《化工原理》全册配套完整教学课件

1、化工原理化工原理全册配套全册配套完整教学课件完整教学课件2化工原理化工原理3绪绪 论论一、本课程的研究对象、内容及任务一、本课程的研究对象、内容及任务二、研究本学科的基本方法二、研究本学科的基本方法三、研究单元过程的基本工具三、研究单元过程的基本工具四、单位制及单位换算四、单位制及单位换算4原料原料 （1）预处理预处理 化工过程化工过程：有目的的使原料经过一系列的化学或物有目的的使原料经过一系列的化学或物理变化，以获得产品的工业过程，也称为化工生产理变化，以获得产品的工业过程，也称为化工生产过程。过程。 （2） 反反 应应 （3）后处理后处理产品产品图图1-1 基本化工生产过程基本化工生产过程

2、一、本课程的研究对象、内容及任务一、本课程的研究对象、内容及任务1 1 研究对象研究对象例如：例如：甲醇的生产甲醇的生产：可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。苯的生产苯的生产：原料油（甲苯、二甲苯）、原料油（甲苯、二甲苯）、H H2 2输送输送加热加热反应器反应器减压蒸减压蒸馏塔馏塔精馏精馏苯（苯（99.99299.99299.999%）合成气（合成气（CO，H2，CO2）输送输送反应器反应器粗甲醇粗甲醇冷却冷却精精馏馏精甲醇（精甲醇（99.8599.95%） 主：主：CO+2H2 CH3OH（g）+Q+Q 副：副： CO2+3H2

3、CH3OH（g）+H2O（g） 2CO+4H2 （CH3）2O+H2O CO+3H2 CH4+H2O 4CO+8H2 C4H9OH+3H2O CO2+H2 CO+H2O6化工生产过程化工生产过程化学反应过程化学反应过程物理处理过程物理处理过程 化工生产的核心化工生产的核心 原料的预处理原料的预处理 产品的加工产品的加工（单元操作）（单元操作） 化学反应和若干个单元操作串联而成 单元操作单元操作 工艺过程中遵循相同的基本原理、只改变物工艺过程中遵循相同的基本原理、只改变物料状态或物理性质，不改变物料化学性质的过程。料状态或物理性质，不改变物料化学性质的过程。是组成工艺过程的基本单元。是组成工艺过

4、程的基本单元。7单元操作的特点单元操作的特点所有的单元操作都是物理性操作所有的单元操作都是物理性操作，只改变物料的状态或物理性质，并不改变化学性质。 单元操作是化工生产过程中共有的操作单元操作是化工生产过程中共有的操作，只是不同的化工生产中所包含的单元操作数目、名称与排列顺序不同。 单元操作作用于不同的化工过程时，基本原理基本原理相同，所用的设备也是通用的相同，所用的设备也是通用的。 8原油常压蒸馏原理流程原油常压蒸馏原理流程 9常减压工艺流程常减压工艺流程 原原 油油电脱盐电脱盐脱水脱水换热换热 加热加热 常常 压压 蒸蒸 馏馏冷凝冷凝冷却冷却 油水油水分离分离 水水 直馏汽油直馏汽油 煤油

5、煤油 轻柴油轻柴油 重柴油重柴油 重油重油 10柴油催化加氢工艺流程柴油催化加氢工艺流程柴油柴油加热加热 加氢反应加氢反应 油气分离油气分离 换热换热 气体脱硫气体脱硫 乙醇胺乙醇胺气体压缩气体压缩 氢气氢气吸收液吸收液 蒸馏蒸馏 柴油柴油 冷凝冷却冷凝冷却 含氢气体含氢气体 蒸馏蒸馏 液化气液化气 汽油汽油 循环氢循环氢11过程：单元操作的基本原理、计算方法过程：单元操作的基本原理、计算方法设备：设备的结构、操作、设计和选型等设备：设备的结构、操作、设计和选型等2.2.课程内容：课程内容：单元操作的分类：单元操作的分类：按理论基础分类：按理论基础分类：流体流动过程动量传递流体流动过程动量传递

6、传热过程热量传递传热过程热量传递传质过程质量传递传质过程质量传递12质量传递：由质量传递：由浓度浓度在时空中分布的不均匀性而引起质量在时空中分布的不均匀性而引起质量在时空中的传递过程。在时空中的传递过程。三传三传: :化工原理化工原理的共同规律和联系的共同规律和联系动量传递：由于动量传递：由于动量、密度动量、密度的空间分布不均而引起动量在的空间分布不均而引起动量在时空中的传递过程。时空中的传递过程。热量传递：是由热量传递：是由温度温度在空间的非均匀分布引起内能在时空在空间的非均匀分布引起内能在时空中的传递过程。中的传递过程。13绪论绪论物料的增压、减压和输送：物料的增压、减压和输送： 流体输送

7、、气体压缩、固体流态化等流体输送、气体压缩、固体流态化等物料的混合或分散：搅拌物料的混合或分散：搅拌物料的加热或冷却：物料的加热或冷却：非均相物系的分离：过滤、沉降、筛分等非均相物系的分离：过滤、沉降、筛分等均相物系的分离：吸收、蒸馏、萃取、吸附等均相物系的分离：吸收、蒸馏、萃取、吸附等单元操作按操作目的分类：单元操作按操作目的分类：14流体输送流体输送：流体通过管道的阻力损失，输送设备：流体通过管道的阻力损失，输送设备过滤：液固混合物的分离过滤：液固混合物的分离沉降：液固或气固混合物的分离（重力、离心）沉降：液固或气固混合物的分离（重力、离心）搅拌：液液或液固体系的混合搅拌：液液或液固体系的

