宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 《化工原理》上册一—《化工流体流动与传热》 绪论 本门课程的产生及内容 化学工业是对原料进行化学加工以获得有用的产品。显然,其核心是化学反应过程及其设备, 为使化学反应经济有效的进行,反应器内必须保持某些最佳反应条件,如适宜的压强、温度和物料 的纯度。这些过程统称为前处理。反应后,产物与反应物必须分开,产物必须精制,这些过程称为 后处理。前后处理中,绝大多数过程是纯物理过程 从诸多化学工业生产中如何找出规律性的东西。 解剖麻雀:碳酸氢氨的制造 冷气 热气 NH,+CO,+H,OS NH, HCO, +O 首先制备原料NH3 3H+N.s2NH +O 循环冷气经合成塔内外壁环隙从上而下,由热交换器的管间进入从中心管上升入触媒层。压强 为3139210[kPad温度为480C~520C。 ①动量传递(冷气入塔)(物理学中:动量质量x速度[N·s]②热量传递③质量传递(氨水 吸收二氧化碳制造碳酸氢氨)④化学反应工程。(合成炉) 除化学反应外,其余步骤皆可归纳为若干基本物理过程如输送、压缩、传热、沉降、过滤、蒸 发、结晶、干燥、蒸馏、吸收、萃取、冷冻等。 共同的过程:传递过程(三传一反)
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 1/42 《化工原理》上册——《化工流体流动与传热》 绪论 一、本门课程的产生及内容 化学工业是对原料进行化学加工以获得有用的产品。显然，其核心是化学反应过程及其设备， 为使化学反应经济有效的进行，反应器内必须保持某些最佳反应条件，如适宜的压强、温度和物料 的纯度。这些过程统称为前处理。反应后，产物与反应物必须分开，产物必须精制，这些过程称为 后处理。前后处理中，绝大多数过程是纯物理过程。 从诸多化学工业生产中如何找出规律性的东西。 解剖麻雀：碳酸氢氨的制造 冷 气 热 气 NH3 +CO2 + H2O NH4HCO3 +Q 首先制备原料 NH 3 3H2 + N2 2NH3 + Q 循环冷气经合成塔内外壁环隙从上而下，由热交换器的管间进入从中心管上升入触媒层。压强 为 k Pa 3 3 1.3 9 2 1 0 温度为 C C 480 ~520 。 ①动量传递（冷气入塔）（物理学中：动量=质量 速度 N s ）②热量传递③质量传递（氨水 吸收二氧化碳制造碳酸氢氨）④化学反应工程。（合成炉） 除化学反应外，其余步骤皆可归纳为若干基本物理过程如输送、压缩、传热、沉降、过滤、蒸 发、结晶、干燥、蒸馏、吸收、萃取、冷冻等。 共同的过程：传递过程（三传一反）
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 1)、实验研究方法即经验的方法 共同的方,(避免了方程式的建立、直接用实验测取各变量之间的关系)。 (2)、数学研究模型方法即半理论半经验方法一抓住影响过程 的主要因素,大体上反映了过程的真实面貌,建立数学方程 任何一个学科(或学科分支)之所以能成为一门学科,必须有统一的研究对象、统一的研究方 法。统一对象即传递过程,也是联系各单元操作的一条主线:各单元操作有着共同的研究方法,这 样以单元操作为内容,以传递过程和研究方法为主线组成了“化工原理”这一门课。共同的过程共 同的方法产生一门学科即:化工原理 二、《化工原理》课程的性质与任务 《化工原理》是在高等数学、物理学及物理化学、化学等课程的基础上开设的一门基础技术课 程,其主要任务是研究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设备选型。 通过本课程的学习,培养学生分析和解决有关单元操作问题的能力,如:设备选型能力、工程设计 能力、调节生产过程能力、生产研发能力,以便在化工生产、科研和设计工作中达到强化生产过程 提高产品质量、提高设备能力及效率,降低设备投资及产品成本、节约能耗、防止污染以及加速新 技术开发等方面的目的。任务综合为三个字,选、算、用。选:过程与设备的选择:算:过程的计 算和设备的设计;用:如何操作和调节以适应生产的要求 《化工原理》是综合性技术学科一一化学工程学的一个基础组成部分,起到为自然科学与应用 科学搭桥的作用。 它包括三传 1、流体流动过程(动量传递) 研究流体流动及流体和与之接触的固体间发生相对运动时的基本规律,以及主要受这些基本规 律支配的若干单位操作,如流体的输送、沉降、过滤、搅拌及固体的流态化等 2、传热过程(热量传递) 研究传热的基本规律以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作,如热交换、蒸发等 3、传质过程(质量传递) 研究物质通过相界面迁移过程的基本规律,以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作,如 液体的蒸馏、气体的吸收、固体的干燥及结晶等 在研究各种单元操作时,为了搞清过程始末和过程中各股物料的数量、组成之间的关系及搞清 过程中吸收或释放的能量,必须作物料衠算及能量衡算。