化工原理1-1,2,3教材

1、课程名称课程名称: : 化工原理化工原理 -曲阜师范大学精品课程曲阜师范大学精品课程英文名称英文名称: : Principles of Chemical Engineering （Unit Operations of Chemical Engineering）主讲教师：主讲教师： 丁养军丁养军 张兆顺张兆顺单单 位：位： 曲阜师范大学曲阜师范大学 化学与化工学院化学与化工学院化工原理化工原理是化工及其相关专业是化工及其相关专业学生必修的一门学生必修的一门最重要最重要的的主干课主干课。化工原理化工原理是一门关于化学加工是一门关于化学加工的的技术技术基础基础课程，课程，实践性、工程实践性、工程性很

2、强性很强，属于，属于。是。是“科学科学”与与“技术技术”的融合，与工业生产紧密的融合，与工业生产紧密相连相连(基石基石/桥梁桥梁)。前修前修课程：课程：数学数学、 物理物理、化学化学、物理化学物理化学等。等。工程工程观念观念一、本科生一、本科生学科门类：理学学科门类：理学专业门类：化学类专业门类：化学类专业名称：专业名称：【化学化学、应用化学应用化学（可理可工）（可理可工）、化学生物学、化学生物学 、分子科学与工程等。、分子科学与工程等。外加外加目录目录外专业（高校自设）外专业（高校自设）】学科门类（学科门类（本科生本科生）：工学）：工学专业门类：化工与制药类专业门类：化工与制药类专业名称：专

3、业名称：【化学工程与工艺化学工程与工艺、制药工程制药工程、油气加工与储运工程、油气加工与储运工程 、资源循环科学与工、资源循环科学与工程、能源化学工程等。外加高校自设程、能源化学工程等。外加高校自设】专业门类：材料类专业门类：材料类专业名称：专业名称：【材料科学与工程、材料科学与工程、材料化学材料化学（可理可工）、（可理可工）、材料物理、功能材料、纳米材料物理、功能材料、纳米材料与技术、高分子材料与工程等。材料与技术、高分子材料与工程等。】二、研究生（二、研究生（硕士、博士硕士、博士）学科门类：工学学科门类：工学一级学科：化学工程与技术一级学科：化学工程与技术二级学科：二级学科：【化学工程、化

4、学工艺化学工程、化学工艺、生物化工、生物化工、应用化学应用化学、工业催化等。、工业催化等。】一级学科：材料科学与工程一级学科：材料科学与工程二级学科：二级学科：【材料物理与化学材料物理与化学、材料学、材料、材料学、材料加工工程等。加工工程等。】参考书：参考书：1.夏清等夏清等.化工原理化工原理.天津大学出版社天津大学出版社. 2.谭天恩等谭天恩等.化工原理化工原理.化学工业出版社化学工业出版社. 3.陈敏恒等陈敏恒等.化工原理化工原理.化学工业出版社化学工业出版社. 4.王志魁编王志魁编.化工原理化工原理.化学工业出版社化学工业出版社. 5.黄少烈等黄少烈等.化工原理化工原理.高等教育出版社高

5、等教育出版社. （面向（面向21世纪课程教材）世纪课程教材） 主要章节主要章节 化工原理（上册）化工原理（上册）68学时学时第一章：流体流动第一章：流体流动第二章：流体输送机械第二章：流体输送机械第三章：非均相物系的分离（沉降与过滤）第三章：非均相物系的分离（沉降与过滤）第四章：传热第四章：传热 第五章：蒸发第五章：蒸发 化工原理（下册）化工原理（下册）51学时学时第一章：蒸馏第一章：蒸馏第二章：吸收第二章：吸收 第三章：气液传质设备第三章：气液传质设备 第四章：萃取第四章：萃取第五章：干燥第五章：干燥 第六章：新型分离技术第六章：新型分离技术二、化学工业二、化学工业 化学工业又称化学加工工业

6、，泛指生产过程化学工业又称化学加工工业，泛指生产过程中化学方法占主要地位的中化学方法占主要地位的工业。化学工业是工业。化学工业是一个行业（或生产部门），是国民经济的重要部一个行业（或生产部门），是国民经济的重要部门之一，其产值在整个门之一，其产值在整个国内生产总值（国内生产总值（GDPGDP）中占中占有很大的比重，发展速度很快。有很大的比重，发展速度很快。化工进展：化工进展：基础化工，煤化工，石油化工，精细化基础化工，煤化工，石油化工，精细化工（农药工（农药、染料染料、助剂助剂、医药医药、日化等），环保化工，生日化等），环保化工，生物化工，资源化工，食品化工，冶金化工，原子能化工，物化工，资源

7、化工，食品化工，冶金化工，原子能化工，材料化工等等。材料化工等等。绪论绪论一、化工企业掠影一、化工企业掠影化工前沿化工前沿发展重点发展重点化学合成技术化学合成技术为使化学合成选择性好、产率高、原子利用率高、反应速度快、反应条件为使化学合成选择性好、产率高、原子利用率高、反应速度快、反应条件温和，目前已发展了一系列新的合成方法与技术：温和，目前已发展了一系列新的合成方法与技术：一是新的合成方法新的合成方法：声化学合成、微波电介质热效应合成、电化学合成、等离子体化学合成、力化学固相合成、冲击波化学合成、手性合成、利用太阳能进行化学合成、超临界状态下化学合成、室温和低热温度下固相化学合成及光化学合成

