《化工原理 1-1》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《化工原理 1-1（20頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,1-0,概述,第一節(jié),流體靜力學(xué),1-1-1,密度,1-1-2,壓力,1-1-3,流體靜力學(xué)平衡方程,P,79,(4)(5)(9),作業(yè),(在此點(diǎn)擊),一、,學(xué)習(xí)本章的意義,：,1,流體存在的廣泛性。在化工廠中，管道和設(shè)備中絕大多數(shù)物質(zhì)都是流體,（包括氣體、液體或氣液混合物）。只是到最后，有些產(chǎn)品才是固體。,2,通過(guò)研究流體流動(dòng)規(guī)律，可以正確設(shè)計(jì)管路和合理選擇泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等流體輸送設(shè)備，并且計(jì)算其所需的功率。,3,流體流動(dòng)是化工原理各種單元操作的基礎(chǔ)，對(duì)強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)具有重要的實(shí)踐意義。因?yàn)闊崃總鬟f，質(zhì)
2、量傳遞，以及化學(xué)反應(yīng)都在流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行，與流體流動(dòng)密切相關(guān)。,所以大家要認(rèn)真學(xué)習(xí)這一章，充分打好基礎(chǔ)。,二,、,流體流動(dòng)的研究范疇,1,、,流體的定義：,（具有流動(dòng)性的）液體和氣體統(tǒng)稱為流體。,2,、,連續(xù)性介質(zhì)假定：,在化工生產(chǎn)過(guò)程中，我們對(duì)流體流動(dòng)規(guī)律的研究感興趣的并非是單個(gè)分子的微觀運(yùn)動(dòng)，而是流體宏觀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。所以我們不取單個(gè)分子作為考察對(duì)象，而取比分子平均自由程大得多，比設(shè)備尺寸小得多的這樣一個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)作為最小考察對(duì)象，質(zhì)點(diǎn)是由大量分子組成的微團(tuán)，它可以代表流體的性質(zhì)。,流體可以看成是由大量微團(tuán)組成的，質(zhì)點(diǎn)間無(wú)空隙，而是充滿所占空間的連續(xù)介質(zhì)，從而可以使用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具對(duì)流體的性
3、質(zhì)加以描述。,返回,第一節(jié),流體靜力學(xué),流體靜力學(xué)主要研究流體處于靜止時(shí)各種物理量的變化規(guī)律。,1-1-1,密度,一,、,密度,1、定義,:,單位體積流體的質(zhì)量稱為密度,.,2、公式,:,=m/V,注,二,、,液體密度,三、,氣體密度,一般液體可視為不可壓縮性流體，其密度基本上不隨壓力變化，但隨溫度變化，變化關(guān)系可從手冊(cè)中查得。,=PM/RT,注,四、,混合物密度,1、液體,混合物密度,1/,m,=w,1,/,1,+w,2,/,2,+,+,w,n,/,n,注,2、氣體混合物密度,m,=,PM,m,/RT,注,返回,-,流體的密度，,kg/m,3,；,m-,流體的質(zhì)量，,kg,；,V-,流體的體