8、混合颗粒流态化：强化气（液）固两相间的接触颗粒流态化：强化气（液）固两相间的接触气力输送：固体微粒的管道输送气力输送：固体微粒的管道输送加热冷却加热冷却：增加或降低特定物质的温度：增加或降低特定物质的温度蒸发：对含有固体溶质的溶液进行浓缩制取固体产品蒸发：对含有固体溶质的溶液进行浓缩制取固体产品蒸馏蒸馏：液体混合物的分离（组分挥发度的差异）：液体混合物的分离（组分挥发度的差异）吸收：气体混合物的分离（组分在吸收液中的溶解度）吸收：气体混合物的分离（组分在吸收液中的溶解度）吸附：气体混合物的分离（组分在固体表面的吸附能力）吸附：气体混合物的分离（组分在固体表面的吸附能力）萃取：从液体混合物中分离

9、有用组分（湿法冶金）萃取：从液体混合物中分离有用组分（湿法冶金）干燥：从固体产品中去除湿分干燥：从固体产品中去除湿分结晶：从液体混合物中得到纯的固体产品结晶：从液体混合物中得到纯的固体产品绪论绪论常见的单元操作过程：常见的单元操作过程：15单元操作单元操作 目的目的 物态物态 原理原理 传递过程传递过程流体输送流体输送 输送输送 液或气液或气 输入机械能输入机械能 动量传递动量传递 搅拌搅拌 混合或分离混合或分离 气气- -液液 输入机械能输入机械能 动量传递动量传递 液液- -液液, ,固固- -液液 过滤过滤 非均相混合物分离非均相混合物分离 气气- -固固, ,固固- -液液 尺度不同的

10、截留尺度不同的截留 动量传递动量传递 沉降沉降 非均相混合物分离非均相混合物分离 气气- -固固, ,固固- -液液 密度差引起的密度差引起的 动量传递动量传递 沉降运动沉降运动加热加热, ,冷却冷却 升温升温, ,降温降温, ,改变改变 气或液气或液 利用温差传入利用温差传入 热量传递热量传递 相态相态 或移出热量或移出热量 蒸发蒸发 溶剂与不挥发性溶剂与不挥发性 液液 供热汽化溶剂供热汽化溶剂 热量传递热量传递 溶质的分离溶质的分离表表1-1 1-1 单元操作单元操作16续表续表1-1 1-1 单元操作单元操作173.3.工程学和工程观念工程学和工程观念 凡是研究如何有效地将原料变为工业产

11、品凡是研究如何有效地将原料变为工业产品的学科统称的学科统称工程学。工程学。工程观念工程观念理论上的正确性理论上的正确性技术上的可行性技术上的可行性操作上的安全性操作上的安全性经济上的合理性经济上的合理性1822332(92.12)NHNHQkJ【例例1 1】 850-900、450MPa，NH3合成率为合成率为97% 理论上，高压、低温有利于理论上，高压、低温有利于NH3合成合成。 700-800、200MPa，反应速率急剧下降，反应速率急剧下降技术性？技术性？安全性？安全性？经济合理经济合理性？性？ 最优条件：最优条件： 450-550、20-30MPa，使用，使用催化剂铁（含少量氧化铝、氧

12、化钾）催化剂铁（含少量氧化铝、氧化钾）19二、研究本学科的基本方法二、研究本学科的基本方法1.1.实验研究方法（经验的方法）实验研究方法（经验的方法） 依靠实验来确定过程变量之间的关系，得到经验公式，依靠实验来确定过程变量之间的关系，得到经验公式，理论基础为因次分析法和相似论。理论基础为因次分析法和相似论。 避免了复杂的数学描述，但应用范围受限。避免了复杂的数学描述，但应用范围受限。2.2.数学模型法（半经验半理论的方法）数学模型法（半经验半理论的方法）保证主要部分准确的基础上进行合理简化保证主要部分准确的基础上进行合理简化建立数学模型建立数学模型实验测定系数或指数实验测定系数或指数应用范围广

13、，一定程度应用范围广，一定程度上反应了过程本质上反应了过程本质20三、研究单元过程的基本工具三、研究单元过程的基本工具1.1.物料衡算物料衡算理论基础：物质守恒定律理论基础：物质守恒定律在一个单元过程中，进入的物料量等于排出的物料量与在一个单元过程中，进入的物料量等于排出的物料量与积累的物料量之和。积累的物料量之和。aoutinmmm例子：一水箱容积为例子：一水箱容积为8m8m3 3，进水管每，进水管每小时注入小时注入5m5m3 3 水，排水管每小时排出水，排水管每小时排出3m3m3 3水，问何时可以将水箱注满。水，问何时可以将水箱注满。5m5m3 3/h/h8m8m3 33m3m3 3/h/

14、h21精馏塔精馏塔原料液原料液含乙醇含乙醇510吨吨/时时乙醇产品乙醇产品含乙醇含乙醇95含乙醇含乙醇0.1 废水废水每小时有每小时有10 吨吨 5 的乙醇水溶液进入精馏塔，塔顶馏的乙醇水溶液进入精馏塔，塔顶馏出的产品中含乙醇出的产品中含乙醇 95，塔底排出的废水中含乙醇，塔底排出的废水中含乙醇 0.1。求每小时可得产品多少吨？若废水全部排放，。求每小时可得产品多少吨？若废水全部排放，每年（按操作每年（按操作 7200小时小时 计）损失的乙醇多少吨？计）损失的乙醇多少吨？解：解：已知：已知：原料液流量及其中乙醇含量原料液流量及其中乙醇含量产品和废水中乙醇含量产品和废水中乙醇含量 求：求：产品和

