化工原理课件(天大版).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,返回,版权所有，未经授权禁止复制或建立镜像。谢谢,!,理学系化工原理电子课件,制作：秦英月,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,*,*,返回,化工原理,Principles of Chemical Engineering,使用教材：,姚玉英主编，化工原理，天津大学出版社，,1999,参考教材：,陈敏恒主编，化工原理，化学工业出版社，,2002,蒋维钧主编，化工原理，清华大学出版社，,1993,2026/10/28,1,0,绪论,1,流体流动,2,流体输送机械,3,非均相物系的分离和固体流态化,5,蒸馏,6,吸收,7,蒸馏和吸收塔设备,8,液液萃取,9,干燥,4,传热,*,2,0,绪论,0.1,化工,生产,与单元操作,0.2,单,位制与单位换算,0.3,物料衡算与能量衡算,*,3,0,绪论,0.1,化工原理课程的性质和基本内容,1.,化工生产过程,原料预处理,化学反应,产物后处理,物理过程,单元操作,化学反应过程,反应器,物理过程,单元操作,*,4,*,5,*,6,2.单元操作（,Unit Operation,）,单元操作按其遵循的基本规律分类：,（,1,）遵循流体动力学基本规律的单元操作：包括流体输送、沉降、过滤、固体流态化等；,（,2,）遵循热量传递基本规律的单元操作：包括加热、冷却、冷凝、蒸发等；,（,3,）遵循质量传递基本规律的单元操作：包括蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等；,*,7,（,化学吸收）,洗衣粉的工艺流程,旋转混合器,燃硫,转化塔,磺化器,液体磺酸,静电除雾器,碱洗塔,气,净气放空,反应器,NaOH,配料缸,其它液、,固计量,喷雾干燥塔,包装,布袋除尘,大气,（,干燥）,（,反应）,（,分离）,*,8,单元操作的研究内容与方向：,单元操作的基本原理；,单元操作典型设备的结构；,单元操作设备选型设计计算。,设备的改进及强化；,研究内容,高效率、低能耗、环保；,开发新的单元操作,;,单元操作集成工艺与技术。,研究方向,*,9,0.2,单位制与单位换算,一、基本单位与导出单位,基本单位：,选择几个独立的物理量，以使用方便为原则规定出它们的单位；,导出单位：,根据其本身的意义，由有关基本单位组合而成。,单位制度的不同，在于所规定的基本单位及单位,大小不同。,*,10,二、常用单位制,基本单位：,7,个，化工中常用有,5,个，即长度（米），质量（千克），时间（秒），温度（,K,），物质的量（摩尔）,国际单位制（,SI,制）,基本单位：长度（厘米,cm,），质量（克,g,），时间（秒,s,）,物理单位制（,CGS,制）,基本单位：长度（米），重量或力（千克力,kgf,），时间（秒）,工程单位制,我国法定单位制为国际单位制（即,SI,制）,*,11,三、单位换算,物理量的单位换算,换算因数,：同一物理量，若单位不同其数值就不,同，二者包括单位在内的比值称为换算因数。,（附录二）,经验公式的单位换算,经验公式是根据实验数据整理而成的，式中各符,号只代表物理量的数字部分，其单位必须采用指,定单位。,*,12,以单位时间为基准，如：,h,，,min,，,s,。,参数,=f(x,y,z),以每批生产周期所用的时间为基准。参数,=f(x,y,z,),u,A,恒定,u,B,=0,=,稳定操作 非稳定操作,0.3,物料衡算与能量衡算,*,13,衡算,微分衡算,(,非稳态,),三维,一维,dx,dz,dy,dz,(1),物料衡算（质量衡算）,物料衡算反映原料、产品、损失等各种物料流股间,量,(,质量,/,摩尔流量,),的关系。,总体衡算,(,稳态,),其范围可以是某设备的大部分、全部，或是由几个设备组成的一段生产流程、一个车间甚至整个工厂。,*,14,物料衡算可以表示为：,G,I,=,G,O,+,G,A,(0-2),输入的各种物料,输出的各种物料,设备内积累的各种物料,此式为总物料衡算式，也适用,于物料中的某个组分。如精馏：,W,x,w,D,x,D,F,x,F,(,因稳定操作，故无积累一项。,),注意：,在有化学反应的情况下，物料衡算式只适用于任一,元素,的衡算。,总流量物料衡算：,F=D+W,A,组分物料衡算：,Fx,F,=,Dx,D,+Wx,W,*,15,例,1(,清华版，,P6),：,稳态时的总物料衡算及组分物料衡算,解：,首先根据题意画出过程的物料流程图,生产,KNO,3,的过程中，质量分率为,0.2,的,KNO,3,水溶液，以,F=1000 kg/h,的流量送入蒸发器，在,422K,下蒸发出部分水得到,50%,的浓,KNO,3,溶液。然后送入冷却结晶器，在,311K,下结晶，得到含水,0.04,的,KNO,3,结晶和含,KNO,3,0.375,的饱和溶液。