化工原理-精选版课件.ppt
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- 化工 原理 精选 课件
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1、第一章 流体流动精心整理化工原理化工原理概概 述述三传三传动量传递动量传递热量传递热量传递质量传递质量传递物质的三种常规聚集状态:物质的三种常规聚集状态:固体、液体和气体固体、液体和气体。流流体体v流体质点:流体质点:由大量分子构成的微团,其尺寸远小于设备由大量分子构成的微团,其尺寸远小于设备尺寸,但却远大于分子自由程。尺寸,但却远大于分子自由程。v连续介质:连续介质:质点在流体内部紧紧相连,彼此间没有间隙,质点在流体内部紧紧相连,彼此间没有间隙,即流体充满所占空间。即流体充满所占空间。v在研究流体流动时,常摆脱复杂的分子运动和分子间相在研究流体流动时,常摆脱复杂的分子运动和分子间相互作用,从
2、互作用,从宏观宏观角度出发,将流体视为由无数流体质点角度出发,将流体视为由无数流体质点(或微团)组成的(或微团)组成的连续连续介质。介质。2023-1-7化工原理化工原理不可压缩流体:不可压缩流体:流体的体积不随压力变化而变流体的体积不随压力变化而变 化,如液体。化,如液体。可压缩性流体:可压缩性流体:流体的体积随压力发生变化,流体的体积随压力发生变化,如气体。如气体。流体的特征流体的特征具有流动性;具有流动性;无固定形状,随容器形状而变化;无固定形状,随容器形状而变化;受外力作用时内部产生相对运动。受外力作用时内部产生相对运动。一般一般液体液体的体积随压强和温度变化很小,可视为的体积随压强和
3、温度变化很小,可视为不可压缩不可压缩性流体;而对于性流体;而对于气体气体,当压强和温度变化时,体积会有较,当压强和温度变化时,体积会有较大的变化,常视为可压缩性流体,但如果压强和温度的变大的变化,常视为可压缩性流体,但如果压强和温度的变化率不大时,该气体也可近似地按不可压缩性流体处理。化率不大时,该气体也可近似地按不可压缩性流体处理。2023-1-7化工原理化工原理单组分与多组分单组分与多组分单相流与多相流单相流与多相流单组分体系单组分体系只含有一种物质,组成均匀且无化学反应只含有一种物质,组成均匀且无化学反应。例:纯水、氧气、氮气等,空气有时也被视作单组分体系。例:纯水、氧气、氮气等,空气有
4、时也被视作单组分体系。多组分体系多组分体系中各物质有浓度变化及由此引起的体系性质改变。中各物质有浓度变化及由此引起的体系性质改变。单相流体系:单相流体系:体系所含的物质只有一种相态,其主要特征是体系所含的物质只有一种相态,其主要特征是体系内部不存在相界面及相间传递,体系的各种性质在空间体系内部不存在相界面及相间传递,体系的各种性质在空间连续分布。连续分布。多相流体系:多相流体系:体系内含两种或两种以上相态的物质,其主要体系内含两种或两种以上相态的物质,其主要特征是体系内存在气特征是体系内存在气(汽汽)-液、气液、气-固或液固或液-固、液固、液-液相界面,液相界面,且界面上的传递速率对体系的性质
5、具有重要影响。且界面上的传递速率对体系的性质具有重要影响。2023-1-7化工原理化工原理掌握掌握内容内容1、流体的密度和粘度的定义、单位、影响因、流体的密度和粘度的定义、单位、影响因素及数据的求取;素及数据的求取;2、压强的定义、表示法及单位换算;、压强的定义、表示法及单位换算;3、流体静力学基本方程、连续性方程、柏努、流体静力学基本方程、连续性方程、柏努利方程及应用;利方程及应用;4、流动型态及其判断,雷诺准数的物理意义、流动型态及其判断,雷诺准数的物理意义及计算;及计算;5、流体在管内流动时流动阻力计算;、流体在管内流动时流动阻力计算;6、简单管路的设计计算;、简单管路的设计计算;7、因
6、次分析法的原理、依据、结果及应用。、因次分析法的原理、依据、结果及应用。流体流动是最普遍的化工单元操作之一,研究流体流动问流体流动是最普遍的化工单元操作之一,研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。题也是研究其它化工单元操作的重要基础。2023-1-7化工原理化工原理1、流体的连续性和压缩性、定态流、流体的连续性和压缩性、定态流动与非定态流动;动与非定态流动;2、层流与湍流的特征;、层流与湍流的特征;3、管内流体速度分布公式及应用;、管内流体速度分布公式及应用;4、哈根、哈根-泊谡叶方程式的推导;泊谡叶方程式的推导;5、复杂管路计算要点;、复杂管路计算要点;6、正确使用各种数据图表