15、废水流量产品和废水流量分析：分析：两个未知量，需列出两个物料衡两个未知量，需列出两个物料衡算方程求解！算方程求解！精馏塔精馏塔原料液原料液含乙醇含乙醇510吨吨/时时乙醇产品乙醇产品含乙醇含乙醇95含乙醇含乙醇0.1 废水废水【例例2 2】22确定：确定：衡算范围：衡算范围：包含精馏塔在内的虚线框衡算对象：衡算对象：a. 物流的流量 b. 物流中乙醇的量衡算基准：衡算基准：单位时间：小时设：产品流量为 X 吨/时、废水流量为 Y 吨/时。由物料衡算式：M入入 M出出对物流的量进行衡算：10 X + Y (1)对乙醇的量进行衡算：10 5 X 95 + Y 0.1 (2)X 0.516 吨/时

16、Y 9.484 吨/时 每年损失乙醇：9.484 0.1 7200 68.28 吨/年23【例例3 3】浓缩浓缩NaOHNaOH水溶液的流程如图，水溶液的流程如图，F F、G G、E E 皆为皆为NaOHNaOH水溶水溶液的质量流量，液的质量流量，x x 表示溶液中含表示溶液中含NaOHNaOH的质量分数，的质量分数，W W 表示表示各蒸发器产生水蒸汽的质量流量。各蒸发器产生水蒸汽的质量流量。试根据图示的各已知量，计算试根据图示的各已知量，计算W W1 1、W W2 2、G G、E E 之值。之值。A AB B24说明：说明：稳定过程稳定过程：物料积累量等于：物料积累量等于0 0； outin

17、mm不稳定过程不稳定过程：物料积累量不等于：物料积累量不等于0 0； aoutinmmm可列总物平，也可列任意组分物平可列总物平，也可列任意组分物平；必须确定衡算范围，明确衡算对象，选定计算基必须确定衡算范围，明确衡算对象，选定计算基准准（单位时间或单位质量物料）。（单位时间或单位质量物料）。单位时间：单位时间： dtdmmmoutin25能量衡算：能量衡算：理论基础：能量守恒定律理论基础：能量守恒定律通式：输入能量输出能量能量积累通式：输入能量输出能量能量积累输入：物料带入、外界传入的热量输入：物料带入、外界传入的热量输出：物料带出、对外界作功输出：物料带出、对外界作功连续、稳定的过程：输入

18、输出连续、稳定的过程：输入输出机械能机械能热能热能26说明：说明：只能进行总物料的能量平衡计算只能进行总物料的能量平衡计算；要确定衡算范围，明确衡算对象，选定要确定衡算范围，明确衡算对象，选定计算基准（单位时间或单位质量、单位体计算基准（单位时间或单位质量、单位体积物料）；积物料）；计算之前要规定焓值及位能的计算基准计算之前要规定焓值及位能的计算基准。27在一列管式热交换器中用压强为在一列管式热交换器中用压强为 136 kPa 的饱和蒸汽的饱和蒸汽加热加热 298 K 的冷空气，蒸汽的流量为的冷空气，蒸汽的流量为 0.01 kg/s，空气，空气的流量为的流量为 1 kg/s。冷凝水在饱和温度。

19、冷凝水在饱和温度 381 K下排出。下排出。若取空气的平均比热为若取空气的平均比热为 1.005 kJ/(kgK)，试计算空气，试计算空气的出口温度（热损失忽略不计）。的出口温度（热损失忽略不计）。解：解：热空气热空气 T冷空气冷空气298 K1 kg/s加热蒸汽加热蒸汽 381K 冷凝水冷凝水热交换器热交换器381 K0.01 kg/s分析：分析：该题只有一个未知变量，只需列一个热量衡算方程即可求解。关键问题是确定热量衡算的基准！【例例4 4】28热量衡算基准：热量衡算基准：数量基准：数量基准： 以单位时间内物流量为基准以单位时间内物流量为基准温度基准：温度基准：以进口冷空气的温度为基准：以

20、进口冷空气的温度为基准：298Kw冷空气H冷空气w蒸汽H蒸汽 w冷空气H热空气w蒸汽H冷凝水加热蒸汽：加热蒸汽： 0.01 kg/s ； 冷空气：冷空气： 1 kg/s 取取 H冷空气冷空气 0由热量衡算式 得： 进入系统热量 离开系统热量整理得：w蒸汽 ( H蒸汽 H冷凝水 ) w冷空气 ( H热空气 H冷空气)29 查饱和水蒸汽表，得到 136 kPa、381K 条件下的物性数据：H蒸汽 2690 kJ/kg H冷凝水 452.9 kJ/kg H冷空气 0 H热空气 Cp t = Cp (T-298)0.01 ( 2690- 452.9 ) 1 1.005 (T-298) T = 320.

21、3 K将数据代入上式得：303.3.系统的平衡关系：系统的平衡关系：两大平衡：相平衡与化学平衡两大平衡：相平衡与化学平衡任何过程都是由不平衡状态向平衡状态进行任何过程都是由不平衡状态向平衡状态进行平衡态：自然过程所能达到的极限程度，平衡态：自然过程所能达到的极限程度，用用来判断过程进行的方向及限度来判断过程进行的方向及限度。动态平衡动态平衡如传热过程、密闭容器中的乙醇水混合溶如传热过程、密闭容器中的乙醇水混合溶 液、用水吸收含氨的混合空气等液、用水吸收含氨的混合空气等314.4.过程速率：过程速率：过程阻力过程阻力过程推动力过程推动力过程速率过程速率 过程推动力：系统与平衡态相差的程度；过程推