前者作为产品取出,后者循环回到蒸发器。过程为稳定操作，试计算,KNO,3,结晶产品量,P,、,水分蒸发量,W,和循环的饱和溶液量,R,。,*,16,蒸发器,422K,冷却结晶器,311K,F=1000,20%,S,50%,R,37.5%,W,0.0%,P,1-0.04,解题思路：题求三个量，如何列物料衡算式。,首先考虑划定适宜的物衡范围以利于解题。,1,求,KNO,3,结晶产品量,P,按虚线框作为物料衡算范围，只涉及两个未知量。,G,I,=,G,O,+,G,A,*,17,KNO,3,组分的物料衡算：,F,20%=W,0%+P,(100,4)%,1000,20%=0+P,96%,则：,P=208.3 kg/h,2,水分蒸发量,W(,物衡范围同,1.),总物料衡算式：,F=W+P,则：,W=F,P=1000,208.3=791.7 kg/h,3,循环的饱和溶液量,R,此时以蒸发器或冷却结晶器划定为物衡范围均可，但前者涉及,4,个量，后者仅,3,个量,1,个已知，因此宜以结晶器为衡算范围。,总物衡式：,S=R+P,即：,S=R+208.3,*,18,KNO,3,组分物衡：,0.5S=0.375R+0.96P,两式联立解得：,R=766.6 kg/h,例,2,：非稳态时的物料衡算,（,P6,例,0-4,）用,1.5m,3,/s,送,风量将罐内有机气体由,6%,吹扫至,0.1%(,体积,),，求所需,时间。,4m,H=10m,1.5m,3,/s v=v%,1.5m,3,/s,v=0%,解：罐内气体浓度随时间变化，,用微分衡算。,*,19,在,d,时间内，对有机气体的“体积”作衡算：,根据,G,I,=,G,O,+,G,A,，有,1.5 m,3,/s,空气,0,d,=1.5 m,3,/s,有机气,vd,+,d,内排出的有机气体量,d,内罐内浓度改变量,d,内加入的有机气体量,整理并积分：,*,20,(2),能量衡算,能量有很多种，如机械能、热能、电能、磁能、化学能、原子能、声能、光能等。,化工过程中主要涉及物料的温度与热量的变化，因此：,热量衡算是化工中最常用的能量衡算,。,质量衡算与能量衡算的异同点：,同：,都须划定衡算的范围和时间基准。,异：,1),热量衡算须选择物态和温度基准，这是因为物料所含热量（焓）是温度和物态的函数。液态物质的温度基准常取,273K,。,2),对于有化学反应的系统，须考虑反应物、生成物的差异，因为既使同温，若浓度不同，则它们的焓值及反应热亦不同。,3),热量除随物料输入,/,出外，还可通过热量传递的方式输入,/,出系统。,*,21,热量衡算的依据是,能量守恒,定律，即：,Q,I,=,Q,O,+,Q,L,+,Q,A,式中下标符号的意义,:,I:,进入,O:,离开,L:,散失,A:,积累,例,3(P8,例,0-5),溶液的平均比热为,3.56kJ/(kg.),求：换热器热损失,Q,L,占水蒸气提供热量的百分数,?,120,饱和水蒸气,0.095kg/s,120,饱和水,0.095kg/s,25,溶液,1.0kg/s,80,溶液,1.0kg/s,Q,L,=?,*,22,解：,查,P357,附录九：,120,水蒸气焓值为,2708.9kJ/kg,，,120,饱和水焓值为,503.6kJ/kg,。,稳定操作无积累,Q,A,=0,，,则有,Q,I,=,Q,O,+,Q,L,即蒸汽带入,Q,1,+,溶液带入,Q,2,=,凝液带出,Q,3,+,溶液带出,Q,4,+Q,L,如图虚线为衡算范围,Q,1,=0.0952708.9=257.3,kw,Q,2,=1 3.56(25,0)=89,kw,Q,3,=0.095 503.67=47.8,kw,Q,4,=1 3.56(80,0)=284.8,kw,即：,热损失：,*,23,例,4,非稳定热量衡算举例,W=8t/h,T,3,=100,水蒸气,冷凝水,G=20t,罐内盛有,20t,重油，初温,T,1,=20,，,用外循环加热法,进行加热，重油循环量,W=8t/h,。,循环重油经加热,器升温至恒定的,100,后又,送回罐内，罐内的油均匀混合。问：重油从,T,1,升至,T,2,=80,需要多少时间，假设罐与外界绝热（,Q,L,=0,）。,解：,非稳态，有,Q,A,项，以罐为物衡范围，,1h,为时间基准，,0,为温度基准。,*,24,在,d,时间内：,输入系统重油的焓,=WC,p,T,3,d,输出系统重油的焓,=WC,p,Td,系统内积累的焓,=GC,p,dT,则：热衡式：,WC,p,T,3,d,=WC,p,Td,+GC,p,dT,化简得：,W(T,3,T)d,=,GdT,积分有：,*,25,第一章 流体流动,Flow of Fluid,2026/10/28,26,1.1 流体的物理性质,1.,2,流体静力学基本方程,1.3,流体流动的基本方程,1.4,流体流动现象,1.5,流体在管内的流动阻力,1.6,管路计算,1.7,流量的测量,*,27,1.