《化工原理》电子教案.doc

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1、化工原理电子教案绪论化工原理就是研究除化学反应以外的诸物理操作步骤原理和所用设备的课程。化工原理是实验性很强的工科课程，是化工类和相近专业学生必修的重要技术基础课。主要介绍单元操作的基本原理，所用典型设备的结构、计算和选用。计算包括设计型计算和操作型计算两种。设计型计算是指对给定的任务计算出设备的工艺尺寸；操作型计算是指对已有的设备进行查定计算。 学生学完本课程后应初步具有以下能力：（1） 能理论联系实际，用工程和经济的观点处理遇到的各种化工单元操作的问题。（2） 会筛选恰当的单元操作去完成给定的生产任务；（3） 在设计设备计算工作中能寻找出所需的经验数据以及适宜的公式；（4） 能管理设备的正

2、常运转，找出故障的原因并及时排除；（5） 应具有强化设备与初步创新的能力。 各单元操作原理及设备的计算都是以物料衡算、能量衡算、传递速率和平衡关系的概念为依据，有关内容在以后各章中陆续介绍。一、化工生产过程与单元操作1、化学工业 所谓化学工业，是指将原料进行化学加工以得到有用的产品的工业，即：化工产品种类繁多，一般可分为无机、有机及生化产品。若按产品用途及性能来分有染（颜）料化工、塑料橡胶化工、油脂化工、石油化工、食品化工、涂料化工、日用化工等等。当今如何评价化学工业呢？评价可能为“让你欢喜让你忧”。欢喜的是化学工业已经成为了国民经济中的支柱产业之一，近二、三十年以来化学工业得到了长足的发展。

3、化工产品处处可见，人们的衣食住行都已离不开它。我国自七十年代以来先后引进了大型化肥、石油化工成套生产技术及成套设备，如30万吨合成氨,45万吨尿素成套设备及技术；30万吨乙烯,45万吨芳烃的成套设备及技术。金山石化,扬子石化,齐鲁石化令人忧虑的是化学工业带来的污染十分严重。水污染、空气污染、白色污染日益严重，危害人类生存及发展。2、 化工生产过程 不论化工生产产品的品种不同、规模大小的差异，一个化工产品生产过程总是由两大部分组成的，即核心部分和辅助部分。核心为化学反应过程，辅助部分为前、后处理过程。为了保证化工生产过程经济合理有效地进行，这就要求反应器内必须保持最适宜的（最佳的）反应条件，如适

4、宜的压强、温度和物料的组成等。因此，原料必须经过一系列的前处理过程，以达到必要的纯度及温度和压强。得到的反应产物同样需要经过各种后处理过程加以精制，以得到最终产品。 举例：聚氯乙烯塑料的生产（乙炔法） 化学方程式：此生产过程除单体合成、聚合反应过程外，原料和反应产物的提纯、精制等工序均属前、后处理过程。前、后处理工序中所进行的过程多数是纯物理过程，但都是化工生产所不可缺少的。即使在一个现代化的大型工厂中，反应器的数目并不多，绝大多数的设备中都是进行着各种前、后处理操作。前、后处理工序占有着企业的大部分设备投资和操作费用。因此目前已不是单纯由反应过程的优化条件来决定必要的前后处理过程，而必须总体

5、的确定全系统的优化条件。由此可见，前、后处理过程在化工生产中的重要地位。3、单元操作 将前、后处理过程按其操作目的的不同划分为若干个单元，称之为单元操作。每一个单元操作完成一个特定的任务。单元操作种类：有流体的输送与压缩、过滤、沉降、传热、蒸发、液体精馏、气体吸收、固体干燥、吸附和膜分离等。单元操作过程进行的方式：有连续操作和间歇操作两种方式。连续操作好比流水作业。原料不停地从设备一端送入，产品不断地从另一端排出。例如：连续精馏特点：物料的组成、温度、压强等参数仅随位置的不同而不同，不随时间的变化而变化，此种操作称为稳定操作状态。参数可表示为： 。化工生产过程多数为连续稳定过程。间歇操作为分批