22、动力：系统与平衡态相差的程度； 相差程度越大，推动力越大；相差程度越大，推动力越大； 当过程达到平衡时，推动力为当过程达到平衡时，推动力为0 0。过程阻力：比较复杂，影响因素很多。过程阻力：比较复杂，影响因素很多。过程平衡关系是过程设备尺寸设计计算的理论依据；过程平衡关系是过程设备尺寸设计计算的理论依据；过程速率是计算设备尺寸的基本工具。过程速率是计算设备尺寸的基本工具。绪论绪论32四、单位制及单位换算四、单位制及单位换算1.1.单位与单位制：单位与单位制：计量中计数单元所规定的基本量计量中计数单元所规定的基本量压力压力p=100kPap=100kPa数值数值单位单位单位单位基本单位基本量基本

23、单位基本量导出单位导出量导出单位导出量物理量物理量= =数字数字单位单位单位单位= =物理量数字物理量数字单位：单位：33绪论绪论基本单位与导出单位的总和。基本单位与导出单位的总和。常用单位制：国际单位制（常用单位制：国际单位制（SISI）、工程单位制、物理）、工程单位制、物理单位制、英制单位制、英制单位制：单位制：绝对单位制：绝对单位制：物理单位制，科学手册和数据手册中常用物理单位制，科学手册和数据手册中常用CGS CGS 制：长度制：长度cmcm，质量，质量g g，时间，时间s s；MKS MKS 制：制：m m，kgkg，s s34质量质量时间时间温度温度长度长度物质的量物质的量电流强度

24、电流强度发光强度发光强度千克千克kgkg秒秒s s开尔文开尔文K K米米m m摩尔摩尔molmol安培安培A A坎德拉坎德拉candelacandela基本单位基本单位: :工程单位制：工程单位制：基本单位：长度基本单位：长度m m，力，力kgfkgf，时间，时间s s国际单位制：国际单位制：SISI制制 在1960年10月的第11届国际计量大会上通过了一种新的单位制度，称为国际单位制度，代号为 “SI”，也称为 SI单位制。SI 单位制是目前国际上最先进的一种单位制，被许多国家广泛使用。我国的法定计量单位也是以 SI单位制为基础的。352.2.单位换算单位换算: :K Kkgkgs sm m

25、国际国际单位制单位制kgfkgf重量重量（F)F)s sm m米制米制工程工程单位制单位制kgkgs sm mmksmks制制g gs scmcmCgsCgs制制物理物理单位制单位制温度温度（T T）质量质量（M M）时间时间（t)t)长度长度（L)L) 基本物理基本物理单位制单位制其中：其中：1m=100cm1m=100cm，1kg=1000g1kg=1000g，t t=1K=1=1K=136 一管路内空气的流量为一管路内空气的流量为3600m3/h，将此流量用国际单位制，将此流量用国际单位制表示。表示。 一设备内部压强为一设备内部压强为1kgf/cm2，试用国际单位制表示。，试用国际单位制

26、表示。smsmhmV/13600/3600/3600333PamNcmkgf424-210807. 910/807. 91/1【例例5 5】【例例6 6】37 通用气体常数 R82.06 atmcm3/(molK)，将其换算成国际单位：kJ/(kmolK) 表示。解：解：K)kJ/(kmol8.314K)m/(kmolN8314K1kmol001. 01)m01. 0(mN10013. 106.82Kmolcmatm82.06R3253【例例7 7】38本节思考题本节思考题1.1.本课程的研究对象是什么？本课程的研究对象是什么？2.2.什么是单元操作？什么是单元操作？3.3.物料衡算和能量衡算

27、的基本原理是什么？物料衡算和能量衡算的基本原理是什么？4.4.什么是单位制？目前最常用的是什么单位制？什么是单位制？目前最常用的是什么单位制？5.5.试写出几种典型的单元操作过程。试写出几种典型的单元操作过程。39课本课本P8 1P8 1、3 3、4 4作业作业40课前练习l1.1.按定义写出下列物理量的按定义写出下列物理量的SISI单位与工程单位与工程单位单位 密度密度- -单位体积的质量单位体积的质量 功率功率- -单位时间所做的功单位时间所做的功 重度重度- -单位体积的流体所具有的重量单位体积的流体所具有的重量l2.2.将下列单位换算为将下列单位换算为SISI单位单位 =71dyn/c

28、m=71dyn/cm =0.008g/cm=0.008g/cms s k kG G=1.6kmol/m=1.6kmol/m2 2h h W=J/skgfs2/m4kgfm/skg/m3N/m3kgf/m30.071N/m0.0008kg/ms0.444mol/m2s41第1章 流体流动42第1章 流体流动1.1 1.1 流体及其主要物理性质流体及其主要物理性质1.2 1.2 流体静力学流体静力学1.3 1.3 流体动力学流体动力学1.4 1.4 流体在管内的流动阻力流体在管内的流动阻力1.5 1.5 管路计算管路计算1.6 1.6 流量测量流量测量431.1 1.1 流体及其主要物理性质流体及

29、其主要物理性质1.1.1 1.1.1 流体及其特点流体及其特点1.1.2 1.1.2 连续介质假定连续介质假定1.1.3 1.1.3 流体的物理性质流体的物理性质44流体流体：气体和液体统称为流体。气体和液体统称为流体。1.1.1 1.1.1 流体及其特点流体及其特点特点：特点：a. 流动性；流动性； b. 无固定形状无固定形状; c. 在外力作用下，其内部质点会发生在外力作用下，其内部质点会发生 相对运动相对运动.分类：分类：液体：不可压缩性流体液体：不可压缩性流体 气体：可压缩性流体，气体：可压缩性流体，(P(P1 1-P-P2 2)/P)/P1 120%20%时可视为不可压缩性流体时可视