研究流体流动问题的重要性,因此，流体流动成为各章都要研究的内容。,流体流动的基本原理和规律,是,“,化工原理,”,的重要基础。,流体流动的,强度,对热和质的传递影响很大。,强化设备的传热和传质过程需要首先研究流体的流动条件和规律。,传热,冷、热两流体间的热量传递；,传质,物料流间的质量传递。,化工生产过程中，流体（液体、气体）的流动是各种单元操作中普遍存在的现象。如：,*,28,流体流动规律在,流体输送,及,传热,/,质,方面的应用在以后各章具体介绍。,2.,本章主要研究内容：,1,流体流动规律,(,主要管内,),流体动力学；,静止流体的规律,流体静力学；,流体静力学在测量压强、流速,(,量,),、液位及保持,设备内压强,(,或,常压,),方面的应用,从工程实际情况出发，流动规律的研究采用,宏观方法,，主要研究流体的,宏观运动规律,。因此将流体视为“,连续介质,”,无数微团,(,或称质点,),组成，其间无间隙、完全充满所占据的空间。,高真空状态除外,!,流体流动的研究方法：,*,29,3.,流体在流动中受到的力,b.,表面力,作用于流体,质点表面,的力，与表面积成 正比。表面力一般分为两类：一为,垂直,于表面的力称,压力,，一为,平行,于表面的力称,剪力,。,a.,体积力,作用于,每个质点,上的力，与流体质量成正比。对于质量均匀的流体则与体积成正比。,重力和离心力,是两个典型的体积力。,*,30,4.,流体的特征,具有流动性；,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。,不可压缩流体：,流体的体积不随压力变化而变化，,如液体；,可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，,如气体。,*,31,1.1 流体的物理性质,1.1.1 密度,一、定义,单位体积流体的质量，称为流体的密度。,kg/m,3,二、单组分密度,液体,密度仅随温度变化（极高压力除外），其变,化关系可从手册中查得。,*,32,气体,当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：,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。,M,气体的摩尔质量,;,R,8.31510,3,J/(,kmol,K,),下标“”表示标准状态,实际上，某状态下理想气体的密度可按下式进行计算：,*,33,三、混合物的密度,混合气体,各组分在混合前后质量不变，则有,气体混合物中各组分的体积分率。,或,混合气体的平均摩尔质量,气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。,*,34,混合液体,假设各组分在混合前后体积不变，则有,液体混合物中各组分的质量分率。,四、,比容,单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。,m,3,/kg,*,35,流体静力学,流体静力学主要研究流体静止时流体内部各种物理量的变化规律，特别是在重力场作用下，静止流体内部的压力变化规律。,1.2,流体静力学基本方程式,*,36,1.,2.1,静止流体的压力,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。,一、压力的特性,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；,作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。,二、,压力的单位,SI,制：,N/m,2,或,Pa；,*,37,或,以流体柱高度表示,：,注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，,如,600,mmHg,，,10mH,2,O,等。,标准大气压的换算关系：,1,atm,=1.01310,5,Pa=760mmHg=10.33m H,2,O,三、,压力的表示方法,绝对压力,以绝对真空为基准测得的压力。,表压或真空度,以大气压为基准测得的压力。,*,38,表 压 =绝对压力 大气压力,真空度 =大气压力 绝对压力,绝对压力,绝对压力,绝对真空,表压,真空度,大气压,注：,表压强和真空度均需加以标注。,*,39,1.1.3,流体静力学基本方程式,一、静力学基本方程,重力场中对液柱进行受力分析：,（1）上端面所受总压力,（2）下端面所受总压力,（3）液柱的重力,设流体不可压缩，,方向向下,方向向上,方向向下,x,z,y,p,1,p,2,*,40,液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:,静力学基本方程,压力形式,能量形式,*,41,讨论：,（1）适用于,重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体,；,（2）物理意义：,单位质量流体所具有的位能，,J/kg；,单位质量流体所具有的静压能，,J/kg。