1、化工原理電子教案緒論化工原理課程是化工、制藥、生物、環境、過程控制與裝備的一門主干課程，是綜合運用數學、物理、化學、計算技術等基礎知識，分析和解決化工類型生產過程中各種物理操作問題的技術基礎課。學習緒論，掌握五個方面的內容。一、化工生產過程與單元操作化工原理與化學工業，化學工業是一個與我們衣、食、住、行，日常生活和科技發展息息相關的行業，是一非常實用的工業。化工生產過程：用化工的手段將原料加工成產品的生產過程，稱為化工生產過程。化工產品成千上萬，每種產品均有它自己特定的生產過程。由于原料、產品的多樣性及生產過程的復雜性，形成了數以萬計的化工生產工藝。例如：例如，乙炔法制取聚氯乙烯的生產是以乙炔

2、和氯化氫為原料進行加成反應以制取氯乙烯單體，然后單體在0.8MPa、55左右進行聚合反應獲得聚氯乙烯。聚氯乙烯的工藝流程圖見圖1。圖1 聚氯乙烯化工生產過程流程示意圖通過聚氯乙烯生產實例可以看出：化工生產過程包括許多的步驟。原料要依次通過一個或多個設備，經過多種處理后才能最終得到符合要求的產品。因此化工生產過程的特點為： 化工生產過程的步驟多； 各種不同的化工生產過程差別十分大。人們通過不斷的探索、研究、實踐、發現，各種各樣復雜的化工生產過程可以抽象并歸納為這樣一種過程框圖。 原料前處理化學反應后處理產品一般的化工過程一分為二可由兩部分組成： 化學反應為主的過程（每種產品特有的化學反應過程）

3、物理操作為主的過程。從生產某種特定產品的意義上說，化學反應過程是化工生產的核心，而為化學反應準備必要的反應條件以及進一步將初產品提純的生產操作在化工生產過程中占有極重要的地位。通常，這些生產操作在工廠的設備投資和操作費用中占主要的比例，決定了整個生產的經濟效益。化學反應為主的過程，一般在各種形式的反應器中進行，屬于化學反應工程的內容。物理反應為主的過程，一般不進行化學反應，如前處理，后處理，僅僅利用物質物性的差異，例如揮發度、溶解度等等的差異，進行分離操作。通過進一步的分析發現，這些物理操作具有許多共同點，即物理操作的共性。在化學工程學科形成之前，每一類化學工藝均被視為一專門知識，后來人們發現

4、不管化工生產的工藝如何干差萬別，它們在很多典型設備中進行著原理相同的物理過程，人們將不同化學工藝中相同或類似的物理過程放在一起研究，這就形成了單元操作概念。所謂的“單元操作”，是指在各類不同化工工藝中通用的物理操作“單元”。化工生產中的物理操作過程是由各個操作單元組成，同一單元遵守的原理是相同的。例如，無論是在制糖工業中，還是在化肥工業中，都有溶液蒸發操作，這就是蒸發單元操作，雖然是在兩個不同過程中的操作，但都遵守蒸發操作原理。像這樣的操作還有流體流動、流體輸送機械、過濾、傳熱、蒸餾、吸收、萃取、結晶、干燥等20余種。常用的單元操作如表o1所示。化工過程中常用單元操作單元操作 目 的 物 態

5、原 理 傳遞過程流體輸送 輸送 液或氣 輸入機械能 動量傳遞攪拌 混合或分散 氣-液；液-液； 輸入機械能 動量傳遞 固-液過濾 非均相混合物分離 液-固；氣-固 尺度不同的截留 動量傳遞沉降 非均相混合物分離 液-固；氣-固 密度差引起的沉降運動 動量傳遞加熱、冷卻 升溫、降溫、改變相態 氣或液 利用溫度差而傳入或移出熱量 熱量傳遞蒸發 溶劑與不揮發性溶質的分離 液 供熱以氣化溶劑 熱量傳遞 氣體吸收 均相混合物分離 氣 各組分在溶劑中溶解度的不同 質量傳遞液體蒸餾 均相混合物分離 液 各組分間揮發度的不同 質量傳遞萃取 均相混合物分離 液 各組分在溶劑中溶解度的不同 質量傳遞 干燥 去濕

6、固體 供熱汽化物料內的濕分 熱、質同時傳遞吸附 均相混合物分離 液或氣 各組分在吸附劑中的吸附能力 質量傳遞 不同例如制糖業、造紙業，產品雖然不一樣，但都包含著干燥操作。或者說雖然它們服務的對象的物理性質不一樣，生產規模也不一樣，但是它們都具有共性，這樣我們就可將共性的東西抽象出來，不討論具體的化工工藝問題，這樣就形成了一個一個完成不同特定目的的單元，研究這些單元的特點及規律的學問就稱為單元操作。人們這么做的目的有兩個：對于任一復雜的化工生產過程，都可以認為是若干個單元操作通過某種適當的組合串聯而成的過程。這樣分類有利于將主要精力投入到單元研究中，不具體到某一個工藝上。單元操作的特點：均為物理

