化工原理第一章(1)

ρ
ρ
式中：℘ —具有压强相同的因次，可理解为 一种虚拟的压强。
28
1-2-4 流体静力学基本方程式的应用
一、压强与压强差的测量 1、简单测压管 PA = Pa + Rρg A点的表压： PA – Pa = Rρg 只适用于高于大气压的液 体压强的测定，不能用 于气体的测定。
29
２、U形测压管
z 由静力学原理可知，在同 一种静止流体内部等高面 即是等压面。因此，1、2 两点为等压面。 p1 = p A + ρgh1
这二个式子称为流体静力学基本 方程式。
23
2、流体静力学基本方程式的基本概念
p=p0+ρgh p2=p1+ρg（Z1−Z2）
1、压力是流体深度的函数 2、同一种静止流体内部等高面即是等压面 3、压力以同样大小传递到液体内部 适用条件： 1、重力场同一设备内压力变化不大的不可压 缩流体。 2、同一种连续的流体
8
（四）化工原理过程计算的理论基础
过程计算可分为设计型计算和操作型计算两 类，其在不同计算中的处理方法各有特 点，但是不管何种计算都是以质量守恒、 能量守恒、平衡关系和速率关系为基础的。
9
（五）本课程学习目的
1、掌握化工过程的基本原理、典型设备的 构造、性能及操作原理。（掌握原理） 2、掌握这些过程的基本计算方法和设备的 设计与选用，在缺乏数据的情况下，如何 组织实验以取得必要的设计数据。（设计、 计算） 3、寻求适宜的操作条件，探索强化过程的 方向及改进设备的途径。（操作、发展）
2
2．化工原理
化工原理是研究前处理和后处理所涉及的物 理加工过程规律和设备。 是研究化工生产中内在的共同原理，普遍 原理。单元操作不论它们的原理有何不 同，但从过程的实质来看，都迁涉到动量 传递、热量传递、物质传递，所以真正过 程进行的实质是三传理论。
3
（二）单元操作分类和特点
1．单元操作分类 （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、物料混合（搅拌）。 （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、吸附、膜分离等。从工程目的来看，这些操作都可 将混合物进行分离，故又称之为分离操作。 （4）同时遵循热质传递规律的单元操作，包括气体的增湿 与减湿、结晶、干燥等。 另外，还有热力过程（制冷）、粉体工程（粉碎、颗粒分 级、流态化）等单元操作。
PV P 'V ' = T T'
17
∵
m ρ= V
∴
PT ' ρ = ρ' TP '
某标准状态下理想气体的密度可按下式进行计算：
PV=nRT
m PM ρ= = V RT
或
M T0 P × ρ= 22.4 TP0
R —气体常数其值为8.315kJ/kmol·k 下标“０”表示标准状态（１atm，0℃)
4
本门课程主要讨论的内容
1、研究遵循流体动力学基本规律的单元操 作，包括流体流动、流体输送、流体通过 颗粒层的流动。 2、研究遵循热量传递基本规律的单元操 作，包括加热、冷却、冷凝。 3、研究遵循质量传递基本规律的单元操 作，包括蒸馏、吸收、萃取。 4、研究同时遵循热质传递规律的单元操 作，包括气体的增湿与减湿、干燥。
21
p1 表压 当地大气压 p2 真空度 绝对压强 绝对真空 压强的基准和度量
22
绝对压强
1-2-3流体静力学基本方程式 ——研究流体柱内压强沿高度变化的规律
1、推导 在垂直方向上，力的平衡：
p2=p1+ρg（Z1−Z2）
p2A=p1A+W=p1A+ρgA（Z1−Z2）
若Z1面在水平面上
p2=p0+ρgh
5
2．单元操作特点
（1）物理过程 （2）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（或结构）方面会有很大差别。 （3）对同样的工程目的，可采用不同的单 元操作来实现。
6
3．开发新的单元操作
如膜分离、电磁分离、超临界技术等。
单元操作的研究包括“过程”和“设备”两个方面的 内容，故单元操作又称为化工过程和设备。化工 原理是研究诸单元操作共性的课程。 “三传理论的建立”是单元操作在理论上的进一步 发展和深化。传递过程是联系各单元操作的一条 主线。