6、进行的过程，每次操作为起始向设备投入一批原料，经过一番处理后，排出全部产物，再重新投料，小规模生产大多采用间歇操作。例如：间歇精馏特点：不稳定操作，参数可表示为： 这些物理操作步骤称为化工单元操作，简称单元操作。单元操作可从不同角度分类，这里按所遵循的基本原理分为：（1） 遵循流体动力规律的单元操作：包括流体输送、沉降、过滤搅拌；（2） 遵循传热基本规律的单元操作：包括传热（加热、冷却、冷凝）、蒸发；（3） 遵循传质基本规律的单元操作：包括蒸馏、吸收、萃取。因为这些操作的最终目的是将混合物中的组分分开，故又称分离操作。同时遵循传热、传质基本规律的单元操作：包括空气增湿与减湿、干燥、结晶；二、本

7、课程的任务、性质和内容1、任务：研究各化工单元操作的基本原理、典型设备的构造及工艺尺寸的计算或造型，并能用以分析和解决工程技术中的一般问题。2、性质：化工原理是化工类、轻工、医药类专业学生的技术基础课，是一门应用性学科。3、内容：、讨论流体流动和其接触的固体发生相对运动时的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的单元操作，如流体输送等。、讨论传热的基本规律，以及受这些基本规律支配的单元操作，如：加热、冷却、蒸发等。、讨论物质透过相界面迁移过程的基本规律，以及受这些基本规律支配的单元操作，如气体的吸收和干燥等。三、物料衡算及能量衡算在研究各类单元操作时，为了搞清过程始末和过程之中各段物料的数量、组

8、成之间的关系以及过程中各股物料带进、带出的能量及与环境交换的能量，因此必须进行物料衡算和能量衡算。物料衡算及能量衡算也是本课程解决问题时的常用手段之一。1、物料衡算根据质量守恒定律，即在任何一个化工生产过程中凡向该过程输入的物料质量等于从该过程输出的物料质量与积累该过程中的物料质量之和，即输入物料质量总和（kg）输出物料质量总和（kg）积累在该过程物料质量（kg）此式适用于任何指定的空间范围，可对总物料或其中某一组成列出物料衡算式来进行求解。 说明： 衡算方法：上式中每项对时间求导数，则：令：、于是：输入物料质量流量的总和输出物料质量流量总和质量积累速率（kg/s）若为连续稳定过程，则 ， 四

9、、单位及单位换算1、 单位与单位制物理量=数字单位 物理量的运算应为数字连同单位一并纳入运算。如：一般，物理量的单位是可任选的，但由于各个物理量之间存在着客观联系，因此不必对每种物理量的单位都单独进行任意选择，而可通过某些物理量的单位来度量另一些物理量。因此，单位就会有基本单位和导出单位两种。基本单位：基本物理量的单位，例长度m，质量等导出单位：由基本单位派生出的单位，即由基本单位相乘除得到的单位，如速度单位m/s，加速度单位m/s2等等。单位制：基本单位+导出单位的总和 过去多种单位制并存，源于学科之间的差别及地区间的差别。 常见的单位制有：工程单位制：m s kgf1kgf=1kg9.80

10、7m/s2 , 1lb=0.45359237kg，1bf=1P3.217f/s2, 1ft=12in=122.54cm=0.3048m多种单位制并存使同一物理量在不同的单位制中具有不同的单位和数值，这就给计算和交流带来了麻烦，并且容易出错。为了改变这一局面，必须统一计量单位制。1960，10十一届国际计量大会确定了国际通用的国际单位制，简称SI制。SI制：七个基本单位：长度m，时间s，质量kg，热力学温度（Kelvin温度）K，电流单位A，光强度单位cd（坎德拉），物质量mol二个辅助单位：平面角弧度rad，立体角球面度SrSI制具有通用性和一贯性。我国于1984年2月颁布了法定计量单位（简称

11、法定单位）。法定单位是以SI制为基础，保留少数国内外习惯或通用的非国际单位制单位，它包括：SI制的基本单位和辅助单位。SI制中具有专门名称的导出单位。国家选定的非SI制单位，例如时间s，hr，day来表示，旋转速度r.p.m等。由以上这些单位构成的组合形式的单位。由词头和以上这些单位所构成的十进倍数和分数单位。 本书采用法定单位。2、单位换算在生产、研究和设计中仍会遇到非法定单位的公式、物理量，因此存在着单位换算的问题，即将物理量由一种单位换算成另一种单位制的单位。在介绍单位换算方法之前，先介绍二个概念：理论公式（物理量方程）是根据物理规律建立的公式，例如牛顿第二定律由此可见，物理量方程具有单

