1、0 绪绪 论论一、化工生产过程一、化工生产过程 1. 化工生产过程：化工生产过程：对原料进行化学加工获得有用产品对原料进行化学加工获得有用产品的过程称为化工生产过程。的过程称为化工生产过程。乙烯乙烯氯氯提纯提纯提纯提纯单体单体合成合成反应热反应热分分离离裂裂解解精制精制氯乙烯氯乙烯聚聚合合脱水脱水干燥干燥成成品品分离分离氧氯化氧氯化提纯提纯乙烯乙烯空气空气水水反应热反应热5503MPa2200.5MPa5500.8MPaCH2=CH2+Cl2CH2ClCH2ClCH2ClCH2ClCHCl=CH2+HCl2CH2=CH2+2HCl+O22CHCl-CH2+2H2OHCl聚氯乙烯生产聚氯乙烯生产
2、 一氯苯的生产一氯苯的生产(一氯苯的质量分数达一氯苯的质量分数达99.9%) 苯苯氯气氯气提纯提纯氯氯化化器器氯氯化化液液一氯苯一氯苯69%二氯苯二氯苯1%苯苯29%水洗水洗中和中和中性中性氯化液氯化液常压常压精馏精馏粗粗氯氯苯苯一氯苯一氯苯97%二氯苯二氯苯3%苯苯0.01%减压减压精馏精馏轻组分轻组分重组分重组分一氯苯一氯苯9.99%【苯、一氯苯、二氯苯的常压沸点【苯、一氯苯、二氯苯的常压沸点/】苯苯一氯苯一氯苯对二氯苯对二氯苯邻二氯苯邻二氯苯80.11321731792 .化工过程原则流程化工过程原则流程 原料原料反应物反应物料制备料制备化学反应化学反应反应产反应产物分离物分离废料处理废
3、料处理废料废料产品产品可利用原料可利用原料 药物和制药工业：药物和制药工业：反应设备投资占反应设备投资占10%,其他单元操其他单元操作的设备投资占作的设备投资占90%。 3. 单元操作在化工及其相近工业中的重要作用单元操作在化工及其相近工业中的重要作用 化学和石油化学工业：化学和石油化学工业：反应设备投资占反应设备投资占11%,其他其他单元操作的设备投资占单元操作的设备投资占89%；二二 、单元操作的分类与特点、单元操作的分类与特点1. 单元操作分类单元操作分类 单单元元操操作作所所遵遵循循的的规规律律 遵循遵循流体动力学基本规律流体动力学基本规律的单元操作，包括的单元操作，包括流体输送、沉降
4、、过滤、物料混合流体输送、沉降、过滤、物料混合(搅拌搅拌)。 遵循遵循热量传递基本规律热量传递基本规律的单元操作，包括加的单元操作，包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。热、冷却、冷凝、蒸发等。 遵循遵循质量传递基本规律质量传递基本规律的单元操作，包括蒸的单元操作，包括蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。 同时同时遵循热、质传递规律遵循热、质传递规律的单元操作，包括的单元操作，包括气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。 单单元元操操作作的的目目的的 流体输送流体输送 物料的混合物料的混合 物料的加热与冷却物料的加热与冷却 均相混合物的分离均相混合
5、物的分离 非均相混合物的分离非均相混合物的分离 2. 单元操作特点单元操作特点 同一单元操作在不同的化工生产中遵循相同的过同一单元操作在不同的化工生产中遵循相同的过程规律，但在操作条件及设备类型程规律，但在操作条件及设备类型(或结构或结构)方面会有很方面会有很大差别。大差别。 物理过程。物理过程。 对同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实对同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实现。现。三三 、本课程研究方法、本课程研究方法 1 .实验研究方法实验研究方法(经验法经验法) 2. 数学模型法数学模型法(半经验半理论方法半经验半理论方法) 研究工程问题的方法论研究工程问题的方法论传递过程传递过程
6、分析分析过程过程机理机理物理物理模型模型数学数学模型模型含模型参含模型参数的结果数的结果求得模求得模型参数型参数合理合理简化简化数学数学描述描述求解求解实验实验四四 、联系单元操作的两条主线、联系单元操作的两条主线 五、五、 化工过程计算的理论基础化工过程计算的理论基础 化工过程计算的类型：化工过程计算的类型：设计型计算和操作型计算设计型计算和操作型计算 物料衡算物料衡算平衡关系平衡关系计算依据：计算依据： 能量衡算能量衡算速率关系速率关系六、六、 本课程特点及学习要求本课程特点及学习要求 1. 本课程特点本课程特点 该课程是化工类及相近专业一门重要的技术基础课，该课程是化工类及相近专业一门重
