宁夏大学化学化工学院：《化工原理》课程教学资源（电子教案）绪论、第一章 流体流动基础

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 4、单位换算 (1)正规单位换算:在一个单位上乘上某一单位使其值不变,然后再设法消去不必要的单位, 留下需要的单位 公厅 换算成公斤 米 g 100cm (2)利用公式如p==hr-比重(物理学中的单位)[千克(力)米] (3)利用现成换算关系如am=760mg]=103s/m 第一章流体流动基础 流体流动问题是化工厂里最常遇到的一个问题,也是化工单元操作中的一个最基本问题。化工 生产中所处理的物料以流体占大多数,流体的输送是在管路中进行的,因此流体输送管路在化工生 产中起着重要的作用,可看成与人体里的血管相当。输送管路是由管子、阀门、输送机械(泵、通 风机等)流量计等部分机械组成,它四通八大于各处。对于这类大量的输送管路和设备,如能做到 正确设计、布置和选用,就会为国家节约许多生产资料、避免浪费。学习这一章主要目的有四个方 面:1、讨论粘性流体动量传递的基本原理。 2、掌握流体一些基本规律 3、了解流体输送设备的基本结构。 4、解决流体输送中的问题 流体输送究竟包括那些内容,可通过以下实例了解概况 脱 罗茨鼓风机 调节阀支∪流量计 氨水槽 半水煤气4 H2S+MH4OH=MH4HS+H2O+Q(脱去半水煤气中的H2S)

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 6/42 4、单位换算 （1）正规单位换算：在一个单位上乘上某一单位使其值不变，然后再设法消去不必要的单位， 留下需要的单位。 如     2 1 1 厘米 公斤 换算成 米2 公斤 2 4 2 2 10 1 1 100 m k g m cm cm k g =        （2）利用公式 如 p = hg = hr r ——比重（物理学中的单位）   千克（力）米3 。 （3）利用现成换算关系 如       2 1 atm = 760 mmHg =1.033 kgf cm 第一章 流体流动基础 流体流动问题是化工厂里最常遇到的一个问题，也是化工单元操作中的一个最基本问题。化工 生产中所处理的物料以流体占大多数，流体的输送是在管路中进行的，因此流体输送管路在化工生 产中起着重要的作用，可看成与人体里的血管相当。输送管路是由管子、阀门、输送机械（泵、通 风机等）流量计等部分机械组成，它四通八大于各处。对于这类大量的输送管路和设备，如能做到 正确设计、布置和选用，就会为国家节约许多生产资料、避免浪费。学习这一章主要目的有四个方 面：1、讨论粘性流体动量传递的基本原理。 2、掌握流体一些基本规律。 3、了解流体输送设备的基本结构。 4、解决流体输送中的问题 流体输送究竟包括那些内容，可通过以下实例了解概况。 氨水槽 调节阀 流量计 脱 硫 塔 半水煤气 罗茨鼓风机 H2S + NH4OH = NH4HS + H2O +Q （脱去半水煤气中的 H2 S ）

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 银川氨肥厂脱硫塔(脱硫变换工段) 由上图可知,主要任务有二: 选:(合适的流速、合适的管径、阀门、测量仪表、泵、风机)。 研:(为了选合适就得研究流体的性质,流动形态即条件,流体的有关规律。) 第一节流体的物理性质 1.1连续介质的假定 连续介质假定:流体是有连续分布的流体质点所组成 二、理想流体与实际流体 1、流体:液体与气体的统称 2、粘度:流体内部摩擦力的表现,是流体重要的物性参数之一用μ表示。 注:固体有摩擦力,如粉笔盒(擦)在桌面上移动(摩擦产生于外表面)。液体也有摩擦力, 如倒一瓶水与一瓶油相比较,油到出来慢,为什么呢?油液内部有摩擦力。(摩擦力产生于 内部)。 3、理想流体:理想液体与理想气体的统称,即粘度为零的流体 4、理想液体:不可压缩,受热不膨胀,粘度为零因而流动时不产生摩擦阻力的液体 5、理想气体:粘度为零,流动时没有摩擦阻力的气体,它完全符合理想气体状态方程式。(物 化上“理想气体”是指分子间无吸引力,分子体积为零,完全符合理想气体状态方程式 PI=nRT的气体)。 6、实际流体:粘度不为零的流体。 1.1.2流体的密度、比容、压强 密度:单位体积流体所具有的质量。即Py当△趋近于时P=m △m (△→0) 表示流体内部某点的密度。 式中:p—流体的密度,[kg/m]m一流体的质量,区kg] 一流体的体积, 任何流体,其密度随压强和温度而变化。即p=∫(p,T) 压强对流体的密度影响很小,可忽略不计,故常称液体为不可压缩流体。 温度对液体密度则有一定的影响,故在有关书刊中介绍液体密度的实测值时,皆注有温度条件。气 体是可压缩流体,其密度随压强和温度而变化,因此气体的密度必须标明其状态,即压强、温度条 件。一般当压强不太高、温度不太低(高温低压)时,可按理想气体来处理 1、理想气体(常温常压,压力在5个大气压以下,温度不太严格,可取20C或20C以上。)多 数气体的密度可用理想气体状态方程式来计算。 V=nRt 714