7、反應的操作；化工過程雖差別大，但均由單元操作適當組合而成，是化工生產過程中的共有操作；基本原理一樣，進行過程的設備往往是通用的。單元操作不僅在化工生產中占有重要地位，也廣泛應用于石油化工、冶金、食品、制藥、原子能等工業中。隨著化工生產的不斷發展，化工單元操作也在不斷發展。目前常用的單元操作已達20多種可從不同的角度加以分類。化工過程中常用單元操作單元操作 目 的 物 態 原 理 傳遞過程流體輸送 輸送 液或氣 輸入機械能 動量傳遞攪拌 混合或分散 氣-液；液-液； 輸入機械能 動量傳遞 固-液過濾 非均相混合物分離 液-固；氣-固 尺度不同的截留 動量傳遞沉降 非均相混合物分離 液-固；氣-固

8、 密度差引起的沉降運動 動量傳遞加熱、冷卻 升溫、降溫、改變相態 氣或液 利用溫度差而傳入或移出熱量 熱量傳遞蒸發 溶劑與不揮發性溶質的分離 液 供熱以氣化溶劑 熱量傳遞 氣體吸收 均相混合物分離 氣 各組分在溶劑中溶解度的不同 質量傳遞液體蒸餾 均相混合物分離 液 各組分間揮發度的不同 質量傳遞萃取 均相混合物分離 液 各組分在溶劑中溶解度的不同 質量傳遞 干燥 去濕 固體 供熱汽化物料內的濕分 熱、質同時傳遞吸附 均相混合物分離 液或氣 各組分在吸附劑中的吸附能力 質量傳遞 不同二、化工原理課程的研究方法本課程是一門實踐性很強的工程學科，在其長期的發展過程中，形成了兩種基本研究方法，即 實

9、驗研究方法（經驗法）該方法一般用量綱分析和相似論為指導，依靠實驗來確定過程變量之間的關系，通常用無量綱數群（或稱準數群）構成的關系來表達。實驗研究方法避免了數學方程的建立，是一種工程上通用的基本方法。 數學模型法（半經驗半理論方法）該方法是在對實際過程的機理深入分析的基礎上，在抓住過程本質的前提下，作出某些合理簡化，建立物理模型，進行數學描述，得出數學模型。通過實驗確定模型參數，這是一種半經驗半理論的方法。三、化工原理課程學習的要求本課程是科學和技術的融合，它強調工程觀點，定理運算，實驗技能及設計能力的培養，強調理論聯系實際。學生在學習本課程中，應注意以下幾個方面能力的培養。 單元操作和設備選

10、擇的能力根據生產工藝要求和物性特性，合理地選擇單元操作及設備。 工程設計能力學習進行工藝過程計算和設備設計，當缺乏現代數據時，要能夠從資料中查取，或從生產現場查定或通過實驗測取。學習利用計算機輔助設計。 操作和調節生產過程的能力學習如何操作和調節生產過程。在操作發生故障時，能夠查找故障原因，提出排出故障的措施，了解優化生產過程的途徑。 過程開發或科學研究能力學習如何根據物理或物理化學原理而開發單元操作，進而組織一個生產工藝過程，將可能變現實，實現工程目的，這是綜合創造能力的體現。四、化工原理五個重要基本概念 （1）物料衡算在單元操作中，對于任一系統，凡是向該系統輸入的物料量必定等于從該系統輸出

11、的物料量與在該系統累積的物料量之和，即輸入系統的物料量=輸出系統的物料量+系統累積物料量上述物料衡算的方法既適用于連續操作系統，也適用于間歇操作系統，還適用于對系統任一組分的物料衡算。對于含有化學反應的系統，它只適用于任一元素的衡算。物料衡算的步驟: 劃定范圍 確定基準 列出方程 求解方程應當注意：物料衡算時，應嚴格按以上步驟進行；計算時使用的單位要統一；物料衡算實際上是質量守恒，計算時常用質量單位。為了弄清化工生產過程中原料、成品以及損失的物料數量，必須要進行物料衡算。物料衡算質量守恒定律，即：輸入物料的總和輸出物料的總和累積的物料量注意：無化學反應時，混合物中任何一組分服從此通式當有化學反

12、應時，它只適用于任一元素的衡算若過程中累積的物料量為零，則基準選擇的原則： 對于間歇操作，常用一次投料為基準。 對于連續操作，常用單位時間為基準。例1:含有A、B、C、D四種組分各0.25（摩爾分率，下同）某混合液，以1000 的流量送入精餾塔內分離，得到塔頂與塔釜兩股產品，進料中全部A組分，96%B組分及4%C組分存在于塔頂產品中；全部D組分存在于塔釜產品中，試計算塔頂和塔釜產品的流量及其組成。解：依題意畫出如本題附圖所示的流程圖。塔頂產品 D 塔釜產品w 原料液F= 1000 Kmol/h在全塔范圍內列各組分的衡算式，取h為衡算基準。組分A： （a） （b） （c）上三式相加，得：因 故