7、要的技术基础课，兼有兼有“科学科学”与与“技术技术”的特点的特点 研究内容：研究内容：各单元操作的基本原理，所用的典型各单元操作的基本原理，所用的典型设备的结构、工艺尺寸设计和设备的选型。设备的结构、工艺尺寸设计和设备的选型。 2. 学习要求学习要求 (4) 过程开发或科学研究能力过程开发或科学研究能力(1)单元操作和设备选择的能力单元操作和设备选择的能力(2)工程设计能力工程设计能力(3)操作和调节生产过程的能力操作和调节生产过程的能力3. 考核考核 七、教学安排七、教学安排1. 理论课理论课 108学时学时+课程设计课程设计2周周+实验实验2. 理论课安排理论课安排1.王志魁王志魁.化工原
8、理化工原理(第三版第三版). 北京：化学工出版北京：化学工出版社社,20052.陈敏恒陈敏恒.化工原理化工原理(上下册上下册). 北京：化学工出版北京：化学工出版社社,20003.何潮洪，窦梅，朱明乔，等何潮洪，窦梅，朱明乔，等.化工原理习题精解化工原理习题精解(上册上册).北京：科学技术出版社北京：科学技术出版社,20034.何潮洪，南碎飞，安越何潮洪，南碎飞，安越,等等.化工原理习题精解化工原理习题精解(下下册册).北京：科学技术出版社北京：科学技术出版社,20035.丛德兹，丛梅，方图南丛德兹，丛梅，方图南.化工原理详解与应用化工原理详解与应用. 北北京：化学工出版社京：化学工出版社,2
9、0026.丁忠伟，杨祖荣丁忠伟，杨祖荣.化工原理学习指导化工原理学习指导. 北京：化学北京：化学工出版社工出版社,2006八、八、 参考书参考书7. 柴诚敬，王军，陈常贵，郭翠梨柴诚敬，王军，陈常贵，郭翠梨. 化工原理学习化工原理学习指导指导. 天津：天津大学出版社天津：天津大学出版社,20038. 黄华江黄华江. 实用化工计算机模拟实用化工计算机模拟Matlab在化学在化学工程中的应用工程中的应用. 北京：化学工出版社北京：化学工出版社,20041.1 概述概述 1.1.1 流体流动的考察方法流体流动的考察方法1.1.2 流体流动中的作用力流体流动中的作用力 1.1.1 流体流动的考察方法流
10、体流动的考察方法 一、流体的特征与压缩性一、流体的特征与压缩性 1. 特征：特征：易于变形易于变形 2. 压缩性压缩性 可压缩流体可压缩流体 不可压缩流体不可压缩流体 如如:气体气体 如如:液体液体 二、流体质点与连续性假设二、流体质点与连续性假设 1. 质点的含义质点的含义 质点：质点：由大量分子构成的集团由大量分子构成的集团(微团微团)，是保持流，是保持流体宏观力学性的最小流体单元，从尺寸说是微观上充体宏观力学性的最小流体单元，从尺寸说是微观上充分大，宏观上充分小的分子团。分大，宏观上充分小的分子团。 l微观上充分大微观上充分大 分子团的尺度分子团的尺度分子的平均自由程分子的平均自由程 l
11、宏观上充分小宏观上充分小 分子团的尺度分子团的尺度所研究问题的特征尺寸所研究问题的特征尺寸 对分子运动作统计平均，以得到表征宏观现象的物理量对分子运动作统计平均，以得到表征宏观现象的物理量 物理量都可看成是均匀分布的常量物理量都可看成是均匀分布的常量 V=10-5cm3 分子数目分子数目N=2.71014个个3. 连续性假定连续性假定 流体由无数的彼此相连的流体质点组成，是一种连流体由无数的彼此相连的流体质点组成，是一种连续性介质，其物理性质和运动参数也相应连续分布。续性介质，其物理性质和运动参数也相应连续分布。 内容内容 适用范围适用范围 绝大多数情况适用，但高真空下的气体不适用。绝大多数情
12、况适用，但高真空下的气体不适用。三、运动的描述方法三、运动的描述方法拉格朗日法和欧拉法拉格朗日法和欧拉法1. 拉格朗日法拉格朗日法 描述描述同一质点同一质点在空间在空间不同时刻不同时刻的状态的状态 2. 欧拉法欧拉法描述空间各点的状态及其与时间的关系描述空间各点的状态及其与时间的关系 例如：位移的描述：例如：位移的描述： sf(t) uxfx(x，y，z，t)uyfy(x，y，z，t)uzfz(x，y，z，t)例如例如:速度的描述速度的描述四、定态与稳定四、定态与稳定 1. 定态定态 指全部过程参数均不随时间而变指全部过程参数均不随时间而变 定态流动：定态流动：流场中各点的流动参数只随位置变化
13、而流场中各点的流动参数只随位置变化而与时间无关。与时间无关。 非定态流动：非定态流动：流场中各点的流动参数随位置与流场中各点的流动参数随位置与(或或)时间而变化。时间而变化。 定态流动定态流动非定态流动非定态流动 指过程抗外界干扰的能力，当外界扰动移去后，指过程抗外界干扰的能力，当外界扰动移去后，过程能恢复到原有状态者，该过程是稳定的或具有稳过程能恢复到原有状态者，该过程是稳定的或具有稳定性。反之，则是不稳定的。定性。反之，则是不稳定的。 2. 稳定稳定五、流线与轨线五、流线与轨线 1. 流线流线 a. 流线不能相交，因流线不能相交，因为空间一点只有一流速；为空间一点只有一流速； 特点特点:
14、b. 流体质点流动时流体质点流动时不能穿越流线，因为质不能穿越流线，因为质点的流速与流线相切。点的流速与流线相切。2. 轨线轨线 某一段时间间隔内某一特定的流体质点在空间所某一段时间间隔内某一特定的流体质点在空间所经过的路线轨迹。经过的路线轨迹。3. 流线与轨线的比较流线与轨线的比较项目项目质点数目质点数目考察时间考察时间曲线含义曲线含义考察方法考察方法流线流线许多质点许多质点特定时刻特定时刻流线切线方向为运动速流线切线方向为运动速度方向度方向欧拉法欧拉法轨线轨线单个质点单个质点一段时间一段时间轨线点为质点位置轨线点为质点位置拉格朗日拉格朗日法法六、系统与控制体六、系统与控制体 1. 系统系统
15、 众多流体质点的集合，与外界间的分界称为系统边界。众多流体质点的集合，与外界间的分界称为系统边界。 系统与外界可以系统与外界可以有力的作用与能量的交换有力的作用与能量的交换，却无质，却无质量交换。量交换。2. 控制体或称为划定体积控制体或称为划定体积 流体可自由进出控制体，控制面上可有力的作用与流体可自由进出控制体，控制面上可有力的作用与能量的交换。能量的交换。 当划定一固定的空间体积来考虑问题，该空间体积当划定一固定的空间体积来考虑问题，该空间体积称为控制体。称为控制体。构成控制体空间界面称为控制面构成控制体空间界面称为控制面控制面总是封闭的固定界面。控制面总是封闭的固定界面。1.1.2 流
16、体流动中的作用力流体流动中的作用力 一、质量力一、质量力 作用于所考察对象的每一个质点上的力，并与流作用于所考察对象的每一个质点上的力，并与流体的质量成正比体的质量成正比 二、表面力二、表面力 1. 表面力：表面力：作用于所考察对象表面上的力，与表面作用于所考察对象表面上的力，与表面积成正比。积成正比。2. 应力：应力：单位面积上所受到的表面力。单位面积上所受到的表面力。表面力表面力切向力切向力(剪力剪力)法向力法向力拉力拉力压力压力压应力压应力(压强压强)剪应力剪应力拉应力拉应力3. 表面力的分解表面力的分解 三、剪应力三、剪应力 1. 黏性黏性 含义：当流体流动时，流体内部存在着内摩擦力，
17、含义：当流体流动时，流体内部存在着内摩擦力，这种内摩擦力会阻碍流体的流动，流体的这种特性称为这种内摩擦力会阻碍流体的流动，流体的这种特性称为黏性黏性。 实验实验 (两平行平板间距很小两平行平板间距很小)y方向的速度方向的速度分布为线性分布为线性 产生内摩擦力的根本原因：产生内摩擦力的根本原因：流体具有黏性。流体具有黏性。 内摩擦力：内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的相运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力。互作用力。2. 牛顿黏性定律牛顿黏性定律 dyduAF dyduAFdudy 粘度粘度0的流体的流体理想流体理想流体:3. 牛顿型流体牛顿型流体 层流时服从牛顿黏性定律的流体。所
18、有气体和大层流时服从牛顿黏性定律的流体。所有气体和大部分低分子量部分低分子量(非聚合非聚合)的液体或溶液均属于牛顿型流的液体或溶液均属于牛顿型流体。体。4. 黏度黏度 物理意义物理意义 速度梯度为速度梯度为1时，单位受力面积上的流体层间内摩时，单位受力面积上的流体层间内摩擦力的大小。擦力的大小。 黏性的物理本质黏性的物理本质是分子间的引力和分子的运动与是分子间的引力和分子的运动与碰撞。碰撞。 单位及其换算单位及其换算 1Pa.s=10P=1000cP 影响因素影响因素 流体种类流体种类温度温度压力压力气体气体T,p4MPa时可忽略时可忽略液体液体T,可忽略可忽略温度影响因素分析温度影响因素分析
19、： 气体气体的分子间距较大，产生黏性的主要原因在于的分子间距较大，产生黏性的主要原因在于气体分子本身的运动气体分子本身的运动。 液体液体的分子紧密排列，分子间距较小，产生黏性的的分子紧密排列，分子间距较小，产生黏性的主要原因在于主要原因在于液体分子间的引力液体分子间的引力。 混合流体的黏度混合流体的黏度 2/12/1iiiiimMyMyiimxlglgb. 常压下混合气体的黏度常压下混合气体的黏度c. 分子不缔合的混合液黏度分子不缔合的混合液黏度a. 查阅相关手册查阅相关手册 运动黏度运动黏度 单位：单位：m2/s，1 m2/s=104St 1.1.3 流体流动中的机械能流体流动中的机械能 机