12、位一致性的特点，对于其中各个符号的单位不需另加限制，而只需采用同一单位制便可以了。经验公式（数字公式）根据实验数据整理得来的公式，它反映了各有关物理量的数字之间的关系。公式中每个符号不代表完整的物理量，只代表物理量中的数字部分，而这些数字都是与特定的单位相对应的，因此使用经验公式时，各物理量必须采用指定的单位。正确使用单位，就是要注意这两种公式对单位的不同要求，并在将各物理量代入公式进行运算之前，预先给它们换上适合公式要求的单位。3、物理量单位方程的换算物理量由一种单位换成另一种单位时量本身并没变化，只是在数字上要改变。在进行单位换算时要乘以两单位间的换算因数。换算因数除温度外就是彼此相等而各

13、有不同单位的两个物理量之比值。例如：1m的长度和100cm的长度是两个相等的物理量，但其所用的单位不同，即 那么m和cm两种单位间的换算因数为： 化工中常用的单位间的换算因数可从本书附录中查得。 以压强为例： 温度 4、经验公式的单位变换经验公式中各符号都要采用规定单位的数字代入，不能随意变更。当已知数据的单位与公式所规定的单位不同时，应将整个公式加以变化，使其中各符号都采用计算者所希望的单位。由于物理量=数字单位，所以数字=物理量/单位。若将经验公式中每个符号都写成这个形式，便可利用单位间的换算因数，把原来规定的单位换算成计算者所希望的单位。第一章 流体流动1.1.1、概述1、流体液体和气体

14、的总称。流体具有三个特点流动性，即抗剪抗张能力都很小。无固定形状，随容器的形状而变化。在外力作用下流体内部发生相对运动。 2、流体质点：含有大量分子的流体微团。流体分子自由程流体质点尺寸设备大小，流体质点成为研究流体宏观运动规律的考察对象。3、流体连续性假设： 假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质。连续性假设的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，这时，流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布，从而可用连续函数的数学工具加以描述。 流体流动规律是本门课程的重要基础，这是因为: 流体的输送研究流体的流动规律以便进行管路的设计、输送机械的

15、选择及所需功率的计算。压强、流速及流量的测量为了了解和控制生产过程，需要对管路或设备内的压强、流量及流速等一系列的参数进行测量，这些测量仪表的操作原理又多以流体的静止或流动规律为依据的。为强化设备提供适宜的流动条件化工生产中的传热、传质过程都是在流体流动的情况下进行的。 设备的操作效率与流体流动状况有密切的联系。因此，研究流体流动对寻找设备的强化途径具有重要意义。 本章将着重讨论流体流动过程的基本原理及流体在管内的流动规律，并运用这些原理及规律来分析和计算流体的输送问题。第二节 流体静力学方程 流体静力学是研究流体在外力作用下处于平衡的规律。 本节只讨论流体在重力和压力作用下的平衡规律。1.2

16、.1流体的密度和比容1、流体的密度：单位体积的流体所具有的质量。 当趋近于零时，的极限值为流体内部某点的密度，可以写成：各种流体的密度可以从物理化学手册和有关资料中查得。气体具有可压缩性及膨胀性，故其密度随温度及压强而变化，因此对气体密度必须标出其所处的状态。从手册中查出的气体密度是某指定状态下的数值 ，应用时一定要换算到操作条件下的数值。当气体的压强不太高、温度不太低时，可按理想气体来处理，即热力学温度、压强和体积间具有如下关系：上式等号两侧除以一定质量m后，变为：下标0表示由手册中查得的条件。在某指定的温度和压强下，理想气体的密度也可直接用气体状态方程来求算，即 若气体为混合气体，计算密度

17、的最简单方法是将式中的气体摩尔质量M换成混合气体的平均摩尔质量Mm。由加和规律求得：y：混合气体中组分的摩尔分数，即物质的量分数；化工厂中所处理的液体经常是混合液体，是若干单纯液体的混合物。从手册中难于查到混合液体的密度。液体混合时体积略有变化，为了便于计算，一般忽略这种体积变化，认为各纯液体混合后总体积为各纯液体体积之和。以1kg混合液为基准，混合液的平均密度为： 或 a：混合液中各纯组分的质量分数例1-1标准状态下某烟道气的密度为1.338kg/m3,试求该烟道气在2105Pa及50状态下的密度。例1-2求20乙醇质量分数为0.4的乙醇水溶液的平均密度。由附录四查到20时乙醇和水的密度分别