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 7/42 银川氨肥厂脱硫塔 （脱硫变换工段） 由上图可知，主要任务有二： 一、选：（合适的流速、合适的管径、阀门、测量仪表、泵、风机）。 二、研：（为了选合适就得研究流体的性质，流动形态即条件，流体的有关规律。） 第一节 流体的物理性质 1.1.1 连续介质的假定 一、连续介质假定：流体是有连续分布的流体质点所组成。 二、理想流体与实际流体 1、 流体：液体与气体的统称。 2、 粘度：流体内部摩擦力的表现，是流体重要的物性参数之一用  表示。 注：固体有摩擦力，如粉笔盒（擦）在桌面上移动（摩擦产生于外表面）。液体也有摩擦力， 如倒一瓶水与一瓶油相比较，油到出来慢，为什么呢？油液内部有摩擦力。（摩擦力产生于 内部）。 3、 理想流体：理想液体与理想气体的统称，即粘度为零的流体。 4、 理想液体：不可压缩，受热不膨胀，粘度为零因而流动时不产生摩擦阻力的液体。 5、 理想气体：粘度为零，流动时没有摩擦阻力的气体，它完全符合理想气体状态方程式。（物 化上“理想气体”是指分子间无吸引力，分子体积为零，完全符合理想气体状态方程式 PV = nRT 的气体）。 6、 实际流体：粘度不为零的流体。 1.1.2 流体的密度、比容、压强 一、密度：单位体积流体所具有的质量。即 V m    = 当 V 趋近于零时 V m    = lim （ V →0 ） 表示流体内部某点的密度。 式中：  ——流体的密度，   3 kg m m——流体的质量， kg V——流体的体积，   3 m 任何流体，其密度随压强和温度而变化。即  = f ( p,T) 压强对流体的密度影响很小，可忽略不计，故常称液体为不可压缩流体。 温度对液体密度则有一定的影响，故在有关书刊中介绍液体密度的实测值时，皆注有温度条件。气 体是可压缩流体，其密度随压强和温度而变化，因此气体的密度必须标明其状态，即压强、温度条 件。一般当压强不太高、温度不太低（高温低压）时，可按理想气体来处理。 1、 理想气体 (常温常压，压力在 5 个大气压以下，温度不太严格，可取 C 0 20 或 C 0 20 以上。）多 数气体的密度可用理想气体状态方程式来计算。 RT M m pV = nRT = （1）

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 m p 式中m一气体的质量 V—气体的体积 气体的绝对压强[P M气体的摩尔质量,其值等于分子量/kmol R——气体常数,其值为8314k kolk T一气体的绝对温度 当n=1摩尔(mol)标准状态下(0°C,latm下任何气体千摩尔体积为224m3) 将R=P 代入(2)式得 T pM M P To MpTo P To (3) Poo o Po T 22.4poT 2、混合理想气体 甲:Pn=P4+P2g+…+pnn式中q4印g…“n-—气体混合物中各组分气体体积分率 pM pn=∑ M M RT y 丙:p1= Mm M=M+M+…+M(左右式中省去总摩尔数=1摩尔即 22.4 po T MAy4×1总质量=各分质量之和即:混和后的总质量等于混合前的总质量。 式中:pm-—气体混合物的平均密度; Mn——气体混合物的平均摩尔质量[kg/km y4、yB、yn—气体各组分的摩尔分率(也即等于体积分率、分压分率)。 3、液体混合物 若各组分在混合前后其体积不变,则1kg]混和液体的体积等于各组分单独存在之和 即:(参阅理想液体特征:不可压缩、受热不膨胀)。 1×a 4+-B+…+一右式各分子省去总质量为1kg即 Pm Pa pB p 式中;、1 Pn—液体混合物中各组分的密度[kg/m]