此外,为了计算所需设备的工艺尺寸,必 须依据平衡关系,了解过程进行的方向与极限,依赖速率关系分析过程进行的快慢。平衡关系和速 率关系是研究各种单元操作原理的基本内容 、化工过程中的一些基本规律 1、物料衡算 根据质量守恒定律,向设备输入的物料质量减去从设备输出的物料质量,必等于积累在设备里 的物料质量,即: G-∑ (0-1) (此式既适用于间歇过程,也适用于连续过程) 式中∑G—输入物料的总和 ∑G一输出物料的总和 G 积累的物料量。 无积累∑G=G
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 2/42 共同的方法： 的主要因素，大体上反映了过程的真实面貌，建立数学方程。 （ ）、数学研究模型方法即半理论半经验方法 — 抓住影响过程 （避免了方程式的建立、直接用实验测取各变量之间的关系）。 （ ）、实验研究方法即经验的方法 2 1 任何一个学科（或学科分支）之所以能成为一门学科，必须有统一的研究对象、统一的研究方 法。统一对象即传递过程，也是联系各单元操作的一条主线；各单元操作有着共同的研究方法，这 样以单元操作为内容，以传递过程和研究方法为主线组成了“化工原理”这一门课。共同的过程 共 同的方法产生一门学科即：化工原理。 二、《化工原理》课程的性质与任务 《化工原理》是在高等数学、物理学及物理化学、化学等课程的基础上开设的一门基础技术课 程，其主要任务是研究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设备选型。 通过本课程的学习，培养学生分析和解决有关单元操作问题的能力，如：设备选型能力、工程设计 能力、调节生产过程能力、生产研发能力，以便在化工生产、科研和设计工作中达到强化生产过程， 提高产品质量、提高设备能力及效率，降低设备投资及产品成本、节约能耗、防止污染以及加速新 技术开发等方面的目的。任务综合为三个字，选、算、用。选：过程与设备的选择；算：过程的计 算和设备的设计；用：如何操作和调节以适应生产的要求。 《化工原理》是综合性技术学科——化学工程学的一个基础组成部分，起到为自然科学与应用 科学搭桥的作用。 它包括三传： 1、 流体流动过程（动量传递） 研究流体流动及流体和与之接触的固体间发生相对运动时的基本规律，以及主要受这些基本规 律支配的若干单位操作，如流体的输送、沉降、过滤、搅拌及固体的流态化等。 2、 传热过程（热量传递） 研究传热的基本规律以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如热交换、蒸发等。 3、 传质过程（质量传递） 研究物质通过相界面迁移过程的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如 液体的蒸馏、气体的吸收、固体的干燥及结晶等。 在研究各种单元操作时，为了搞清过程始末和过程中各股物料的数量、组成之间的关系及搞清 过程中吸收或释放的能量，必须作物料衡算及能量衡算。此外，为了计算所需设备的工艺尺寸，必 须依据平衡关系，了解过程进行的方向与极限，依赖速率关系分析过程进行的快慢。平衡关系和速 率关系是研究各种单元操作原理的基本内容。 三、化工过程中的一些基本规律 1、物料衡算 根据质量守恒定律，向设备输入的物料质量减去从设备输出的物料质量，必等于积累在设备里 的物料质量，即： G1 −G0 =GA （0—1） （此式既适用于间歇过程，也适用于连续过程） 式中 G1 ——输入物料的总和； G0 ——输出物料的总和； GA ——— 积累的物料量。 无积累 G1 =G0
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 进行物料衡算的注意事项 (1)确定衡算范围(或称系统),它可以在一个单一的设备或其中一部分进行,也可以包括几个 处理阶段的全流程 (2)确定衡算对象。对有化学变化的过程,衡算对象可找未发生变化的物质为惰性物质等 (3)确定衡算基准。对于间歇过程,常以一次(一批)操作为基准,对于连续过程,则以单位时 间为基准 总结五字解题方法:分(分析题意)、图(画出图形)、选(选定基准)、算(计算结果)、分(分 析结果是否合理) 分:认真分析题意 图:画出正确的图形,(用虚线方框图圈住恒算范围,或设备的简略外形),箭头指向方框者是 输入项,箭尾指向方框者是输出项,总输入等于总输出 选:选基准,在间歇操作中一般以一次操作为基准:在连续操作过程中则以单位时间为基准如 小时 物料基准常以质量或mol数表示,不宜用体积表示。