13、由式（a）得：由式（b）得： 由式（c）得：在全塔范圍內列總物料衡算，得：再在全塔范圍內列組分B及C的衡算，得：及 或：由上二式分別解得：（2）能量衡算能量衡算能量守恒定律機械能、熱能、電能、磁能、化學能、原子能等統稱為能量，各種能量之間可以相互轉換，但在化工中往往不是能量間的轉換問題，而是總能量衡算，有時甚至簡化為熱能或熱量衡算。熱量衡算的本質是焓的計算，對熱量衡算：-隨物料進入系統的總能量，-隨物料離開系統的總能量，-向系統周圍散失的熱量，上式也可寫成：式中：W-物料的質量或質量流量或，H-物料的焓，注意點：熱量衡算和物料衡算一樣，要規定衡算基準和范圍；焓是相對值，要指明基準溫度，習慣上選

14、0為基準溫度，規定0時液態物質的焓為零。（3）平衡關系化工過程中的每一單元操作或化學反應可稱為過程，研究過程的規律，目的是使過程向有利于生產的方向進行。平衡關系，就是研究過程的方向和過程的極限（過程進行的最大限度）。平衡關系就是指在一定條件下，過程的變化達到了極限，即達到了平衡狀態。例如，高溫物體自動地向低溫物體傳熱，直至兩個物體的溫度相等。宏觀上熱量不再進行傳遞，即達到了傳熱的平衡狀態。（4）過程速率過程速率是指在單位時間內過程的變化，即表明過程進行的快慢。在化工生產中，過程進行的快慢遠比過程的平衡更重要。過程速率=式中：過程推動力指的是直接導致過程進行的動力，例如溫差等。過程阻力因素較多，

15、與體系物性、過程性質、設備結構類型、操作條件都有關系。（5）經濟效益經濟效益也稱為經濟效果，一般指經濟活動中，所取得的成果與勞動消耗之比，即經濟效益=式中，勞動成果是指最終的合格產品的價值；勞動消耗包含操作費用（小號的人力、原材料、水電、維修等），設備折舊費用（設備的造價和使用年限折算）以及占用的固定資產和流動資金。五、化工常用量和單位（1）化工常用量量是指物理量，任何物理量都是用數字和單位聯合表達的。物理量分為基本量和導出量（2）單位制和單位換算1、基本量與基本單位一般先選幾個獨立的物理量，如我們通常所說的長度、時間、質量等，并以使用方便為原則規定出它們的單位。這些物理量稱為基本量，其單位稱

16、為基本單位。 2、導出單位如速度、加速度的單位則根據其本身的物理意義，由相關的基本單位組合構成，這種單位稱為導出單位。基本單位+導出單位=單位制化工原理課程采用國際單位制(簡稱SI制)。在國際單位制中，規定了7個基本單位：長度 單位米（m）質量 單位千克（kg）時間 單位秒（s）溫度 單位開爾文（K）物質的量 單位摩爾（mol）電流強度 單位安培（A）發光強度 單位坎德拉（cd）兩個輔助量：平面角 單位弧度（rad）立體角 單位球面度（sr）其他單位均由這7個基本單位導出。化工計算中常用前5個基本單位。 在化工生產中，經常使用一些非SI的法定計量單位，如時間單位中的min(分)、h(小時)、d

17、(日)、a(年)；溫度單位還常使用(攝氏溫度)，旋轉速度用rmin(轉分)等。由于歷史原因，年代久遠一點的化工文獻、手冊、資料中的數據常常是一些非SI或非法定計量單位，如壓力單位使用物理大氣壓(atm)、工程大氣壓(歡、巴(b3r)、毫米汞桂(mmH2)、毫米水拄(mmH zO)等。 在化工原理使用的數據中，過去常用的非國際單位制有：工程單位制、厘米·克·秒制和米·千克·秒制。 在工程單位制中(又稱重力單位制)選長度單位米、時間單位秒、力的單位千克作為基本單位，質量是導出單位。在厘米·克“秒制(簡稱cGs制，又稱物理單位制)中，選長度單位厘米、

18、質量單位克、時間單位秒作為基本單位，其他物理量的單位可以通過物理或力學的定律導出。在米千克”秒制中f簡稱MKs制)，選長度單位米、質量單位千克、時間單位秒作為基本單位，其他單位均由這三個基本單位導出。 在化工計算中，計算前必須把不同的單位換算成統一的單位進行計算。第1章 流體流動流體是一種物質，主要指氣體和液體。研究流體平衡和宏觀運動規律，以及流體與所接觸物體之間相互作用的學科稱為流體力學。化工生產中處理的物料多數是流體。運用流體力學的一般原理，研究化工設備中流體運動的規律及其對化工過程的影響，為化學工程學科提供理論基礎，這便是化工流體力學的主要內容。在研究流體流動時，常將流體現為內無數流體微