8、等。二是新的催化技术新的催化技术：配位催化、相转移催化、超强酸超强碱催化、杂多酸催化、胶束催化、氟离子催化、钛化合物催化、纳米粒子催化、光催化、晶格氧选择氧化及非晶态合金加氢催化等。三是一锅合成法一锅合成法：传统的有机合成是一步一步地进行反应，步骤多、产率低、选择性差，且操作繁杂。一锅合成法可将多步反应或多次操作置于一锅内合成，不再分离许多中间产物，因而具有高效、高选择性、条件温和等特点，是一种清洁的合成技术。四是生物化工合成法生物化工合成法：包括发酵工程、酶工程、基因工程及细胞工程等。五是绿色化学合成法绿色化学合成法：绿色化学合成将使化工清洁生产成为主导生产方式，为实现“绿色世纪”做出贡献。

9、制备、加工及其他技术制备、加工及其他技术 纳米技术纳米技术可生产超强纳米碳管纤维，其重量为钢的1/6，而强度比钢大100倍。 复合材料技术复合材料技术可制备出智能材料、超导材料、隐身材料和耐高温、高强度、高硬度、抗腐蚀的材料。 其他先进技术还有高聚物改性技术、精细加工技术、材料成高聚物改性技术、精细加工技术、材料成型技术、化工模拟技术、复配技术、计算机化工应用技术、超高型技术、化工模拟技术、复配技术、计算机化工应用技术、超高温超低温技术温超低温技术和高真空超高压技术高真空超高压技术等。新型环保与能源技术新型环保与能源技术 燃料电池燃料电池是21世纪首选的洁净、高效发电技术，将进入家庭、办公楼、

10、交通和大型电站等领域；在纳 米材料基础上发展起来的光催化技术光催化技术和在超临界流体技术基础上发展的超临界水氧化超临界水氧化将是未来环保技术的发展方向。此外，还有贮能技术、热泵技术、贮能技术、热泵技术、热管技术、催化燃烧技术、再生资源利用技术、洁净煤技术、热热管技术、催化燃烧技术、再生资源利用技术、洁净煤技术、热化学循环由水分解为化学循环由水分解为H H2 2和和O O2 2、固体废物回收技术、固体废物回收技术等。 高新分离技术高新分离技术优点：可以使产品收率和产品纯度提高，带来更高的优点：可以使产品收率和产品纯度提高，带来更高的经济效益；分离越彻底，向环境排放物越少，副产物处理经济效益；分离

11、越彻底，向环境排放物越少，副产物处理更方便；有些分离技术更方便；有些分离技术( (如膜分离如膜分离) )是在无相变情况下实现是在无相变情况下实现的，具有节能、减污的特性。的，具有节能、减污的特性。 膜分离技术膜分离技术：液膜分离、渗透气化膜分离、反渗透膜分离、电渗、超滤、微滤、纳滤、聚滤气体膜分离等。 超临界流体超临界流体(SCF)(SCF)技术技术：SCF萃取、SCF重结晶、SCF干燥、SCF色谱。 新蒸馏技术新蒸馏技术：分离与反应偶合反应蒸馏，分离与分离偶合吸附蒸馏，加盐蒸馏、分子蒸馏、膜蒸馏等。 新萃取技术新萃取技术：双相萃取、膜萃取、电泳萃取、酶膜反应萃取等。 新结晶技术新结晶技术：熔

12、融结晶、加压结晶等。其他其他：变压吸附、深冷分离与低温蒸馏、毛细管电泳变压吸附、深冷分离与低温蒸馏、毛细管电泳。多功能化工设备多功能化工设备 新型化工设备将在一个设备中实现不同功能，达新型化工设备将在一个设备中实现不同功能，达到高选择、高转化率、节能和减少污染的目的。如甲到高选择、高转化率、节能和减少污染的目的。如甲烷部分氧化为烷部分氧化为COCO和和H H2 2生产中，存在着热力学限制，而生产中，存在着热力学限制，而增加压力又使甲烷平衡转化率下降。若采用膜反应器增加压力又使甲烷平衡转化率下降。若采用膜反应器，使化学反应与分离在同一设备中完成，可克服热力，使化学反应与分离在同一设备中完成，可克

13、服热力学限制，在较低温度下获得较高的甲烷转化率。学限制，在较低温度下获得较高的甲烷转化率。绿色化学技术绿色化学技术 用物理和化学的技术和方法去设计、研制对人类用物理和化学的技术和方法去设计、研制对人类健康、社会安全、生态环境无害的化学品和工艺，其健康、社会安全、生态环境无害的化学品和工艺，其目的是不再使用有毒、有害物质，不再产生废物，从目的是不再使用有毒、有害物质，不再产生废物，从源头阻止化学污染，从而确保化工清洁生产。源头阻止化学污染，从而确保化工清洁生产。未来发展战略未来发展战略 众所周知，众所周知，2121世纪是信息和生物技术世纪是信息和生物技术的世纪的世纪，它们是新世纪火车头，技术含量

14、，它们是新世纪火车头，技术含量最高，影响最大，对国民经济推动力最强最高，影响最大，对国民经济推动力最强，对国际竞争力贡献最大。因此，要重点，对国际竞争力贡献最大。因此，要重点发展与之相关的新领域发展与之相关的新领域精细化工产品精细化工产品。在。在催化剂、生物医学、纳米材料、功能高分催化剂、生物医学、纳米材料、功能高分子、精细陶瓷、薄膜材料、复合材料、非子、精细陶瓷、薄膜材料、复合材料、非晶体材料、智能材料、富勒烯材料、电子晶体材料、智能材料、富勒烯材料、电子信息化学品、光纤材料信息化学品、光纤材料等方面要进一步形等方面要进一步形成成产业化产业化、商品系列化。、商品系列化。国家战略性新兴产业分类