20、械能机械能包括动能、位能和压强能。包括动能、位能和压强能。 流体所含的能量：流体所含的能量：内能和机械能内能和机械能1.2 流体静力学及其应用 v1.2.1 流体的密度流体的密度 v1.2.2 压强及其表示方法压强及其表示方法 v1.2.3 流体静力学方程流体静力学方程 v1.2.4 流体静力学方程的应用流体静力学方程的应用 1.2.1 流体的密度 一、定义一、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。 二、单组分密度二、单组分密度mVmV( , )f p Tl液体液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其密度仅随温度变化（极高压力除外），其 变化关系可从手
21、册中查得。变化关系可从手册中查得。 气体气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理当压力不太高、温度不太低时，可按理想想 气体状态方程计算：气体状态方程计算： RTpM注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度 下之值，若条件不同，则密度需进行换算。下之值，若条件不同，则密度需进行换算。三、混合物的密度三、混合物的密度 混合气体混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有各组分在混合前后质量不变，则有 1122mnnyyy气体混合物中各组分的体积分率。气体混合物中各组分的体积分率。 12,ny yy或或RTpMmmmM混合气体的平均摩尔质量混合气体的
22、平均摩尔质量 nnmyMyMyMM2211nyyy21,气体混合物中各组分的摩尔气体混合物中各组分的摩尔( (体积体积) )分率。分率。 一、压强：一、压强：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。流体的静压强，习惯上又称为压力。 二、二、压力的单位压力的单位 N/m2或或Pa1atm=101.3kPa=0.1013MPa1atm=1.033kg(f)/cm21atm=10.33mH2O=760mmHg1bar=105Pa1psi=6.89kPa 1.2.2 压强三、三、 压强的表示方法压强的表示方法 绝对压强绝对压强 以绝对真空为基
23、准测得的压强。以绝对真空为基准测得的压强。 表压表压 以大气压为基准测得的压强。以大气压为基准测得的压强。表压绝压大气压力表压绝压大气压力0 正表压正表压0 负表压负表压真空度大气压力绝压真空度大气压力绝压表表 压压 = 绝对压力绝对压力 大气压力大气压力真空度真空度 = 大气压力大气压力 绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力 绝对压力绝对压力 绝对真空绝对真空 表压表压 真空度真空度 1p2p大气压大气压 1.2.3 流体静力学方程 一、流体微元的受力平衡一、流体微元的受力平衡研究对象：研究对象：静止流体中的一立方体流体微元六面体静止流体中的一立方体流体微元六面体 受力分析：受力分析：质量力与表
24、面力质量力与表面力X、Y、Z单位质量流体在单位质量流体在X、Y、Z方向的方向的分量分量 x方向：方向： ()()()22()0pxpxxyzXppyzxxpXxyzx 10pXx10pXx同理同理10pYy10pZz y方向方向：z方向方向：欧欧拉拉平平衡衡方方程程 单位质量流体单位质量流体所受的体积力所受的体积力 单位质量流体单位质量流体所受的压力所受的压力 将该微元流体移动将该微元流体移动dl距离，此距离对距离，此距离对x、y、z轴的轴的分量为分量为dx，dy，dz 1()()0pppdxdydzXdxYdyZdzxyz10pXx10pYy10pZz乘以乘以dx乘以乘以dy乘以乘以dz1(
25、)()0pppdxdydzXdxYdyZdzxyz dpXdx YdyZdz 压力所作功压力所作功质量力所作功质量力所作功流体流体平衡平衡的一的一般表般表达式达式 二、平衡方程在重力场中的应用 dpXdxYdyZdz 重力场重力场 0 =0 =-gXYZ0gdzdp离心场离心场 2r =0 =-gXYZ讨论1不可压缩流体不可压缩流体 0gdzdp1122pgzpgz1212ppgzgz虚拟压强虚拟压强 )(2112zzgpp压力形式压力形式能量形式能量形式静力学基本方程静力学基本方程 pgz（1）适用于）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体流体；（2）
