→操作費(fèi)↑均衡考慮uu適宜費(fèi)用總費(fèi)用設(shè)備費(fèi)操作費(fèi)2/2/202354化工原理緒論例1-7某廠要求安裝一根輸水量為30m3/h的管道，試選擇合適的管徑。解：依式（1-18）管內(nèi)徑為選取水在管內(nèi)的流速u＝1.8m/s(自來(lái)水1-1.5,水及低粘度液體1.5-3.0)2/2/202355化工原理緒論思考?在流量一定的情況下,管徑是否越小越好?2/2/202356化工原理緒論二、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量?jī)H隨位置變化，而不隨時(shí)間變化；

不穩(wěn)態(tài)流動(dòng)：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時(shí)間變化。穩(wěn)定流動(dòng)不穩(wěn)定流動(dòng)2/2/202357化工原理緒論說(shuō)明：穩(wěn)定流動(dòng)中，流速、壓強(qiáng)等有關(guān)物理參數(shù)只隨空間位置而變，而與時(shí)間無(wú)關(guān)。而不穩(wěn)定流動(dòng)中，流速、壓強(qiáng)等物理參數(shù)除與空間位置有關(guān)外，還與時(shí)間有關(guān)。在正常情況下，連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的流體流動(dòng)多屬于穩(wěn)定流動(dòng)。本著重討論穩(wěn)定流動(dòng)問(wèn)題。2/2/202358化工原理緒論三、連續(xù)性方程式如圖所示：對(duì)于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)，在管路中流體沒(méi)有增加和漏失的情況下：輸入物料量=輸出物料量推廣至任意截面

——連續(xù)性方程式11221、流體連續(xù)性的假設(shè)：1)連續(xù)不間斷;1)充滿整個(gè)管道

2、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的物料衡算-連續(xù)性方程2/2/202359化工原理緒論1、如果流體液體，2、如果是圓形管道：結(jié)論二：流速與管內(nèi)徑的平方成反比。討論：結(jié)論一：流速與管道截面積成反比注意：流速的變化規(guī)律與管路情況無(wú)關(guān)2/2/202360化工原理緒論四、穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的能量衡算--伯努利方程式（一）流體在流動(dòng)過(guò)程中的能量分析1、本身具有的機(jī)械能能量2、從外界獲得的能量3、流動(dòng)過(guò)程中損失的能量以每Kg為基準(zhǔn)外加功：每kg流體從外界獲得的能量用We表示能量損失：每kg流體在流動(dòng)過(guò)程中損失的能量用∑hf表示2/2/202361化工原理緒論220011z2z1Z1、Z2:分別表示1-1和2-2截面與基準(zhǔn)面的垂直距離u1、u2:分別表示流體在1-1和2-2截面處的流速P1、P2:分別表示流體在1-1和2-2截面處的壓強(qiáng)2/2/202362化工原理緒論衡算基準(zhǔn)1-1截面2-2截面位能動(dòng)能靜壓能位能動(dòng)能靜壓能外加功能量損失1kg(J/kg)1N(m)各種能量的表達(dá)式：輸入系統(tǒng)的能量能量損失輸出系統(tǒng)的能量能量衡算式：=+2/2/202363化工原理緒論（二）穩(wěn)定系統(tǒng)中的能量衡算輸入能量=輸出能量+能量損失以每kg為基準(zhǔn)單位J/kg（1）——單位質(zhì)量流體所具有的位能，J/kg；——單位質(zhì)量流體所具有的靜壓能，J/kg；——單位質(zhì)量流體所具有的動(dòng)能，J/kg。各項(xiàng)意義：2/2/202364化工原理緒論將(1)式各項(xiàng)同除重力加速度g:式中各項(xiàng)單位為z——位壓頭——?jiǎng)訅侯^——靜壓頭總壓頭壓頭：?jiǎn)挝恢亓苛黧w所具有的能量。單位是m2/2/202365化工原理緒論其中He——外加壓頭或有效壓頭，m;Σhf——壓頭損失，m。以每N重流體為衡算基準(zhǔn)以每kg重流體為衡算基準(zhǔn)2/2/202366化工原理緒論（三）伯努利方程的討論

1、如沒(méi)有能量損失（稱理想流體）且沒(méi)有外加功則：表明理想流體的機(jī)械能守恒，流體流動(dòng)的過(guò)程各種能量可以相互轉(zhuǎn)化，流體流動(dòng)的過(guò)程也就是能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程。2/2/202367化工原理緒論思考1122112

2如圖所示問(wèn)流動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能、位能、靜壓能如何變化？動(dòng)能：變小