15、目录（国家战略性新兴产业分类目录（20122012） 目录目录遵循遵循“全局性、前瞻性、规范性、全局性、前瞻性、规范性、成长性和带动性成长性和带动性”的总体原则。分七大产业：的总体原则。分七大产业： 山东山东“两区一圈一带两区一圈一带”发展战略发展战略山东山东（国务（国务院院2009.122009.12批复）和批复）和（国务（国务院院2011.12011.1批复）为主导，大力实施批复）为主导，大力实施战略；战略；中部以济南为核心，建成中部以济南为核心，建成（国务院（国务院2013.82013.8批复）；批复）；西部则以条形布局、邻边经济为特征，西部则以条形布局、邻边经济为特征，打造打造（国务院

16、（国务院2013.82013.8批复）。批复）。160人人，13人失人失联联）山东淄博市桓台县山东润兴化工科技有限山东淄博市桓台县山东润兴化工科技有限公司公司“8.228.22”爆炸后引发火灾爆炸后引发火灾山东日照石大科技石化有限公司山东日照石大科技石化有限公司“7.167.16”液态烃球罐起火液态烃球罐起火作业作业规章制度规章制度化工产品：品种千千万万，无处不在。化工产品：品种千千万万，无处不在。（一）（一） 化工化工 原料原料前处理前处理反应反应后处理后处理产品产品核心核心目的目的化学化学反应工程反应工程化学工程学化学工程学 以化学、物理学、数学为基础并结合其他工以化学、物理学、数学为基础

17、并结合其他工程技术，研究化工生产过程的程技术，研究化工生产过程的共同共同，解决规，解决规模放大和大型化中出现的诸多模放大和大型化中出现的诸多工程技术问题工程技术问题的学的学科科。 化工热力学化工热力学化学反应工程化学反应工程化工系统工程化工系统工程化工分离工程化工分离工程化工传递过程化工传递过程单元操作单元操作化工原理化工原理 化工过程中没有明显的化学反应，并遵循特化工过程中没有明显的化学反应，并遵循特定的规律和技术，该规律和技术不因具体的生产定的规律和技术，该规律和技术不因具体的生产过程的改变而改变，这些基本操作过程即为单元过程的改变而改变，这些基本操作过程即为单元操作。如操作。如流体流动、

18、输送设备、传热、沉降与过流体流动、输送设备、传热、沉降与过滤、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、干燥滤、蒸发、吸收、蒸馏、萃取、干燥等。等。（二）（二） 单元操作（化工原理的研究对象）单元操作（化工原理的研究对象）特特点点都基本属于物理操作；都基本属于物理操作；是化工过程共有的操作；是化工过程共有的操作；单元操作用于不同的化工过程，其基本原单元操作用于不同的化工过程，其基本原理相同，进行该操作的设备也是通用的。理相同，进行该操作的设备也是通用的。三、三、化工原理化工原理课程课程1 1、课程内容（、课程内容（理论课理论课） 实验研究方法实验研究方法（经验法）（经验法）2 2、课程的研究方法、课程的研究方法

19、 数学模型法数学模型法（半经验半理论法）（半经验半理论法）3 3、课程的基本要求、课程的基本要求 1 1）单元操作和设备选择的能力；）单元操作和设备选择的能力； 2 2）工程设计能力；）工程设计能力； 3 3）操作和调节生产过程的能力；）操作和调节生产过程的能力； 4 4）过程开发或科学研究能力。）过程开发或科学研究能力。（理论课（理论课+ +实验课实验课+ +课程设计）课程设计）四、物理量的单位和量纲四、物理量的单位和量纲（一）国际单位制（一）国际单位制（SI）和法定计量单位）和法定计量单位长度：长度： 米米 m热力学温度：开热力学温度：开 K质量：质量： 千克千克 kg物质的量：物质的量：

20、 摩尔摩尔 mol时间：时间： 秒秒 s发光强度：发光强度： 坎坎 cd电流：电流： 安安 A 七个基本单位，两个辅助单位，十七个具有七个基本单位，两个辅助单位，十七个具有专门名称的导出单位和若干个表达数的词头。专门名称的导出单位和若干个表达数的词头。注意：单位注意：单位中的中的N N（标况）（标况）（二）量纲（二）量纲国际单位制中的国际单位制中的7 7个基本物理量的量纲为其本身。个基本物理量的量纲为其本身。长度长度 L热力学温度热力学温度 质量质量 M物质的量物质的量 N时间时间 T发光强度发光强度 J电流电流 I所有导出量纲都是以基本量纲为基础推导得出的。所有导出量纲都是以基本量纲为基础推

21、导得出的。1. 1. 量纲一致性方程量纲一致性方程 任何一个物理方程，只要理论正确，则方程任何一个物理方程，只要理论正确，则方程等号两边各项的量纲必然相等。称为量纲一致性等号两边各项的量纲必然相等。称为量纲一致性方程。方程。2. 2. 物理方程的单位一致性物理方程的单位一致性任何物理量的表示都要同时用数值和单位共同任何物理量的表示都要同时用数值和单位共同表示，单位不同，数值也不同。表示，单位不同，数值也不同。在用物理方程进行计算时，必须保持方程式中在用物理方程进行计算时，必须保持方程式中各项单位的一致性。各项单位的一致性。（三）一致性原则（三）一致性原则五、混合物浓度的表示方法五、混合物浓度的

22、表示方法1. 1. 浓度浓度（摩尔浓度与质量浓度）（摩尔浓度与质量浓度）VnCii组分组分i 的的摩尔浓度摩尔浓度组分组分i 的物的物质的量质的量混合物的混合物的体积体积物质的量浓度单位：物质的量浓度单位：kmol/m3，mol/L物质的量浓度（摩尔浓度）物质的量浓度（摩尔浓度）（一）液体混合（一）液体混合物物Vmii组分组分i 的的质量浓度质量浓度组分组分i 的的质量质量混合物的混合物的体积体积质量浓度的单位：质量浓度的单位：kg/m3，质量浓度质量浓度物质的量分数（物质的量分数（摩尔分数、摩尔分率摩尔分数、摩尔分率）nnxii组分组分i 的的摩尔分数摩尔分数组分组分i 的物的物质的量质的量