衡算对象只以不变化的物料或惰性组分为基准, 单位基准、温度基准、压强基准等(统一单位、温度、压强)。 算:计算,首先查明公式适用范围、各符号意义及单位,列出方程计算。如从普通公式出发解 题,最后推导出适合题中特殊情况的计算式,然后再代入已知数字,从而可达到简化计算的目的 分:分析答案,是否符合实阿 2、能量衡算 根据能量守恒定律而进行的能量平衡的计算。在生产中能量可能是热能、电能、机械能或其它 能。如果是热能,则称为热量衡算。 进行热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同,明确衡算范围、衡算对象与衡算基准。 ∑9=∑2+Q 式中∑Q-一伴随各股输入物料进入系统的热(焓)流量,F ∑Q—伴随各股输出物料离开系统的热(焓)流量,W Ω-系统向环境散失的热流量,或称“热损失”,A H—焓,单位质量的物质所具有的热量称为焓,其单位[伵-] 物料的焓值与其状态有关,而且是相对值,所以在进行热量衡算时为确定物料的焓值,必须首 先规定基准温度,当有相变化时,还必须规定基准状态,通常以0°C,液态为计算基准 如从《附录9》中查得100C饱和水蒸气焓值为267J/ 1/g0C水一4=100C水一丝23100C汽 H=H+H2=418+2258=2670/g] 显热(一定量物质不发生相变化时,温度升高或降低产生的热量变化。)Q=mCp△t 潜热(单位质量的物质在一定温度下发生相变化时所吸收或放出的热量)
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 3/42 进行物料衡算的注意事项： （1）确定衡算范围（或称系统），它可以在一个单一的设备或其中一部分进行，也可以包括几个 处理阶段的全流程。 （2）确定衡算对象。对有化学变化的过程，衡算对象可找未发生变化的物质为惰性物质等。 （3）确定衡算基准。对于间歇过程，常以一次（一批）操作为基准，对于连续过程，则以单位时 间为基准。 总结五字解题方法：分（分析题意 ）、图（画出图形）、选（选定基准）、算（计算结果）、分（分 析结果是否合理）。 分：认真分析题意 。 图：画出正确的图形，（用虚线方框图圈住恒算范围，或设备的简略外形），箭头指向方框者是 输入项，箭尾指向方框者是输出项，总输入等于总输出。 选：选基准，在间歇操作中一般以一次操作为基准；在连续操作过程中则以单位时间为基准如 一小时。 物料基准常以质量或 mo l 数表示，不宜用体积表示。衡算对象只以不变化的物料或惰性组分为基准， 单位基准、温度基准、压强基准等（统一单位、温度、压强）。 算：计算，首先查明公式适用范围、各符号意义及单位，列出方程计算。如从普通公式出发解 题，最后推导出适合题中特殊情况的计算式，然后再代入已知数字，从而可达到简化计算的目的。 分：分析答案，是否符合实际。 2、能量衡算 根据能量守恒定律而进行的能量平衡的计算。在生产中能量可能是热能、电能、机械能或其它 能。如果是热能，则称为热量衡算。 进行热量衡算的基本方法与物料衡算的方法相同，明确衡算范围、衡算对象与衡算基准。 Q1 =Q0 +QL 式中 Q1——伴随各股输入物料进入系统的热（焓）流量， kW ； Q0 ——伴随各股输出物料离开系统的热（焓）流量， kW ； QL ——系统向环境散失的热流量，或称“热损失”， kW ； H ——焓，单位质量的物质所具有的热量称为焓，其单位 −1 J kg 。 物料的焓值与其状态有关，而且是相对值，所以在进行热量衡算时为确定物料的焓值，必须首 先规定基准温度，当有相变化时，还必须规定基准状态，通常以 C 0 0 ，液态为计算基准。 如从《附录 9》中查得 C 0 100 饱和水蒸气焓值为 2677.0kJ kg 1kg C 0 0 水 ⎯ H⎯1=418 ⎯ .6⎯ kJ⎯ kg→ C 0 100 水 ⎯ H⎯2=⎯ 2258⎯ .4kJ⎯ kg→ C 0 100 汽 H H H 418.6 2258.4 2677.0kJ kg = 1 + 2 = + = 显热（一定量物质不发生相变化时，温度升高或降低产生的热量变化。） Q mC t = p 潜热（单位质量的物质在一定温度下发生相变化时所吸收或放出的热量）