,在同一静止流体中，处在不同位置流体的,位能和静压能,各不相同，但二者可以转换，其,总和保持不变,。,*,42,（3）,在,静止,的、,连续,的,同种流体,内，处于,同一水平面,上各点的压力处处相等。压力相等的面称为,等压面,。,当流体由两种以上组成,(,液体在管内夹带气泡流动、两种以上的液体等,),时，应,逐段,计算。,（4）压力具有传递性：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。,(6),气体有较大压缩性 上述各式用于,气体,时，只能在,p,变化不大,的条件下才能使用。但一般而言，化工容器中,可忽略,T,，,p,的影响。,*,43,P14,例,1-3,开口容器，油层厚,h,1,=0.7m,，,1,=800kg/m,3,；,水层厚,h,2,=0.7 m,，,2,=1000 kg/m,3,。,，,否,?,求,h=?(mH,2,O),B,h,1,h,2,A,A,B,解：,*,44,二、,静力学基本方程的应用,1.,压强及压强差的测量,（1,）,U,形压差计,设指示液的密度为 ，,被测流体的密度为 。,A,与,A,面,为等压面，即,而,p,1,p,2,m,R,A,A,*,45,所以,整理得,若被测流体是气体，则有,斜管压差计,当测量压差较小时，为了扩大,R,的读数，常将,U,形管倾斜放置，是为倾斜,U,管压差计。,R,R,p,a,p,b,*,46,讨论：,（1）,U,形压差计可测系统内两点的压力差，当将,U,形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时,，,也可测得流体的表压或真空度；,表压,真空度,p,1,p,a,p,1,p,a,*,47,（2）指示液的选取：,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。,应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。,*,48,思考：若,U,形压差计安装在倾斜管路中，此时读数,R,反映了什么？,p,1,p,2,z,2,R,A,A,z,1,*,49,（2）,双液体,U,管压差计,扩大室内径与,U,管内径之比应大于,10。,适用于压差较小的场合。,密度接近但不互溶的两种指示,液,A,和,C ；,*,50,例：测量气体的微小压差 ，试问用,U,形管压差计，苯为指示液，读数,R=,？；,倾斜,U,管压差计，苯为指示液,=30,，读数,R,=,？,微差压差计，苯和水为指示液，读数,R,=,？,R,R,=,？,*,51,解：忽略空气密度的影响，下标,A,为苯，,B,为水。查苯的密度为,879 kg/m,3,，,有：,*,52,例,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,U,形压差计，,指示液为水银，读数,R,250mm,，,h,900mm,。,已知当地大气压为,101.3,kPa,，,水的密度,1000kg/m,3,，,水银的密度,13600kg/m,3,。,试计算该截面处的压力。,*,53,例如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示液为水银，两,U,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,Z,0,=2.1m,Z,2,=0.9m,Z,4,=2.0m,Z,6,=0.7m,Z,7,=2.5m。,试计算锅炉内水面上方,的蒸汽压力。,*,54,因为容器和平衡室上方的压强相同，如此可得等式：,P,a,=,g H,=g,（,H-h-R,）,+,指,gR,解得,：,h=,R,（,指,-,）,/,h,H,R,a,a,由此可见，液面越低（,h,越大），压差越大。液面越高，压差越小，达最高液位时，压差为零。,因此，压差的大小直接反映了液位的高低。此为液位测量原理。,（,1,）近距离液位测量装置,*,55,（2）远距离液位测量装置,已知两吹气管出口间距,H,1,=1m,，,煤油,=820kg/m,3,，,水,=1000kg/m,3,，,Hg,=13600kg/m,3,。,求：当,R=67mm,时，两相界面距上吹气管出口端距离,h,。,R,H,2,h,H,1,p,A,p,B,p,1,p,2,煤油溢出,水出口,Hg,吹气,*,56,解：,计算结果表明：以压差计读数为信号，控制底部排水阀的开度，就可以使界面维持在两吹气管出口之间。