19、團組成的連續介質。所謂流體微團或流體質點是指這樣的小塊流體：它的大小與容器或管道相比是微不足道的v但是比起分子自由程長度卻要大得多，它包含足夠多的分子，能夠用統計平均的方法來求出宏觀的參數(如壓力、溫度)，從而可以觀察這些參數的變化情況。連續性的假設首先意味著流體介質是由連續的液體質點組成的；其次還意昧著質點運動過程的連續性。例如，高度真空下的氣體就不再視為連續性介質了。 流體的體積如果不隨壓力及溫度變化，這種流體稱為不可壓縮流體；如果隨壓力及溫度變化，則稱為可壓縮流體。實際流體都是可壓縮的，當流體的體積隨壓力及溫度變化很小時，一般把它看作不可壓縮流體；氣體比液體有較大的壓縮性，當壓力及溫度改

20、變時，氣體的體積臺有很大的變化，應當屬于可壓縮性流體。但是，如果壓力或溫度變化很小時，氣體通常也可以當作不可壓縮性流體處理。本章流體流動解決兩個中心問題。1、確定流體輸送所用的動力，并由此決定輸送機械的大小和功率。2、測定流量的各種方法，來確保輸送的可靠與正常。本章中經常應用的兩個基本概念：質量守恒與能量守恒定律。質量守恒流體的連續性方程能量守恒流體的柏努力方程及阻力計算。連續性介質的假定11流體的物理性質1.1.1流體的密度單位體積流體具有的質量稱為流體的密度，其表達式為當時，的極限值即為流體某點的密度。通常用的是平均密度。-流體的質量，-流體的體積，流體的密度一般可在物理化學手冊或有關資料

21、中查得。實際上，某狀態下理想氣體的密度可按下式進行計算：或式中：-氣體的摩爾質量，； R-氣體常數，其值為; 下標“0”表示標準狀態。對于液體混合物，各組分的組成常用質量分數表示。現以混合液體為基準，若各組分在混合前后其體積不變，則混合物的體積等于各組分單獨存在時的體積之和，即式中-液體混合物中各純組分的密度，；-液體混合物中各組分的質量分數。對于氣體混合物，各組分的組成常用體積分數來表示。現以混合氣體為基準，若各組分混合前后其質量不變，則混合氣體的質量等于各組分的質量之和，即式中：-氣體混合物中各組分的體積分數。112流體的黏度流動中的流體受到的作用力可分為體積力和表面力兩種。體積力 體積力

22、作用于1牛頓粘性定律粘性：當流體運動時，在其內部產生內摩擦力的性質叫粘性。或當流體運動時，流體還有一種抗拒內在的向前運動的特性，稱為粘性，粘性是流動性的反面。例如：設有上下兩塊平行放置而相距很近的平板。兩板間充滿了靜止的液體，如下圖所示。若將下板固定，對上板施加一恒定的外力F，使上板作平行于下板的等速直線運動。緊靠上層平板的液體，因附著在板面上，具有與平板相同的速度，而緊靠下層板面的液體，也因附著于靜止板面而靜止不動，但在兩層平板之間的液體流速分布，則是從上到下，由大至小而逐漸變化的。可將兩平板之間的液體看成是一層一層的。運動快的流體運動慢的流體，推動慢的流體向前流動。運動慢的流體將產生一個大

23、小相等，方向相反的力，阻礙運動快的流體層向前流動。這種運動著的流體內部相鄰兩流體層之間的相互作用力，稱為流體的內摩擦力或粘滯力。實驗證明，內摩擦力與下列因素有關引入比例系數，則式中:為單位面積上的內摩擦力，通常稱為內摩擦應力或剪應力。 -速度梯度，即在與流動方向相垂直的y方向上流體速度的變化率； -比例系數，其值隨流體的不同而異，流體的粘性愈大，其值愈大，所以稱為粘滯系數或動力粘度，簡稱為粘度。上式稱為牛頓粘性定律。2.流體的粘度粘度的物理意義：促使流體流動產生單位速度梯度的剪應力。粘度總是與速度梯度相聯系，只有在運動時才顯現出來。分析靜止流體的規律時就不用考慮粘度這個因素。粘度的單位： （S

24、I制） （物理單位制）定義 工程上常用運動粘度： （SI單位制）粘度數據的求取單組份：一般是查手冊。混合物的粘度：一般取決于實驗。如缺乏實驗數據時，可參閱有關資料，選用適當的經驗公式進行估算。對于常壓氣體混合物的粘度，可采用下式計算。式中 -常壓下混合氣體的粘度； -氣體混合物中組分的摩爾分數；-與氣體混合物同溫下組分的粘度；-氣體混合物中組分的摩爾質量，下標表示組分的序號。對非締合液體混合物的粘度，可采用下式進行計算，即式中-液體混合物的粘度；-液體混合物中組分的摩爾分數；-與液體混合物同溫下組分的粘度下標表示組分的序號。粘度的影響因素液體的粘度： ,壓力的影響可忽略不計。氣體的粘度： ,一