30、为不可压缩性流体451.1.2 连续介质假定1.1.流体是由无数个分子集团所组成的连续介质，每个流体是由无数个分子集团所组成的连续介质，每个 分子集团称为质点；分子集团称为质点；2.2.质点大小远小于容器或管道的尺寸；质点大小远小于容器或管道的尺寸；3.3.流体质点间没有空隙，流体充满其所占据的空间。流体质点间没有空隙，流体充满其所占据的空间。注：该假定对绝大多数流体都适用。但是当流动体系注：该假定对绝大多数流体都适用。但是当流动体系的特征尺度与分子平均自由程相当时，连续介质的特征尺度与分子平均自由程相当时，连续介质假定不再适用，例如高真空稀薄气体的流动。假定不再适用，例如高真空稀薄气体的流动

31、。 目的目的：从：从宏观宏观角度研究流体流动规律角度研究流体流动规律。假定：假定：461.1.3 流体的物理性质1.1.密度：单位体积流体所具有的质量。密度：单位体积流体所具有的质量。 =m/V=m/V， kg/mkg/m3 3 均质流体：均质流体： =f(T=f(T，P)P)液体：液体： f(T) f(T) V Vnnwwwmxxx,22,11 ,.1混合物：取混合物：取1kg1kg混合液为基准，设混合液为基准，设x xw,iw,i为为i i 组分的组分的质量分率，则：质量分率，则：47气体：气体： =f(T=f(T，P)P)理想气体：理想气体：或者：或者：000TPPT标态下：标态下：0

32、0 = =M M/22.4/22.4 ，T T0 0 =273.15K=273.15K，P P0 0 =101.3kPa=101.3kPaRTPMVm48（2） 以以1m1m3 3混合气体为基准，混合气体为基准， 设设xv,i 为为i 组分的体组分的体积分率，则：积分率，则：理想气体混合物：理想气体混合物：iimyMMmnVnVVmxxx,2,21 ,1.M Mm m 为平均分子量：为平均分子量：yi 为为i 组分的摩尔分率组分的摩尔分率RTPMmm （1 1）492.2.流体的重度、比重和比重指数流体的重度、比重和比重指数1 1）重度：单位体积的流体所具有的重量，用）重度：单位体积的流体所具

33、有的重量，用表示。表示。 =G/V=mg/V=G/V=mg/V=g g 单位：单位： SISI单位制单位制 N/m N/m3 3 工程单位制工程单位制 kgf/m kgf/m3 3 注意：注意：a.a.在同一单位制中，在同一单位制中，=g b. b.同一流体，工程单位制中的同一流体，工程单位制中的和和SISI制中的制中的 数值相等。数值相等。502 2）比重：）比重：液体的比重通常指其密度（或重度）与水液体的比重通常指其密度（或重度）与水在在44时的密度（或重度）之比时的密度（或重度）之比 ，也称相对密度。，也称相对密度。1000444wwtd3 3）比重指数：比重指数：对油品，常采用一种特殊

34、的比重计测对油品，常采用一种特殊的比重计测得的读数来表示轻重，该读数称为比重指数，得的读数来表示轻重，该读数称为比重指数，o oAPIAPI。 5.1315.141 6.156.15dAPIo415.60.9990ttdd51流体的比体积单位质量流体的体积单位质量流体的体积又称为流体的比容又称为流体的比容单位：单位： m m3 3/kg /kg 1mV52流体的粘度1 1）流体的粘性：）流体的粘性：粘性：粘性：流体在运动状态下具有的流体在运动状态下具有的抗拒向前运动抗拒向前运动的特性。的特性。内摩擦力（粘滞力）内摩擦力（粘滞力）流动阻力流动阻力产生的根源产生的根源说明：说明：a. a. 粘性是

35、流体的固有属性粘性是流体的固有属性 b.b.只有在流动时才表现出来只有在流动时才表现出来532 2）牛顿粘性定律：）牛顿粘性定律：平板实验平板实验yuSFSyuF或AyuF引入引入：54实质：实质：即：单位时间通过单位面积的即：单位时间通过单位面积的动量通量动量通量，其产生，其产生的原因是流体层之间的的原因是流体层之间的动量传递动量传递。圆形管内：圆形管内：dydu牛顿粘性定律牛顿粘性定律速度梯度速度梯度流体的粘度流体的粘度 dSmudSddumSamSF剪应力剪应力动量动量553 3）流体的粘度：）流体的粘度：粘度粘度 ：，粘滞系数、动力粘度、绝对粘度，粘滞系数、动力粘度、绝对粘度SISI单

36、位制：单位制：物理单位制：物理单位制： smkgsPamsNmsmmN22/ Pscmgcmsscmgcmsdyncmscmcmdyn 2222)/(/ 换算：换算：1Pas=1 Ns /m2=10P=1000cP 1P（泊）（泊）=1dynscm-256运动粘度运动粘度 ： =/=/SISI制：制： s/mm/kg)sm/(kgm/kgsPa233 物理单位制（物理单位制（CGSCGS）：为）：为cmcm2 2/s/s，称为斯托克斯，用，称为斯托克斯，用st st 表示，简称表示，简称（tuotuo）。 换算：换算：1st =100cSt1st =100cSt（厘（厘tuotuo）=1=11