在研究流体流动时，将流体视为由无数分子集团所 组成的连续介质，其目的是为了摆脱复杂的分子运 动，而从宏观的角度来研究流体的流动规律。
13
14
流程分析：
流体（水和煤气）在泵（或鼓风机）、流量计以及管道中 流动等，是流体动力学问题。 流体在压差计，水封箱中的水处于静止状态，则是流体静 力学问题。 为了确定流体输送管路的直径，需要计算流体流动过程产 生的阻力和输送流体所需的动力。 根据阻力与流量等参数选择输送设备的类型和型号，以及 测定流体的流量和压强等。 流体流动将影响系统中的传热、传质过程等，是其他单元 操作的主要基础。
31
只有当两测压口处于等高面上，ZA = ZB（即被测 管道水平放置时） U形压差计才能直接测得两点的 压差：
(℘A −℘B ) = ( pA − pB )
一般情况，压差应由下式计算：
( p A − p B ) = Rg ( ρ i − ρ ) − ρ g ( z A − z B )
A B
h1 ZA R
24
等压面讨论
A-A面不是等压面 B-B面不是等压面 C-C面是等压面
A-A面是等压面 B-B面不是等压面 C-C面不是等压面
25
等压面条件：静止、连续、同一种流体、同一水平面（缺一不可）
3、静力学方程的几种形式
（1）压强差的大小可以用一定高度的液体柱 来表示
p − p0 ρg = h
是用mmHg,mmH2O等单位来计量的依据。 但必须注明是何种液体，反之失去意义。
h2 ZB
32
例题 ：蒸汽锅炉上装置—复 式U形水银测压计，截面2、 4之间充满水。已知对某基 准面而言各点的标高为： Z0 = 2.1m、 Z1 = 0.9m、 Z4＝2.0m、Z6 = 0.7m、 Z7 = 2.5m 试求锅炉内水面上的蒸汽压 强。
33
解：按静力学原理，同一种静止流体的连通器 内、同一水平面上的压强相等，故有： p1=p2、 p3=p4、 p5=p6 水平面1-2： p2 = pa + ρi g( z0 − z1 ) 水平面3-4： p4 = p3 = p2 − ρg(z4 − z2 ) 水平面5-6：p6 = p4 + ρi g(z4 − z5 ) 锅炉蒸汽压强：p = p 6 − ρg ( z 7 − z 6 )
化工原理 （一）
1
绪 论
化工原理课程研究内容、特点和学习要求 （一）化工原理课程研究内容 1．化工生产过程
是将原材料进行加工处理，使其在物理性能上或在化 学性质上发生变化，成为人们所需的产品。 在各种加工过程中，除化学反应外，其余步骤都可归 纳为若干种基本的物理过程，如流体的输送和压缩、 沉降、过滤、传热、蒸发、结晶、干燥、蒸馏、吸收、 萃取、冷冻等等。 这些基本的物理过程称为单元操作。若干单元操作串 联组合则可构成一个工艺制造过程。
10
参考书籍
z 1．陈敏恒等．化工原理，上册．北京：化学工业出版 社．2006 第三版 z 2．谭天恩等．化工原理，上册．北京：化学工业出版 社．1990 z 3．蒋维钧． 化工原理，上册．北京：清华大学出版 社．1992 z 4．姚玉英． 化工原理例题与习题，第三版．北京：化学 工业出版社．1998 z 5．柴诚敬等．化工原理学习指导．天津：天津科技出版 社．1992 z 6.丛德滋等.化工原理详解与应用.北京：化学工业出版 社．2002
26
（2）静压头+位压头=常数
p1 p2 + Z1 = + Z2 ρg ρg
（3）静压能+位压能=常数
p1
ρ
+ Z1g =
p2
ρ
+ Z2 g
27
静止流体存在着两种形式的势能（位能和压 强能），在同一种静止流体中处于不同位 置的流体柱其位能和压强能各不相同，但 其和即总势能保持不变。即： p ℘ = gz + = const
p 2 = p a + ρ i gR p A = p a + ρ i gR − ρgh1
A点的表压为：
p A − p a = ρ i gR − ρgh1
若容器内为气体，由气柱h1 造成的静压强可以忽略。 p A − p a = ρ i gR