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 3、平衡关系:平衡关系予告过程或反应能够达到的极限。如连通器液面最终达到同一水平面 换热的极限是冷热流体温度相同,气体吸收的极限是当时条件下的饱和溶解度,反应的极限是当时 条件下的平衡转化率 4、过程速率:U∞ 过程推动力Δ 如流动速率 压差传热速 温度 过程阻力R 流动阻力 传热阻力 吸收速率∝ 浓度差 传质阻力 在实际工作中,一个过程以多快的速率由不平衡向平衡移动是极为重要的问题 四、物理量的因次与单位制 物理量:表示物质物理性质的参数,如长度、面积A、体积V、密度ρ、粘度〃、导热系数 λ、温度T、压强p等。这些物理量可通过几个彼此独立的基本物理量来表示,其大小则用各种单 位来量度称为基本单位 常用的基本单位长度[]、力[F或质量[m]时间[z]和温度[门]等,基本量以外的其它物理量, 可通过物理量之间的规律(定义或定律),从基本量推导出来称为导出物理量,他们的单位称为导出 单位 应用这些基本量以表示物理量特性的式子称为因次(或量纲)式。因次式中各物理量的指数称 为它的因次或量纲(有时也把物理量的量纲式简称为物理量的量纲)。因次可正、可负、整数、分数 等任意有理数。 如流速 u (一导出量 、t一基本量 中的-1一一因次lx-1-因次式 导出单位) 表示各物理量大小除了数字部分外,还要看该物理量的单位。 1、国际单位制SI制7个基本单位,2个辅助单位,其余皆为导出单位。 (1)常用的基本单位: 物理量 单位 国际符号 长度 米 质量 千克(公斤)k 质 时间 秒 时 温度 开尔文 K 温 物质的量 摩尔 (2)常用的导出单位: 物理量 单位 国际符号 用SI制基本单位表示 牛顿 m·s2(力=质量x加速度)力
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 4/42 3、平衡关系：平衡关系予告过程或反应能够达到的极限。如连通器液面最终达到同一水平面， 换热的极限是冷热流体温度相同，气体吸收的极限是当时条件下的饱和溶解度，反应的极限是当时 条件下的平衡转化率。 4、过程速率： 过程阻力R 过程推动力 如 流动阻力 压差 流动速率 传热阻力 温度 传热速率 传质阻力 浓度差 吸收速率 在实际工作中，一个过程以多快的速率由不平衡向平衡移动是极为重要的问题。 四、物理量的因次与单位制 物理量：表示物质物理性质的参数，如长度 l 、面积 A 、体积 V 、密度 、粘度 、导热系数 、温度 T 、压强 p 等。这些物理量可通过几个彼此独立的基本物理量来表示，其大小则用各种单 位来量度称为基本单位。 常用的基本单位长度 L 、力 F 或质量 m ，时间 和温度 T 等，基本量以外的其它物理量， 可通过物理量之间的规律（定义或定律），从基本量推导出来称为导出物理量，他们的单位称为导出 单位。 应用这些基本量以表示物理量特性的式子称为因次（或量纲）式。因次式中各物理量的指数称 为它的因次或量纲（有时也把物理量的量纲式简称为物理量的量纲）。因次可正、可负、整数、分数 等任意有理数。 如流速 −1 = = l l u −1 m s （ u —导出量 l 、 —基本量 −1 中的 −1 ——因次 −1 l —因次式 −1 m s —导出单位）。 表示各物理量大小除了数字部分外，还要看该物理量的单位。 1、国际单位制 SI 制 7 个基本单位，2 个辅助单位，其余皆为导出单位。 （1）常用的基本单位： 物理量 单位 国际符号 长度 米 m 长 质量 千克（公斤） kg 质 时间 秒 s 时 温度 开尔文 K 温 物质的量 摩尔 mo l 量 （2）常用的导出单位： 物理量 单位 国际符号 用 SI 制基本单位表示 力 牛顿 N −2 m kg s （力=质量 加速度） 力
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 压强 帕斯卡 力 P 面积 压 能、功、热量焦耳 k 功=力距离 能 功率 瓦特 功率 时间 率 单位顺序规律:一般是长度、质量、时间顺序,如长度为负值,则把长度与质量互换。如 [P小一k 2、工程单位制(重力单位制) 常用的基本单位: 物理量 单位 长度 米 长 力 公斤(重) 力 时间 时 温度 GS制(物理单位制) 3、绝对单位制 MKS制(实用单位制) CGS制 物理量 单位 符号 长度 厘米 长 质量 克 质 时间 秒 时 温度 物理量 单位 符号 长度 米 长 质量 千克(公斤质)k 质 时间 秒 时 温度 注意:单位的符号一般用小写正体如 m mo/Kg/m3,若单位名称来源于专用名词第一个字母 符号一定要大写如 w Pa M等 5/