位能：不變

靜壓能：靜壓能增大動(dòng)能：不變

位能：減小

靜壓能：靜壓能增大2/2/202368化工原理緒論2、實(shí)際流體，如果沒(méi)有外加能量，其自發(fā)流動(dòng)的方向只能從高能量處向低能量處流動(dòng)，反之必須輸入外加能量泵的有效功率Ne：軸功率：2/2/202369化工原理緒論3、若流體處于靜止，u=0，Σhf=0，W=0，則柏努利方程變?yōu)檎f(shuō)明柏努利方程即表示流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也表示流體靜止?fàn)顟B(tài)的規(guī)律。2/2/202370化工原理緒論4、伯努利方程式適用于不可壓縮性流體。對(duì)于可壓縮性流體，當(dāng)時(shí)，仍可用該方程計(jì)算，但式中的密度ρ應(yīng)以兩截面的平均密度ρm代替。2/2/202371化工原理緒論五、伯努利方程的應(yīng)用管內(nèi)流體的流量；輸送設(shè)備的功率；管路中流體的壓力；容器間的相對(duì)位置等。利用伯努利方程與連續(xù)性方程，可以確定：2/2/202372化工原理緒論（1）根據(jù)題意畫出流動(dòng)系統(tǒng)的示意圖，標(biāo)明流體的流動(dòng)方向，定出上、下游截面，明確流動(dòng)系統(tǒng)的衡算范圍；1、應(yīng)用注意事項(xiàng)（2）選取截面—目的是確定衡算范圍原則：1、與流體的流動(dòng)方向相垂直；兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動(dòng)；2、一律以上游為1-1截面，下游為2-2截面；3、截面宜選在已知量多、計(jì)算方便處。2/2/202373化工原理緒論（4）各物理量的單位應(yīng)保持一致，壓力表示方法也應(yīng)一致，即同為絕壓或同為表壓。（3）選取基準(zhǔn)面——確定Z值1、必須與地面平行；2、宜于選取兩截面中位置較低的截面；3、若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準(zhǔn)面應(yīng)選過(guò)管中心線的水平面。2/2/202374化工原理緒論2、伯努利方程式在生產(chǎn)中的應(yīng)用1)確定容器間的相對(duì)位置2）計(jì)算流量、流速3）求泵的有效功率4）計(jì)算用壓縮氣體壓送液體時(shí)氣體的壓強(qiáng)2/2/202375化工原理緒論1、如圖所示，水槽液面至出水管口的垂直距離保持6.2m，水管為Φ114×4mm的鋼管，能量損失為58.8J/kg。求水的體積流量。例解:取

為1-2截面取

為2-2截面取

為基準(zhǔn)水平面在1-1和2-2截面間列式:11226.2m水管出口處水槽液面水管出口中心線所在的水平面2/2/202376化工原理緒論式中：Z1=6.2m，Z2=0；u1=0；P1=P2=0(表壓)；Σhf=58.8J/kg代入上式：解得u2=2.01m/sqv=u2A2=2.01×=0.0177m3/s=63.9m3/h2/2/202377化工原理緒論2、有一個(gè)二氧化碳水洗塔的供水系統(tǒng)（如圖所示），水洗塔內(nèi)絕對(duì)壓強(qiáng)為2100KPa，貯槽水面絕對(duì)壓強(qiáng)為300kPa，塔內(nèi)水管與噴頭連接處高于貯槽水面20m，管路為φ57×2.5mm鋼管，送水量為15m3/h，塔內(nèi)水管與噴頭連接處的絕對(duì)壓強(qiáng)為2250KPa，設(shè)能量損失為49J/Kg，求水泵的有效功率。解：取水槽水面為1-1截面，取塔內(nèi)水管與噴頭連接處為2-2截面，基準(zhǔn)面與1-1截面重合，2/2/202378化工原理緒論式中：z1=0，z2=20m；P1=300KPa=3×105Pa，P2=2250KPa=2.25×106Pa，ρ=1000kg/m3；u1=0,u2=m/sΣhf=49J/Kg

將以上數(shù)值代入伯努利方程式中：在1-1，和2-2，截面間列伯努利方程式：2/2/202379化工原理緒論解得：We=2197J/KgNe=Weqm=We×qv×ρ=2197××1000=9154W=9.15KW2/2/202380化工原理緒論第三節(jié)流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力1、阻力的表示法：(1):單位質(zhì)量流體產(chǎn)生的阻力損失(J/kg).(2):單位重量流體產(chǎn)生的阻力損失(J/N=m).(3):單位體積流體產(chǎn)生的阻力損失(J/m3=Pa).一、流體阻力的來(lái)源2/2/202381化工原理緒論注意：壓力損失是流體流動(dòng)能量損失的一種表示形式，與兩截面間的壓力差意義不同，只有當(dāng)管路為水平、管徑不變且無(wú)外功加入時(shí)，二者才相等。2/2/202382化工原理緒論2、流體阻力的表現(xiàn)

