化工基础-第二章流体流动.

化工基础ElementaryChemicalEngineering第二章流体流动与输送化工生产中的物料大多数是流体，经常需要将流体从一个设备输送到另一个设备。化工生产中的传热、传质过程以及化学反应过程大部分是在流体流动状态下进行的。流体流量的测量也与流体流动有关。流体流动的基本原理是本门课程的重要基础。分析：①流体在管道、泵（风机）、流量计中流动，是流体动力学问题。②流体在压差计、水封箱中的水处于静止状态，是流体静力学问题。③要确定流体输送管路的直径，需计算流动过程产生的阻力和输送流体所需的动力。④选用多大的水泵或风机呢？要根据阻力与流量等参数来选择输送设备的类型和型号。⑤要测量、监控流体的流量和压强。⑥流体流动将影响过程系统中的传热、传质过程等，是其他单元操作的重要基础。流体流动的考察方法气体和液体统称为流体。流体的特性：流动性和可压缩性，即没有固定形状，受到外力作用时内部产生相对运动；任何流体皆可压缩。流体是由大量的彼此间有一定间隙的单个分子所组成。不同的考察方法对流体流动情况的理解也不同。在物理化学中（气体分子运动论）是考察单个分子的微观运动，分子的运动是随机的、不规则的混乱运动，在某一方向上有时有分子通过，有时没有。因此这种考察方法认为流体是不连续的介质，所面对的运动是一种随机的运动，随机性导致问题。研究流体时的三大假设(1)连续性假设：考察流体质点的宏观运动时，可以取大量流体分子组成的流体微团作为运动质点，并以此质点为研究对象，其尺寸大小与容器、管道相比微不足道，但又比分子运动的自由程大得多。于是就可以假定流体是由大量质点组成的、彼此间没有间隙的、完全充满所占空间的连续介质——这就是连续性假设。目的：摆脱复杂的分子运动（随机的、混乱的），从宏观的角度，用统计的方法来研究流体的流动规律。同时，流体的物理性质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（微积分）加以描述，从而大大提高运算速度和效率。（2）理想流体：假设流体是一种无粘性，在流动中不产生摩擦阻力的流体。理想流体是一种假设的概念,是对实际流体在某些条件下的简化处理。实际流体：具有粘性，流动时产生摩擦阻力。理想气体可用状态方程：RTMmnRTpV理想液体符合拉乌尔定律（3）定态流动：（稳定流动，定常流动）空间各点的状态不随时间而变化，该流动称为定态流动。ux,uy,yz,p,……＝f(x,y,z)与t无关§1.1流体静力学一.流体的密度1.流体的密度：单位体积流体所具有的质量。属于物性。Vm◇对于液体，压强的变化对密度的影响很小，可以忽略，称为不可压缩性流体。此时，密度仅随温度而变，故在使用液体的密度时，要注意温度条件。tf◇对于气体，密度随T、P改变很大，称为可压缩性流体，此时：ptf,故气体的密度必须标明其状态。当压强不太高，温度不太低时，可按理想气体来处理。获得方法：（1）查物性数据手册（2）公式计算：由理想气体方程求得操作条件（T,P）下的密度nRTPVVmRTPM对理想混合液体，(1kg)混合液体的体积等于各组分单独存在时的体积之和，即对低压混合气体其中式中Mi——混合气体中各组分的摩尔质量，kg/mol；yi——混合气体中各组分的摩尔分率。或(1m3)混合气体的质量等于各组分的质量之和。即式中i——混合气体中各组分的密度，kg/m3；xvi——混合气体中各组分的体积分率。2.相对密度：是指在共同的特定条件下，一个物质的密度与另一个物质的密度之比值，用d表示。21d在一般情况下是以水作参照物，其值相当于比重,4水Cd34/1000mkgC水3.比体积（比容）：是指单位质量流体所具有的体积,是密度的倒数。单位为m3/kg。1mV二.流体的静压强1.压强的定义：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强。用p表示，工程上习惯称之为压力。AFpSI制单位：N/m2，即Pa。换算关系为：2.