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 5/42 压强 帕斯卡 Pa −1 −2 kg m s 面积 力 p = 压 能、功、热量 焦耳 J 2 −2 m kg s 功=力距离 能 功率 瓦特 W 2 −3 m kg s 时间 功 功率 = 率 单位顺序规律：一般是长度、质量、时间顺序，如长度为负值，则把长度与质量互换。如 −1 −2 Pa —kg m s 。 2、工程单位制（重力单位制） 常用的基本单位： 物理量 单位 长度 米 长 力 公斤（重） 力 时间 秒 时 温度 C 0 温 3、 绝对单位制 制（实用单位制） 制（物理单位制） M K S C G S C G S 制 物理量 单位 符号 长度 厘米 cm 长 质量 克 g 质 时间 秒 s 时 温度 C 0 温 M K S 制 物理量 单位 符号 长度 米 m 长 质量 千克（公斤质） kg 质 时间 秒 s 时 温度 C 0 温 注意：单位的符号一般用小写正体如 m mo l 3 kg m ，若单位名称来源于专用名词第一个字母 符号一定要大写如 W J Pa N 等
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 4、单位换算 (1)正规单位换算:在一个单位上乘上某一单位使其值不变,然后再设法消去不必要的单位, 留下需要的单位 厘米换算成公斤 104 kg (2)利用公式如p=yg=hr—比重(物理学中的单位)[千克(力米]。 (3)利用现成换算关系如m=764mnk]=103g/om2] 第一章流体流动基础 流体流动问题是化工厂里最常遇到的一个问题,也是化工单元操作中的一个最基本问题。化工 生产中所处理的物料以流体占大多数,流体的输送是在管路中进行的,因此流体输送管路在化工生 产中起着重要的作用,可看成与人体里的血管相当。输送管路是由管子、阀门、输送机械(泵、通 风机等)流量计等部分机械组成,它四通八大于各处。对于这类大量的输送管路和设备,如能做到 正确设计、布置和选用,就会为国家节约许多生产资料、避免浪费。学习这一章主要目的有四个方 面:1、讨论粘性流体动量传递的基本原理。 2、掌握流体一些基本规律 3、了解流体输送设备的基本结构。 4、解决流体输送中的问题 流体输送究竟包括那些内容,可通过以下实例了解概况 罗茨鼓风机 脱硫塔 调节阀U流量计 氨水槽 半水煤气 H2S+MH4OH=MH4H+H2O+Q(脱去半水煤气中的H2S)
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 6/42 4、单位换算 （1）正规单位换算：在一个单位上乘上某一单位使其值不变，然后再设法消去不必要的单位， 留下需要的单位。 如 2 1 1 厘米 公斤 换算成 米 2 公斤 2 4 2 2 1 0 1 1 100 m kg m cm cm kg = （2）利用公式 如 p=hg=hr r ——比重（物理学中的单位） 千克（力）米3 。 （3）利用现成换算关系 如 2 1 atm = 7 6 0mmHg =1.0 3 3kgf cm 第一章 流体流动基础 流体流动问题是化工厂里最常遇到的一个问题，也是化工单元操作中的一个最基本问题。化工 生产中所处理的物料以流体占大多数，流体的输送是在管路中进行的，因此流体输送管路在化工生 产中起着重要的作用，可看成与人体里的血管相当。输送管路是由管子、阀门、输送机械（泵、通 风机等）流量计等部分机械组成，它四通八大于各处。对于这类大量的输送管路和设备，如能做到 正确设计、布置和选用，就会为国家节约许多生产资料、避免浪费。学习这一章主要目的有四个方 面：1、讨论粘性流体动量传递的基本原理。 2、掌握流体一些基本规律。 3、了解流体输送设备的基本结构。 4、解决流体输送中的问题 流体输送究竟包括那些内容，可通过以下实例了解概况。 氨水槽 调节阀 流量计 脱 硫 塔 半水煤气 罗茨鼓风机 H2S +NH4OH = NH4HS +H2O+Q （脱去半水煤气中的 H S2 ）
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 银川氨肥厂脱硫塔(脱硫变换工段) 由上图可知,主要任务有二: 选:(合适的流速、合适的管径、阀门、测量仪表、泵、风机)。 研:(为了选合适就得研究流体的性质,流动形态即条件,流体的有关规律。) 第一节流体的物理性质 1.1连续介质的假定 连续介质假定:流体是有连续分布的流体质点所组成 二、理想流体与实际流体 1、流体:液体与气体的统称 2、粘度:流体内部摩擦力的表现,是流体重要的物性参数之一用μ表示。 注:固体有摩擦力,如粉笔盒(擦)在桌面上移动(摩擦产生于外表面)。液体也有摩擦力 如倒一瓶水与一瓶油相比较,油到出来慢,为什么呢?油液内部有摩擦力。(摩擦力产生于 内部)。 3、理想流体:理想液体与理想气体的统称,即粘度为零的流体 4、理想液体:不可压缩,受热不膨胀,粘度为零因而流动时不产生摩擦阻力的液体 5、理想气体:粘度为零,流动时没有摩擦阻力的气体,它完全符合理想气体状态方程式。(物 化上“理想气体”是指分子间无吸引力,分子体积为零,完全符合理想气体状态方程式 P=nRT的气体)。 