7、;、正确使用各种数据图表;7、边界层的概念。、边界层的概念。熟悉熟悉内容内容1、牛顿型流体与非牛顿型流体;、牛顿型流体与非牛顿型流体;2、层流内层与边界层,边界层的分离。、层流内层与边界层,边界层的分离。了解了解内容内容2023-1-7化工原理化工原理流体静力学基本方程流体静力学基本方程1.1流体流动的基本方程流体流动的基本方程1.2流体流动现象流体流动现象1.3流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力1.4管路计算管路计算1.5流速和流量测量流速和流量测量1.6本章本章内容内容2023-1-7化工原理化工原理第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程3 3流体静力学方程流体静力学方程
8、2 2流体的压强流体的压强1 1流体的密度流体的密度4 4流体静力学方程的应用流体静力学方程的应用2023-1-7化工原理化工原理重点:重点:静力学基本方静力学基本方程式及其应用程式及其应用本节的重本节的重点及难点点及难点难点:难点:U形压差计的形压差计的测量测量 第一节第一节 流体静力学基本方程流体静力学基本方程2023-1-7化工原理化工原理1、流体密度的定义、流体密度的定义 单位体积流体的质量,称为流体的密度。单位体积流体的质量,称为流体的密度。一、流体的密度一、流体的密度VmSI单位:单位:kg/m3),(TPf流体的密度,流体的密度,kg/m3;m流体的质量,流体的质量,kg;V流体
9、的体积,流体的体积,m3。对一定的流体,其密度是压强和温度的函数,即对一定的流体,其密度是压强和温度的函数,即2、影响、影响的主要因素的主要因素液体:液体:tf不可压缩性流体不可压缩性流体(体积不随压力变化)(体积不随压力变化)气体:气体:ptf,可压缩性流体可压缩性流体流流体体2023-1-7化工原理化工原理取取1kg液体,令液体混合物中各组分的质量分率分别为液体,令液体混合物中各组分的质量分率分别为:,wnwBwAxxx、总其中mmxiwiiwimxkgm 1时,时,当当总总wAwBwnABnmmxxxV总总假设混合后总体积不变:假设混合后总体积不变:3、液体密度的计算、液体密度的计算(1
10、)纯组分液体)纯组分液体的密度其变化关系可从手册中查得。的密度其变化关系可从手册中查得。(2)混合液体的密度)混合液体的密度通常液体可视为不可压缩流体,其密度仅随温度略有变化通常液体可视为不可压缩流体,其密度仅随温度略有变化(极高压强除外)。(极高压强除外)。2023-1-7化工原理化工原理液体混合物密度计算式液体混合物密度计算式式中式中 液体混合物中各组分质量分率;液体混合物中各组分质量分率;液体混合物中各纯组分密度,液体混合物中各纯组分密度,kg/m3。wnwBwAxxx,nBA,4、气体密度的计算气体密度的计算(1)单组分气体的密度)单组分气体的密度理想气体在标况下的密度为:理想气体在标
11、况下的密度为:4.220M1wAwBwnmABnxxx 例如:标况下的空气,例如:标况下的空气,4.220M4.22293/29.1mkg2023-1-7化工原理化工原理TTppMTppT000004.22 或或 由理想气体方程求得操作条件(由理想气体方程求得操作条件(T,P)下的密度)下的密度操作条件下(操作条件下(T,P)下的密度:)下的密度:TTpp000RTpM即即RTPMnRTPV VmVnMRTVPVM2023-1-7化工原理化工原理取取1m3 的气体为基准,令各组分的体积分数为:的气体为基准,令各组分的体积分数为:xVA,xVB,xVn,其中其中:总VVxiVii =1,2,.,
12、n混合物中各组分的质量为:混合物中各组分的质量为:iViVx知,由Vm,.,AVABVBnVnxxx当当V总总=1m3时,时,若混合前后,气体的质量不变:若混合前后,气体的质量不变:A VAB VBn nmmxxxV总总当当V总总=1m3时时,mA VABVBnnxxx气体混合物密度计算式气体混合物密度计算式(2)混合气体的密度)混合气体的密度2023-1-7化工原理化工原理RTPMmm气体混合物的平均密度也可用理想气体密度计算式来计算气体混合物的平均密度也可用理想气体密度计算式来计算 其中其中nnBBAAmyMyMyMM气体混合物中各组分的摩尔质量气体混合物中各组分的摩尔质量nBAMMM,气