,R,H,2,h,H,1,p,A,p,B,p,1,p,2,煤油溢出,水出口,Hg,吹气,*,57,3.,液封高度的计算,液封作用：,确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出；,防止气柜内气体泄漏,。,液封高度,：,维持压力容器,(,设备,),内压力不超标称,“,安全液封,”,h,P,1,*,58,1.,3,流体,流动的基本方程,1.,3.1,流量与流速,1.,3.2,稳态流动与非稳态流动,1.,3.3,连续性方程,1.,3.4,柏努利方程,*,59,1.体积流量,单位时间内流经管道任意截面的流体体积。,V,S,m,3,/s,或,m,3,/h,2.质量流量,单位时间内流经管道任意截面的流体质量。,w,S,kg/s,或,kg/h。,二者关系：,一、流量,1.,3.1,流体的流量与流速,*,60,二、流速,2.质量流速,单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。,流速,（,平均,流速）,单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。,kg/,（,m,2,s,）,流量与流速的关系：,m/s,*,61,对于圆形管道：,流量,V,S,一般由生产任务决定。,流速选择：,三、,管径的估算,d ,设备费用,流动阻力,动力消耗,操作费,均衡考虑,u,u,适宜,费,用,总费用,设备费,操作费,*,62,常用流体适宜流速范围：,水及一般液体 13,m/s,粘度较大的液体 0.51,m/s,低压气体 815,m/s,压力较高的气体,15,25,m/s,*,63,1.,3.2,稳态流动与非稳态流动,稳态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；,非稳态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。,*,64,1.,3.3,连续性方程,对于稳态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下：,推广至任意截面,连续性方程,1,1,2,2,*,65,不可压缩性流体，,圆形管道,：,连续性方程反映了,稳态下,，,流量一定,时管路各截面,流速的变化规律,。常用它求：,不同,A,下的,u,或不同,u,下的,A(,或,d),。,*,66,例1-3,如附图所示，管路由一段,89,4mm,的管,1,、一段,10,8,4mm,的管,2,和两段,573.5mm,的分支管,3,a,及,3,b,连接而成。若水以,910,3,m/s,的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。,3,a,1,2,3,b,*,67,1.,3.4,柏努利方程,1,、流动系统的总能量衡算,2,2,1,1,0,0,Z,2,Z,1,*,68,（1）内能,贮存于物质内部的能量。,1,kg,流体具有的内能为,U（J/kg）。,衡算范围：1-1,、2-2,截面以及管内壁所围成空间,衡算基准：1,kg,流体,基准面：0-0,水平面,（2）位能,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,zg,（J,/kg）,。,注意,：,位能是相对值，高于基准面时为正，低于时为负。,*,69,（3）动能,1,kg,的流体所具有的动能为 (,J/kg),（,4,）静压能,静压能,=,1,kg,的流体所具有的静压能为,(,J/kg),（5）热,设换热器向,1,kg,流体提供的热量为,(,J/kg),。,l,A,V,*,70,（6）外功(,有效功,),1,kg,流体从流体输送机械所获得的能量为,W,e,(,J/kg)。,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,送流体；,内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。,*,71,2,流动系统的机械能衡算式与柏努利（,Bernoulli,）方程式,假设 流体不可压缩，则,流动系统无热交换，则,流体温度不变，则,(1),以单位质量流体为基准,设1,kg,流体损失的能量为,h,f,（,J/kg），,有：,(1),式中各项单位为,J/kg。,并且实际流体流动时有能量损失。,*,72,（,2,）以单位重量流体为基准,将(1)式各项同除重力加速度,g:,令,则,（2）,式中各项单位为,*,73,z ,位压头,动压头,H,e,外加压头或有效压头,。,静压头,总压头,H,f,压头损失,*,74,（,3,）以单位体积流体为基准,将(1)式各项同乘以,:,式中各项单位为,（3）,压力损失,*,75,3,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。,（4）,（5）,柏努利方程式,*,76,4.