化工原理教材ppt 第一章 流体力学与应用课件

化工原理,Unit Operations of Chemical Engineering Principle of Chemical Engineering Principle of Process Engineering,参考教材： 化工原理陈敏恒/谭天恩/何洪潮/王保国 传递过程与单元操作 陈维杻 化工传递过程基础王绍亭 作业：下周课前上交，请勿抄袭 考核方式：平时与期末比例同时参照教务办相关要求。 网上学习：,绪 论,化工原理是化工及其相关专业学生必修的一门技术基础课，是高等数学、大学物理、基础化学、物理化学等课程的后继课程，为反应工程、传递过程、工艺过程开发等专业课程的先行课程，是自然科学领域的基础课向工程科学的专业课过渡的入门课程。,学好本课程对保证化工装置的正常运行、优化工艺设备的设计、提高产品的质量、挖掘设备的生产潜力、降低设备投资及生产成本、节约能耗、防止污染、加速新技术开发等都有非常重要的作用。,教学目的,入门,一、单元操作,单元操作进行的方式,1.间歇操作： 每次操作之初向设备内投入一批物料，经过一番处理后，排除全部产物，再重新投料。 间歇操作设备内，同一位置上，在不同时刻进行着不同的操作步骤，因而同一位置上，物料组成、温度、压强、流速等参数都随时间变化，属非定态过程，即 参数f(x,y,z,) 2.连续操作： 原料不断地从设备一端送入，产品不断从另一端送出。 连续操作设备内，各个位置上，物料组成、温度、压强、流速等参数可互不相同，但在任一固定位置上，这些参数一般不随时间变化，属定态过程，即 参数f(x,y,z),(一）传递过程 (1)动量传递过程（单相或多相流动） (2)热量传递过程传热 (3)质量传递过程传质 表1所列各单元操作皆归属传递过程，于是，传递过程成为统一的研究对象，也是联系各单元操作的一条主线。三传+一反构成各种工艺制造过程，三传又有彼此类似的规律可以合在一起研究，形成传递过程这门学科，是单元操作在理论方面的深入发展,二、化工原理课程的两条主线,三、几个基本概念,热力学第二定律指出，所有系统由非平衡态向平衡态转化是熵增大的自发过程，例如： 热流从高温处流向低温处 水流从高位处流向低位处 电流由高电位流向低电位,四、化工原理课程所回答的问题,（1）如何根据各单元操作在技术上和经济上的特 点，进行“过程和设备”的选择，以适应指定 物系的特征，经济而有效地满足工艺要求。 （2）如何进行过程的计算和设备的设计。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。 （3）如何进行操作和调节以适应生产的不同要求。 在操作发生故障时如何寻找故障的缘由。,五、学好本课程应注意的问题及培养的能力,1、要理论联系实际 2、过程原理与设备并重 3、掌握研究的方法 4、着重培养自学能力、创新能力 5、培养非智力因素（刻苦、勤奋、好学、多问、实干、 毅力等）,化工原理相关课程间的关系图,六、 单位制与单位换算,1 单位制 任何物理量都由数字和单位联合表达的。运算时，数字与单位一并纳入运算。如： 5m+8m=(5+8)m; 5m8m=(58)(mm)=40m2 物理量单位选择时，先选定几个独立的物理量，叫基本量，并根据使用方便的原则，定出这些量的单位， 叫基本单位； 其它各量的单位通过它们与基本量之间的关系来确定，这些物理量叫导出量，单位叫导出单位；导出单位是由基本单位乘除构成的。,国际单位制(SI单位制)： 法文Systeme International dUnites的缩写,表1 国际单位制的基本单位,表2 国际单位制的辅助单位,表3 国际单位制中具有专门名称的导出单位（常用单位）,表4 用于构成十进倍数和分数单位的词头（常用词头）,国际单位制（SI）特点： 1.通用性； 2.一贯性：任何一个SI导出单位，在由基本 单位导出时，都不需引入比例系数。