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 8/42 RT pM V m  = =     3 m kg （2） 式中 m——气体的质量 kg V——气体的体积   3 m p—气体的绝对压强 kPa M——气体的摩尔质量，其值等于分子量     kmol kg R——气体常数，其值为   kmol K kJ . 8.314 T——气体的绝对温度 K 当 n=1 摩尔（mol）标准状态下( C 0 0 ,1atm 下任何气体千摩尔体积为 22.4 3 m ) 将 0 0 T pV R = 代入 （2）式得 T T p p p T MpT T T p p V M T T p V pM 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 22.4  = = . . = =      3 m kg （3） 2、 混合理想气体 甲：  m =  A A +  B B ++  nn 式中  A  B n . ——气体混合物中各组分气体体积分率。 乙： RT pMm  m = m i vi  =  x m i i M = M y 丙： T T p Mm p m 0 4 0 22.  = Mm = M AYA + MBYB ++ MnYn （左右式中省去总摩尔数=1 摩尔 即 MA yA 1 总质量=各分质量之和 即：混和后的总质量等于混合前的总质量。 式中：  m ——气体混合物的平均密度; M m ——气体混合物的平均摩尔质量 kg kmol A y 、 B y 、 n y ——气体各组分的摩尔分率（也即等于体积分率、分压分率）。 3、 液体混合物 若各组分在混合前后其体积不变，则 1 kg 混和液体的体积等于各组分单独存在之和。 即：（参阅理想液体特征：不可压缩、受热不膨胀）。 n n B B A A m        = + ++ 1 右式各分子省去总质量为 1 kg 即 i i  1 式中： =  i i m    1  A、  B ……  n ——液体混合物中各组分的密度   3 kg m

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 a4、aB……an-液体混合物中各组分的质量分率。p 二、比容:单位质量流体的体积。即v= 式中 流体的比容 、压强(压力):流体垂直作用于单位面积上的压力,称为流体的静压强,简称压强,其表达式为 △P △P (△4→0)流体中任一点的压强 式中:p——流体的静压强,Pd] P垂直作用于流体表面上的压力,[N A作用面的面积,回] 压强除[Pa]外,还有其它单位如am(标准大气压),某流体柱高度等。其换算关系为 a+m=760[mh图]=10.3mH1O]=1013×10[Pd]=103kg/m 工程上为了使用和换算方便,常将1kgf/cm2近似的作为一个大气压,称为1工程大气压 l]-8/mn|=7356m1]=10m1]=9807×10ma 1、流体压强的特性: 其一:压力的作用方向垂直于作用面 其二:流体中任一点压强的大小在其各个方向上都是相等的,即压强是深度的函数。(中学物理: y是比重;单位体积流体具有的重量。) 2、压强的表示方式: 以绝对零压(绝对真空)做起点计算的压强,称为绝对压强,是流体的实际压强 以当时当地的大气压强(外界大气压强),为起点的压强称为表压强。(把压强表上的指针调到 零位置)。 当被测流体的绝对压强大于外界大气压强时,所用测压仪表称为压强表(压力表), 压强表上的读数是流体实际压强高于当时当地大气压强的数值,称为表压强。 即表压强=绝对压强一大气压强 当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时,所用测压仪表称为真空表。 真空表上的读数表示被测流体的绝对压强低于外界大气压强的数值,称为真空度。 真空度=大气压一绝对压强 将①式两边同乘以-1 表压强=大气压-绝对压强 所以真空度=负的表压强。从图示上看大气压线以上为正、以下为负。真空度也是负的表压强。即 对小于大气压的同一绝压而言,真空度就等于负的表压强。千 某一实际压强

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 9/42  A 、 B …… n ——液体混合物中各组分的质量分率。  = i i m    1 二、比容：单位质量流体的体积。即   1 = = m V     kg m 3 式中：  ——流体的比容     kg m 3 三、压强（压力）：流体垂直作用于单位面积上的压力，称为流体的静压强，简称压强，其表达式为 A P p   = A P p   = lim （ A→0 ）流体中任一点的压强。 式中： p ——流体的静压强， Pa ； P——垂直作用于流体表面上的压力， N ； A——作用面的面积，   2 m 。 压强除 Pa 外，还有其它单位如 atm （标准大气压），某流体柱高度等。其换算关系为：           5 2 1 a + m = 760 mmHg =10.33 mH2O =1.013310 Pa =1.033 kgf cm 工程上为了使用和换算方便，常将 2 1kgf cm 近似的作为一个大气压，称为 1 工程大气压。 1       4 1 2 = 735.6 = 10 2 = 9.80710     = mmHg mH O cm kgf at [Pa] 1、 流体压强的特性： 其一：压力的作用方向垂直于作用面。 其二：流体中任一点压强的大小在其各个方向上都是相等的，即压强是深度的函数。（中学物理： p=h   是比重；单位体积流体具有的重量。） 2、 压强的表示方式： 以绝对零压（绝对真空）做起点计算的压强，称为绝对压强，是流体的实际压强。 以当时当地的大气压强（外界大气压强），为起点的压强称为表压强。（把压强表上的指针调到 零位置）。 当被测流体的绝对压强大于外界大气压强时，所用测压仪表称为压强表（压力表）， 压强表上的读数是流体实际压强高于当时当地大气压强的数值，称为表压强。 即 表压强=绝对压强—大气压强 ① 当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时，所用测压仪表称为真空表。 真空表上的读数表示被测流体的绝对压强低于外界大气压强的数值，称为真空度。 真空度=大气压－绝对压强 ② 将○1 式两边同乘以-1 -表压强=大气压-绝对压强 所以 真空度=负的表压强。从图示上看大气压线以上为正、以下为负。真空度也是负的表压强。即 对小于大气压的同一绝压而言，真空度就等于负的表压强。 某一实际压强