37、010-4-4m m2 2/s /s 1cst =10 1cst =10-2-2st =10st =10-6-6m m2 2/s/s57粘度粘度的影响因素的影响因素 ： =f ( =f ( T T、P P、物质种类、物质种类 ) )液体：液体：T T分子间距离分子间距离引力引力液体的液体的气体：气体：T T分子的混乱运动和碰撞分子的混乱运动和碰撞压力压力P P 的影响一般不予考虑，只有在极高或极低的影响一般不予考虑，只有在极高或极低的压力下才考虑压力对气体粘度的影响。的压力下才考虑压力对气体粘度的影响。58混合物粘度：混合物粘度：分子不缔合的液体混合物：分子不缔合的液体混合物：iimxlglg

38、气体混合物：气体混合物：2121iiiiimMyMy式中：式中：x xi i液体混合物中液体混合物中i i 组分的摩尔分率；组分的摩尔分率； y yi i气体混合物中气体混合物中i i 组分的摩尔分率；组分的摩尔分率； i i与混合物相同温度下的与混合物相同温度下的i i 组分的粘度；组分的粘度； M Mi i气体混合物中气体混合物中i i 组分的分子质量。组分的分子质量。59理想流体与粘性流体：理想流体与粘性流体： 自然界中的所有流体都具有粘性，具有自然界中的所有流体都具有粘性，具有粘性的流体统称为粘性的流体统称为粘性流体粘性流体或或实际流体实际流体。完全没有粘性的流体，完全没有粘性的流体，

39、即即=0=0，称为，称为理想流体理想流体。是假设。是假设. . 1.2 流体静力学1.2.1 1.2.1 流体的静压强流体的静压强1.2.2 1.2.2 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式1.2.3 1.2.3 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式 的应用的应用 61地球表面附近受力主要是地球表面附近受力主要是重力和压力重力和压力。重力可以看作常数。重力可以看作常数。流体静力学流体静力学实质实质是研究静止流体所受压力的平衡关系。是研究静止流体所受压力的平衡关系。前言前言重力场中的流体，无论运动与否都受到力的作用。重力场中的流体，无论运动与否都受到力的作用。连续介质的受力情况（规律）服

40、从牛顿第二定律。连续介质的受力情况（规律）服从牛顿第二定律。62定义：定义： 流体垂直作用于单位面积上的力，简称流体垂直作用于单位面积上的力，简称压强压强，习，习惯上称为惯上称为压力压力。 P = F/AP = F/A特性：特性：在静止流体中，流体内任一点各个方向上压力在静止流体中，流体内任一点各个方向上压力均相等。均相等。 1atm=1.0131atm=1.013 10105 5 Pa=10.33 mH Pa=10.33 mH2 2O=760mmHg O=760mmHg 1at=9.811at=9.81 10104 4Pa=10mHPa=10mH2 2O=735.6mmHg=1kgf/cmO

41、=735.6mmHg=1kgf/cm2 2 1atm=1.033at 1atm=1.033at 1kgf/m1kgf/m2 2=1mmH=1mmH2 2O O压力的单位及换算：压力的单位及换算：1.2.1 流体的静压强63以以绝对真空绝对真空（0atm0atm）为基准：绝对压力，真实压力）为基准：绝对压力，真实压力以以当地大气压当地大气压为基准：表压或真空度为基准：表压或真空度压强的基准：压强的基准：绝压大气压：压力表绝压大气压：压力表表压力表压力 表压力表压力= =绝对压力大气压力绝对压力大气压力绝压大气压：真空表绝压大气压：真空表真空度真空度 真空度真空度= =大气压力绝对压力大气压力绝对

42、压力64注：大气压力应从当地气压计上读得；注：大气压力应从当地气压计上读得； 对表压和真空度应予以注明。对表压和真空度应予以注明。65例例1 1：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为数为808010103 3PaPa，在天津操作时，若要求塔内维持相同，在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真空表的读数应为若干？的绝对压强，真空表的读数应为若干？已知已知P Pa a，兰州，兰州=85.3=85.310103 3PaPa，P Pa a，天津，天津=101.33=101.3310103 3PaPa。解：兰州：绝压解：兰州：绝压= =大气压真空度

43、大气压真空度 =85.3=85.310103 3808010103 3=5300Pa=5300Pa 天津：真空度天津：真空度= =大气压绝压大气压绝压 =101.33=101.3310103 35.35.310103 3 =96.03 =96.0310103 3PaPa66例例2 2：某设备进、出口测压仪表上的读数分别为：某设备进、出口测压仪表上的读数分别为120mmHg120mmHg（真空度）和（真空度）和1.2 kgf/cm1.2 kgf/cm2 2（表压），试求进、出口处（表压），试求进、出口处的绝压分别为多少的绝压分别为多少PaPa？当地大气压为？当地大气压为750 mmHg750 m

44、mHg。解：进口处（解：进口处（P P1 1）：绝压）：绝压= =大气压力真空度大气压力真空度 P P1 1=750-120=630mmHg=750-120=630mmHg =630/760 =630/7601.0131.01310105 5=8.4=8.410104 4PaPa 出口处（出口处（P P2 2）：绝压）：绝压= =大气压力大气压力+ +表压表压 P P2 2=750/760=750/7601.0131.01310105 5+1.2+1.29.0879.08710104 4 =2.18 =2.1810105 5PaPa671.2.2 流体静力学基本方程式模型：模型：681.2.2

45、 1.2.2 流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式公式推导：公式推导：Z Z轴方向（取向上方向为正）：轴方向（取向上方向为正）：向上的力：向上的力： 向下的力向下的力: : 重力重力mg =-gdxdydzmg =-gdxdydz 三力之和为零三力之和为零 ：1()2ppdz dxdyz1-( +)2ppdz dxdyz11()-( +)-022pppdz dxdypdz dxdygdxdydzzz69不可压缩流体，不可压缩流体，为常数：为常数：静止流体内同一水平面上各点压力相同静止流体内同一水平面上各点压力相同流体压力只沿高度变化。流体压力只沿高度变化。-0pgzx x轴方向轴方向0px