6、实际流体:粘度不为零的流体。 1.1.2流体的密度、比容、压强 密度:单位体积流体所具有的质量。即p=△m当△趋近于零时p lim (△→0 表示流体内部某点的密度。 式中:p一一流体的密度,[g/m2]m-流体的质量,kg] 一流体的体积,[m] 任何流体,其密度随压强和温度而变化。即p=f(nD 压强对流体的密度影响很小,可忽略不计,故常称液体为不可压缩流体。 温度对液体密度则有一定的影响,故在有关书刊中介绍液体密度的实测值时,皆注有温度条件。气 体是可压缩流体,其密度随压强和温度而变化,因此气体的密度必须标明其状态,即压强、温度条 件。一般当压强不太高、温度不太低(高温低压)时,可按理想气体来处理 1、理想气体(常温常压,压力在5个大气压以下,温度不太严格,可取20C或20C以上。)多 数气体的密度可用理想气体状态方程式来计算。 pV=nRT=RT 714
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 7/42 银川氨肥厂脱硫塔 （脱硫变换工段） 由上图可知，主要任务有二： 一、选：（合适的流速、合适的管径、阀门、测量仪表、泵、风机）。 二、研：（为了选合适就得研究流体的性质，流动形态即条件，流体的有关规律。） 第一节 流体的物理性质 1.1.1 连续介质的假定 一、连续介质假定：流体是有连续分布的流体质点所组成。 二、理想流体与实际流体 1、 流体：液体与气体的统称。 2、 粘度：流体内部摩擦力的表现，是流体重要的物性参数之一用 表示。 注：固体有摩擦力，如粉笔盒（擦）在桌面上移动（摩擦产生于外表面）。液体也有摩擦力， 如倒一瓶水与一瓶油相比较，油到出来慢，为什么呢？油液内部有摩擦力。（摩擦力产生于 内部）。 3、 理想流体：理想液体与理想气体的统称，即粘度为零的流体。 4、 理想液体：不可压缩，受热不膨胀，粘度为零因而流动时不产生摩擦阻力的液体。 5、 理想气体：粘度为零，流动时没有摩擦阻力的气体，它完全符合理想气体状态方程式。（物 化上“理想气体”是指分子间无吸引力，分子体积为零，完全符合理想气体状态方程式 PV = n RT 的气体）。 6、 实际流体：粘度不为零的流体。 1.1.2 流体的密度、比容、压强 一、密度：单位体积流体所具有的质量。即 V m = 当 V 趋近于零时 V m = lim （ V → 0 ） 表示流体内部某点的密度。 式中： ——流体的密度， 3 kg m m——流体的质量， kg V——流体的体积， 3 m 任何流体，其密度随压强和温度而变化。即 = f(p,T) 压强对流体的密度影响很小，可忽略不计，故常称液体为不可压缩流体。 温度对液体密度则有一定的影响，故在有关书刊中介绍液体密度的实测值时，皆注有温度条件。气 体是可压缩流体，其密度随压强和温度而变化，因此气体的密度必须标明其状态，即压强、温度条 件。一般当压强不太高、温度不太低（高温低压）时，可按理想气体来处理。 1、 理想气体 (常温常压，压力在 5 个大气压以下，温度不太严格，可取 C 0 20 或 C 0 20 以上。）多 数气体的密度可用理想气体状态方程式来计算。 RT M m p V = n RT = （1）
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 V RT 式中m-一气体的质量[kg] V—一气体的体积[m] 体的绝对压强[Pd] M一气体的摩尔质量其值等于分子量[m R——气体常数,其值为831 kmo lK T一气体的绝对温度 当n=1摩尔(mol)标准状态下(O°C,1atm下任何气体千摩尔体积为224m) 将R=P 代入(2)式得 PooT o Po T 224PoT Po p To pM M P To Mp石 (3) 2、混合理想气体 甲 PM=pp 式中A…n—气体混合物中各组分气体体积分率 PM RT y M Mm=MA4+MBPB+…+Mn}(左右式中省去总摩尔数=1摩尔即 224p0T MAy4×1总质量=各分质量之和即:混和后的总质量等于混合前的总质量。 式中:pn——气体混合物的平均密度 Mm—一气体混合物的平均摩尔质量[g/m小 y4、yg、yn—气体各组分的摩尔分率(也即等于体积分率、分压分率)。 3、液体混合物 若各组分在混合前后其体积不变,则1[kg]混和液体的体积等于各组分单独存在之和 即:(参阅理想液体特征:不可压缩、受热不膨胀)。 +…+右式各分子省去总质量为1g即xa 式中;、1 ∑么p,、P…p.-液体混合物中各组分的密度g/m