,我国法定计量单位,国际单位制,选定的非国际单位制,表5 国家选定的非国际单位制单位（常用单位）,因目前常用的物理、化学数据和工程用数、表、列线图仍有许多是用物理制（CGS制）单位和工程单位，尚未换算过来，CGS与工程单位制中的基本单位如表6所示。工程单位制中以“力”为基本量，用符号kgf表示。,表6 CGS制与工程制的基本单位,2 单位的正确运用,1.理论公式：,借助实验或半实验、半理论的方法处理得到的公式。它只反映各有关物理量之间的数字关系，每个符号只代表物理量的数字部分，而这些数字又与特定单位对应。因此，使用经验公式时，各物理量必须采用指定单位。 经验公式的单位换算，也可采用换算因数将规定单位换算成所要求单位。,2.经验公式(数字公式),若物体受地心引力作用产生a9.80665m/s2的重力加速度（国际标准重力加速度，即在北纬45海面上的重力加速度），则作用于质量为m1kg的物体上的重力为： Fma1kg9.80665m/s29.80665N 物体在重力场中所受的重力，就是该物体的重量。因此，工程单位制中是把SI中的9.80665N重量，作为其1kgf重量，故有： 1kgf9.80665N 由于质量为1kg物体的重量为1kgf，所以工程单位制中的重量与SI中的质量数值相等。,3 单位换算,工程制与SI制单位换算的基础：,1.物理量：由一种单位换算成另一种单位时，量本身并不变化，只是数值要变化，换算时要乘或除以两单位间的换算因数。 换算因数：彼此相等而单位不同的两个物理量包括单位在内的比值。 如；1m100cm，则换算因数为100cm/m 或0.01m/cm 例0-1：已知1atm=1.033kgf/cm2,试用Pa表示。 解：查附录知：1kgf=9.81N, 1cm2=10-4m2 换算因数：9.81N/kgf, 10-4m2/cm2,例0-2:,解：,练习1： 通用气体常数,将其换算成以下列单位表示： （a）工程单位： （b）国际单位：,本章总结,掌握单元操作与化工生产过程的概念 掌握物料衡算、热量衡算、平衡关系、过程速率、单位制与单位换算 了解本课程的性质、任务与内容、方法,第一章 流体力学与应用,1.1 概述 一流体的性质 二连续性假定 三、流体所受到的力,1.2 流体静力学方程及其应用 1.2.1 静止流体所受的力 1.2.2 流体静力学基本方程 1.2.3 流体静力学基本方程的应用,第二个问题是，若水塔高度确定了，需要选用什么类型的泵？即图中泵的有效功率,第三个问题是，保持楼底水压为表压，那么一、二、三楼出水是均等的吗？即图中,物质的三种常规聚集状态：固体、液体和气体 物质外在宏观性质由物质内部微观结构和分子间力所决定,物质的三种形态：,分子的随机热运动和相互碰撞,给分子以动能使之趋于飞散,分子间相互作用力的约束,以势能的作用使之趋于团聚,两种力的竞争结果决定了物质的外在宏观性质。而这两种力的大小与分子间距有很大关系。,约为110-8 cm（分子尺度的量级），分子间相互作用势能出现一个极值称为“势阱”，即分子的结合能，其值远远大于分子平均动能。分子力占主导地位，分子呈固定排列分子热运动仅呈现为平衡位置附近的振荡。有一定形状且不易变形。,分子间距：,液体：分子热运动动能与分子间相互作用势能的竞争势均力敌。分子间距比固体稍大1/3左右。不可压缩、易流动。 气体：分子间距约为3.310-7cm（为分子尺度的10倍）。分子平均动能远远大于分子间相互作用势能，分子近似作自由的无规则运动。有易流动、可压缩的宏观性质。 超临界流体、等离子体,流体,固体,一流体的性质：,1易流动性： 流体不能承受拉力,2压缩性：,分子运动,宏观运动,不连续,流体是由大量的彼此间有一定间隙的单个分子所组成。