46、0pyy y轴方向轴方向EulerEuler方程方程z z轴方向轴方向流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式gz+Pgz+P常数常数70P P2 2 = P= P1 1 + +g(Zg(Z1 1 - Z - Z2 2) )流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式1122gzPgzP应用于应用于1 1、2 2两点：两点：71讨论：讨论：应用条件应用条件：连续、静止状态的不可压缩性流体；：连续、静止状态的不可压缩性流体； 若若P P1 1=P=P0 0，P P2 2=PP=P=PP=P0 0+gh+gh，当当P P0 0一定时，一定时，h hP P，即：静止流体中任一点的压力，即：静止流体中任一

47、点的压力与流体密与流体密度度和所处高度和所处高度h h 有关有关，与容器形状无关；，与容器形状无关； P P0 0 变化时，会以同样大小传递到液体内部变化时，会以同样大小传递到液体内部 ；72静止、连续、同一流体、同一水平面上静止、连续、同一流体、同一水平面上，各点的，各点的压力相等，即：等压面为一水平面压力相等，即：等压面为一水平面 连通器原理连通器原理； 对于气体，考虑到气体密度随容器高低变化甚微，对于气体，考虑到气体密度随容器高低变化甚微，一般也可视为常数，故静力学基本方程亦适用于气一般也可视为常数，故静力学基本方程亦适用于气体。由于体。由于g g很小，很小，g ggh gh 可以忽略，

48、因此：可以忽略，因此：空间内空间内气体的压力相等气体的压力相等；73压差可用液柱高度表示压差可用液柱高度表示P=PP=P0 0+gh h=(P-P+gh h=(P-P0 0)/g )/g 液柱压差计原理液柱压差计原理; ;P P2 2 = P= P1 1 +g(Z +g(Z1 1 - Z - Z2 2)P)P1 1/+gz/+gz1 1 = P = P2 2/+gz/+gz2 2 gzgz 单位质量流体具有的位能，单位质量流体具有的位能，J/kgJ/kg； P/P/ 单位质量流体具有的静压能，单位质量流体具有的静压能， J/kgJ/kg；故：故：连续、静止的同一流体中，能量守恒。连续、静止的同

49、一流体中，能量守恒。741.2.3 流体静力学基本方程式的应用（一）压力测量液柱压差计（一）压力测量液柱压差计普通普通 U U 型管压差计型管压差计指示液选用原则：指示液选用原则： a. a. 与所测流体不互溶与所测流体不互溶b. b. 与被测流体不起化学作用与被测流体不起化学作用c.c.其密度应大于所测流体的密其密度应大于所测流体的密度度 （0 0）d. d. 易于观察易于观察7511gZPPAgRgZPPB022gRgZPgZP02211gRPP)(021ABpp12zzR当被测流体为气体时，由于气当被测流体为气体时，由于气体的密度相对于指示液的密度体的密度相对于指示液的密度小得多（小得多

50、（0 0），则：），则：gRgRPPP0021)(根据流体静力学基本方程式，根据流体静力学基本方程式， A、B为为等压面等压面可得：可得：76压强差压强差P P 仅与读数仅与读数R R 和密度差（和密度差（0 0- -）有关，）有关，而而与与U U 型管的粗细、长短、位置无关；与测压引线型管的粗细、长短、位置无关；与测压引线的粗细、长短亦无关；的粗细、长短亦无关； 说明：说明：若若P P 一定，（一定，（0 0- -）R R选择适当的指选择适当的指示液示液。测量液体压差时，可选用密度大的指示液，。测量液体压差时，可选用密度大的指示液，如水银；测量气体压差时，一般用水作指示液；如水银；测量气体压

51、差时，一般用水作指示液；77若把若把U U 型管一端与设备或型管一端与设备或管路的某一截面连接，另一管路的某一截面连接，另一端与大气相通，这时读数所端与大气相通，这时读数所反映的就是管路中这一截面反映的就是管路中这一截面处流体的表压力，因此也处流体的表压力，因此也可可用用U U 型管压差计来测量某一型管压差计来测量某一处的压力处的压力。78倒装倒装U U型管压差计型管压差计取等压面取等压面ABAB（静止、连续、同一（静止、连续、同一流体、同一水平面），可以得到：流体、同一水平面），可以得到： P PA A = P= PB B11gZPPAgRgZPPgB22gRgZPgZPg2211整理后得：

52、整理后得：（g g） gRgRPPPg)(2179斜管压差计斜管压差计采用倾斜采用倾斜 U U 型管可在测量较小的压差型管可在测量较小的压差 p p 时，时，得到较大的读数得到较大的读数 R R1 1 值。值。gRpp0121sin压差计算式：压差计算式：1515，一般约为，一般约为202080双液压差计双液压差计（Two-liquid manometerTwo-liquid manometer）特点：使读数特点：使读数R R 扩大扩大对一定的压差对一定的压差 P P，R R 值的大小与所用的指值的大小与所用的指示剂密度有关，密度差越小，示剂密度有关，密度差越小，R R 值就越大，值就越大，读

53、数精度也越高。读数精度也越高。双液：水双液：水- -煤油、酒精煤油、酒精- -煤油、煤油、CClCCl4 4- -水等水等0102p1p2abgRpp020121压差：压差：计入扩大室内的液面差：计入扩大室内的液面差：gDdRPPP022020121)()(81（二）液面测量（二）液面测量玻璃管液面计玻璃管液面计压差液面计压差液面计1.2.3 流体静力学基本方程式的应用82例：用远距离液位装置测量贮例：用远距离液位装置测量贮槽内某液体的液位，流程如槽内某液体的液位，流程如图。自管口流入压缩氮气，图。自管口流入压缩氮气，调节流量。管内氮气流速调调节流量。管内氮气流速调节得很小，只要在鼓泡观察节得