4、積，,m,3,。,一般,=f（p，T），,但,在研究流體流動(dòng)時(shí)，若壓力與溫度變化不大時(shí)，則可認(rèn)為液體的密度為常數(shù)。密度為常數(shù)的流體稱為不可壓縮流體。,嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，真實(shí)流體都是可壓縮流體,不可壓縮流體只是在研究流體流動(dòng)時(shí)，對(duì)于密度變化較小的真實(shí)流體的一種簡(jiǎn)化。本章中如不加說(shuō)明均指不可壓縮流體。,返回,P,-,氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，,Pa,或,N/m,2,；,M,-,氣體的摩爾質(zhì)量，,kg/mol,；,T,-,氣體的絕對(duì)溫度，,K,；,R,-,氣體常數(shù)，,8.314,J/(mol K),。,一般來(lái)說(shuō)氣體是可壓縮的，稱為可壓縮流體。但是，在壓力和溫度變化率很小的情況下，也可將氣體當(dāng)作不可壓縮流體來(lái)處理。,當(dāng)
5、氣體的壓力不太高，溫度又不太低時(shí)，可近似按理想氣體狀態(tài)方程來(lái)計(jì)算密度。,因?yàn)?PV=,nRT,=（m/M）RT,所以,=m/V=PM/RT,返回,式中,1,、,2,n,-,液體混合物中各純組分的密度，,kg/m,3,；,w,1,、,w,2.,w,n,-,液體混合物中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù),。,【例1-1】已知硫酸與水的密度分別為1830,kg/m,3,與998,kg/m,3,，,試求含硫酸為60%（質(zhì)量）的硫酸水溶液的密度為若干。,解：根據(jù)上式：,1/,m,=w,1,/,1,+w,2,/,2,+,+,w,n,/,n,=0.6/1830+0.4/998,=（3.28+4.01）10,-4,=7.291
6、0,-4,所以,m,=1372kg/m,3,返回,M,m,=M,1,y,1,+M,2,y,2,+,+,M,n,y,n,式中，,y,i,-,為氣體混合物中各組分的摩爾分率。,對(duì)于理想氣體，其摩爾分率,y,與體積,分?jǐn)?shù),相同。,【例,1-2,】,已知干空氣的組成為：,O,2,21%,、,N,2,78%,和,Ar1%,（,均為體積,%,），試求干空氣在壓力為,9.81,10,4,Pa,及溫度為,100,時(shí)的密度。,解：首先將攝氏度換算成開(kāi)爾文,100=273+100=373,k,再求干空氣的平均摩爾質(zhì)量:,M,m,=320.21+280.78+39.90.01,=28.96 g/mol,根據(jù)上式，氣
7、體的平均密度為：,m,=,PM,m,/RT,=,9.81,10,28.96/（8.314,373）=0.916,kg/m,3,返回,1-1-2,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)，又稱為壓力。在靜止流體中，作用于任意點(diǎn)不同方向上的壓力在數(shù)值上均相同。,一、,壓力的單位,1）按壓力的定義，其單位為,N/m,2,，,或,Pa,；2）,以流體柱高度表示，如用米水柱或毫米汞柱等。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的換算關(guān)系,1,atm,=1.013,10,5,Pa=760mmHg=10.33m H,2,O,二、壓力的表示方法,1）表壓,=,絕對(duì)壓力,大氣壓力,2,）,真空度,=,大氣壓力,絕對(duì)壓力,課堂練習(xí)
8、：,P79（3）,返回,一、靜力學(xué)基本方程,p,2,=p,0,+,gh,推導(dǎo),二、,靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用,壓力及壓差的測(cè)量,1）,U,型壓差計(jì),2)倒,U,形壓差計(jì),p,A,-,p,B,=,gR,3),雙液體,U,管壓差計(jì),2.液位測(cè)量,生產(chǎn)中經(jīng)常要了解容器里液體的貯存量或要控制液面，因此要進(jìn)行液面測(cè)量。大多數(shù)的液面計(jì)均利用靜力學(xué)的原理設(shè)計(jì)的。,1）,玻璃管液面計(jì),2）,遠(yuǎn)距離控制液面計(jì),3）,液封高度的計(jì)算,返回,如,圖,1,所示，從靜止流體內(nèi)部任意取一小方塊流體，其底面積為,A,，,將這小方塊放大為,圖,2,；對(duì)其受力情況進(jìn)行分析：,方向向上的壓力：,p,2,A,方向向下的壓力：,p,1,