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 8/42 RT p M V m = = 3 m kg （2） 式中 m——气体的质量 kg V——气体的体积 3 m p—气体的绝对压强 kPa M——气体的摩尔质量，其值等于分子量 kmo l kg R——气体常数，其值为 kmo l K kJ . 8.314 T——气体的绝对温度 K 当 n=1 摩尔（mol）标准状态下( C 0 0 ,1atm 下任何气体千摩尔体积为 22.4 3 m ) 将 0 0 T p V R = 代入 （2）式得 T T p p p T M p T T T p p V M T T p V p M 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2.4 = = . . = = 3 m kg （3） 2、 混合理想气体 甲： m = A A + B B ++ nn 式中 A B n . ——气体混合物中各组分气体体积分率。 乙： RT p Mm m = m i vi = x m i i M =M y 丙： T T p M m p m 0 0 2 2.4 = M m = M AYA + MBYB ++ M n Y n （左右式中省去总摩尔数=1 摩尔 即 1 A A M y 总质量=各分质量之和 即：混和后的总质量等于混合前的总质量。 式中： m ——气体混合物的平均密度; M m ——气体混合物的平均摩尔质量 kg kmol A y 、 B y 、 n y ——气体各组分的摩尔分率（也即等于体积分率、分压分率）。 3、 液体混合物 若各组分在混合前后其体积不变，则 1 kg 混和液体的体积等于各组分单独存在之和。 即：（参阅理想液体特征：不可压缩、受热不膨胀）。 n n B B A A m = + ++ 1 右式各分子省去总质量为 1 kg 即 i i 1 式中： = i i m 1 A、 B …… n ——液体混合物中各组分的密度 3 kg m
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 a,、an…an-—液体混合物中各组分的质量分率。p 比容:单位质量流体的体积。即 /式中 流体的比容 、压强(压力):流体垂直作用于单位面积上的压力,称为流体的静压强,简称压强,其表达式为 p=lim(△A→0)流体中任一点的压强 式中:p——流体的静压强,[Pa P一垂直作用于流体表面上的压力,[A A—一作用面的面积,[mn2 压强除[Pa]外,还有其它单位如am(标准大气压),某流体柱高度等。其换算关系为: l+m=764mk]=103m2O]=1013310[ma=103/om2] 工程上为了使用和换算方便,常将1kg//am2近似的作为一个大气压,称为1工程大气压 =1(m1]=73mk-1m-9802p 1、流体压强的特性: 其一:压力的作用方向垂直于作用面 其二:流体中任一点压强的大小在其各个方向上都是相等的,即压强是深度的函数。(中学物理: p=hyy是比重;单位体积流体具有的重量。) 2、压强的表示方式: 以绝对零压(绝对真空)做起点计算的压强,称为绝对压强,是流体的实际压强 以当时当地的大气压强(外界大气压强),为起点的压强称为表压强。(把压强表上的指针调到 零位置)。 当被测流体的绝对压强大于外界大气压强时,所用测压仪表称为压强表(压力表), 压强表上的读数是流体实际压强高于当时当地大气压强的数值,称为表压强。 即表压强=绝对压强一大气压强 当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时,所用测压仪表称为真空表。 真空表上的读数表示被测流体的绝对压强低于外界大气压强的数值,称为真空度。 真空度=大气压一绝对压强 将①式两边同乘以-1 表压强=大气压-绝对压强 所以真空度=负的表压强。从图示上看大气压线以上为正、以下为负。真空度也是负的表压强。即 对小于大气压的同一绝压而言,真空度就等于负的表压强。千 某一实际压强
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 9/42 A 、B …… n ——液体混合物中各组分的质量分率。 = i i m 1 二、比容：单位质量流体的体积。即 1 = = m V kg m 3 式中： ——流体的比容 kg m 3 三、压强（压力）：流体垂直作用于单位面积上的压力，称为流体的静压强，简称压强，其表达式为 A P p = A P p = lim （ A → 0 ）流体中任一点的压强。 式中： p ——流体的静压强， Pa ； P——垂直作用于流体表面上的压力， N ； A——作用面的面积， 2 m 。 压强除 Pa 外，还有其它单位如 atm （标准大气压），某流体柱高度等。