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 表压 大气压 绝压 真空度 大气 某一真空 绝压 对零压(绝对真空) 1.1.3流体的粘性和理想流体 几个概念 1、体积力(质量力):体积力作用于流体的每一个质点上,并与流体质量成正比,对于均值流 体也与流体的体积成正比。重力、离心力都是典型的体积力,是一种场力。 2、表面力一一压力和剪力:与流体表面积成正比的力称表面力。表面力机械力。 ①压力:垂直于表面的力。单位面积上所受的压力称为压强。N2[Pa]帕斯卡 ②剪力:平行于表面的力。单位面积上所受的剪力称剪应力 、牛顿粘性定律 面积S △ △u 固定板 设有间距甚小的二平行平板,其间充满流体。下板固定,上板施加一个平行于平板的切向力F力使 此板以速度u作匀速运动。紧贴于运动板下方的流体层以相同的速度u流动,而紧贴于固定板上方 的流体层则静止不动。两板间各层流体的速度不同其大小如上图所示。 剪力又称为内摩擦力(源于物理上的摩擦力∫=μN):在两个相邻的流体层之间的接触面上作 用着一对与接触面平行的大小相等、方向相反的作用力F与F 剪力的特点:①作用力与作用面平行:②两作用面间距离极小,即极薄、极薄 F与流速同向,作用在流速较慢的流体层上使流层加速。下与流速反向,作用在流速较快的流 层上使流层减速。第二层流体受两种力的作用,第一层摩擦力使之加速,第三层的内摩擦力使之减 速,故第二层流体流速大于第三层而小于第一层。在固定板处的流速为零,因为附着力大于内聚力 (固体分子对流体分子的引力大于流体分子之间的引力。)

宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 10/42 表压 大气压 绝压 真空度 大气 某一真空 压 绝压 绝对零压（绝对真空） 1.1.3 流体的粘性和理想流体 一、几个概念 1、 体积力（质量力）：体积力作用于流体的每一个质点上，并与流体质量成正比，对于均值流 体也与流体的体积成正比。重力、离心力都是典型的体积力，是一种场力。 2、 表面力——压力和剪力：与流体表面积成正比的力称表面力。表面力机械力。 ① 压力：垂直于表面的力 。单位面积上所受的压力称为压强。 Pa m N 2 帕斯卡 ② 剪力：平行于表面的力。单位面积上所受的剪力称剪应力。 二、牛顿粘性定律 固定板 面积 S F 1 2 3 Δu Δy 设有间距甚小的二平行平板，其间充满流体。下板固定，上板施加一个平行于平板的切向力 F 力使 此板以速度 u 作匀速运动。紧贴于运动板下方的流体层以相同的速度 u 流动，而紧贴于固定板上方 的流体层则静止不动。两板间各层流体的速度不同其大小如上图所示。 剪力又称为内摩擦力（源于物理上的摩擦力 f = N ）：在两个相邻的流体层之间的接触面上作 用着一对与接触面平行的大小相等、方向相反的作用力 F 与-F 剪力的特点：①作用力与作用面平行 ； ②两作用面间距离极小，即极薄、极薄 。 +F 与流速同向，作用在流速较慢的流体层上使流层加速。-F 与流速反向，作用在流速较快的流 层上使流层减速。第二层流体受两种力的作用，第一层摩擦力使之加速，第三层的内摩擦力使之减 速，故第二层流体流速大于第三层而小于第一层。在固定板处的流速为零，因为附着力大于内聚力。 （固体分子对流体分子的引力大于流体分子之间的引力。）