18、为789kg/m3及998kg/m3，故乙醇水溶液的平均密度为： 2、流体的比容：密度的倒数，即单位质量流体所具有的体积。，单位： 3、比重d： 4、重度： 重度和密度的比较：两者的区别就是质量和重量的区别同一种流体在工程制单位中表示的重度和SI制单位中表示的密度数值上相等。5、流体的黏度前已述及，流体具有流动性即没有固定形状，在外力作用下其内部产生相对运动。另一方面，在运动的状态下，流体还有一种抗拒内在的向前运动的特性，称为粘性。粘性是流动性的反面。 以水在管内流动为例，管内截面各点的速度并不相同，中心处的速度最大，愈靠近管壁速度愈小，在管壁处水的质点附着在管壁上，其速度为零。其它流体在管内

19、流动时也有类似的规律。所以，流体在圆管内流动时，实际上是被分割成无数极薄的圆筒层，一层套着层，各层以不同的速度向前运动。由于各层速度不同，层与层之间发生了相对运动。速度快的流体层对相邻的速度较慢的流体层产生了个推动其向前进方向的力；同时，速度慢的流体层对速度快的流体层也作用一个大小相等、方向相反的力，从而阻碍较快流体层向前运动。这种运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力称为流体的内摩擦力。它是流体粘性的表现，又称为粘滞力或粘性摩擦力。流体流动时的内摩擦，是流动阻力产生的依据，流体流动时必须克服内摩擦力而作功，从而流体的一部分机械能转变为热而损失掉。牛顿粘性定律：此两板间的液体可看成为许多平

20、行于平板的流体层，这种流动称为层流，而层与层之间存在着速度差，即各液层之间存在着相对运动。运动较快的液层对与之相邻的运动较慢的液层作用着一个拖动其向运动方向前进的力；而与此同时，运动较慢的液层对其上运动较快的液层也作用着一个大小相等方向相反的力，从而阻碍较快的液层的运动。这种运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力称为流体的内摩擦力（粘滞力）。流体流动时产生内摩擦力的这种特性称为粘性。在上图中，若某层流体的速度为u，在其垂直距离为dy处的邻近流体层的速度为u+du，则du/dy表示速度沿法线方向上的变化率，称为速度梯度。实验证明，内摩擦力F与两流体层间的接触面积S成正比，与速度梯度du/dy

21、成正比。剪应力：单位面积上的内摩擦力，即F/S，单位N/于是：牛顿粘性定律：内摩擦应力（剪应力）：单位面积上的内摩擦力圆管内的牛顿粘性定律：du/dy：速度梯度，在与流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率。比例系数，流体黏性越大，其值越大，黏滞系数或动力黏度，简称黏度。黏度的物理意义：促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力黏度的单位：牛顿型流体：凡符合牛顿黏性定律的流体，所有气体和大多数液体。非牛顿型流体：凡是剪应力与速度梯度不符合牛顿黏性定律的流体均称为非牛顿型流体。胶体溶液、泥浆、乳浊液、长链聚合物溶液、涂料及混凝土等。本课程研究牛顿型流体。运动黏度：1.2.2、流体静力学基本方程式1、定

22、义：流体垂直作用于单位面积上的静压力。2、压强的单位SI制：Pa 习惯使用单位： 换算关系：压强的基准：基 准：绝对真空(零压)和大气压强绝对压强：以绝对真空(零压)为基准量得的压强。相对压强：以大气压强为基准量得的压强，表示为表压或真空度。表压=绝对压强大气压强真空度=大气压强绝对压强=-表压 大气压随着大气温度和所在地的海拔高度而改变，所以，绝对压强是唯一的，相对压强是会变化的。1.2.3 流体静力学基本方程式： 设容器S中盛有密度为的静止流体。现在液体内部任取以底面积为A的立方形流体微元，并对其作受力分析：1作用于整个液柱的重力W=gA(Z1Z2),方向向下；2作用于上底面积的压力P1,