30
3、U形压差计
z U形管内的指示液处于静 止，故位于同一水平面1、2 两点的压强：
20
单位换算： 1atm=1.0133×105 Pa =760mmHg =10.33mH2O=1.033kgf/cm2 1 at =9.807×104 Pa =735.6mmHg= 10mH2O =1 kgf/cm2 3、表示压强的基准 绝对压强—以绝对真空为基准测得的压强 表压强—以当地大气压为基准测得的压强，表示待测压强比大 气压高出的部分 真空度—表示待测压强比大气压低的部分 换算 ： 表压强=绝对压强-大气压强 真空度=大气压强-绝对压强 =-(绝对压强-大气压强) =-表压强
p = pa + ρi g(z0 − z1 ) + ρg(z4 − z5 ) − ρg(z4 − z2 ) − ρg(z7 − z6 )
34
蒸汽表压为：
p − pa = ρi g(z0 − z1 + z4 − z5 ) − ρg(z4 − z2 + z7 − z6 )
=13600×9.81×(2.1-0.9+2.0-0.7)1000×9.81×(2.0-0.9+2.5-0.7) =3.05×105Pa=305kPa
18
百度文库
式中：M—气体的摩尔质量kg/mol
⑴ 液体混合物的ρm（1kg基准）
1
ρm
=
wA
ρA
+
wB
ρB
+ LL +
wn
ρn
质量分率表示
ρA、ρB…….ρn——液体混合物中各纯组分的密度。 wA、wB…….wn——液体混合物中各组分的质量分率。
⑵ 气体混合物的ρm（1m3基准）
ρm = ρA yA + ρB yB +L L+ ρn yn
p1 = p A + ρgh1
p2 = p B + ρg (h2 − R) + ρ I gR
( p A + ρgz A ) − ( p B − ρgz B ) = Rg ( ρ i − ρ )
(℘ A − ℘B ) = Rg ( ρ i − ρ )
U形压差计直接测得的读数R不是 真正的压差，而是虚拟压强差。
7
（三）本课程研究方法
1．实验研究方法（经验法？） 该方法一般用因次分析和相似论为指导，依靠实 验来确定过程变量之间的关系，通过无因次数群 （或称准数）构成的关系式来表达。是一种工程 上通用的基本方法。 2．数学模型法（半经验半理论方法？） 该方法是在对实际过程的机理深入分析的基础 上，在抓住过程本质的前提下，作出某种合理简 化，建立物理模型，进行数学描述，得出数学模 型。通过实验确定模型参数。
15
第二节 流体静力学基本方程式
有关流体性质的二个参数： 1-2-1流体的密度 单位体积流体所具有的质量称为流体的密度。 [kg/m3] m ρ= V 对于任何一种流体，其密度是压力和温度的 函数。即ρ=f(P、T)。
16
液体为不可压缩的流体,压力对液体的密度 影响很小，可以忽略不计，温度对液体的 密度有一定的影响。 气体是可压缩的流体，其密度随压力和温度 的变化较大，因此气体的密度必须标明其 状态。 对于一定质量的理想气体，其体积、压强和 温度之间的变化关系为：
PM m ρm = RT
体积分率表示
yA、yB…yn—气体混合物中各组分的体积分率。
或
M m = M A y A + M B y B + LL + M n y n
19
1-2-2 流体的静压强
1、 静压强 定义：流体垂直作用于单位面积上的压力。
P p = A
2、压强的单位 （1）直接按压强定义：N/m2，Pa（帕斯卡） （2）间接按流体柱高度表示：m H2O柱，mm Hg柱 （3）以大气压作为计量单位：标准大气压(atm)， 工程大气压（at）kgf/cm2
11
第一章 流体流动
第一节 概述 流体流动规律是本门课程的重要基础， 原因是：在生产过程中，有以下三个方 面经常要应用流体流动的基本原理及其 流动规律。 1.流体的输送 2.压强、流速和流量的测量 3.为强化设备提供适宜的流动条件
12
本章重点
1、讨论流体流动过程的基本原理及流 体在管内的流动规律 2 、运用这些原理和规律去分析和计算 流体的输送问题