【大学课件】化工基础ppt.ppt

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1、化工基础,Principles of Chemical Engineering,http:/,模块一 流体流动和流体输送 Fluid Flow,http:/,项目1：流体静力学压力测量和控制、液位测量,能力目标：1、能正确使用流体静压力测量控制、液位测 量装置；2、能进行流量计的流量调节。,http:/,-内容提要-,流体的基本概念静力学方程及其应用 机械能衡算式及柏努 利方程 流体流动的现象 流动阻力的计算、管路计算,http:/,概 述,流体流动规律是本门课程的重要基础，主要原因有以下三个方面：（1）流动阻力及流量计算（2）流动对传热、传质及化学反应的影响（3）流体的混合效果,化工生产中，

2、经常应用流体流动的基本原理及其流动规律解决关问题。以图1-1为煤气洗涤装置为例来说明：流体动力学问题：流体（水和煤气）在泵（或鼓风机）、流量计以及管道中流动等；流体静力学问题：压差计中流体、水封箱中的水,图1-1 煤气洗涤装置,http:/,流体静力学基本方程(Basic equations of fluid statics),*本节主要内容 流体的密度和压强的概念、单位及换算等；在重力场中的静止流体内部压强的变化规律及其工程应用。*本节的重点 重点掌握流体静力学基本方程式的适用条件及工程应用实例。*本节的难点 本节点无难点。,http:/,流体静力学基本方程,流体静力学主要研究流体流体静止时

3、其内部压强变化的规律。用描述这一规律的数学表达式，称为流体静力学基本方程式。先介绍有关概念：,1.2.1 流体的密度,单位体积流体所具有的质量称为流体的密度。以表示，单位为kg/m3。（1-1)式中-流体的密度，kg/m3；m-流体的质量，kg；V-流体的体积，m3。当V0时，m/V 的极限值称为流体内部的某点密度。,http:/,1.2.1.1 液体的密度 液体的密度几乎不随压强而变化，随温度略有改变，可视为不可压缩流体。纯液体的密度可由实验测定或用查找手册计算的方法获取。混合液体的密度，在忽略混合体积变化条件下，可用下式估算（以1kg混合液为基准），即（1-2）式中i-液体混合物中各纯组分

4、的密度，kg/m3；i-液体混合物中各纯组分的质量分率。,流体的密度,http:/,1.2.1.2 气体的密度 气体是可压缩的流体，其密度随压强和温度而变化。气体的密度必须标明其状态。纯气体的密度一般可从手册中查取或计算得到。当压强不太高、温度不太低时，可按理想气体来换算：（1-3）式中 p 气体的绝对压强,Pa(或采用其它单位)；M 气体的摩尔质量,kg/kmol；R 气体常数,其值为8.315；T 气体的绝对温度，K。,流体的密度,http:/,对于混合气体，可用平均摩尔质量Mm代替M。（1-4）式中yi-各组分的摩尔分率（体积分率或压强分率）。,(下标0表示标准状态),(1-3a),气体

5、的密度,或,http:/,流体的压强及其特性,垂直作用于单位面积上的表面力称为流体的静压强,简称压强。流体的压强具有点特性。工程上习惯上将压强称之为压力。在SI中，压强的单位是帕斯卡，以Pa表示。但习惯上还采用其它单位，它们之间的换算关系为：（2）压强的基准 压强有不同的计量基准：绝对压强、表压强、真空度。,1.2.2.1 流体的压强（1）定义和单位.,1atm=1.033 kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133 bar=1.0133105Pa,http:/,绝对压强 以绝对零压作起点计算的压强，是流体的真实压强。表压强压强表上的读数，表示被测流体的绝对压强比大气压强

6、高出的数值，即:表压强绝对压强大气压强 真空度 真空表上的读数，表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，即:真空度大气压强绝对压强 绝对压强，表压强，真空度之间的关系见图1-2。,图压强的基准和量度,流体的压强,http:/,流体压强的特性,流体压强具有以下两个重要特性：流体压力处处与它的作用面垂直，并且总是指向流体的作用面；流体中任一点压力的大小与所选定的作用面在空间的方位无关。,熟悉压力的各种计量单位与基准及换算关系，对于以后的学习和实际工程计算是十分重要的。,http:/,流体静力学基本方程(Basic equations of fluid statics),推导过程 使用条件 物理意

7、义 工程应用1.2.3.1方程式推导 图1-3所示的容器中盛有密度为的均质、连续不可压缩静止液体。如流体所受的体积力仅为重力，并取z 轴方向与重力方向相反。若以容器底为基准水平面，则液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分别为Z1、Z2。现于液体内部任意划出一底面积为A的垂直液柱。,图1-3流体静力学基本方程推导,http:/,（1）向上作用于薄层下底的总压力，PA（2）向下作用于薄层上底的总压力，（P+dp）A（3）向下作用的重力，由于流体处于静止，其垂直方向所受到的各力代数和应等于零，简化可得：,方程式推导,图1-3流体静力学基本方程推导,http:/,分组讨论：流体静力学方程 在应用注意