柏努利方程的讨论,（1）若流体处于静止，,u=0,，,h,f,=0,，,W,e,=0,，,则柏努利方程变为,说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律,。,（2）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,*,77,H,z,2,2,1,0,*,78,W,e,、,h,f,在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。,（3）zg、,某,截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能,；,有效功率,：,轴功率,：,*,79,（4）,柏努利方程式,适用于不可压缩性流体。,对于可压缩性流体，当 时，仍可用该方程计算，但式中的密度,应以两截面的平均密度,m,代替。,*,80,管内流体的流量；,容器间的相对位置；,输送设备的有效功率；,管路中流体的压强；,利用柏努利方程与连续性方程,，,可以确定：,1.,3.5,柏努利方程,式的应用,*,81,（1）,根据题意画出流动系统的示意图，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,；,（2）,位能基准面的选取,必须与地面平行；,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，则基准面应选过管中心线的水平面。,应用柏努利方程解题要点：,*,82,（4）,各物理量的单位应保持一致，压强的表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。,（3）截面的选取,与流体的流动方向相垂直；,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。,*,83,300,2,2,1,1,150,1500,单位：毫米,例,:,（,p26 1-12),如图，常温水自下向上定态流动,，,p,1,=169,KPa,p,2,=150,KPa,流动过程中能量损失很小。求：,w,s,=?,解：取,1,1,面为基准，在,1,1,和,2,2,之间没有外功加入，能量损失忽略，列柏努利方程：,取,=1000 kg/m,3,Z,1,=0,z,2,=1.5 m,p,1,=169,KPa,p,2,=150,KPa,代入方程式中得到,:,u,2,=,3.02,m/s,w,s,=192000 kg/h,一、确定管道中流体的流量,*,84,二、确定容器间的相对位置,例（,p28,例,1-11,）高位槽液面恒定，料液,=850kg/m,3,，,塔内表压,9.81kPa,，,V,h,=5m,3,/h,，,h,f,=10.30 J/kg(,不含出口阻力,),。求：液面比管出口中线高多少,m,？,解：设槽液面为,1-1,，管出口内侧为,2-2,。,1,1,2,2,38,2.5mm,Z,1,0,=0,=0,，,基准,代入解得：,*,85,三、输送设备的功率,解：泵的轴功率,N=N,e,/,=,W,e,w,s,/,，,在,1-1,2-2,间列柏式,例 泵将河水打入洗涤塔中，喷淋后流入下水道，,V,h,=84.82m,3,/h,，,塔前总的流动阻力为,10J/kg(,从管子,出口至喷头出,口段的阻力,忽略不计,),。喷头处,的压强较塔内压强高,0.02MPa,，,水从,塔内流入下水道的阻力也忽略不计，泵的效率为,65%,，求泵的轴功率,N,。,1m,5m,2,2,3,3,4,4,1m,1,1,0.2m,d,i,=0.1m,*,86,1m,5m,2,2,3,3,4,4,1m,1,1,0.2m,d,i,=0.1m,=0,1+1+5m,=,？,（,1,）,*,87,1m,5m,2,2,3,3,4,4,1m,1,1,0.2m,d,i,=0.1m,由图可见,p,2,要通过,p,3,求取，在,3-3,4-4,间列柏式，且以,4-4,为基准，有：,=0,=0,（表压）,*,88,代入式,(1),解得：,4,4,5,5,6,6,2,2,3m,1m,0.5m,3,3,1,1,水,四、确定管路中流体的压强,P30,例,1-13,水在等,径虹吸管内流动，,阻力略，求管内,2,3,4,5,6,各点压强。当地大气为,760mmHg,。,*,89,解：稳态，以,2-2,为基准面在,1-1,6-6,间列柏式求流速。,4,4,5,5,6,6,2,2,3m,1m,0.5m,3,3,1,1,水,=0,=0,（表）,=0,（表）,由连续性方程得：,或：,*,90,根据本题情况，各截面总机械能,E,相等。,4,4,5,5,6,6,2,2,3m,1m,0.5m,3,3,1,1,水,且：,同理，其它各截面：,非压差计算，用绝压,各截面间有：,及,。