第一章-化工原理-张宏丽.

化工原理第一章流体流动第一节概述流体是指具有流动性的物体，包括液体和气体。研究流体平衡和运动宏观规律的科学称为流体力学。流体力学分为流体静力学和流体动力学。化工生产中所处理的原料、中间体和产品，大多数是流体。按生产工艺要求，制造产品时往往把它们依次输送到各设备内，进行药物反应或物理变化，制成的产品又常需要输送到贮罐内贮存。过程进行的好坏、动力消耗及设备的投资都与流体的流动状态密切相关。在化工生产中，有以下几个主要方面经常要应用流体流动的基本原理及其流动规律。第一节概述一、流体的输送欲将流体沿管道进行输送，需选择适宜的流动速度，以确定输送管路的直径。在流体的输送过程中，常常要采用输送设备，因此需要确定流体在流动过程中应加入的外功，为选用输送设备提供依据。这些都要应用流体流动的规律进行分析和计算。二、压力、流速和流量的测量为了了解和控制生产过程，需要测定管路或设备内的压力、流速及流量等参数，以便合理地选用和安装测量仪表。而这些测量仪表的工作原理又多以流体的静止或流动规律为依据。第二节流体静力学一、流体的压缩性流体的特征是分子之间的内聚力极小，几乎有无限的流动性，而且可以几乎毫无阻力地将其形状改变。当流速低于声速时，气体和液体的流动具有相同的规律。一般说来，液体的形状与容器相同，具有一定的自由表面，其体积几乎不随压强和温度而改变。与之相反，气体的形状与容器完全相同，完全充满整个容器，其体积随压强和温度的变化而有明显改变。流体的体积随压强和温度而变的这个性质，称为流体的压缩性。第二节流体静力学一般说来，液体的形状与容器相同，具有一定的自由表面，其体积几乎不随压强和温度而改变。与之相反，气体的形状与容器完全相同，完全充满整个容器，其体积随压强和温度的变化而有明显改变。流体的体积随压强和温度而变的这个性质，称为流体的压缩性。实际流体都是可压缩性流体。但是，液体由温度、压力引起的体积变化极小，工程上可按不可压缩性流体考虑。气体具有较大的压缩性，但在压力变化很小的流动状态下，也可以当作不可压缩性流体处理。在流体力学中，为了研究许多有关液体静止或运动状态的理论，引入了实际不存在的理想液体的概念。理想液体的体积绝对不随压强和温度的变化而改变，在流动时分子之间没有摩擦力。高温、低压下的实际气体接近于理想气体，所以通常可用理想气体状态方程式来计算。第二节流体静力学二、流体的主要物理量1．密度、相对密度和比体积（1）密度单位体积流体所具有的质量，称为流体的密度。其表达式为（1-1）——流体的密度，㎏/m3；——流体的质量，㎏；——流体的体积，m3。第二节流体静力学①气体的密度气体是可压缩性流体，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。从手册中查得的气体密度往往是某一指定条件下的数值，这就需要将查得的密度换算成操作条件下的密度。一般当压强不太高、温度不太低时，也可按理想气体来处理。结果为：第二节流体静力学（1-2）———气体的绝对压力，kPa；——气体的千摩尔质量，kg/kmol；——气体的热力学温度，K；——通用气体常数，8.314kJ/（kmol·K）；下标0表示标准状态，即273K、101.3kPa。任何气体的R值均相同。的数值，随所用P、V、T等的单位不同而异。选用R值时，应注意其单位。第二节流体静力学用式（1-2）计算混合气体的密度时，应以混合气体的平均千摩尔质量M均代替M。混合气体的平均摩尔质量M均可按下式求得M均=M1y1+M2y2+…+Mnyn式中M1、M2…Mn——气体混合物中各组分的千摩尔质量，kg/kmol；y1、y2…yn——气体混合物中各组分的摩尔分数。②液体的密度液体的密度一般用实验方法测定。工业上测定液体密度最简单的方法使用比重计。各种液体的密度数据，可从有关手册中查到。本书附录中列有某些液体的密度，供练习查用。第二节流体静力学混合液体的密度的准确值要用实验方法求得。