,3密度 用表示，属于物性,获得方法：（1）查物性数据手册 （2）公式计算： 液体混合物： 气体： -理想气体状态方程,影响因素：气体-种类、压力、温度、浓度 液体- 种类、温度、浓度,二连续性假定：,是由大量分子组成的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比起分子自由路程却要大的多。 这样，可以假定流体是有无数质点组成、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的一种连续性介质。流体的物性及运动参数在空间作连续分布，从而可以使用连续函数的数学工具加以描述。 在绝大多数情况下流体的连续性假设是成立的，只是高真空稀薄气体的情况下连续性假定不成立。,流体质点：,三、流体所受到的力,与流体的表面积成正比。若取流体中任一微小的平面，作用于其上的表面力可分为 垂直与表面的力P，称为压力。单位面积上所受的压力称为压强p。 注意：国内许多教材习惯上把压强称为压力。 平行于表面的力F，称为剪力（切向力）。单位面积上所受的剪力称为应力。,（2）表面力,与流体的质量成正比，对于均质的流体也与流体的体积成正比。如流体在重力场中运动时受到的重力就是一种体积力，Fmg。,（1）体积力（质量力）,三、粘性牛顿粘性定律,实验证明，对于一定流体，切向力 与接触面积 成正比， 与法向速度梯度 成正比，此即牛顿粘度定律。,不同之一： 固体表面的剪应力剪切变形（角变形）d; 流体内部的剪应力剪切变形速率（角变形速率） 不同之二： 静止流体不能承受剪应力（哪怕是非常微小的剪应力）和抵抗剪切变形。固体可以承受很大的剪应力和抵抗剪切变形。,流体与固体的力学特性两个不同点:,牛顿粘度定律另一说法是，动量通量与速度梯度成正比。,式中,为单位面积的动量变化率，称为动量通量。,流体的剪应力与动量传递:,流动的流体内部相邻的速度不同的两流体层间存在相互作用力，即速度快的流体层有着拖动与之相邻的速度慢的流体层向前运动的力，而同时速度慢的流体层有着阻碍与之相邻的速度快的流体层向前运动的力。 流体内部速度不同的相邻两流体层之间的这种相互作用力就称为流体的内摩擦力或粘性力F，单位面积上的F即为,粘度： 物理意义：衡量流体粘性大小的一个物理量。流体流动时在与流动 方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。 粘度总是与速度梯度相联系，只有在流体运动时才会显示出来。,单位：,获取方法：属物性之一， 由实验测定、查有关手册或资料、用经验公式计算。,影响因素：,yi组分i摩尔分率,常压气体混合物,分子不缔合的液体混合物,xi组分i摩尔分率,运动粘度：,粘度与密度的比值来表示，称为运动粘度， 以符号 表示，单位为m/s。即：,混合物平均粘度：,非牛顿型流体：,1.2 流体静力学方程及其应用,1.2.1静止流体所受的力,1质量力,静压力各向同性： 在静止流体内部，任一点处流体压力在各个方向上都是相等的。,1.以绝对真空为基准 2.以当时当地压力为基准,绝对压,表压,真空度,绝压,表压绝对压-大气压 真空度大气压 - 绝对压,绝对零压,大气压,实测压力,实测压力,（1）压力单位：,SI制中， N/m2 =Pa，称为帕斯卡,(2) 压力的基准及表示形式,说明由于外界大气压力随大气温度、湿度和当地海拔高度而变，故在计算中除对表压和真空度进行标注外，还应指明当地大气压力数值。,（1）流体微元的受力平衡,如图16所示，作用于立方体流体微元上的力有两种 表面力 体积力,1.2.2 流体静力学基本方程,表面力,abcd表面的压力（N）为： abcd表面的压力（N）为： 对于其他表面，也可以写出相应的表达式,体积力,设单位质量流体上的体积力在x方向的分量为x（N/Kg），则微元所受的体积力在x方向的分量为 ，该流体处于静止状态，外力之和必等于零、对x方向，有： 与x方向相同的力取“”号，相反取“”号,体积力,上式两边同除以 得： 同理,体积力,若将该微元流