,思考：与,2,2,同截面的槽内压强,p,2,为多少？,P,2,或,p,2,?,*,91,1.,4,流体流动现象,1.,4.1,流体的流动类型与雷诺数,1.,4.2,流体在圆管内流动时的速度分布,1.,4.3,边界层的概念,*,92,1.,4.1,流动类型与雷诺数,一、雷诺实验与雷诺数,1.,4,管内流体流动现象,*,93,层流,（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；,湍流,（或紊流）：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合,。,二、,流型判据,雷诺准数,无因次数群,*,94,判断流型,Re2000,时，流动为层流，此区称为层流区；,Re4000,时，一般出现湍流，此区称为湍流区；,2000,Re 4000,时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。,2.,物理意义,Re,反映了流体流动中,惯性力与粘性力的对比关系,，标志着流体流动的湍动程度。,*,95,1.,4.2,流体在圆管内的速度分布,速度分布：流体在圆管内流动时,管截面上,质点的速度随半径的变化关系。,一、层流时的速度分布,*,96,由压力差产生的推力,流体层间内摩擦力,管壁处,r,R,时，,u,0,，可得速度分布方程,*,97,管中心流速为最大，即,r,0,时,u,u,max,管截面上的平均速度,:,即,层流流动时的平均速度为管中心最大速度的,1/2,。,即流体在圆形直管内,层流流动,时，其速度呈,抛物线分布,。,*,98,二、湍流时的速度分布,剪应力,：,e,为湍流粘度，与流体的流动状况有关,。,湍流速度分布的经验式：,*,99,n,与,Re,有关，取值如下,：,1/7次方定律,当 时，流体的平均速度,:,*,100,1.,4.3,边界层的概念,一、边界层的形成与发展,流动边界层：,存在着较大速度梯度的流体层区域，即,流速降为主体流速的,99,以内的区域。,边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。,*,101,流体在平板上流动时的边界层：,*,102,边界层区（边界层内）,：,沿板面法向的速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。,主流区（边界层外）,：,速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体,。,*,103,边界层流型：层流边界层和湍流边界层。,层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。,湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流。,*,104,流体在圆管内流动时的边界层,*,105,充分发展的边界层厚度为圆管的半径；,进口段内有边界层内外之分,。,也分为层流边界层与湍流边界层。,进口段长度：,层流：,湍流：,*,106,湍流流动时：,*,107,湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化；,过渡层：分子粘度与湍流粘度相当；,层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向传递只能依赖分子运动。,层流内层为传递过程的主要阻力,Re,越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。,*,108,2.边界层的分离,A,B,S,*,109,A C：,流道截面积逐渐减小，流速逐渐增加，压力逐渐减小（顺压梯度）；,C S：,流道截面积逐渐增加，流速逐渐减小，压力逐渐增加（逆压梯度）；,S,点：物体表面的流体质点在逆压梯度和粘性剪应力的作用下，速度降为0。,SS,以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡流，出现边界层分离。,*,110,边界层分离的后果：,产生大量旋涡；,造成较大的能量损失。,边界层分离的必要条件：,流体具有粘性；,流动过程中存在逆压梯度。,*,111,1.,5,流体在管内的流动阻力,1.,5.1,直管阻力,1.,5.2,局部阻力,*,112,1.,5,流体流动阻力,直管阻力,：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力；,局部阻力,：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。,1.,5.1,流体在直管中的流动阻力,一、阻力的表现形式,*,113,流体在水平等径直管中作定态流动。