9、A,重力,mg=,gA,（Z,1,-Z,2,）,流體靜止時(shí)三力之和為零，所以,p,2,A=p,1,A+,gA,（Z,1,-Z,2,）,即,p,2,=p,1,+,g（Z,1,-Z,2,），,或,p,1,/,+gZ,1,=p,2,/,+gZ,2,當(dāng),p,1,=p,0,時(shí)，,h=Z,1,-Z,2,，,上式改為,p,2,=p,0,+,gh,注,:,1.,方程應(yīng)用條件：靜止，連續(xù)，同一流體。,2.,當(dāng),p,0,一定時(shí)，靜止流體中任一點(diǎn)的壓力與流體密度,和所處高度,h,有關(guān)，,而與該點(diǎn)所在的水平位置及容器的形狀無(wú)關(guān),。所以同一高度處?kù)o壓力相等。,3.,當(dāng)表面壓強(qiáng),p,0,變化時(shí)，內(nèi)部壓強(qiáng),p,也發(fā)生同樣大
10、小的變化。,4.,由,p=p,0,+,gh,可得：,h=P,表,/,g,這就是用流體高度表示壓強(qiáng)單位的計(jì)量依據(jù)。,從公式可知，密度,會(huì)有影響，因此必須注明流體的名稱。,5.,物理意義：靜力學(xué)基本方程,p,1,/,+gZ,1,=p,2,/,+gZ,2,反映了靜止流體內(nèi)部能量守恒與轉(zhuǎn)換的關(guān)系，在同一靜止流體中，處在不同位置的位能和靜壓能各不相同，二者可以相互轉(zhuǎn)換，但兩項(xiàng)能量總和恒為常量。,返回,如圖3:位于同一水平面,1,，,2,兩點(diǎn)的壓強(qiáng)相等，即,p,1,=p,2,，,而,p,1,=,p,A,+,gh,1,，,p,2,=,p,B,+,g(h,2,-R)+,i,gR,，,故有,(,p,A,+,gh
11、,1,)-(,p,B,+,g h,2,)=(,i,-,),gR,整理得,p,A,-,p,B,=(,i,-,),gR,-,g(h,1,-h,2,),水平放置時(shí)（,h,1,=h,2,p,A,-,p,B,=(,i,-,),gR,若被測(cè)流體是氣體，,可簡(jiǎn)化為,p,A,-,p,B,=,i,gR,U,形壓差計(jì)也可測(cè)量流體的壓力，,測(cè)量時(shí)將,U,形管一端與被測(cè)點(diǎn)連接，,另一端與大氣相通，此時(shí)測(cè)得的是流體的表壓或,真空度。,注,動(dòng)畫(huà),同樣的壓差，用,U,型壓差計(jì)測(cè)量的讀數(shù),R,與密度差（,i,-,）,有關(guān)，故應(yīng)妥善選擇指示液的密度,i,，,使讀數(shù),R,在適宜的范圍內(nèi)。,【例,1-3,】,本題附圖所示的開(kāi)口容器
12、內(nèi)盛有油和水。油層高度,h,1,=0.7m,、,密度,1,=800kg/m,3,，,水層高度,h,2,=0.6m,、,密度,2,=1000kg/m,3,。,（,1,）,判斷下列兩關(guān)系是否成立，,即,p,A,=p,A,，,p,B,=p,B,（,2,）,計(jì)算水在玻璃管內(nèi)的高度,h,。,解：（1）判斷：,p,A,=p,A,的關(guān)系成立。因,A,與,A,兩點(diǎn)在靜止的連通著的同一流體內(nèi)，并在同一水平面上。所以截面,A-A,稱為等壓面。,p,B,=p,B,的關(guān)系不能成立。因,B,及,B,兩點(diǎn)雖在靜止流體的同一水平面上，但不是連通著的同一種流體，即截面,B-B,不是等壓面。,（2）計(jì)算玻璃管內(nèi)水的高度,h,由