8、哪些问题？,http:/,流体静力学基本方程式推导,在图1-4中的两个垂直位置2 和 1 之间对上式作定积分 由于 和 g 是常数，故,（1-5）,（1-5a）,若将图1-4中的点1移至液面上（压强为p0），则式1-5a变为:上三式统称为流体静力学基本方程式。,图1-4静止液体内压力的分布,（1-5b）,Pa,J/kg,http:/,流体静力学基本方程式讨论,(1)适用条件 重力场中静止的，连续的同一种不可压缩流体(或压力 变化不大的可压缩流体,密度可近似地取其平均值）。（2）衡算基准 衡算基准不同，方程形式不同。若将（1-5）式各项均除以密度，可得 将式(1-5b)可改写为：压强或压强差的大

9、小可用某种液体的液柱高度表示，但必须注 明是何种液体。,m,m,（1-5c）,（1-5d）,http:/,流体静力学基本方程式讨论,(3)物理意义,(i)总势能守恒 重力场中在同一种静止流体中不同高度上的微元其静压能和位能各不相同，但其总势能保持不变。(ii)等压面 在静止的、连续的同一种液体内，处于同一水平面上各点的静压强相等-等压面（静压强仅与垂直高度有关，与水平位置无关）。要正确确定等压面。静止液体内任意点处的压强与该点距液面的距离呈线性关系，也正比于液面上方的压强。(iii)传递定律 液面上方的压强大小相等地传遍整个液体。,http:/,休息一下吧！,http:/,静力学基本方程式的应

10、用,流体静力学原理的应用很广泛，它是连通器和液柱压差计工作原理的基础，还用于容器内液柱的测量，液封装置，不互溶液体的重力分离（倾析器）等。解题的基本要领是正确确定等压面。本节介绍它在测量液体的压力和确定液封高度等方面的应用。,1.2.3.1 压力的测量 测量压强的仪表很多，现仅介绍以流体静力学基本方程式为依据的测压仪器-液柱压差计。液柱压差计可测量流体中某点的压力，亦可测量两点之间的压力差。常见的液柱压差计有以下几种。,http:/,普通 U 型管压差计倒 U 型管压差计倾斜 U 型管压差计微差压差计,图1-常见液柱压差计,http:/,（）普通 U 型管压差计,p0,p0,0,p1,p2,R

11、,a,b,U 型管内位于同一水平面上的 a、b 两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等,式中 工作介质密度；0 指示剂密度；R U形压差计指示高度，m；侧端压差，Pa。若被测流体为气体，其密度较指示液密度小得多，上式可简化为,（1-6）,（1-6a）,http:/,(b)倒置 U 型管压差计（Up-side down manometer）,用于测量液体的压差，指示剂密度 0 小于被测液体密度，U 型管内位于同一水平面上的 a、b 两点在相连通的同一静止流体内，两点处静压强相等,由指示液高度差 R 计算压差 若 0,（1-7）,（1-7a）,http:/,(c)微差压差计,在U形微差压计

12、两侧臂的上端装有扩张室，其直径与U形管直径之比大于10。当测压管中两指示剂分配位置改变时，扩展容器内指示剂的可维持在同水平面压差计内装有密度分别为 01 和 02 的两种指示剂。上。有微压差p 存在时，尽管两扩大室液面高差很小以致可忽略不计，但U型管内却可得到一个较大的 R 读数。,对一定的压差 p，R 值的大小与所用的指示剂密度有关，密度差越小，R 值就越大，读数精度也越高。,（1-8）,http:/,【例2-1】,如图所示密闭室内装有测定室内气压的U型压差计和监测水位高度的压强表。指示剂为水银的U型压差计读数 R 为 40mm，压强表读数 p 为 32.5 kPa。试求：水位高度 h。,解

13、：根据流体静力学基本原理，若室外大气压为 pa，则室内气压 po 为,例2-1附图,http:/,液 封 高 度,液封在化工生产中被广泛应用：通过液封装置的液柱高度，控制器内压力不变或者防止气体泄漏。为了控制器内气体压力不超过给定的数值，常常使用安全液封装置（或称水封装置）如图1-6，其目的是确保设备的安全，若气体压力超过给定值，气体则从液封装置排出。,图1-6 安全液封,http:/,液 封 高 度,液封还可达到防止气体泄漏的目的，而且它的密封效果极佳，甚至比阀门还要严密。例如煤气柜通常用水来封住，以防止煤气泄漏。液封高度可根据静力学基本方程式进行计算。设器内压力为p（表压），水的密度为，则

14、所需的液封高度h0 应为 为了保证安全，在实际安装时使管子插入液面下的深度应比计算值略小些，使超压力及时排放；对于后者应比计算值略大些，严格保证气体不泄漏。,（1-9）,http:/,小 结,密度具有点特性，液体的密度基本上不随压强而变化，随温度略有改变；气体的密度随温度和压强而变。混合液体和混合液体的密度可由公式估算。与位能基准一样，静压强也有基准。工程上常用绝对压强和表压两种基准。在计算中，应注意用统一的压强基准。压强具有点特性。流体静力学就是研究重力场中，静止流体内部静压强的分布规律。对流体元(或流体柱)运用受力平衡原理，可以得到流体静力学方程。流体静力学方程表明静止流体内部的压强分布规律或机械能守恒原理。U形测压管或U形压差计的依据是流体静力学原理。应用静力学的要点是正确选择等压面。,http:/,仿真试验：流量计的调节,点击播放,http:/,作业布置：预习连续性方程和柏努利方程。,http:/,与同学们共勉！,http:/,