23、方向向下；3作用于下底面积的压力P2,方向向上； 上述为流体静力学的基本方程式，且方程标明在重力作用下静止液体内部压强的变化规律。 说明：上式仅适用于重力场中静止的不可压缩流体。但对于气体若压强变化不大，密度可近似取平均值而视为常数，则上式亦可使用。静止流体内部静压强仅与垂直位置有关，而与水平位置无关。水越深压强越大，天空越高气压越低。等压面：静止的，连续的同种流体内处于同一水平面上的各点压强处处相等。位置若令 ，为虚拟压强则 ，静止流体中虚拟压强处处相等1.2.4 流体静力学基本方程式的应用：1、压强与压强差的测量:1)简单测压管：适用于高于大气压的液体压强的测定，不适用于气体，当pA过大，

24、R很大，就不方便。而pA过于接近pa，R读数很小，测量误差增大。2)U形压差管：指示液密度为 。指示液必须与被测液体不发生化学反应且不互溶， 必须大于流体的密度。一般对液体，指示液为Hg，对于气体，指示液为水。没有简单管的限制，但pA亦不能过大或过小。3)U形压差计：指示液面的高度差R反映了A，B两截面间的压强差pA-pB。2、液位的测量：化工厂经常要了解容器内液体的贮存量，或要控制设备里的液面，故要进行液位的测量。测定液位的仪表叫液位计，大多数液位计的作用原理均遵循流体静力学原理。3、液封高度的计算：化工生产中常遇到设备的液封问题。液封高度的确定是根据流体静力学来计算得出。第三节 流体在管内

25、的流动(Fliud-Flow Phenomena) 对于流动着的流体内部压强的变化规律和液体从低位流到高位或流体自低压流到高压时需要输送设备对流体提供能量等问题都是在流体输送过程中常常遇到的。要解决这些问题，必须找出流体在管内的流动规律。1.3.1流量与流速1、流量：单位时间内流过管道内任一截面的流体量；体积流量Vs ，m3/s质量流量ws ，/s ws=Vs2、(点)流速u：单位时间内流体在流动方向上流过的距离, m/s；3、平均流速：实验证明流体流经管道任一截面时，流速沿径向方向各不相同； 管中心：r=0，ur=umax；管壁处：r=R，ur=0；呈下图所示分布： 在工程计算上为方便起见，

26、流体的流速通常指整个管截面上的平均流速，即：u=Vs/A m/s； A与流动方向相垂直的管道横截面积以后如不特别加以说明，流体的流速指的是平均流速，而不是点流速。4、质量流速G：单位时间内流体流过管道截面积的质量，/SG=Ws/A=Vs/A=u管道为圆管时：A=(d2)/4，d为内径此式关联了Vs，u，d 三者，Vs为生产任务，一般为确定量(定值)。d和u的关系如下：u大，d小，管材耗量少(设备费用小)，但操作费用增大(流动阻力增大)；反之亦成立。故以u的确定对总的费用(操作费+设备费)而言，存在最佳值(或最适宜值)：对于液体：u=0.53 m/s一般 对于气体：u=1030 m/s对于蒸汽：

27、u=3050 m/s1.3.2稳定流动与不稳定流动流体流动时，若任一点处的流速、压力、密度等与流体有关的流动参数都不随时间而变化，稳态流动。只要有一个流动参数随时间变化，非稳态流动。1.3.3连续性方程式 C.E(the equation of continuity)稳流系统在任意两流道截面间作物料衡算，如图示，则Ws1=Ws2亦即Vs11=Vs22=const；u1A11= u2A22=const=const：Vs1= Vs2=const；u1A1= u2A2；圆管：u1/u2=(d2/d1)2连续性方程的意义：反映在稳态流动系统中，流量一定时，管路各截面上平均流速变化规律注意：连续性方程的

28、规律与管路的安排以及管路上是否装有管件、阀门或输送机械等无关。1.3.4柏努利方程式 1、流动系统的总能量衡算如图所示的稳流系统中，流体自11截面流入，经粗细不同的管道，从22截面流出，管路中装有对流体做功的机械(泵或风机)和向流体输入或从流体取走能量的换热器。 衡算范围：内壁面、11与22截面间(图示)衡算基准：1流体基准水平面：00平面设：u1，u2截面11与22处的流速， m/s；p1，p2截面11与22处的压强， pa；Z1，Z2截面11与22处的中心处至基准水平面00的垂直距离，m；A1，A2截面11与22处的的截面积，；v1，v2截面11与22处的比容，m3/；分析1流体进、出系统