13、上面討論知，,p,A,=p,A,，,而,p,A,=p,a,+,1,gh,1,+,2,gh,2,，,p,A,=p,a,+,2,gh,于是,p,a,+,1,gh,1,+,2,gh,2,=p,a,+,2,gh,將已知值代入，得,8000.7+10000.6=1000,h，,解之得,h,=1.16m,返回,若所測(cè)量的壓強(qiáng)差很小，,U,型壓差計(jì)的讀數(shù),R,也就很小，有時(shí)難以準(zhǔn)確讀出,R,值。為把讀數(shù),R,放大，除了在選用指示液時(shí)，盡可能使其密度與被測(cè)流體的密度相接近外，還可采用如,圖,4,所示的微差壓差計(jì)，其特點(diǎn)是：,（,1,）壓差計(jì)內(nèi)裝有兩種密度相接近且不互溶的指示液,A,和,C,，,而指示液,C,與
14、被測(cè)流體,B,亦不互溶。,（,2,）為了讀數(shù)方便，,U,形管的兩側(cè)臂頂端裝有擴(kuò)大室。擴(kuò)大室內(nèi),徑與,U,形管內(nèi)徑之比應(yīng)大于,10,。這樣,，擴(kuò)大室的截面積比,U,形管的截面積,大很多，即使,U,形管內(nèi)指示液,A,的液,面差,R,很大，兩擴(kuò)大室內(nèi)的指示液,C,的液面變化仍很微小，可以認(rèn)為維,持等高。于是壓強(qiáng)差,p,1,-p,2,便可用下,式計(jì)算，即,p,1,-p,2,=,（,A,-,B,）,gR,注,上式的（,A,-,B,）,是兩種指示液的密度差，不是指示液與被測(cè)流體的密度差。,擴(kuò)大室的內(nèi)徑與,U,形管內(nèi)徑之比應(yīng)大于,10,。這樣，擴(kuò)大室的截面積比,U,形管的截面積大很多，即使,U,形管內(nèi)指示液
15、,A,的液面差,R,很大，兩擴(kuò)大室內(nèi)的指示液,C,的液面變化仍很微小，可以認(rèn)為維持等高。,返回,這種液面計(jì)是在容器底部器壁及液面器壁處各開(kāi)一個(gè)小孔，兩孔間用短管，管件及玻璃管相連。玻璃管內(nèi)液面高度即為容器內(nèi)的液面高度。玻璃管液面計(jì)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用比較普遍，但有易于破損，不便遠(yuǎn)處觀測(cè)等缺點(diǎn)。,返回,若容器離操作點(diǎn)較遠(yuǎn)或埋在地下，要測(cè)量其液位可采用如,圖,5,所示的裝置。控制調(diào)節(jié)閥使壓縮空氣（若容器內(nèi)液體為易燃易爆液體則用壓縮氮?dú)猓┚徛毓呐萃ㄟ^(guò)觀察瓶通入容器。通氣管距容器底面為,h,。,因通氣管內(nèi)壓縮空氣流速很小，可以認(rèn)為在容器內(nèi)通氣管出口,1-1,面的壓強(qiáng)與通氣管上的,U,型壓差計(jì),2-2,面
16、的壓強(qiáng)相等，即,p,1,=p,2,，,而,p,1,=p,a,+,gH,p,2,=p,a,+,i,gR,由于,pa,為大氣壓強(qiáng)，則,H=,i,R,/,返回,在化工生產(chǎn)中常遇到設(shè)備的液封問(wèn)題。例如，乙炔發(fā)生爐需維持一定壓強(qiáng)，爐外裝有安全液封等。設(shè)備內(nèi)操作條件不同，采用液封的目的也就不同，但其液封的高度則都是根據(jù)靜力學(xué)方程確定的。如,圖,6,a,所示液封管口截面為,0-0,面上液封管口,1,點(diǎn)及,0-0,面上另一點(diǎn),2,，,則,1,，,2,兩點(diǎn)壓強(qiáng)相等。,1,點(diǎn)壓強(qiáng)為設(shè)備,1,內(nèi)的壓強(qiáng),p,1,；,p,2,為,2,點(diǎn)壓強(qiáng)，根據(jù)靜力學(xué)方程,p,2,=p,a,+,gh,（,為液封槽內(nèi)液體的密度）,則,h=（p1-pa）/,g,例,題9 附圖,為了排出煤氣管中的少量積水，用附圖所示的水封裝置，水由煤氣管道中的垂直支管排出。已知煤氣壓力為,10,kPa,（,表壓），試求水封管插入液面下的深度,h,。,返回,
化工原理 1-1