23、混合物的总混合物的总物质的量物质的量其中，其中，innnnn.321显然，显然，1.321ixxxx2. 2. 分数分数/ /分率分率（摩尔分率、质量分率）（摩尔分率、质量分率）质量分数（质量分数（质量分率质量分率）mmii组分组分i 的的质量分数质量分数组分组分i 的的 质质量量混合物的总混合物的总质量质量其中，其中，immmmm.321显然，显然，1i百分数百分数百分率百分率3. 3. 摩尔比与质量比摩尔比与质量比 在双组分体系中，若组分在双组分体系中，若组分B B的量不变，而组分的量不变，而组分A A在不断变化，则以在不断变化，则以B B为基准表示为基准表示A A的组成，会给计算的组成，

24、会给计算带来方便，因此，引入摩尔比和质量比的概念。带来方便，因此，引入摩尔比和质量比的概念。摩尔比：摩尔比：BAnnX 两组份体系：两组份体系：xxxxxxXAABA11质量比：质量比：BAmmX 11AABAX（二）（二） 气体混合物气体混合物nnppii 1 1、摩尔分数、摩尔分数y yi i： 2 2、压力分数：、压力分数：nnyii压力分数压力分数= =摩尔分数摩尔分数nnVVii 3 3、体积分数：、体积分数：摩尔分数摩尔分数= =压力分数压力分数= =体积分数体积分数4 4、气体混合物中组分、气体混合物中组分i i 的物质的量浓度的物质的量浓度C Ci i（摩尔浓度）（摩尔浓度）R

25、TPVRTVpVnCiiiiBABABAVVppnnY5 5、双组分气体混合物中组分、双组分气体混合物中组分i i 的摩尔比的摩尔比Y Y摩尔比摩尔比= =压力比压力比= =体积比体积比6 6、气体混合物平均摩尔质量、气体混合物平均摩尔质量M Mm m的计算式的计算式niiimyMyMyMyMM1332211.六、单元操作中常用的基本概念六、单元操作中常用的基本概念1.1.物料衡算（依据：质量守恒定律）物料衡算（依据：质量守恒定律） 根据质量守恒定律，单位时间进入和离开根据质量守恒定律，单位时间进入和离开某一化工过程的物料质量之差等于该过程中累某一化工过程的物料质量之差等于该过程中累积的物料质

26、量。即：积的物料质量。即：输入量输入量 - - 输出量输出量 = = 累积量累积量定态过程：没有物料的累积。定态过程：没有物料的累积。因此：因此：输入量输入量 = = 输出量输出量研究过程规律研究过程规律最基本的方法最基本的方法物料衡算的步骤：物料衡算的步骤：P56根据题意画出过程流程示意图，在图上用箭根据题意画出过程流程示意图，在图上用箭头标出物料流向和相关物理量。头标出物料流向和相关物理量。圈出衡算范围。圈出衡算范围。确定衡算基准。连续操作：单位时间；间歇确定衡算基准。连续操作：单位时间；间歇操作：一批物料。操作：一批物料。确定衡算对象。确定衡算对象。输送系统输送系统2.2.能量衡算（依据

27、：能量守恒定律）能量衡算（依据：能量守恒定律）3.3.平衡关系平衡关系4.4.传递速率（速率传递速率（速率= =推动力推动力/ /阻力）阻力）5.5.经济核算（综合考虑费用：操作费，设经济核算（综合考虑费用：操作费，设 备费等）备费等） 液体液体和和气体气体统称为流体统称为流体 流体的特征：流体的特征：具有流动性。即具有流动性。即 第一章：流体流动第一章：流体流动 第一节：流体的物理性质第一节：流体的物理性质 第二节：流体静力学规律第二节：流体静力学规律 第三节：管内流体流动规律第三节：管内流体流动规律 第四节：管内流体流动现象第四节：管内流体流动现象 第五节：流体在管内的流动阻力第五节：流体

28、在管内的流动阻力 第六节：管路计算第六节：管路计算 第七节：流速和流量测量第七节：流速和流量测量连续介质模型连续介质模型 把流体视为由无数个把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）流体微团（或流体质点）所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。这就是连续介质模型。这就是连续介质模型。流体微团（或流体质点）：流体微团（或流体质点）： 宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何宏观上足够小，以致于可以将其看成一个几何上没有维度的点；同时微观上足够大，它里面包上没有维度的点；同时微观上足够大，它里面包含着许许多多的分子，其行为已经表现出大量分含着许许多多的

29、分子，其行为已经表现出大量分子的统计学性质。子的统计学性质。【目的目的】摆脱复杂的分子运动，从宏观上来研究流摆脱复杂的分子运动，从宏观上来研究流体的流动规律。体的流动规律。质点运动的描述方法质点运动的描述方法 拉格朗日法：拉格朗日法：选定一个质点，对其跟踪观察，选定一个质点，对其跟踪观察，描述其运动参数（位移、速度等）与时间的关系。描述其运动参数（位移、速度等）与时间的关系。 欧拉法：欧拉法：固定空间位置上观察流体质点的运动固定空间位置上观察流体质点的运动情况。情况。轨线和流线轨线和流线 轨线：轨线：是某一流体质点的运动轨迹，描述的是是某一流体质点的运动轨迹，描述的是同一流体质点在不同时刻所占