25、般也與壓力無關。3.理想流體粘度為零的流體稱為理想流體。1.2流體靜力學基本方程式122 流體的壓力 1.定義流體垂直作用于單位面積上的壓力，稱為流體的壓強，俗稱壓力。式中： -流體的壓強，Pa； P-垂直作用于流體表面上的總壓力，N; A-作用面的面積，流體中，從各方向作用于某一點的壓力大小均相等。 流體壓力具有以下兩個重要特性： (1)流體壓力處處與它的作用面垂直，并總是指向流體的作用面； (2)流體中任一點壓力的大小與所選定的作用面在空間的方位無關。 例如，當測定流體內某點的壓力時，不論將測壓管按水平、垂直還是其他方向插入管的管端正好與該點接觸，則壓力表上所顯示的讀數都是相同的。 2壓力

26、的單位和單位換算 在國際單位制中，壓力的單位是Nm s稱為帕斯卡，以Pa表示。但長期以來采用的單位為atm(標準大氣壓)、某流體柱高度或等。它們之間的換算關系為 1標準大氣壓(atm)1013×10。PaL 033kgfcmz1033mH 20760 mmH8 L壓力的基準 壓力可以有不同的計量基難，如果以絕對真空(即零大氣壓)為基難，稱為絕對壓力以當地大氣壓為基準，則稱為表壓。 表壓絕對壓力一大氣壓力 當被測流體的絕對壓力小于大氣壓時，其低于大氣壓的數值稱為真空度，即 真空度大氣壓力一絕對壓力 注意，此處的大氣壓力均應指當地大氣壓，在本章中如不加說明時均可按標難大氣壓計算；壓力的數

27、值如不加特殊說明，均指絕對壓力。 絕對壓力、表壓和真空度的關系，如圖11所示。 123 流體靜力學基本方程式及應用 1流體靜力學基本方程式 流體靜力學基本方程式是用于描述靜止流體內部的壓力沿著高度變化的數學表達式。對于不可壓縮流體，密度不隨壓力變化，其靜力學基本方程可用下述方法推導。在具有密度為的靜止流體中，取一微元立方體，其邊長分別為dx、dy、dz，分別于x、y、z軸平行。見圖。由于流體處于靜止狀態，因此所有作用于該立方體上的力在坐標軸上的投影之代數和應等于零。對于Z軸，作用于該立方體上的力有： 作用于下底面的總壓力為pdxdy； 作用于上底面的總壓力為-（p+dz）dxdy； 作用于整個

28、立方體的重力為-gdxdydz。Z軸方向力的平衡式可寫成Pdxdy-（p+dz）dxdy-gdxdydz=0即 -dxdydz-gdxdydz=0上式各項除以dxdydz，則Z軸方向力的平衡式可簡化為-g=0對于X軸、y軸，作用于該立方體的力僅有壓力，也可寫出其相應的力的平衡式，簡化后得X軸 - Y軸 上式等號的左側即為壓強的全微分dp，于是dp+gdz=0對于不可壓縮性流體，=常數，積分上式，得液體可視為不可壓縮性的流體，在靜止液體中取任意兩點，如圖所示，則有如使點1處于容器的液面上，設液面上方的壓強為p 0 ，距液面h處的點2壓強為p，以上均稱為流體靜力學基本方程式，說明在重力場作用下，靜

29、止液體內部壓強的變化規律。、 當容器液面上方的壓強p0一定時，靜止液體內部任一點壓強p的大小與液體本身的密度和該點距液面的深度h有關。因此，在靜止的、連續的同一種液體內，處于同一水平面上各點的壓強都相等。當液面上方的壓強p0有改變時，液體內部各點的壓強p也發生同樣大小的改變。壓強差的大小可以用一定高度的液體柱表示。但必注明是何種液體，否則無意義。如果討論：1. 靜止流體內部任一點壓強只能與位置有關，而與方向無關。2. 靜止流體可將外部壓強大小不變向內部各個方向傳遞-帕斯卡定律。3. 變換同除（1） 得：上式表明：靜止流體中，任一截面單位質量流體具有的靜壓能和位能之和恒為常數或靜壓能和位能可以互

30、相轉換，但總值不變能量守恒（2）上式表明：壓強差可用流體的液柱高度來表示，但需注明是某種流體4. 從公式可見：靜止流體中，同一水平面各點壓強相等，稱此水平面為等壓面等壓面的條件：靜止、連續、同一流體、同一水平面（缺一不可）1.2.3 流體靜力學基本方程式的應用1.壓強與壓強差的測量1）簡單測壓管選取等壓面：A-A/2）U型測壓管測壓強指示液與被測液體不互溶，不發生化學反應，且0»取等壓面 BB/測量壓強差（水平管道測壓強）取等壓面A-A/3）微差壓差計應用于所測得的壓強差很小，U管壓差計的讀數R也就很小，有時難以準確讀出R值。條件：3）傾斜液柱壓差計當被測系統壓強差很小時，為了提高讀

31、數的精度，可將液柱壓差計傾斜。傾斜液柱或稱為斜管壓差計。此壓差計的讀數R/與U管壓差計的讀數R的關系為為傾斜角，其值越小，R/越大4）斜管壓差計注意點：1. 當R<1500mm時，用普通U管壓差計。當R>1500mm時，調節指示劑的密度，將其變小，如果使用水銀指示劑后，還是R>1500mm，則用幾個U管壓差計進行串聯2. 指示劑的密度必須大于被測液體的測，用正U型管；如果指示劑的密度小于被測液體的測，則用倒U型管。3.U管壓差計不但可用來測量液體的壓強差，也可測量流體在任一處的壓強（表壓強），將U管壓差計的一端與大氣相通。 2.液位的測量 化工生產中經常需要了解容器里液體的貯