26、物理意义：）物理意义：zg单位质量流体所具有的位能，单位质量流体所具有的位能，J/kgJ/kg；p单位质量流体所具有的静压能，单位质量流体所具有的静压能，J/kgJ/kg。 在同一静止流体中，处在不同位置流体的在同一静止流体中，处在不同位置流体的位位能和静压能能和静压能各不相同，但二者可以转换，其各不相同，但二者可以转换，其总和总和保持不变保持不变 。（3）在在静止静止的、的、连续连续的的同种流体同种流体内，处于内，处于同一水平同一水平面面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压等压面面。（4 4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体）压力具有传递性
27、：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。内部各点的压力也将发生相应的变化。 2. 可压缩流体可压缩流体(以气压方程的推导为例以气压方程的推导为例)/pM RT)(expRTzzgMppabab0RTdpgdzpM0dpgdz aabbzzppzzpp1.2.3静力学基本方程的应用静力学基本方程的应用 1. 压力及压力差的测量压力及压力差的测量 （1）U形压差计形压差计 )(1hzgppAA2() BBippg zhRgR12pp()()AABBipg zhpg zRhgRgRgzpgzpiBBAA)()()AABBipgzpgzgR()()()AABBipgzpgzgR若被
28、测流体是气体若被测流体是气体,i所以所以()()AABBipg zhpg zRhgR讨论：讨论：（1）U形压差计可测系统内形压差计可测系统内两点的压力差两点的压力差，当将，当将U形形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测可测得流体的表压或真空度得流体的表压或真空度； 表压真空度p1pap1pa指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应； 其密度要大于被测流体密度。其密度要大于被测流体密度。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。 (3) 总势能大的一侧指示液液位
29、低。总势能大的一侧指示液液位低。 （2）指示液的选取）指示液的选取（2）双液体双液体U管压差计管压差计 扩大室内径与扩大室内径与U管内径之比应管内径之比应大于大于10 。()iAiB 密度接近但不互溶的两种指密度接近但不互溶的两种指示液示液A和和B；适用于压差较小的场合。适用于压差较小的场合。12()iAiBppgR（3） 倒倒U形压差计形压差计 12()ippgRgR 指示剂密度小于被测流体密度，指示剂密度小于被测流体密度，如如空气作为指示剂空气作为指示剂 （5） 复式压差计复式压差计 （4） 倾斜式倾斜式压差计压差计 适用于压差较小的情况。适用于压差较小的情况。适用于压差较大的情况。适用于
30、压差较大的情况。例例 如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一在某截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，形压差计，指示液为水银，读数指示液为水银，读数R250mm，m900mm。已知当地大气压为已知当地大气压为101.3kPa，水的密度水的密度1 000kg/m3，水银的，水银的密度密度13 600kg/m3。试计算该。试计算该截面处的压力。截面处的压力。 解：解：aAppAippgmgRaippgmgR1000 9.81 0.9 13600 9.81 0.2542183Pa=42.18 kPaaippgmgR例
31、例 如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示液为水银，两液为水银，两U形压差计间充满水。相对于某一基准形压差计间充满水。相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为面，各指示液界面高度分别为 Z0=2.1m, Z2=0.9m, Z4=2.0m, Z6=0.7m, Z7=2.5m。 试计算锅炉内水面上方试计算锅炉内水面上方的蒸汽压力。的蒸汽压力。73346() ()ipgzpgzg zz30242()()aippg zzg zz022746()() () ()aiippg zzg zzg zz313600 9.81 (2.1 0.9) 1000 9.81