29、时输入与输出的能量项： 1)内能：物质内部能量的总和(分子平动能，转动能，振动能)以U1，U2表示：内能是一个状态函数，取决于流体本身的状态。U11流体输入系统的能量，J/；U21流体输出系统的能量，J/；2)位能：流体因受重力作用，在不同的高度处具有不同的位能，相当于质量为m的流体自基准水平面升举到某高度Z所做的功：Ep=mgZ，J。单位质量(1)流体的位能mgZ/m=gZ，J/；则：gZ11流体输入系统的位能；gZ21流体输出系统的位能；3)动能：流体以一定的速度运动时，便具有一定的动能，质量为m，流速为u的流体具有的动能为：Ek=(1/2)mu2，J。(1/2) u121流体输入系统的动

30、能；(1/2) u221流体输入系统的动能；4)静压强(压强能)：流动着的流体内部任何位置具有一定的静压强，如：对于如上图所示的流动系统，流体通过11截面时，由于截面处流体具有一定的压力，这就需要对流体作相应的功克服这个压力，才能把流体推进系统里去。因此通过截面11的流体必定要带有与所需的功相当的能量才能进入系统，流体所具有的这种能量就称为静压能或流动功。设质量为m体积为V1的流体通过截面11，把流体推进到此截面所需的作用力为p1A1，又位移为V1/ A1，则： 流体带入系统的静压能为：p1A1V1/ A1= p1V1，J； 1流体带入系统的静压能为：p1V1/ m= p1v1，J/；同理，1

31、流体带出系统的静压能为：p2V2/ m= p2v2，J/； 流体的总机械能=位能+动能+静压能5)热：Qe1流体接受或放出的能量，J/ Qe可为正可为负；在此以吸热为例，Qe则为正值。6)外功(净功)：We1流体通过输送设备(泵或风机)所获得或输出的能量，J/；We可为正可为负；对于稳流系统，则能量衡算式为： Ei=Eo亦即：U1+gZ1+p1v1+(1/2)u12+Qe+We= U2+gZ2+p2v2+(1/2)u22（1）令U=U2U1，Z=Z2Z1，u2/2=(1/2)u22(1/2)u12，(pv)= p2v2p1v1则U+gZ+(pv)+(1/2)u2=Qe+We上式为稳流系统中流体

32、总能量衡算式。(流动系热力学第一定律)2、流动系统的机械能衡算式在流体的输送过程中，主要考虑各种形式机械能的转换。由热力学第一定律：（可逆膨胀功） Qe：1流体吸收的热量；：1流体因被加热而引起的体积膨胀功；又Qe= Qe+hfQe1流体从换热器中得到的热量，J/；hf能量损失（阻力损失），即克服流动阻力所消耗的一部分机械能，这部分能量会转变为热量。（2）代入式中得：(3)式中：（视过程而定）3、柏努利(Bernonlli)方程式1）柏努利方程式对于稳流、不可压缩流体、理想流体(hf=0)和无外功输入(We=0)则(3)式为： (4)（4）式称为柏努利方程式。而对于非理想流体，有外功输入：(5

33、)(5)式往往称为广义的柏努利方程式。2）柏努利方程的讨论： a)柏努利方程的适用条件：稳态流动；不可压缩流体；理想流体；无外功输入；物理意义：在任一流动截面上单位质量流体的总机械能守恒；而每一中种形式的机械能不一定相等，可以相互转换。b)，式中每一能量项的单位为J/。 c)若式两边同时除以g，则 单位：m（流体柱）习惯上：Z位头；u2/2g动压头(速度头)；p/g静压头；Hf=hf/g压头损失；He=We/g有效压头； 在式两边同时乘以，则 单位：Pad)若流体为静止不动，则u1=u2=0, (4)式为上式为静力学基本方程式，它是柏努利方程的特例。 e)对于可压缩流体，若则(4),(5)仍成