如圖所示實(shí)驗(yàn)hh1h2第一步：關(guān)閉閥門現(xiàn)象：h=h1=h21

●2

●根據(jù)：∵h(yuǎn)1=h2∴P1=P2根據(jù)伯努利方程式結(jié)論一：靜止流體沒(méi)有阻力=02/2/202383化工原理緒論2、流體阻力的表現(xiàn)

如圖所示實(shí)驗(yàn)hh1h2第二步：打開(kāi)閥門現(xiàn)象：h>h1>h21

●2

●根據(jù)：∵h(yuǎn)1>h2∴P1>P2根據(jù)伯努利方程式結(jié)論二：只要流動(dòng)就有阻力>02/2/202384化工原理緒論2、流體阻力的表現(xiàn)

如圖所示實(shí)驗(yàn)hh1h2第三步：開(kāi)大閥門，流速增大1

●2

●現(xiàn)象：h1-h2↑根據(jù)伯努利方程式結(jié)論三：流速越大，阻力越大流體的流動(dòng)阻力表現(xiàn)為靜壓能的減少；水平安裝時(shí)，流動(dòng)阻力恰好等于兩截面的靜壓能之差。

說(shuō)明∴P1-P2↑2/2/202385化工原理緒論3、流體阻力的來(lái)源

液體對(duì)固體壁面有附著力液體之間有吸引力液體分層運(yùn)動(dòng)層與層之間的作用力稱內(nèi)摩擦力1）內(nèi)摩擦力：2）產(chǎn)生阻力的原因？1、內(nèi)摩擦力是產(chǎn)生阻力的根本原因。也稱第一位原因（內(nèi)因）2、流動(dòng)狀態(tài)是產(chǎn)生流動(dòng)阻力的第二位原因。3、管路情況對(duì)阻力大小也有影響.(外因)2/2/202386化工原理緒論二、流體的粘度（動(dòng)力粘度）

1.粘性：流體具有內(nèi)摩擦力的性質(zhì)稱粘性.2、粘度：衡量粘性大小的物理量。用符號(hào)表示。

越大，表明流體的流動(dòng)性越差，在相同的流動(dòng)情況下，流動(dòng)阻力越大3.粘度的單位SI制：Pa·s或kg/(m·s)物理制：cP(厘泊）換算關(guān)系1cP＝10-3Pa·s2/2/202387化工原理緒論4.運(yùn)動(dòng)粘度粘度μ與密度ρ之比。m2/s5、影響粘度的因素：溫度和壓強(qiáng)(極小,一般可忽略)液體:T↑→↓氣體:一般T↑→↑超高壓p↑→↑2/2/202388化工原理緒論三、流體流動(dòng)類型與雷諾準(zhǔn)數(shù)1、流體的流動(dòng)類型（兩種）雷諾實(shí)驗(yàn)2/2/202389化工原理緒論A圖：流速小時(shí)，有色流體在管內(nèi)沿軸線方向成一條直線。表明，水的質(zhì)點(diǎn)在管內(nèi)都是沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，各層之間沒(méi)有質(zhì)點(diǎn)的遷移。B圖：當(dāng)開(kāi)大閥門使水流速逐漸增大到一定數(shù)值時(shí)，有色細(xì)流便出現(xiàn)波動(dòng)而成波浪形細(xì)線，并且不規(guī)則地波動(dòng)；C圖：速度再增，細(xì)線的波動(dòng)加劇，整個(gè)玻璃管中的水呈現(xiàn)均勻的顏色。顯然，此時(shí)流體的流動(dòng)狀況已發(fā)生了顯著地變化。

2/2/202390化工原理緒論層流（或滯流）：流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)無(wú)徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合；湍流（或紊流）：流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前流動(dòng)外，還有徑向脈動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時(shí)變化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。影響流型的因素：管徑（d)m流速（u)m/s密度粘度越大越勢(shì)于湍流越小越勢(shì)于湍流2/2/202391化工原理緒論2、雷諾準(zhǔn)數(shù)

單位為1的數(shù)群稱準(zhǔn)數(shù)

這數(shù)群稱為雷諾準(zhǔn)數(shù)或雷諾準(zhǔn)數(shù)用Re表示。3、流型判據(jù)：Re≤2000時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；Re≥4000時(shí)，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；2000<Re<4000