32、(0.92.5) (13600 1000) 9.81 (2.00.7)3.051 10 Paapp2. 液位测量液位测量 （1 1）近距离液位测量装置）近距离液位测量装置 压差计读数压差计读数R反映出容器反映出容器内的液面高度。内的液面高度。 ihR 液面越高，液面越高，h越小，压差计读数越小，压差计读数R越小；当液越小；当液面达到最高时，面达到最高时，h为零，为零，R亦为零。亦为零。（2 2）远距离液位测量装置）远距离液位测量装置 BApp 管道中充满氮气，管道中充满氮气，其密度较小，近似其密度较小，近似认为认为 ghppaABaippgRihR而而所以所以 AB3. 液封高度的计算液封高度
33、的计算 确保设备安全：当设备确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气内压力超过规定值时，气体从液封管排出；体从液封管排出； 防止气柜内气体泄漏。防止气柜内气体泄漏。gph)(表液封高度：液封高度：液封作用：液封作用：1.3 流体流动中的守恒原理流体流动中的守恒原理 v1.3.1 质量守恒原理质量守恒原理 v1.3.2 机械能守恒机械能守恒(伯努利方程伯努利方程) v1.3.3 动量守恒动量守恒(不讲不讲)1.3.1 质量守恒原理质量守恒原理 一、流速与流量一、流速与流量 1. 流量流量 含义：含义：单位时间流过管道任一截面的物质量。单位时间流过管道任一截面的物质量。 体积流量体积流量 ：单位
34、时间内流体流过管道任一截面单位时间内流体流过管道任一截面的体积的体积. qVm3/s或或m3/h 换算关系：换算关系：qmqv 质量流量质量流量 ：单位时间内流体流过管道任一截面单位时间内流体流过管道任一截面的质量的质量. qmkg/s或或kg/h2、流速、流速 点速度点速度单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。 平均流速平均流速体积流量相等体积流量相等VAuAu dAq/VuqA 质量流速质量流速 单位时间单位时间内流经管道内流经管道单位截面积单位截面积的流体质量。的流体质量。kg/（m2s）mVqqGuAA流量与流速的关系：流量与流速的关系
35、：mVqquAGA4Vqdu对于圆形管道对于圆形管道流量流量q qV V一般由生产任务决定。一般由生产任务决定。流速选择：流速选择：二、管径的估算管径的估算 d 设备费用设备费用 u 流动阻力流动阻力 动力消耗动力消耗 操作费操作费均衡均衡考虑考虑uu适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费常用流体适宜流速范围：常用流体适宜流速范围： 水及一般液体水及一般液体 13 m/s粘度较大的液体粘度较大的液体 0.51 m/s低压气体低压气体 815 m/s压力较高的气体压力较高的气体 1525 m/s 三、连续性方程的推导三、连续性方程的推导 前提前提: 定态流动系统定态流动系统;管路中
36、流体无增加和漏损。管路中流体无增加和漏损。21mmqq222111AuAu推广至任意截面推广至任意截面 1 11222mqu Au AuAConst连续性方程连续性方程讨论讨论1. 导出条件导出条件:流体充满全管流体充满全管; 定态流动。定态流动。1122Vqu Au AuAConst流体在均匀直管内作定态流动时，平均流速沿流体在均匀直管内作定态流动时，平均流速沿流程保持定值，并不因内摩擦而减速！流程保持定值，并不因内摩擦而减速！ 2.均质、不可压缩流体均质、不可压缩流体, =常数3.均质、不可压缩流体在圆管内流动均质、不可压缩流体在圆管内流动2ud Const22112()udud4. 管路
37、有分支管路有分支21mmmqqqv例例 如附图所示，管路由一段如附图所示，管路由一段89mm4mm的管的管1、一段一段108mm4mm的管的管2和两段和两段57mm3.5mm的分支管的分支管3a及及3b连接而成。若水以连接而成。若水以910-3m3/s的体的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。在各段管内的速度。3a123bmm8142891dm/s75. 1081. 0785. 0109423211dquVmm100421082dm/s15. 1)10081(75. 1)(222112dduumm505 . 32573