如液体混合时，体积变化不大，则混合液体密度的近似值可由下式求得：（1-3）——液体混合液的密度；——混合液中各纯组分的密度；——混合液中各纯组分的质量分数。（2）相对密度相对密度为流体密度与4℃时水的密度之比，用符号表示，习惯称为比重。即（1-4）式中——液体在t℃时的密度；——水在4℃时的密度。由上式可知，相对密度是一个比值，没有单位。因为水在4℃时的密度为1000㎏/m3，所以，即将相对密度值乘以1000即得该液体的密度，㎏/m3。204d水204d204d水d1000第二节流体静力学（3）比体积单位质量流体所具有的体积称为流体的比体积，用符号表示，习惯称为比容。显然，比体积就是密度的倒数，其单位为m3/㎏。表达式为（1-5）上述这些物理量是表明流体的质量与体积的换算关系。如果已知流体的质量及密度（或相对密度、比容），即可求得流体的体积。反之亦然。1mVvvv第二节流体静力学2．压强（压力）（1）压强的定义流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体压力强度，亦称为流体静压强，简称压强（工程上习惯称为压力）。用符号表示压强，表示面积，为流体垂直作用与面积上的力。则压强（1-6）式中——作用在该表面上的压力，N/m2，即Pa；——垂直作用于表面的力，N；——作用面的面积，m2。pAFAFppAF第二节流体静力学（2）压强的单位及其换算在SI中，压力的法定计量单位是Pa(帕)或N/m2，工程上常使用MPa（兆帕）作为压力的计量单位。在工程单位制中，压力的单位是at(工程大气压)或kgf/cm2。其它常用的压力表示方法还有如下几种：标准大气压（物理大气压），atm；米水柱，m-H2O；毫米汞柱，mmHg；毫米水柱，mmH2O（流体处于低压状态时常用）。各种压力单位的换算关系如下：1atm=101.3kPa=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O1at=98.1kPa=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O第二节流体静力学实际生产中还经常采用以某液体的液柱高度表示流体压力的方法。它的原理是作用在液柱单位底面积上的液体重力。设为液柱高度，为液柱的底面积，为液体的密度，则由液柱高度所表示的流体压强为（1-7）由此可见,流体液柱的压强等于液柱高度乘以液体的密度和重力加速度。如果已知流体的压强为，密度为，与它相当的液柱高度可由下式求得ghpgph第二节流体静力学所以，用液柱高度表示液体的压强时，必须注明流体的名称及温度，才能确定液体的密度，否则即失去了表示压强的意义。（3）压力的表达方式压力在实际应用中可有三种表达方式：绝压、表压和真空度。①绝对压强（简称绝压）是指流体的真实压强。更准确地说，它是以绝对真空为基准测得的流体压强。②表压强（简称表压）是指工程上用测压仪表以当时、当地大气压强为基准测得的流体表压=绝对压强－（外界）大气压强③真空度当被测流体内的绝对压强小于当地（外界）大气压强时，使用真空表进行测量时真空表上的读数称为真空度。即真空度=（外界）大气压强－绝对压强第二节流体静力学在这种条件下，真空度值相当于负的表压值。图1-1绝对压强、表压和真空度的关系因此，由压力表或真空表上得出的读数必须根据当时、当地的大气压强进行校正，才能得到测点的绝对压。绝对压强、表压强与真空度之间的关系，可以用图1-1表示。为了避免绝对压强、表压与真空度三者关系混淆，在以后的讨论中规定，对表压和真空度均加以标注，如2000Pa（表压）、600mmHg（真空度）。如果没有注明，即为绝压。第二节流体静力学图1-1绝对压强、表压和真空度的关系第二节流体静力学三、流体静力学基本方程式1、流体静力学基本方程式的形成静止的流体是在重力和压力的作用下达到静力平衡，因而处于相对静止状态。由于重力就是地心引力，可以看作是不变的，起变化的是压力。用以表述静止流体内部压力变化规律的公式就是流体静力学基本方程式。