54、很小，只要在鼓泡观察器内看出有气泡缓慢逸出即器内看出有气泡缓慢逸出即可。管内某截面上压强用可。管内某截面上压强用U U形形压差计测量，则压差计读数压差计测量，则压差计读数R R可反映贮槽内液位高度。可反映贮槽内液位高度。（二）液面测量液面测量已知已知R=200mmHg,R=200mmHg,液体密度为液体密度为12501250kgkgm m-3-3, ,试求贮槽试求贮槽液面离吹气管出口距离液面离吹气管出口距离h h为若干？为若干？83（二）液面测量（二）液面测量l解：解：cbap=p=pmRho 176. 212502 . 013600 000acppgRppghc84（三）液封高度的计算（三）

55、液封高度的计算 如各种气液分离器的后如各种气液分离器的后面、气体洗涤塔底以及气柜面、气体洗涤塔底以及气柜等等, ,为了防止气体泄漏和安为了防止气体泄漏和安全等目的，都要采用液封全等目的，都要采用液封( (或称水封或称水封) )。 gzP水gpz水表压表压85（三）液封高度的计算（三）液封高度的计算l例：某厂为了控制乙炔发生例：某厂为了控制乙炔发生炉内的压强不超过炉内的压强不超过107kPa107kPa（绝），需在炉外装有安全液（绝），需在炉外装有安全液封装置，其作用是当炉内压强封装置，其作用是当炉内压强超过规定值时，气体就从液封超过规定值时，气体就从液封管中排出，试求此炉的安全液管中排出，试求

56、此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度封管应插入槽内水面下的深度h h。86（三）液封高度的计算（三）液封高度的计算l解：以液封管口为基准水平面解：以液封管口为基准水平面 0-00-0ghpppao 1l为保证安全液封高度应大于计算值为保证安全液封高度应大于计算值。P11apphg871 1、2 2、6 6作业作业88复习复习dydu牛顿粘性定律牛顿粘性定律一、流体的物理性质一、流体的物理性质密度密度重度、比重和比重指数重度、比重和比重指数比体积比体积粘度粘度89复习复习二、压强的定义及单位、压强的基准二、压强的定义及单位、压强的基准绝对压力绝对压力表压表压大气压力大气压力测定压力测定压力绝对

57、压力为零绝对压力为零大气压力大气压力绝对压力绝对压力真空度真空度表压为负值表压为负值测定压力测定压力表压强表压强= =绝对压强绝对压强- -大气压强大气压强真空度真空度= =大气压强大气压强- -绝对压强绝对压强90三、流体静力学基本方程式三、流体静力学基本方程式复习复习四、流体静力学基本方程式的应用四、流体静力学基本方程式的应用P P2 2 = P= P1 1 + +g(Zg(Z1 1 - Z - Z2 2) )a)a)普通普通 U U 型管压差计型管压差计b)b)倒倒 U U 型管压差计型管压差计c)c)倾斜倾斜 U U 型管压差计型管压差计d)d)微差压差计微差压差计关键：找等压面？关键

58、：找等压面？91思考思考1.为什么深海鱼类被捕捞上岸后会死亡？为什么深海鱼类被捕捞上岸后会死亡？ 带鱼等深海鱼类长期生活在深海当中带鱼等深海鱼类长期生活在深海当中, ,内脏器官内脏器官适应了深海中巨大的压强。一旦离开海洋适应了深海中巨大的压强。一旦离开海洋, ,由于外界由于外界压强的忽然降低压强的忽然降低, ,内脏器官会爆裂而导致死亡。内脏器官会爆裂而导致死亡。2.为什么潜水员穿的深海潜水服比浅海潜水服要厚重为什么潜水员穿的深海潜水服比浅海潜水服要厚重一些？一些？ 液体压强随深度的增加而增大，故深海潜水液体压强随深度的增加而增大，故深海潜水服要比浅海潜水要更耐压，更厚重些。服要比浅海潜水要更耐

59、压，更厚重些。 92练习练习油油=800kg/m3水水=1000kg/m3a)x=1 b) x1c)x=0 d) 0 xEE2 2 ，1 1流向流向2 2；E E1 1EE2 2 ，2 2流向流向1 1；E E1 1=E=E2 2 ，流体静止或流体为理想流体。，流体静止或流体为理想流体。127【例例1 1】某液体在如图所示管路中某液体在如图所示管路中稳定流动，忽略阻力损失，稳定流动，忽略阻力损失，问不同截面各自位能、动问不同截面各自位能、动能、压能有何变化？能、压能有何变化？如流体流动方向相反，各如流体流动方向相反，各截面位能、动能、压能有截面位能、动能、压能有何变化？何变化？128 水在如图

60、所示的水在如图所示的虹吸管内作定态流动，虹吸管内作定态流动，管径没有变化，水流管径没有变化，水流经管路的能量损失可经管路的能量损失可以忽略不计，试计算以忽略不计，试计算管内截面管内截面2-22-2、3-33-3、4-44-4、5-55-5处的压强。处的压强。大气压为大气压为1.0131.01310105 5PaPa，流体，流体密度密度= 1000kg/m= 1000kg/m3 3。【例例2 2】129【例例3 3】容器容器B B 内保持一定真空度，溶液内保持一定真空度，溶液从敞口容器从敞口容器A A 经内径为经内径为30mm30mm的导的导管自动流入容器管自动流入容器B B 中。容器中。容器A