34、立，只是要以m替代。m平均压强下的密度。 f)不稳定流动的任一瞬间，柏努利方程仍成立。1.3.5柏努利方程的应用流体流动及输送问题的计算，都是根据流体的柏努利方程来进行。 一、确定管道中流体的流量(流速)；二、确定输送设备的有效功率；三、确定容器间的相对位置；四、确定管路中流体的压强。1、 计算示例tair=20，1=300mm，p1=1200Pa(表压)，2=200mm，p2=800Pa(表压)， ，Pa=101.33103Pa，求：V？m3/h解：分析求流量，对于可压缩流体（air），验证 成立否？故可用 替代取管中心线为00基准水平面，则Z1=Z2=0在截面11与22间列出伯努利方程2、

35、用柏努利方程解题要点：a)作出示意图，确定衡算范围(系统)；b)基准面的选取。可任意选取，选取基准水平面的原则为计算方便。为便于计算，通常选取衡算范围内的两个截面中的任一截面作为基准水平面。若系统为水平管道，则基准水平面通常取管中心线所在水平面，则Z=0c)截面的选取，两截面均应与流动方向相垂直。所选取的截面上的Z,u,p等有关物理量除需求取的未知量外，都应该是已知的或能通过其他关系计算出来的；d)单位必须一致；e)压强p1、p2基准要相同。第四节 流体在管内的流动阻力1.4.1流动类型与雷诺准数 现在开始介绍流体流动的内部结构。流动的内部结构是流体流动规律的一个重要方面。因为化工生产中的许多

36、过程都和流动的内部结构密切联系。例如实际流体流动时的阻力就与流动结构紧密相关。其它许多过程，如流体的热量传递和质量传递也都如此。流动的内部结构是个极为复杂的问题，涉及面广。以下紧接着的内容只作简单的介绍，因而在许多方面只能限于定性的阐述。1、流动类型层流和湍流1883年著名的雷诺实验揭示出流动的两种截然不同的型态。在水箱内装有溢流装置，以维持水位稳定，水箱的底部安装一个带喇叭型进口的直径相同的玻璃管，管出口处装有一个阀门用来调节流量，水箱上方安装有内有颜料的小瓶，有色液体可经过细管子注入玻璃管内。在水流经过玻璃管的过程中，同时把有色液体送到玻璃管以后的管中心位置上。雷诺实验观察到：水流速度不大

37、时，有色细流成一直线，与水不混合。此现象表明：玻璃管内的水的质点是沿着与管轴平行的方向作直线运动。即流体分层流动，层次分明，彼此互不混杂，掺和(唯其如此，才能使有色液体保持直线)这种流型叫层流或滞流。水流速度增大到某临界值时，有色细流开始抖动，弯曲，继而断裂，细流消失，与水完全混合在一起，整根玻璃管呈均匀颜色，此现象表明，玻璃管内的水的质点除了沿着管道向前运动外，各质点还作不规则的，杂乱的运动，且彼此间相互碰撞，相互混合，质点速度的大小和方向随时发生变化，这种流型叫湍流或紊流。 2、流型的判据雷诺准数对管流而言，影响流型的因素有，流道的几何尺寸(管径d)流动的平均速度u和流体的物理性质(密度和

38、粘度)。雷诺发现，可以将这些影响因素综合成一个无因次数群du/，作为流型的判据。此数群称为雷诺(Reynolds)数，以Re表示，即： Re=du/ 雷诺指出：、当Re2000，必定出现层流，称为层流区；、当Re4000，必定出现湍流，称为湍流区；、当2000Re4000，或出现层流，或出现湍流，依赖于环境(如管道直径和方向改变，外来的轻微振动都易促成湍流的产生)，此为过度区；在此要说明一点，以Re为判据将流动划分为三个区：层流区，过度区，湍流区。但是流型只有两种。过度区并不表示一种过度的流型，它只是表示在此区内可能出现湍流，究竟出现何种流型需视外界扰动而定。1.4.2层流(滞流)与湍流1、层

39、流(滞流)的基本特征： 管内滞流时，流体质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞，互不混合。流体可以看作而无数同心圆筒薄层一层套一层作同向平行运动。2、湍流的基本特征：管内湍流时，流体质点在沿管轴流动的同时还伴着随机的脉动，空间任一点的速度(包括大小和方向)都随时变化，流体质点彼此相互碰撞，相互混合，产生大大小小的旋涡。质点的径向脉动是涡流的最基本特点，层流时只有轴向速度而径向速度为零，湍流时则出现了径向脉动速度。需指出的是，除粘性造成流动阻力外，湍流时流体质点彼此碰撞，混合，产生大量的旋涡，彼此间的动量交换，会损耗一部分的能量，产生附加的阻力。3、流体在直管内的流动阻力流动阻力所遵循的规