38、d解：解： 管管1的内径的内径 水在管水在管1中的流速中的流速 管管2的内径的内径 水在管水在管2中的流速中的流速管管3a及及3b的内径的内径 33222AuAum/s30. 2)50100(215. 1)(2223223dduu水在分支管路水在分支管路3a、3b中的流量相等中的流量相等 水在管水在管3a和和3b中的流速中的流速 1.3.2 定态流动系统的机械能守恒定态流动系统的机械能守恒( (伯努利方程伯努利方程) )1.总能量衡算总能量衡算（1）内能）内能 贮存于物质内部的能量。贮存于物质内部的能量。 1kg流体具有的内能为流体具有的内能为U（J/kg）。）。衡算范围：衡算范围：1-1、2
39、-2截面以及管内壁所围成截面以及管内壁所围成 的空间的空间衡算基准：衡算基准：1kg流体流体位能基准面：位能基准面：0-0水平面水平面（2）位能）位能 流体受重力作用在不同高度所具有的能量。流体受重力作用在不同高度所具有的能量。 1kg的流体所具有的位能为的流体所具有的位能为gz（J/kg）。 能量分析能量分析:（3）动能）动能1kg的流体所具有的动能的流体所具有的动能21 (J/kg)2u（4）静压能）静压能 流体带入系统的静压能流体带入系统的静压能 pVAVpAFl1kg的流体所具有的静压能的流体所具有的静压能 pmpV(J/kg)（5）热）热设换热器向设换热器向1kg流体提供的热量为流体
40、提供的热量为qe e (J/kg)。 质量为质量为m m、体积为、体积为V V的流体通过截面的流体通过截面A A 推进流体进截面推进流体进截面A A的作用力为的作用力为pApA流体通过截面流体通过截面A A所走的距离为所走的距离为V/AV/A，（6）外功）外功(有效功有效功) 1kg流体从流体输送机械所获得的能量为流体从流体输送机械所获得的能量为he (J/kg)。2212111222121122eeppUz guhqUz gu212eephqUzgu 以上能量形式可分为两类：以上能量形式可分为两类： 机械能：位能、动能、静压能及外功，可用于输机械能：位能、动能、静压能及外功，可用于输 送流体
41、；送流体； 内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。2实际流体的机械能衡算实际流体的机械能衡算 假设流体不可压缩，则假设流体不可压缩，则 21 0eq21UU (1) 以单位质量流体为基准以单位质量流体为基准 22112211221222eeupupUz ghqUz g221211221122eppz guhz gu流动系统无热交换，则流动系统无热交换，则 流体温度不变，则流体温度不变，则设设1kg流体损失的能量为流体损失的能量为hf（J/kg），有：），有： 22112212 (1)22efupupgzhgzh式中各项单位为式中各项单位为J/kg。22
42、11221222eupupz ghz g（2）以单位重量流体为基准）以单位重量流体为基准 (1)/g :2211221222fehhupupzzgggggg22112212 (2)22efupupzHzHgggg式式(2)中各项单位中各项单位mNJkgNkgJ/22112212 (1)22efupupgzhgzhfH|eH|2211221222efupupzHzHgggg位压头位压头动压头动压头静压头静压头外加压头外加压头压头损失压头损失总压头总压头（3）以单位体积流体为基准）以单位体积流体为基准 (1)(1)，得得221112221122efzguphzguph 式中各项单位式中各项单位:3
43、3kg=J m =PamJkg2211122211 (3)22efzguphzgupp压力损失压力损失22112212 (1)22efupupgzhgzhaePPHegqPeV(4) 效率效率有效功率，指单位时间内流体从有效功率，指单位时间内流体从流体输送机械流体输送机械(如泵、风机如泵、风机)获得获得的机械能的机械能轴功率，指电机输入流体输送轴功率，指电机输入流体输送设备设备(如泵、风机如泵、风机)的功率的功率3理想流体的机械能衡算理想流体的机械能衡算 理想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。理想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。 22112212 (5)22upupzzgggg2211221
44、2 (4)22upupz gz g伯 努 利伯 努 利方程式方程式 22112212 (1)22efupupgzhgzh004.4.伯努利方程的讨论伯努利方程的讨论 (1)(1)若流体静止，若流体静止，u=0u=0，hhf f=0=0，h he e=0=0，则伯努利方，则伯努利方程变为程变为2211pgzpgz（2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，即总压头为常数，即.212Constpuzg.212Constgpugz22112212 22efupupgzhgzh(3）伯努利方程式伯努利方程式适用于不可压缩性流体。适用于不可压缩性