32、存量，或需要控制設備里液體的液面，因此要對液面進行測定。有些液面測定方法，是以靜力學基本方程式為依據的。 圖19為用液柱樂差計列量被面的示意圖。圖中平衡室中所裝的液體與容器里的液體相同，平衡室里液面高度維持在容器液面允許到達的最大高度處。將一裝有指示液的U形管壓差計的兩端分別與容器內的液體和平衡器內的液體連通，容器里的被面高度可根據壓差計的讀數R求得(讀者可自行推導)。被面越高，讀數越小，當液面達到最大高度時，壓差計的讀數為零。若把U形管壓差計換上一個能夠變換和傳遞壓差讀數的傳感器，這種測量裝置便可以與自動控制系統連接起來。 3.液封高度的計算 在化工生產中、為了控制設備內氣體壓力不超過規定的

33、數值，常用如下裝置的安全液封(或稱為水封)。其作用是當設備內壓力超過規定值時，氣體就從液封管排出，以確保設備操作的安全。1） 穩壓安全作用對一定設備內壓強P，則有一定液位h保證2）維持真空度真空蒸發操作中，產生的水蒸氣，往往送入附圖所示的混合冷凝器中與冷水直接接觸而冷凝。為了維持操作的真空度，冷凝器上方與真龍泵相通，不時將器內的不凝性氣體（空氣）抽走。為了防止外界空氣由氣壓管漏入，使設備內真空度降低，氣壓管必須插入液封槽中。13 流體流動的基本方程 化工生產中流體大多是沿密閉的管道流動，因此研究管內流體流動的規律是十分必要的。反映管內流體流動規律的基本方程式有連續性方程式和伯努利方程式，本節主

34、要圍繞這兩個方程式進行討論。 131 流量與流速 1流量 1)體積流量 單位時間內流體流經管道任一截面的流體的體積，稱為體積流量，以VS表示，其單位為m3s或m3/h。 2)質量流量若流量用質量來計算，則稱為質量流量，以表示，其單位為kgs或kg/h。體積流量和質量流量的關系為2流速1)平均流速 流速是指單位時間內液體質點在流動方向上所流經的距離。實驗證明，流體在管道內流動時，由于流體具有粘性，管道橫截面上流體質點速度是沿半徑變化的。管道中心流速最大，靠近管壁速度愈小，在緊靠管壁處，由于液體質點粘附在管壁上，其速度等于零。但工程上，一般以體積流量與管道截面積之比，來表示流體在管道中的速度。此速

35、度稱為平均速度，簡稱流速，以u表示，單位為ms。流量與流速關系為式中 A與流動方向相垂直的管道截面積，m2。2)質量流速 單位時間內流體流經管道單位截面的質量稱為質量流速，也稱質量通量，以G表示，其表達式為其中G的單位為由于氣體的體積與溫度、壓力有關。當溫度、壓力發生變化時，氣體的體積流量與其相應的流速也將隨之改變，但其質量流量不變。此時，采用質量流速比較方便。一般管道的截面均為圓形，若以d表示管道內徑，則 通常： 通過權衡考慮，工業上比較有經驗的范圍水及一般液體 13 m/s粘度大的液體 0.51 m/s低壓氣體 815 m/s高壓氣體 1525 m/s重點：液體流速： 0.33 m/s 氣

36、體流速： 1030 m/s例2在38×35mm的無縫鋼管內流過壓力為05KPa，平均溫度為0，流量為160 kgh的空氣。空氣在標準狀況下的密度為1.2kgm3。試求其平均流速解：將標準狀況下的密度0換算成操作狀況下的密度例3.某廠精餾塔進料量為50000kg/h,料液的性質和水相近，密度為960kg/m3 ,試選擇進料管的管徑。解：因為132 穩定流動與非穩態流動 流體在管道中流動時，在任一點上的流速、壓力等有關物理參數都不隨時間而改變，這種流動稱為穩定流動。若流動的流體巾，任一點上的物理參數，有部分或全部隨時間而改變，這種流動稱為不穩定流動。 例如，水從如圖所示的貯水槽中經小孔流

37、出，開啟閥門1以保持水位不變，截面 上的水流速度、壓強、密度均保持不變；而當閥門1關閉時，截面 上的上述各參數均隨槽內水面的降低而變化。 在化工生產中，流體的流動情況大多為穩定流動。故除非有特別指明者外，本書中所討論的均系穩定流動向題。 1.3.3連續性方程式 設流體在如圖所示的管道中作連續穩定流動，從截面流入，從截面流出。若在管道兩截面之間無流體損失。 根據質量守恒定律，從截面進入的流體質量流量應等于從截面流出的流體質量流量，即注意點：管內穩態流動的連續性方程式，反映了在穩態流動系統中，流量一定時，管路各截面上流速的變化規律。此規律與管路的安排以及管路上是否裝有管件、閥門、流體輸送設備等無關