30、位置的连线。同一流体质点在不同时刻所占位置的连线。拉拉格朗日法格朗日法 流线：流线：是指同一瞬间不同流体质点的速度方向是指同一瞬间不同流体质点的速度方向联线，流线各点的切线表示不同流体质点的速度联线，流线各点的切线表示不同流体质点的速度方向。方向。欧拉法欧拉法 均匀流段：均匀流段：各流线都是平行的直线并与截面垂直。各流线都是平行的直线并与截面垂直。定态流动定态流动，两线重，两线重合。合。流体分为流体分为可压缩流体可压缩流体和和不可压缩流体不可压缩流体两类。两类。流体的体积随温度和压流体的体积随温度和压力的变化而变化，称为力的变化而变化，称为可压缩流体可压缩流体流体的体积不随温度和流体的体积不随

31、温度和压力的变化而变化称为压力的变化而变化称为不可压缩流体不可压缩流体 实际上流体都是可压缩的，一般把液体当作不可实际上流体都是可压缩的，一般把液体当作不可压缩流体；气体应当属于可压缩流体。但是，如压缩流体；气体应当属于可压缩流体。但是，如果压力或温度变化率很小时，通常也可以当作不果压力或温度变化率很小时，通常也可以当作不可压缩流体处理。可压缩流体处理。一、流体的密度一、流体的密度1. 1. 定义：定义：单位体积流体的质量，称为流体的密单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表达式为：度，其表达式为：Vm式中式中 流体的密度，流体的密度，kg/m3； m 流体的质量，流体的质量，kg； V 流体

32、的体积，流体的体积，m3。物性常数物性常数第一节第一节 流体的物理性质流体的物理性质测定法？测定法？密度计密度计 液体液体的密度随压力的变化甚小（极高压力下除外），可忽的密度随压力的变化甚小（极高压力下除外），可忽略不计，随温度变化稍有改变。纯物质液体密度用略不计，随温度变化稍有改变。纯物质液体密度用定义式定义式计算。计算。 气体气体的密度随压力和温度的变化较大，当压力不太高、温的密度随压力和温度的变化较大，当压力不太高、温度不太低时，气体的密度可近似地按理想气体状态方程式度不太低时，气体的密度可近似地按理想气体状态方程式计算。计算。RTpMmV式中式中 p 气体压力（绝压），气体压力（绝压）

33、，kPa； T 气体热力学温度，气体热力学温度，K； M 气体的分子量，气体的分子量，kg/kmol； R 摩尔气体常数，摩尔气体常数，8.314kJ/kmolK。理想气体的理想气体的密度：密度：2. 2. 密度的影响因素及有关计算密度的影响因素及有关计算注意：注意：单位！单位！ 气体密度也可按下式计算：气体密度也可按下式计算：000TppT 其中，其中，0M/22.4 kg/m3理想气体标准状态理想气体标准状态（T0=273K、p0=101.325kPa）下的密度：下的密度：F当接近理想气体时，仍然用：当接近理想气体时，仍然用：混合物密度的计算混合物密度的计算RTpMmmF当各组分浓度为已知

34、，则可用组分的密度及其摩尔当各组分浓度为已知，则可用组分的密度及其摩尔分数计算，即：分数计算，即：)(1iniimya. a. 气体混合物：气体混合物：b. b. 液体混合物液体混合物对于理想液体混合物，则混合前后体积没有变化时：对于理想液体混合物，则混合前后体积没有变化时：niiim11式中式中 i 液体混合物中各组分的质量分率；液体混合物中各组分的质量分率； i 液体混合物中各纯组分的密度，液体混合物中各纯组分的密度，kg/m3； m 液体混合物的平均密度，液体混合物的平均密度，kg/m3。【例题例题】 已知硫酸与水的密度分别为已知硫酸与水的密度分别为1830kg/m1830kg/m3 3

35、与与998kg/m998kg/m3 3，试求含硫酸为，试求含硫酸为60%(60%(质量质量) )的硫酸水溶的硫酸水溶液的密度。液的密度。解：应用混合液体密度公式，则有解：应用混合液体密度公式，则有【例题例题】 已知干空气的组成为：已知干空气的组成为：O O2 221%21%、N N2 278%78%和和Ar1% Ar1% ( (均为体积均为体积%)%)。试求干空气在压力为。试求干空气在压力为9.819.8110104 4PaPa、温度为、温度为100100时的密度。时的密度。解：解： 已知：已知：T273+100=373K 求干空气的平均分子量：求干空气的平均分子量： Mm My1 + M2y

36、2 + + Mnyn Mm =32 0.21+28 0.78+39.9 0.01=28.96气体的平均密度为：气体的平均密度为：1mVv 单位质量流体的体积，称为流体的单位质量流体的体积，称为流体的比体积比体积，用，用符号符号表示，单位为表示，单位为m m3 3/kg/kg，则，则3.3.比体积（比容）比体积（比容） 流体的比体积是密度的倒数流体的比体积是密度的倒数4.4.比重（相对密度）比重（相对密度）S S 某一物质某一物质A A的密度与一定条件下的密度与一定条件下基准物质基准物质的的密度的比值。密度的比值。S SA A= =A A/ /基准物质基准物质。无单位。无单位。 液体液体 基准物

37、质：标准大气压下，基准物质：标准大气压下，44的的纯水。密度为纯水。密度为10001000/m/m3 3 气体气体 基准物质：特定条件下某一气体（基准物质：特定条件下某一气体（空气、氢气等）空气、氢气等） 一般：空气（标准状况下）。一般：空气（标准状况下）。 密度为密度为1.2931.293/m/m3 3二、流体的粘性二、流体的粘性1 1、流体的粘、流体的粘性性实验研究：流体具有以下两个特性实验研究：流体具有以下两个特性 流体内部存在着内聚力（分子间作用力）流体内部存在着内聚力（分子间作用力） 流体与固体表面之间存在着附着力流体与固体表面之间存在着附着力粘性粘性：当流体的各部分之间具有相对运动