,*,114,若管道为倾斜管，则,流体的流动阻力表现为静压能的减少；,水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。,*,115,二、,直管阻力的通式,由于压力差而产生的推动力：,流体的摩擦力：,令,定态流动时,*,116,直管阻力通式（范宁,Fanning,公式,）,其它形式：,摩擦系数（摩擦因数,）,则,J/kg,压头损失,m,压力损失,Pa,该公式层流与湍流均适用；,注意 与 的区别。,*,117,三、,层流时的摩擦系数,速度分布方程,又,哈根,-,泊谡叶,（,Hagen-,Poiseuille,）,方程,*,118,能量损失,层流时阻力与速度的一次方成正比。,变形：,比较得,*,119,四、湍流时的摩擦系数,1.,因次分析法,目的,：,（1）减少实验工作量；,（2）结果具有普遍性，便于推广。,基础,：,因次一致性,即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，,而且每一项都应具有相同的因次。,*,120,基本定理：白金汉（,Buckinghan）,定理,设影响某一物理现象的独立变量数为,n,个，这些变量的基本因次数为,m,个，则该物理现象可用,N（nm）,个独立的无因次数群表示。,湍流时压力损失的影响因素：,（1）流体性质：,，,（2）流动的几何尺寸：,d,，,l,，,（,管壁粗糙度）,（3）流动条件：,u,*,121,物理变量,n 7,基本因次,m3,无因次数群,Nnm4,无因次化处理,式中：,欧拉（,Euler）,准数,即该过程可用4个无因次数群表示。,*,122,相对粗糙度,管道的几何尺寸,雷诺数,根据实验可知，流体流动阻力与管长成正比，即,或,*,123,莫狄（,Moody）,摩擦因数图：,*,124,（1）层流区（,Re,2000）,与 无关，与,Re,为直线关系，即,即,与,u,的一次方成正比,。,（,2,）过渡区（,2000,Re4000),将湍流时的曲线延伸查取,值,。,（3）湍流区（,Re,4,000,以及虚线以下的区域）,*,125,（,4,）完全湍流区,（虚线以上的区域）,与,Re,无关，只与 有关,。,该区又称为阻力平方区。,一定时，,经验公式,：,（1）,柏拉修斯（,Blasius,）,式：,适用,光滑管,Re,5,10,3,10,5,（2）考莱布鲁克（,Colebrook）,式,*,126,2.管壁粗糙度对摩擦系数的影响,光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等；,粗糙管：钢管、铸铁管等。,绝对粗糙度 ：管道壁面凸出部分的平均高度。,相对粗糙度 ：绝对粗糙度与管内径的比值。,层流流动时：,流速较慢，与管壁无碰撞，阻力与,无关，只与,Re,有关。,*,127,湍流流动时：,水力光滑管,只与,Re,有关,与 无关。,完全湍流粗糙管,只与 有关，与,Re,无关,。,*,128,例1-7 分别计算下列情况下，流体流过,76,3mm、,长10,m,的水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失。,（1）密度为910,kg/m,3,、,粘度为72,cP,的油品，流速为1.1,m/s；,（2）20,的水，流速为2.2,m/s。,*,129,五、,非圆形管内的流动阻力,当量直径：,套管环隙，内管的外径为,d,1,，,外管的内径为,d,2,:,边长分别为,a,、,b,的矩形管,:,*,130,说明：,（1）,Re,与,W,f,中的直径用,d,e,计算；,（2）层流时：,正方形,C57,套管环隙,C96,（3）,流速用实际流通面积计算,。,*,131,1.,5.2,局部阻力,一、阻力系数法,将局部阻力表示为动能的某一倍数。,或,局部阻力系数,J/kg,J/N=m,*,132,1.突然扩大,*,133,2.突然缩小,*,134,3.管进口及出口,进口：流体自容器进入管内。,进口,=0.5,进口阻力系数,出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外,空间。,出口,=1,出口阻力系数,4.管件与阀门,*,135,*,136,*,137,蝶阀,*,138,*,139,*,140,二、当量长度法,将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为,L,e,的直管所产生的阻力,。,L,e,管件或阀门的当量长度，,m。,部分管件和阀门的当量长度见,p,58,图,1-29,*,141,总阻力：,减少流动阻力的途径：,管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；,尽量不安装不必要的管件和阀门等；,管径适当大些。,*,142,例1-8,如图所示，料液由常压高位槽流入精馏塔中。进料处塔中的压力为0.2,at