其换算关系为： 5 2 1 a + m = 760mmHg =1 0.3 3mH2O =1.01331 0 Pa =1.033kgf cm 工程上为了使用和换算方便，常将 2 1kg f cm 近似的作为一个大气压，称为 1 工程大气压。 1 4 2 2 1 = 735.6 =1 0 = 9.8071 0 = mmHg mH O cm kgf a t [Pa] 1、 流体压强的特性： 其一：压力的作用方向垂直于作用面。 其二：流体中任一点压强的大小在其各个方向上都是相等的，即压强是深度的函数。（中学物理： p=h 是比重；单位体积流体具有的重量。） 2、 压强的表示方式： 以绝对零压（绝对真空）做起点计算的压强，称为绝对压强，是流体的实际压强。 以当时当地的大气压强（外界大气压强），为起点的压强称为表压强。（把压强表上的指针调到 零位置）。 当被测流体的绝对压强大于外界大气压强时，所用测压仪表称为压强表（压力表）， 压强表上的读数是流体实际压强高于当时当地大气压强的数值，称为表压强。 即 表压强=绝对压强—大气压强 ① 当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时，所用测压仪表称为真空表。 真空表上的读数表示被测流体的绝对压强低于外界大气压强的数值，称为真空度。 真空度=大气压－绝对压强 ② 将○1 式两边同乘以-1 -表压强=大气压-绝对压强 所以 真空度=负的表压强。从图示上看大气压线以上为正、以下为负。真空度也是负的表压强。即 对小于大气压的同一绝压而言，真空度就等于负的表压强。 某一实际压强
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 表压 大气压 绝压 真空度 大气 某一真空 绝压 对零压(绝对真空) 1.1.3流体的粘性和理想流体 几个概念 1、体积力(质量力):体积力作用于流体的每一个质点上,并与流体质量成正比,对于均值流 体也与流体的体积成正比。重力、离心力都是典型的体积力,是一种场力。 2、表面力一一压力和剪力:与流体表面积成正比的力称表面力。表面力机械力。 ①压力:垂直于表面的力。单位面积上所受的压力称为压强。~帕斯卡 ②剪力:平行于表面的力。单位面积上所受的剪力称剪应力 、牛顿粘性定律 面积S △u 3 固定板 设有间距甚小的二平行平板,其间充满流体。下板固定,上板施加一个平行于平板的切向力F力使 此板以速度u作匀速运动。紧贴于运动板下方的流体层以相同的速度u流动,而紧贴于固定板上方 的流体层则静止不动。两板间各层流体的速度不同其大小如上图所示。 剪力又称为内摩擦力(源于物理上的摩擦力∫=N:在两个相邻的流体层之间的接触面上作 用着一对与接触面平行的大小相等、方向相反的作用力F与F 剪力的特点:①作用力与作用面平行:②两作用面间距离极小,即极薄、极薄 F与流速同向,作用在流速较慢的流体层上使流层加速。下与流速反向,作用在流速较快的流 层上使流层减速。第二层流体受两种力的作用,第一层摩擦力使之加速,第三层的内摩擦力使之减 速,故第二层流体流速大于第三层而小于第一层。在固定板处的流速为零,因为附着力大于内聚力 (固体分子对流体分子的引力大于流体分子之间的引力。)
宁夏大学化学化工学院 化工原理电子教案 10/42 表压 大气压 绝压 真空度 大气 某一真空 压 绝压 绝对零压（绝对真空） 1.1.3 流体的粘性和理想流体 一、几个概念 1、 体积力（质量力）：体积力作用于流体的每一个质点上，并与流体质量成正比，对于均值流 体也与流体的体积成正比。重力、离心力都是典型的体积力，是一种场力。 2、 表面力——压力和剪力：与流体表面积成正比的力称表面力。表面力机械力。 ① 压力：垂直于表面的力 。单位面积上所受的压力称为压强。 Pa m N 2 帕斯卡 ② 剪力：平行于表面的力。单位面积上所受的剪力称剪应力。 二、牛顿粘性定律 固定板 面积 S F 1 2 3 Δ u Δ y 设有间距甚小的二平行平板，其间充满流体。下板固定，上板施加一个平行于平板的切向力 F 力使 此板以速度 u 作匀速运动。紧贴于运动板下方的流体层以相同的速度 u 流动，而紧贴于固定板上方 的流体层则静止不动。两板间各层流体的速度不同其大小如上图所示。 剪力又称为内摩擦力（源于物理上的摩擦力 f =N ）：在两个相邻的流体层之间的接触面上作 用着一对与接触面平行的大小相等、方向相反的作用力 F 与-F 剪力的特点：①作用力与作用面平行 ； ②两作用面间距离极小，即极薄、极薄 。 +F 与流速同向，作用在流速较慢的流体层上使流层加速。-F 与流速反向，作用在流速较快的流 层上使流层减速。第二层流体受两种力的作用，第一层摩擦力使之加速，第三层的内摩擦力使之减 速，故第二层流体流速大于第三层而小于第一层。在固定板处的流速为零，因为附着力大于内聚力。 （固体分子对流体分子的引力大于流体分子之间的引力。）