38、时，流当流体的各部分之间具有相对运动时，流体有一种体有一种本能本能的阻止相对运动的特性，这种的阻止相对运动的特性，这种本能本能特性特性叫粘性。叫粘性。固有属性固有属性内摩擦力：内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力。流体具有粘性的表现。剪切力，粘相互作用力。流体具有粘性的表现。剪切力，粘滞力，粘性力，粘性摩擦力。滞力，粘性力，粘性摩擦力。阻力产生的阻力产生的根源根源流体的粘性流体的粘性 2 2、牛顿粘性定律（、牛顿粘性定律（16861686）uF0 xu=0yYdudy 平板间的流体剪切力平板间的流体剪切力F F 与速度梯度与速度梯度实测发现：实测

39、发现：SdyduFSdyduFdyduSF剪应力3 3、流体的粘度（动力学粘度）、流体的粘度（动力学粘度）(1)(1)物理意义物理意义 促使流体产生单位速度梯度时，促使流体产生单位速度梯度时，流体在单位面积上由于流体粘性所产流体在单位面积上由于流体粘性所产生的内摩擦力大小。生的内摩擦力大小。 粘度是衡量流体粘性大小的物理量。粘度粘度是衡量流体粘性大小的物理量。粘度愈大，流体流动性愈差。愈大，流体流动性愈差。其值通常由实验测定。其值通常由实验测定。dydu：速度梯度，径向上流体速度的变化率：速度梯度，径向上流体速度的变化率物性常数物性常数SdyduF粘度计粘度计落球粘度计落球粘度计(2)(2)单

40、位单位 SISI单位制单位制 ： PaPa s ( N s ( N s /m s /m2 2) ) 物理单位制物理单位制 ： P(P(泊泊), ), 达因达因秒秒/ /厘米厘米2 2 通常用通常用 cP (cP (厘泊厘泊) ) 换算关系：换算关系： 1 Pa 1 Pa s = 10 P = 1000 cP s = 10 P = 1000 cP 单位换算：单位换算：1St = 1cm1St = 1cm2 2/s = 100cSt = 10/s = 100cSt = 10-4-4m m2 2/s/s(3)(3)运动粘度运动粘度SI: m2/sSdyduF(4)(4)影响因素影响因素 液体液体 粘

41、度随温度升高而降低，粘度随温度升高而降低，压力影响很小。压力影响很小。 气体气体 粘度随温度升高而增大，粘度随温度升高而增大，压力影响很小压力影响很小。 但在极高压力下，随压力增加有所增加；而在压力极但在极高压力下，随压力增加有所增加；而在压力极低情况下也要考虑压力的影响。低情况下也要考虑压力的影响。 注：在缺少粘度实验数据时，可按注：在缺少粘度实验数据时，可按理论公式或经验公式理论公式或经验公式估算粘度。估算粘度。对于压力不太高的气体，估算结果较准，对于液体则较差。对于压力不太高的气体，估算结果较准，对于液体则较差。取决于分子间作用力取决于分子间作用力取决于混乱度取决于混乱度(5)(5)混合

42、物的粘度混合物的粘度iimxloglog气体混合物：气体混合物：5 . 05 . 0MyMyiiim【说明说明】：不同流体的粘度差别很大。例如：不同流体的粘度差别很大。例如： 在压强为在压强为101.325kPa101.325kPa、温度为、温度为2020的条件下，空气、水和甘油的条件下，空气、水和甘油的动力粘度和运动粘度分别为：的动力粘度和运动粘度分别为： 空气空气 18.118.11010-6-6 Pa s Pa s， 14.814.810 10 -6-6 m m2 2/s/s 水水 1.011.0110 10 -3-3 Pa s Pa s， 1.011.0110 10 -6-6 m m2

43、 2/s/s 甘油甘油 1.499Pa s1.499Pa s， 1.191.1910 10 -3-3 m m2 2/s/s液体（不缔合）：液体（不缔合）：dydudydua5 5、流体类型、流体类型牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体。牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体。 气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。 非牛顿型流体非牛顿型流体a a表观粘度，非纯物性表观粘度，非纯物性, , 是剪应力的函数。是剪应力的函数。4 4、理想流体：、理想流体：粘度为零的流体。粘度为零的流体。 假塑性流体：假塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而减小。 几乎所有高分子溶液或溶

44、体属于假塑性流体几乎所有高分子溶液或溶体属于假塑性流体。 涨塑性流体：涨塑性流体：表观粘度随速度梯度的增大而增大。 淀粉、硅酸盐等悬浮液属于胀塑性流体。淀粉、硅酸盐等悬浮液属于胀塑性流体。 宾汉塑性流体：宾汉塑性流体：当应力低于0 时，不流动；当应力高于0时，流动与牛顿型流体一样。 0 称为屈服应力。 如纸浆、牙膏、污水泥浆等。如纸浆、牙膏、污水泥浆等。 触变性流体：触变性流体：表观粘度随时间的延长而减小，如笔油、油漆等。如笔油、油漆等。 粘弹性流体：粘弹性流体：既有粘性，又有弹性。当从大容器口挤出时，挤出物会自动胀大。 如塑料和纤维生产中都存在这种现象。如塑料和纤维生产中都存在这种现象。非牛

45、顿型流体特殊的流动行为：非牛顿型流体特殊的流动行为： 粘弹性粘弹性 爬杆效应；爬杆效应； 挤出胀大；挤出胀大； 无管虹吸；无管虹吸； 湍流减阻湍流减阻。 依时性依时性 粘度随剪切力作用时间延长而减粘度随剪切力作用时间延长而减小，小，-触变性。（如圆珠笔油、涂料触变性。（如圆珠笔油、涂料等，等，-涂写方便，静时不流涂写方便，静时不流） 粘度随剪切力作用时间延长而增粘度随剪切力作用时间延长而增大，大，-震凝性。震凝性。0d u/d y宾汉流体假塑性流体胀塑性流体CBADA -牛顿流体；B -假塑性流体；C -宾汉塑性流体；D -涨塑性流体；牛顿流体与非牛顿流体剪应力与速度梯度的关系第二节第二节 流