時(shí)，流動(dòng)可能是層流，也可能是湍流，該區(qū)稱為不穩(wěn)定的過(guò)渡區(qū)。2/2/202392化工原理緒論Re的物理意義

Re反映了流體流動(dòng)中的湍動(dòng)程度。Re值越大，湍動(dòng)程度越大，流動(dòng)阻力越大

4、湍流時(shí)的速度分布

湍流時(shí)u=0.8umax滯流時(shí)u=0.5umax2/2/202393化工原理緒論5、層流內(nèi)層湍流流動(dòng)時(shí)沿徑向分為三層：湍流主體、過(guò)渡層、層流內(nèi)層緊靠管壁處作層流流動(dòng)的流體層2/2/202394化工原理緒論四流體流動(dòng)阻力的計(jì)算直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時(shí)由于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力；用h直表示局部阻力：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。用h局表示

1、管路中阻力的分類（兩類）2、阻力計(jì)算總阻力=直管阻力+局部阻力2/2/202395化工原理緒論2、阻力計(jì)算1）直管阻力J/kg式中：l—管長(zhǎng)md—管徑mu—流速m/s

為阻力系數(shù)，——直管阻力通式（范寧公式）

2/2/202396化工原理緒論壓頭損失m壓力損失Pa2/2/202397化工原理緒論滯流區(qū)光滑管過(guò)渡區(qū)湍流區(qū)完全湍流，粗糙管2/2/202398化工原理緒論上圖可以分成4個(gè)不同區(qū)域。層流區(qū)：Re2000，=64/Re，與/d無(wú)關(guān)。過(guò)渡區(qū)：2000<Re<4000與Re和/d有關(guān)。湍流區(qū)：Re4000,與Re和/d有關(guān)。與Re和/d有關(guān)。完全湍流區(qū)(阻力平方區(qū))：與Re無(wú)關(guān)，僅與/d有關(guān)。Re越大,越小2/2/202399化工原理緒論2)局部阻力（1）阻力系數(shù)法

將局部阻力表示為動(dòng)能的某一倍數(shù)。

或

ζ——局部阻力系數(shù)

J/kgJ/N=mP36表1-32/2/2023100化工原理緒論（二）當(dāng)量長(zhǎng)度法將流體流過(guò)管件或閥門的局部阻力，折合成直徑相同、長(zhǎng)度為le的直管所產(chǎn)生的阻力。le——

管件或閥門的當(dāng)量長(zhǎng)度，m。P37表1-42/2/2023101化工原理緒論3、流體在管路中的總阻力減少流動(dòng)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。2/2/2023102化工原理緒論（三）阻力對(duì)管內(nèi)流動(dòng)的影響pApBpaF1122AB閥門F開(kāi)度減小時(shí)：（1）閥關(guān)小，閥門局部阻力系數(shù)↑

→

hf,A-B

↑→流速u↓→即流量↓；

2/2/2023103化工原理緒論（2）在1-A之間，由于流速u↓→hf,1-A

↓

→pA↑；

（3）在B-2之間，由于流速u↓→hf,B-2

↓

→pB↓。

結(jié)論：（1）當(dāng)閥門關(guān)小時(shí)，其局部阻力增大，將使管路中流量下降；（2）下游阻力的增大使上游壓力上升；（3）上游阻力的增大使下游壓力下降?？梢?jiàn)，管路中任一處的變化，必將帶來(lái)總體的變化，因此必須將管路系統(tǒng)當(dāng)作整體考慮。2/2/2023104化工原理緒論2、某廠有一精餾塔，要求塔頂壓強(qiáng)保持在5kPa，假定當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為100kPa，則塔頂真空表的讀數(shù)應(yīng)該控制在

。(95kPa)3、影響流體密度的因素有

和

，但

對(duì)液體密度的影響很小。(壓強(qiáng)、溫度、壓強(qiáng)

)4、在沒(méi)有外加能量的情況下，流體的流動(dòng)方向總是從

自動(dòng)地向

處流動(dòng)，反之，必須

。(高壓頭處、低壓頭處、提供外加能量

)5、有一臺(tái)離心泵，其吸入管上真空表的讀數(shù)為80KPa，壓出管上壓力表的讀數(shù)為45KPa,則兩處的絕對(duì)壓強(qiáng)之差為

。(125kPa

)6、液體的流動(dòng)性隨溫度的升高而

，氣體的流動(dòng)性隨溫度的升高而

。(增加減小

)2/2/2023105化工原理緒論7、相對(duì)密度為1.84的硫酸在5m深處的表壓強(qiáng)為

。(9.03×104Pa

)8、液體在圓形管道中作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，若管道截面積增大一倍，其流速將

。(減小一倍

)9、流體在等徑傾斜管