40、律因流型不同而不同。湍流时，流动阻力来自流体本身所具有的粘性而引起的内摩擦；对牛顿型流体则为摩擦应力(剪应力) = du/dy。湍流时，流动阻力的来源有两个：粘性引起的内摩擦及流体质点的径向脉动产生附加阻力称之为涡流应力。 总摩擦应力不服从牛顿粘性定律，但可仿照其写成=(+e)du/dye为涡流粘度，单位PaS，不是流体的物理性质，与流体流动状态有关。4、流体在圆管内的速度分布无论是层流还是湍流，管道截面上质点速度沿管径变化，管壁处速度为零。管壁到中心速度由零增至最大，速度分布规律因流型而异。流体的力平衡：等径水平圆管有稳定流动的不可压缩流体，取半径r，长度为l的圆柱体进行力的分析，圆柱体所受

41、的力为两端面的压力：P1=p1A1=p1r2； P2=p2A2=p2r2；外表面上的剪应力(摩擦力)： 因为流体在等径水平管内作稳定流动，所以Fx=0，即：层流时的速度分布：层流时： 积分得：令平均速度 、圆管内湍流的速度分布湍流时速度分布至今尚未能够以理论导出，通常将其表示成经验公式或图的形式。 实验测得： 由于质点的强烈碰撞与混合，使管截面上靠管中心部分各点速度彼此扯平，速度分布比较均匀，不再是严格的抛物线，Re愈大，中心区愈广阔平坦。5、湍流时的滞流内层和缓冲层在湍流的圆管内流体流动也存在层流内层，过度层(缓冲层)和湍流层。由于湍流时管壁处的速度也为零，则靠近管壁时流体仍作滞流流动，这一

42、作滞流流动的流体薄层，称为滞流内层或滞流底层。自滞流内层往管中心推移，速度逐渐增大，出现了既非滞流流动亦非完全湍流流动的区域这一区域称为缓冲层或过渡层，再往中心才是湍流主体。滞流内层的厚度随值的增大而减小。滞流内层的存在，对传热与传质过程都有重大影响。1.4.3边界层1、边界层的形式设有流速为u0的均匀平行流流过平行于流速方向的平壁面。紧贴壁面的流体质点因与壁面的相互作用而流速为零。流体粘性的存在使得静止的流体层对上方相邻的流体层施加一个阻碍其向前运动的力。使该层流体减速，该减速层又对其上方相邻流速较快的流层施以剪切力，促其减速，这样在垂直流体流动方向上便产生了速度梯度。在壁面附近存在着较大的

43、速度梯度的流体层，称为流动边界层。 1.4.4流动阻力 流动阻力产生的原因与影响因素可以归纳为：流体具有粘性，流动时存在着内摩擦，它是流动阻力产生的根源；固定的管壁或其他形状固体壁面促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件。流动阻力的大小与流体本身的物理性质，流动状况及壁面的形状等因素有关。流体在管路中流动时的阻力有两种：、直管阻力 流体流径一定管径的直管时，因流体内摩擦而产生的阻力。、局部阻力 流体流径管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部地方所产生的阻力。hf=hf+ hf1.4.6流体在直管中的流动阻力1、计算圆形直管阻力的通式范宁公式摩擦系数，把hf与的乘积记作pf，则2、管壁粗糙度对的影响化工管道：光滑管、玻璃管、黄铜管、塑料管粗糙管、钢管和铸铁管管壁粗糙度：绝对粗糙度壁面凸出部分的平均高度，以表示相对粗糙度/d(无因次)管壁粗糙度对的影响是由于流体在管道中流动时，流体质点与管壁面凸出部分相碰撞而增加了流体的阻力，所以，其影响的大小是与管径d的大小和流体流动的滞流底层厚度有关。管壁粗糙度对摩擦系数的影响程度与管径d有关。例如对于相同，直径d不同，对的影响就不相同，对直径小的影响要大些，所以在流动阻力的计算中不但要