38、。1.3.4 柏努力方程式1.流動系統的總能量衡算右圖為穩定流動系統，對此做能量衡算。分析1kg流體在流動過程中具有哪些能量。1） 內能：是貯存于物質內部的能量（J）由物質的分子運動、分子之間的互相吸引力、排斥力、分子內部振動而來，內能決定于流體本身的狀態，并為狀態函數。1kg流體的內能:在1-1面和2-2面分別為U1和U2，J/kg2） 位能：為流體在重力作用下，因高出某基準面而具有的能量（J）1kg流體的位能:在1-1面和2-2面分別為z1g和z2g，J/kg3） 動能：流體流動時，因具有一定的速度而具有的能量（J）1kg流體的動能:在1-1面和2-2面分別為J/kg4） 靜壓能：靜止流體

39、內部任一處都有一定的靜壓強。流動的流體內部任何位置也都有一定的靜壓強。如附圖所示：如果在內部有液體流動的管壁上開孔，并與一根垂直的玻璃管相接，液體便會在玻璃管內上升，上升的液柱高度便是運動著流體在該截面處的靜壓強的表現。由于該截面處液體具有一定的壓力，其它流體要進入該處，就需要對流體做相應的功。以克服這個壓力，才能把流體推進系統里去。于是通過截面1-1的流體必定要帶著與所需的功相當的能量進入系統，流體所具有的這種能量稱為靜壓能或流動功。1kg流體的靜壓能= ，J/kg其中：位能+動能+靜壓能=總機械能此外，管路上還安裝有換熱器和泵，則進出系統的能量還有1） 熱 設換熱器向1kg流體供應的或從1

40、kg流體取出的熱量，Qe,其單位為J/kg.2） 外功 1kg流體通過泵（或其它輸送設備）所獲得的能量，We, 其單位為J/kg.輸入的總能量=輸出的總能量：上式是穩定流動系統的總能量衡算式。2.流動系統的機械能衡算式與柏努力方程式1）流動系統的機械能衡算式根據熱力學第一定律：上式為1kg流體流動時的機械能的變化關系，稱為流體穩態流動時的機械能衡算式，適用于可壓縮性流體與不可壓縮性流體。2）柏努力方程式不可壓縮性流體 3. 柏努利方程式的討論1）上式表示理想流體在管道內作穩定流動，而又沒有外功加入時，在任一截面上單位質量流體所具有的位能、動能、靜壓能之和為一常數。也就是說，1kg理想流體在各截

41、面上所具有的總機械能相等，而每一種形式的機械能不一定相等，但各種形式的機械能可以相互轉換。11221例如：管徑一致，則u不變化，但是Z變化，為保證動能、位能、靜壓能三項之和為常數。則必有。即：靜壓能轉化為位能了。2）柏努力方程中，由于摩擦引起的能量損失具有重要的意義。將在下節中專門討論。但是必須指出的數值永遠為正值。3）輸送單位質量流體所需加入的外功We是決定流體輸送設備的重要數據。如果被輸送流體的質量流量為Ws kg/s,則輸送流體需要供給的功率（即流體輸送設備的有效功率）為： 實際上，應考慮流體輸送設備的功率，以符號表示流體輸送設備的功率，即實際消耗的功率為：4）當We=0，流體靜止，流速

42、u=0，從而=0此時，柏努力方程式為：由此可見：柏努力方程式除表示流體流動的規律外，也包括了流體靜止狀態的規律，流體的靜止不過是流體運動的一個特殊形式。5）氣體在流動過程中，若通過所取系統截面之間的壓力變化小于原來壓力的20%，即此時的密度可用氣體的平均密度來代替，即：6）柏努力方程具有不同的形式以單位重量流體為衡算基準1.3.5 柏努力方程式的應用1. 應用柏努力方程式解題要點(1)作圖與確定衡算范圍根據題意畫出流動系統的示意圖，并指明流體的流動方向。定出上下游截面，以明確流動系統的衡算范圍。（2）在用柏努力方程式之前，單位必須統一SI制，應把有關物理量換算成一致的單位，然后進行計算。（3）

43、兩截面上的壓強P必須統一基準。除要求單位一致外，還必須表示方法一致，或絕對壓強、或表壓、或真空度。（4）基準水平面的選取基準水平面選取的目的是為了確定流體位能的大小，實際上在柏努力方程式中所反映的是位能差的數值。（5）截面的選取 兩截面均應與流動方向相垂直，并且在兩截面的流體必須是連續的。兩截面應包括已知參數多。2.柏努力方程式的應用（1）確定管道中流體的流量（2）確定容器間的相對位置（3）確定輸送設備的有效功率（4）確定管路中流體的壓強例4.某化工廠用泵將堿液池的堿液輸送至吸收塔頂，經噴嘴噴出，如附圖所示。泵的進口管為的鋼管。堿液在進口管中的流速為1.5m/s，出口管為的鋼管，貯液池中堿液的