46、体静力学规律流体静力学规律一、流体的压力一、流体的压力 1.1.定义：定义：垂直作用于流体单位面积上的力，垂直作用于流体单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强。习惯上称为压力。称为流体的压强，简称压强。习惯上称为压力。定义式：定义式：P=F/AP=F/A。SISI单位：单位：PaPa。常见压力单位的换算有：常见压力单位的换算有： 1标准大气压标准大气压(atm) =101325Pa =10.33mH2O=760mmHg 1工程大气压工程大气压(at) =1kgf/cm2 = 98070Pa = 10mH2O =735.6mmHg流体在外力下流体在外力下的平衡规律的平衡规律绝对压力绝对压力：流

47、体的真实压力，以绝对真空为基准测得的压力。流体的真实压力，以绝对真空为基准测得的压力。表压：表压：系统压力大于当地大气压时，系统压力大于当地大气压时， 以当地大气压为基准。以当地大气压为基准。 它与绝对压力的关系，可用下式表示：它与绝对压力的关系，可用下式表示：表压绝对压力大气压力表压绝对压力大气压力真空度：真空度：系统压力小于当地大气压时，此时的测压表称为真空表。系统压力小于当地大气压时，此时的测压表称为真空表。 真空表真空表的读数称为的读数称为真空度真空度。 （压力表测得的值为正值，称为（压力表测得的值为正值，称为正压正压；真空表测得的值为负值，称为；真空表测得的值为负值，称为负压负压。）

48、。）真空度真空度- -表压表压= =大气压力绝对压力大气压力绝对压力绝对压力，表压，真空度绝对压力，表压，真空度2.2.压力的表示方法压力的表示方法工程上用工程上用压力表压力表测得的压测得的压力（力（读数读数）就是表压）就是表压压力表压力表真空表真空表压力真空表压力真空表图图 绝对压力、表压和真空度的关系绝对压力、表压和真空度的关系（a）测定压力）测定压力大气压（大气压（b）测定压力）测定压力大气压大气压绝对压力绝对压力 系统压力系统压力表压表压大气压大气压当时当地大气压当时当地大气压（表压为零）（表压为零）绝对压力为零绝对压力为零（a）系统压力系统压力真空度真空度绝对压力绝对压力（b）大气压

49、大气压绝对压、表压和真空度之间的关系，可用下图表示：绝对压、表压和真空度之间的关系，可用下图表示：二、流体静力学规律（基本方程式）二、流体静力学规律（基本方程式）描述静止流体内描述静止流体内部的压力随高度部的压力随高度变化的数学表达变化的数学表达式式在垂直方向上作用于液柱的力有：在垂直方向上作用于液柱的力有：1.上底面所受之向下压力为上底面所受之向下压力为 p1 A2.下底面所受之向上压力为下底面所受之向上压力为 p2 A3. 液柱的重力液柱的重力G g A( Z1-Z2 )p0p1p2Gz2z1如图所示：从静止液体中任意划出一垂如图所示：从静止液体中任意划出一垂直液柱，液柱的横截面积为直液柱

50、，液柱的横截面积为A A，液体密，液体密度为度为。推导过程推导过程：（以液体为例（以液体为例）在静止液体中，上述三力之合力应为零，即：在静止液体中，上述三力之合力应为零，即：上两式即为液体静力学基本方程式上两式即为液体静力学基本方程式p2p1g(Z1-Z2) p2Ap1AgA(Z1-Z2)0p2p0gh 如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方如果将液柱的上底面取在液面上，设液面上方的压力为的压力为p p0 0，液柱，液柱Z Z1 1-Z-Z2 2h h，则上式可改写为：，则上式可改写为： 由静力学方程可知：由静力学方程可知：当液面上方的压力一定时，在静止液体内任一点压力的大小，与当液面上方的

51、压力一定时，在静止液体内任一点压力的大小，与液体本身的密度和该点距液面的深度有关。液体本身的密度和该点距液面的深度有关。因此，在静止的、连因此，在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点的压力都相等。此压续的同一液体内，处于同一水平面上的各点的压力都相等。此压力相等的水平面，称为力相等的水平面，称为等压面等压面。 hgpp12p2p1gh可改写为可改写为 即，压力或压力差的大小可用液柱高度表示。即，压力或压力差的大小可用液柱高度表示。p2p1（ p0）gh气体？气体？等压面等压面理论理论当液面上方的压力有变化时，必将引起液体内部各点压力发生同当液面上方的压力有变化时，必将引起液体内部各

52、点压力发生同样大小的变化。这就是样大小的变化。这就是巴斯噶原理巴斯噶原理。 （一）压力测定（液柱式测压计）（一）压力测定（液柱式测压计）三、流体静力学基本方程式的应用三、流体静力学基本方程式的应用1.U1.U型管液柱压差计型管液柱压差计结构结构： U U型管、标尺、指示液型管、标尺、指示液对指示液的要求：对指示液的要求：1.1.指示液与被测流体不互溶；指示液与被测流体不互溶； 2.2.指示液与被测流体不起化学反应；指示液与被测流体不起化学反应； 3.3.指示液密度大于被测流体密度。指示液密度大于被测流体密度。常用指示液：常用指示液：水银、四氯化碳、着色水、液体石蜡等水银、四氯化碳、着色水、液体