45、流体。( 4 ) 对 于 可 压 缩 流 体 ， 当对 于 可 压 缩 流 体 ， 当 ( p1- p2) / p1 2 0 % 时，仍可用该方程计算，但式中的密度时，仍可用该方程计算，但式中的密度应以两截应以两截面的平均密度面的平均密度m代替。代替。4伯努利方程的应用伯努利方程的应用 管内流体的流量；管内流体的流量； 输送设备的功率；输送设备的功率； 管路中流体的压力；管路中流体的压力； 容器间的相对位置等。容器间的相对位置等。利用伯努利方程与连续性方程，可以确定：利用伯努利方程与连续性方程，可以确定：（1）根据题意绘制流动系统示意图根据题意绘制流动系统示意图标明流体的流动方向，定出上、下游
46、截面，明确流标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围动系统的衡算范围 ；（2）选取位能基准面选取位能基准面 必须与地面平行；必须与地面平行； 宜于选取两截面中位置较低的截面；宜于选取两截面中位置较低的截面； 若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。应选过管中心线的水平面。 使用步骤：使用步骤：（4）定压力基准）定压力基准压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。 （3）选取截面）选取截面 与流体的流动方向相垂直；与流体的流动方向相垂直； 两截面间流体应是定态连续
47、流动；两截面间流体应是定态连续流动； 截面宜选在已知量多、计算方便处。截面宜选在已知量多、计算方便处。 例例 容器间相对位置的计算容器间相对位置的计算 如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液hpa管为管为452.5mm的钢管，要求的钢管，要求送液量为送液量为3.6m3/h。设料液在管。设料液在管内的压头损失为内的压头损失为1.2m（不包括（不包括出口能量损失），试问高位槽出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？的液位要高出进料口多少米？解：如图所示，取高
48、位槽液面为解：如图所示，取高位槽液面为1-1截面，进料管出截面，进料管出口内侧为口内侧为2-2截面截面221211221122efppzuHzuHgggg z1=h ,u10； p1=0（表压）；（表压）；He=0 ; z2=0； p2=0（表（表压）；压）； Hf =1.2m 22243.6 36000.796 m/s0.785 0.04Vqud210.7961.21.23 m2 9.81h 例例 泵输送功率的计算泵输送功率的计算某化工厂用泵将敞口碱液池中的碱液（密度为某化工厂用泵将敞口碱液池中的碱液（密度为1100kg/m3）输送至吸收塔顶，经喷嘴喷出，如附）输送至吸收塔顶，经喷嘴喷出，如
49、附图所示。泵的入口管为图所示。泵的入口管为1084mm的钢管，管中的钢管，管中的流速为的流速为1.2m/s，出口管为，出口管为763 3mm的钢管。贮的钢管。贮液池中碱液的深度为液池中碱液的深度为1.5m，池底至塔顶喷嘴入口处，池底至塔顶喷嘴入口处的垂直距离为的垂直距离为20m。碱液流经所有管路的能量损失。碱液流经所有管路的能量损失为为30.8J/kg（不包括喷嘴），在喷嘴入口处的压力（不包括喷嘴），在喷嘴入口处的压力为为29.4kPa（表压）。设泵的效率为（表压）。设泵的效率为60%，试求泵，试求泵所需的功率。所需的功率。 20m1.5m221211221122efppz guhz guh2
50、22121211()()2efpphzz guuh45. 2)70100(2 . 1)(2222dduu入入32129.4 1018.5 9.812.4530.8242.0 J/kg21100eh22220.785 0.072.45 110010.37 kg/s4mqd u242 10.372510W2.51kWeemPh q2.514.180.6eaPP解：在解：在1-1截面和截面和2-2截面间列柏努利方程截面间列柏努利方程 z1=0； p1=0（表压）；（表压）； u10; z2=20-1.5=18.5m； p2=29.4103 Pa（表压）（表压）;=1100 kg/m3，hf=30.8