44、深度為1.5m，池底至塔頂噴嘴上方入口處的垂直距離為20m，堿液經管系的摩擦損失為30J/kg,堿液進噴嘴處的壓力為0.3at(表壓)，堿液的密度為1100kg/m3.設泵的效率為65%，試求泵所需的功率。20m1.5m解：取堿液池的液面為1-1截面并兼作基準面，以塔頂噴嘴上方入口處的管口為2-2截面，在1-1與2-2截面之間列柏努力方程式。則堿液在出口管中流速按連續性方程將以上各值代入柏努力方程式，得輸送堿液所需的外加能量。例5 本題附圖所示的開口貯槽內液面與排液管出口間的垂直距離h1=9m，貯槽的內徑D=3m，排液管的內徑d0=0.04m；液體流過該系統的能量損失試求 ：經4h后貯槽內液面

45、下降得高度。解：本題屬于非穩態流動。經4h后貯槽內液面下降的高度可通過微分時間內的物料衡算式和瞬間的柏努力方程式求解。在瞬間液面1-1與管子出口內側截面2-2間列柏努力方程式，并以截面2-2為基準水平面，得1.4流體流動現象1.4.1 流動類型與雷諾數1.雷諾實驗與雷諾數為了直接觀察流體在管道中流動的狀況及其影響因素，常用雷諾實驗的裝置進行觀察。如圖為一雷諾實驗裝置圖。B為貯水槽，貯水槽中的水位通過溢流裝置保持恒定。C為紅墨水瓶。實驗開始時，首先保持水箱處于溢流狀態，然后略微開啟閥V，使P管內的水以很慢的速度流動，然后開啟紅墨水出口閥F，以后逐漸增大水的流速。在實驗過程中發現：現象：(1)當水

46、流速度u較小時，紅墨水在水平管內的流線為一直線，如圖（a）所示，看起來就像一根拉直的紅線一樣，與玻璃管里的水并不混雜（2）當水流速度u逐漸提高到一定數值時，紅墨水的細線完全消失，與水完全混合在一起，整個玻璃管中的水呈現均勻的顏色，如圖（c）所示。結論：流體流動可分為兩種截然不同的類型1）層流（滯流）：流體質點沿軸向做層次分明、互不干擾的直線運動2）湍流（紊流）：流體在做軸向運動的同時，且沿徑向做雜亂無章的橫向運動經雷諾研究發現，上述流動類型不但和u有關，而且和管徑d以及流體的性質、 有關。、d、u、 這四個參數可組合成一個 的形式。數群（準數）稱為雷諾準數Re（Reynolds）。這樣就可以根

47、據Re準數的數值來分析流動狀態。雷諾準數的量綱為當Re2000時，流體流動一定屬于層流狀態當Re4000時，流體流動一般處于湍流當2000Re4000時，有時出現層流，有時出現湍流，受環境條件影響，為過渡階段。Re準數是流體流動中的一個重要參數Re是一個無因次數群，可分析影響流動的因素內因： 、； 外因：d、u可用來判斷流型（層流、湍流），其與單位制無關流動過程中存在粘性力，慣性力，則Re反映出兩個力的比值。2 層流與湍流層流與湍流的區別不僅在于各有不同的Re值，本質的區別：（1） 流體內部質點的運動方式不同1）層流：質點沿軸做規則的直線運動，各質點運動平行，互不混合碰撞，速度是一維的。2）湍

48、流：流體質點在做軸向運動的同時，且做混亂隨機的徑向運動，速度是三維的。（2）流體在園管內的速度分布不同（3）流體在直管內的流動阻力不一樣1.4.2 流體在圓管內流動時的速度分布1. 流體在圓管內層流流動時的速度分布取半徑為R的水平直管，流體層流流動，于管軸心處取一半徑為r，長度為l的流體柱作衡算對象。作用于流體柱兩端面的壓強分別為設距管中心r處的流體速度為上式為流體在圓管內作層流流動時的速度分布表達式。工程中常以管截面的平均流速來計算流動阻力所引起的壓強降。取厚度為dr的環形截面積管中心處的速度為最大速度，即層流時圓管截面平均速度與最大速度的關系為層流時速度沿管徑的分布為一拋物線。如上圖所示。2.流體在圓管內湍流流動時的速度分布為準拋物線形分布，曲線頂部廣闊平坦，靠近壁面速度急劇下降。但無論湍動程度如何，在管壁處u=0.靠近管壁的流體仍作層流流動，存在一個厚度為的層流內層。如果流體流動的速度u增加，則層流內層的厚度減小。1.5流體在管內的流動阻力流體在管路中流動時的阻力可分為直管阻力和局部阻力兩種。直管阻力：流體流經一定管徑的直管時，由于流體內摩擦而產生的阻力。用表示。局部阻力：流體流經管路中的管件、閥門及管截面的突然擴大或縮小等局部地方所引起的阻力。用來表示。柏努力方程式中的項是指所研究管道系統的總能量損失，它即包括系統中各段直管阻力損失，也包括系統中各種