此方程的导出方法如下：如图1-2所示，敞口容器内盛有密度为的静止流体，液面上方受外压强的作用（当容器敞口时，即为外界大气压强）。取任意一个垂直流体液柱，上下底面积均为Am2。任意选取一个水平面作为基准水平面，今选用容器底面积为基本水平面。并设液柱上、下底与基准面的垂直距离分别为和ｍ。作用在上、下端面上并指向此两端面的压强分别为和在重力场中，该液柱在垂直方向上受到的作用力有0p1Z2Z1p2p0p第二节流体静力学（1）作用在液柱上端面上的总压力(方向向下)（2）作用在液柱下端面上的总压力（方向向上）（3）作用于整个液柱的重力G（方向向下）由于液柱处于静止状态，在垂直方向上的三个作用力的力为零，即整理上式得（1-8）ApP11ApP2221ZZgAG02211ApZZgAApghpp12第二节流体静力学式中为液柱的高度，m。若将液柱上端取在液面，并设液面上方的压强为，液柱高度为，则式(1-8)可改成为（1-9）式(1-8)和（1-9）均称为流体静力学基本方程式，它表明了静止流体内部压力变化的规律。2、静力学基本方程的讨论（1）在静止的液体中，液体任一点的压力与液体密度和其深度有关。液体密度越大，深度越大，则该点的压力越大。（2）在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压力均相等。此压力相等的截面称为等压面。21ZZhghpp02第二节流体静力学(3)当液体上方的压力或液体内部任一点的压力有变化时，液体内部各点的压力也发生同样大小的变化。热力学基本方程式是以液体为例推导出来的，也适用于气体。因在化工容器中，气体的密度也可认为是常数。值得注意的是，静力学基本方程式只能用于静止的连通着的同一种流体内部，因为他们是根据静止的同一种连续的液柱导出的。3、静力学基本方程的应用流体静力学基本方程在化工生产过程中应用广泛，通常用于测量流体的压力或压差、液体的液位高度等。1p2p第二节流体静力学（1）测量流体的压力或压差①U管压差计U管压差计的结构如图1-3所示，系由两端开口的U形玻璃管，中间配有读数标尺所构成。使用时管内装有指示液，指示液要与被测流体不互溶，不起化学作用，且其密度应大于被测流体的密度。通常采用的指示液有：水、油、四氯化碳或汞等。图1-3所示，当U管压差计两支管分别与管路（或设备）中两个不同压力的测压口相连接，流体即进入两支管内，指示液的上面为流体所充满。设流体作用在两支管口的压力为和，且＞，则必使左支管内的指示液面下降，而右支管内的指示液液面上升，稳定时显示出读数，由读数可求出U管两端的流体压差（）。指21pp1p2p1p2pR第二节流体静力学在图1-3中，水平面A-B以下的管内都是指示液，设A-B液面上作用的压力分别为和，因为在相同流体的同一水平面上，所以与应相等。即：根据流体静力学基本方程式分别对U管左侧和U管右侧进行计算、整理得（1-10）由式1-10可知，压差（）只与指示液的位差读数R及指示液同被测流体的密度差有关。若被测流体是气体，气体的密度比液体的密度小得多，即，于是上式可简化为ApBpBAppRgpp指2121pp指指第二节流体静力学图1-3U形管液柱压强计第二节流体静力学（1-11）式1-10或1-11为用U管压差计测压力差的计算式。如果要测量某处的表压或真空度也很方便，只需将U管压差计的一端与所测的部位相接，另一端与大气相通即可。图1-4表示用U管压差计测量容器表压的情况，此时U管压差计指示液的液面与测压口相连的一端液面低，与大气相通的一端液面高。读数值即为表压。图1-5表示用U管压差计测量容器负压的情况，此时U管压差计指示液的液面与测压口相连的一端液面高，与大气相通的一端液面低。读数值即为真空度。Rgpp指21第二节流体静力学图1-4测量表压图1-5测量真空度第二节流体静力学U管压差计所测压差或压力一般在1大气压的范围内。其特点是：构造简单，测压准确，价格便宜。但玻璃管易碎，不耐高压，测量范围狭小，读数不便。通常用于测量较低的表压、真空度或压差。U管微压计②微差压差计由式（1-10）可以看出，若