53、石蜡等【问题问题】烟窗为何能抽烟？烟窗为何能抽烟？型管压差计型管压差计U 指示液密度指示液密度R R ，被测流体密度为，被测流体密度为。 根据流体静力学基本方程式则有：根据流体静力学基本方程式则有：pap1+g (m+R) 等压面等压面 papbp1p2(R)gR pbp2+gm+R gR测量气体时测量气体时：由于气体的由于气体的密度比指示液的密度比指示液的密度密度R R小得多，故小得多，故R RR R，上式可简，上式可简化为：化为：p1p2R gRp1p2(R)gR 测量气体测量气体测量液体测量液体【问题问题】如何测不同高度的两点压差或某一点的压力？如何测不同高度的两点压差或某一点的压力？

54、下图所示是倒下图所示是倒U U型管压差计。该压差计是型管压差计。该压差计是利用被利用被测量液体本身作为指示液的测量液体本身作为指示液的。压力差。压力差p p1 1p p2 2可根据可根据液柱高度差液柱高度差R R进行计算。进行计算。 gRpp21【例题例题】 如附图所示，常温水在管道中流过。为测定如附图所示，常温水在管道中流过。为测定a a、b b两点的压力差，安装一两点的压力差，安装一U U型压差计，指示液为汞。已知压差型压差计，指示液为汞。已知压差计的读数计的读数R=100mmHgR=100mmHg，试计算，试计算a a、b b两点的压力差为若干？已两点的压力差为若干？已知水与汞的密度分别

55、为知水与汞的密度分别为=1000kg/m=1000kg/m3 3及及0 0 =13600kg/m =13600kg/m3 3。解：取管道截面解：取管道截面a a、b b处压力分别为处压力分别为p pa a与与p pb b。根据连续、静。根据连续、静止的同一液体内同一水平面上各点压力相等的原理，则止的同一液体内同一水平面上各点压力相等的原理，则papbgx0gRg(R+x） 0gRgR (13600-1000) 0.1 9.81 =1.24 104Pa2211,ppppgxppa1)(020201xRgpgRpgRpgRpb（a）根据式（根据式（a）无论是无论是U压差计压差计还是双还是双U压差计

56、，压差计，压差只与读数压差只与读数R有关有关 当被测量的流体压力或压差不大时，读数当被测量的流体压力或压差不大时，读数R R必然很小，必然很小，为得到精确的读数，可采用如图所示的斜管压差计。为得到精确的读数，可采用如图所示的斜管压差计。R与与R的关系为的关系为: R RR/sinR/sin 式中式中为倾斜角，其值愈小，则为倾斜角，其值愈小，则R值放大为值放大为R的倍数愈大。的倍数愈大。 2.2.斜管压差计斜管压差计 式中式中a、 b分别表示重、轻两种指示液的密度，分别表示重、轻两种指示液的密度，kg/m3构造如图所示：构造如图所示： 指示液：两种指示液密度不同、互不相容；指示液：两种指示液密度

57、不同、互不相容； 扩张室：扩张室的截面积扩张室：扩张室的截面积远大于远大于U U型管截面积，型管截面积， 当读数当读数R R变化时，两扩张室中液面不致有明显的变化。变化时，两扩张室中液面不致有明显的变化。3.3.微差压差计微差压差计按静力学基本方程式可推出按静力学基本方程式可推出: :gRppba)(21对于一定的压差，（对于一定的压差，（PaPb）愈小则读数）愈小则读数R 愈大，愈大，所以应该使用两种密度接近的指示液。所以应该使用两种密度接近的指示液。（二）液位测定（二）液位测定玻璃管液位计玻璃管液位计说明：说明：1.1. 图中平衡器的小室图中平衡器的小室2 2中所装的液体与容器里的液体相同

58、。中所装的液体与容器里的液体相同。2.2. 平衡器里的液面高度维持在容器液面容许到达的最大高度处。平衡器里的液面高度维持在容器液面容许到达的最大高度处。3.3. 容器里的液面高度可根据压差计的读数容器里的液面高度可根据压差计的读数R R求得。液面越高，读数求得。液面越高，读数越小。当液面达到最大高度时，压差计的读数为零。越小。当液面达到最大高度时，压差计的读数为零。1容器；容器； 2平衡器的小室；平衡器的小室；3U形管压差计形管压差计RhR压差液位计压差液位计例题例题 为了确定容器中石油产品的液面，采用如附图所示的装置。压缩空气用为了确定容器中石油产品的液面，采用如附图所示的装置。压缩空气用调

59、节阀调节阀1调节流量，使其流量控制得很小，只要在鼓泡观察器调节流量，使其流量控制得很小，只要在鼓泡观察器2内有气泡缓慢逸内有气泡缓慢逸出即可。因此，气体通过吹气管出即可。因此，气体通过吹气管4的流动阻力可忽略不计。吹气管内压力用的流动阻力可忽略不计。吹气管内压力用U管管压差计压差计3来测量。压差计读数来测量。压差计读数R的大小，反映贮罐的大小，反映贮罐5内液面高度。指示液为汞。内液面高度。指示液为汞。 1、分别由、分别由a管或由管或由b管输送空气时，压差计读数分别为管输送空气时，压差计读数分别为R1或或R2，试推导，试推导R1、R2分别同分别同Z1、Z2的关系的关系 2、当（、当（Z1Z2）1

60、.5m，R10.15m，R20.06m时，试求石油产品的密度时，试求石油产品的密度P及及Z1 远程液位计远程液位计解解 （1）在本例附图所示的流程中，由于空气通往石油产品时，）在本例附图所示的流程中，由于空气通往石油产品时，鼓泡速度很慢，可以当作静止流体处理。因此可以从压差计读数鼓泡速度很慢，可以当作静止流体处理。因此可以从压差计读数R1，求出液面高度，求出液面高度Z1，即，即 （a）pHgRz11（b）pHgRz22（2）将式（）将式（a）减去式（）减去式（b）并经整理得）并经整理得 32121/816136005 . 106. 015. 0mkgzzRRHgpmz5 . 281613600