压强的基准和表示形式1atm(标准大气压)=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033公斤(力)/厘米2其它常用单位：atm（标准大气压）、工程大气压kgf/cm2、流体柱高度（mmH2O，mmHg等）。表压强=绝对压强-大气压强2）表压强（表压）：1）绝对压强（绝压）：以当时当地的大气压为起点的压力称为表压。即绝对压强与大气压强之差。流体体系的真实压强称为绝对压强。它是以真空为起点的压力3）真空度：真空表的读数，绝对压强低于大气压强的数值真空度=大气压强-绝对压强三者的关系：绝对零压线大气压强线A绝对压强表压强B绝对压强真空度当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。如：4×103Pa（真空度）、200KPa（表压）。例题：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔塔顶真空表读数为80kPa，在天津操作时，真空表读数应为多少？已知兰州地区的平均大气压85.3kPa，天津地区为101.33kPa。解：维持操作的正常进行，应保持相同的绝对压，根据兰州地区的压强条件，可求得操作时的绝对压。解:绝压=大气压-真空度=85300–80000=5300[Pa]真空度=大气压-绝压=101330-5300=96030[Pa]三.流体静力学基本方程方程的推导：在1-1’截面受到垂直向下的压力：ApF11在2-2’截面受到垂直向上的压力：ApF22液柱本身所受的重力：gzzAVgmgW21因为小液柱处于静止状态，0F01112gzzAFF两边同时除A：02112zzgAFAF02112zzgpp2112zzgpp令hzz21则得：ghpp12若取液柱的上底面在液面上，并设液面上方的压强为P0，取下底面在距离液面h处，作用在它上面的压强为Ppp201ppghpp0——流体的静力学方程表明在重力作用下，静止液体内部压强的变化规律流体静力学方程的基本讨论：2）静止流体内部任一点静压强的大小与距液面的深度及液体的密度有关，与该点的水平位置及容器形状无关，距液面越深，则压强越大。3）当液面上方的压强P0有改变时,液体内部各点的压强P也发生同样的改变。即：液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部的任一点。1）在连续、静止的同一液体内,处于同一水平面上各点的压强相等（等压面），连通器原理。4）ghPP0可以改写成hgPP0压强差的大小可利用一定高度的液体柱来表示，这就是液体压强计的根据，在使用液柱高度来表示压强或压强差时，需指明何种液体。流体静力学方程的基本讨论：（6）一般液体的密度可视为常数，而气体的密度除随温度变化外还随压强而变化，因此也随它在容器内的位置高低而改变，但在化工容器里这种变化一般可以忽略。因此，式2-10、式2-10a、式2-10b及2-10c也适用于气体，所以这些式子统称为流体静力学基本方程式。（5）考察公式中各项的单位：zg和p/ρ分别为单位质量流体所具有的位能和静压能，此式反映出在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但总和恒为常量。常数gZp例题:1.判断下面各式是否成立PA=PA’PB=PB’PC=PC’2.细管液面高度。1=800kg/m32=1000kg/m3H1=0.7mH2=0.6m3.当细管水位下降多高时,槽内水将放净?油水1H'AA2H'CC'BB解:利用等压面原理求解1.PA=PA’PB=PB’油水'AA'CC1H2H'BB2.2gh+p0=1gH1+2gH2+p03.2gh’=1gH1四.流体静力学基本方程的应用1.