13、体混合物中各组分的摩尔分数气体混合物中各组分的摩尔分数nBAyyy,2023-1-7化工原理化工原理5、与密度相关的几个物理量与密度相关的几个物理量(2)比重(相对密度):)比重(相对密度):某物质的密度与某物质的密度与4下的水的密下的水的密度的比值,用度的比值,用 d 表示。表示。1,4水Cd34/1000mkgC 水在数值上在数值上:(1)比容:)比容:单位质量的流体所具有的体积,用单位质量的流体所具有的体积,用表示,单表示,单位为位为m3/kg。(3)重度:)重度:单位体积的流体所具有的重量,用单位体积的流体所具有的重量,用 表示,单位表示,单位为为kgf/m3。g2023-1-7化工原
14、理化工原理二、流体的静压强二、流体的静压强1、压强的定义、压强的定义 流体的单位表面积上所受的压力,称为流体的流体的单位表面积上所受的压力,称为流体的静压强静压强,习惯上又称为压力。习惯上又称为压力。APp SI制单位:制单位:N/m2,即,即Pa。其它常用单位有:其它常用单位有:atm(标准大气压)、工程大气压(标准大气压)、工程大气压at、kgf/cm2、bar,流体流体柱高度(柱高度(mmH2O,mmHg等)。等)。25211.033/760 10.331.01331.013310atmkgfcmmmHgmH ObarPa换算关系为:换算关系为:24211/735.6 100.98079
15、.807 10kgf cmmmHgmH ObarPa工程大气压2023-1-7化工原理化工原理2、压力的特性、压力的特性流体压力与作用面垂直,并指向该作用面;流体压力与作用面垂直,并指向该作用面;任意界面两侧所受压力,大小相等、方向相反;任意界面两侧所受压力,大小相等、方向相反;作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。3、压力的表示方法、压力的表示方法 绝对压力:绝对压力:以绝对零压为基准测得的压力以绝对零压为基准测得的压力 (体系的真实压力体系的真实压力)。)。表压强表压强=绝对压强大气压强绝对压强大气压强 真空度:真空度:真空表的读数,等于大
16、气压强减去绝对压强真空表的读数,等于大气压强减去绝对压强。表压:表压:以大气压为基准测得的压力,由以大气压为基准测得的压力,由压力表压力表直接读取,直接读取,表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值。真空度真空度=大气压强绝对压强大气压强绝对压强=表压表压绝对零压:绝对零压:体系中流体被全部抽出后的压力。体系中流体被全部抽出后的压力。2023-1-7化工原理化工原理绝对压强、真空度、表压强的关系为绝对压强、真空度、表压强的关系为 绝对零压线绝对零压线大气压强线大气压强线A绝对压强绝对压强表压表压强强B绝对压强绝对压强真空度真空度 当用表压或真空度来表
17、示压强时,应分别注明。当用表压或真空度来表示压强时,应分别注明。如:如:4103Pa(真空度)、(真空度)、200kPa(表压)。(表压)。2023-1-7化工原理化工原理表压真空度动画表压真空度动画2023-1-7化工原理化工原理 流体静力学基本方程式是研究静止流体在重力场中受重力流体静力学基本方程式是研究静止流体在重力场中受重力和压力作用的平衡规律,在工程实际问题中流体的平衡规和压力作用的平衡规律,在工程实际问题中流体的平衡规律应用很广,如流体在设备或管道内压强的变化与测量,律应用很广,如流体在设备或管道内压强的变化与测量,液体在储罐内液位的测量,设备的液封等。液体在储罐内液位的测量,设备
18、的液封等。三、流体静力学方程三、流体静力学方程1、流体静压力、流体静压力静止流体内部任意一点的压力。静止流体内部任意一点的压力。特点:特点:流体压力与作用面垂直,并指向作用面。流体压力与作用面垂直,并指向作用面。质点不动,各方向对它作用力相等,这一质点不动,各方向对它作用力相等,这一 点压力和与它同一水平面上的点的压力是点压力和与它同一水平面上的点的压力是 相同的,不同时流体就会发生流动。相同的,不同时流体就会发生流动。2023-1-7化工原理化工原理 p2p1z1z2G1122p0 xzy2、静力学基本方程、静力学基本方程 重力场中对液柱进行受力分析:重力场中对液柱进行受力分析:(1)上端面
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