压力测定1）U型管压差计A-A’为等压面PA=PA’PA=P1+g(H+R)PA’=P2+’gR+gHP1-P2=Rg(’-)如测量气体0P1-P2=Rg’一臂通大气?H'R'AAP1P22）微差压差计—放大读数P1P2aRb特点：（1）内装两种密度相近且不互溶的指示剂；（2）U型管两臂各装扩大室（水库）。P1-P2=（a-b）Rg常用指示液：水（着色水），油，四氯化炭等，它必须满足：①与被测的液体互不相溶且不发生化学反应②它的密度必须大于被测流体的密度。例题：用普通U型管压差计测量气体管路上两点压差，指示液为水，读数R为1.2cm，为扩大读数改为微差计，一指示液密度为920kg/m3，另一指示液密度为850kg/m3，读数可放大多少倍？解：（水-气）gR=（1-2）gR’21'水RRmm171850920100012新读数为原读数的171/12＝14.3倍3）倒U形管压差计特点：（1）被测流体一般为液体；（2）指示液密度小于被测液，一般为空气。P1-P2=（-0）Rg2.液位的测量（1）玻璃管液面计2PaPbZ1Z21液面计:用于指示生产设备（如贮槽、计量槽、锅炉等）内物料贮存量的仪表。P1=Pa+ρgZ1，P2=Pb+ρgZ2∵Pa=Pb,∴Z1=Z2P1=P22.液位的测量（2）液柱压差计如图2-9所示，在容器或设备1外边设一个称为平衡器的小室2，用一装有指示液A的U管压差计3把容器与平衡器连通起来，小室内装的液体与容器里的相同，其液面的高度维持在容器液面允许到达的最大高度处。根据流体静力学基本方程式，可知液面高度与压差计读数的关系为RhA)(aa’2.液位的测量（3）远距离控制液面计若容器离操作点较远或埋在地下，要测量其液位可采用如图2-10所示的装置。控制调节阀使压缩空气（若容器内液体为易燃易爆液体则用压缩氮气）缓慢地鼓泡通过观察瓶通入容器。由于p1=p2，pa为大气压强，则。例如附图所示，水在管道中流动。为测得A-A′、B-B′截面的压力差，在管路上方安装一U形压差计，指示液为水银。已知压差计的读数R＝150mm，试计算A-A′、B-B′截面的压力差。已知水与水银的密度分别为1000kg/m3和13600kg/m3。解：图中，1-1′面与2-2′面间为静止、连续的同种流体，且处于同一水平面，因此为等压面，即'11pp'22ppgmppA'1又gRRmgpgRpgRppB002021)('gRRmgpgmpBA0)(所以gRppBA)(0整理得由此可见，U形压差计所测压差的大小只与被测流体及指示剂的密度、读数R有关，而与U形压差计放置的位置无关1.流量单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。体积流量Vs（m3/s）和质量流量Ws（kg/s）的关系是：ssVW2.流速单位时间内流体在流动方向上流过的距离，称为流速以u表示，单位为m/s。数学表达式为：一.流量与流速§2.2流体流动基本规律AVus流量与流速的关系为：uAVsuAWs24dA24dVus流体输送管道通常是圆管，若管道直径为d，则：uVds4——管道直径的计算式3.管径的初选在管路设计中，适宜的流速的选择十分重要。若流速选得太大，流体流过管路时的阻力增大，操作费用增加；若流速选得太小，管径增大，管路的基建费增加。应在操作费与基建费之间通过经济权衡来确定适宜的流速。一般来说，液体的流速取0.5～3.0m/s，气体则为10～30m/s。例:安装一根输水量为30m3/h的管道,试选择合适的管道。查普通无缝钢管产品规格表，寻找内径与77mm相近的无缝钢管。实际选择：φ89×4的管子，其中外径=89mm，壁厚=4mm，内径d=81mm=0.081m则实际流速为:uVdS48.14/14.33600/30mmm77077.0解：选择管内水的经验流速u=1.8m/ss/m62.1)081.0(785.03600/30u21.稳（定）态流动：流动系统中任一截面上流体的性质（密度、粘度等）和流动参数（流速、压强等）仅随位置而改变，不随时间而改变。二.稳态流动和非稳态流动zyxfu,,2.非稳（定）态流动在流动过程中，流体在任一截面上