工科化工原理第一章流体流动

第一章流体流动重点：流体流动的能量衡算、管路各种计算、输送设备选择难点：复杂过程的管路计算前言：1.讨论前提：液体和气体；2.中心问题为：满足生产要求流体输送设备如何选择？3.相关问题为：管路尺寸如何定？压强、流量、流速如何测量？为强化设备操作如何选择适宜的流动条件等4.内容（1）流体静止时的规律（1基本概念、§2静力学方程）（2）流体流动时的规律（§3物料衡算和能量衡算）（3）确定能量衡算公式中相关项以解决所求主要问题（§4、§5）（4）能量衡算式的工业应用（管路计算§6、流量测量§7）5.综合知识在实际生活中的应用§1基本概念、§2流体静力学基本方程重点：1.基本概念2.流体静力学方程难点：流体静力学方程的灵活应用前言：1.静力学方程：研究流体静止时所受各种力之间关系2.影响静止受力的因素：密度、压强3.内容：密度、压强、各种力关系即方程、方程应用一.流体的密度1.定义：单位体积流体所具有的质量。2.表示：ρ=m/V[kg/m3]3.影响密度的因素：液体ρ=f(T),不考虑P的影响。气体ρ=f(P.T)，理气PV=nRT=(m/M)RT则ρ=PM/（RT）、实际气体需效正（据受力分析）4.密度数值的获取：纯组分：查手册（直接或间接得）；混合体系：用经验式气体：方法Ⅰ:mix=RTMPM=niMiZi1Zi----i组分体积分数方法Ⅱmix=ni1iyiyi----i组分的摩尔分数液体mix1=niiix1xi-----I组分的质量分数[推倒：mix=ni1iyimmix=m1+m2mixV=1V1+2V2即mixvmix=1vmixy1+2vmixy2+······mix=ni1iyi][推倒mix1=niiix1vmix=V1+V2+····mixm总=11m+22m（理想混合）则：mix1=mm总11+mm总22+····Rmix1=niiix1]例:已知炼焦煤气的组为:CO21.8%;C2H42%;O20.7%;CO6.5%;CH424%;H258%;N27%(V%),且已知273K和101.3KPa下各组分的密度为:ρCO2=1.976;ρC2H4=1.261;ρO2=1.429;ρCO=1.250;ρCH4=0.717;ρH2=0.899;ρN2=1.293.操作压力为103.9KPa;温度为298K.求操作条件下混合气体的密度]kg/[523.0557.03.1012732989.103]kg/[557.0%2261.1%8.1976.1::mm331mix实际标标标标实际实际实际实际实际实际标标标；则niiiyPTTPTPTPRMRMRTMP二.流体的静压强1.定义:单位面积受液体垂直作用力的大小称为压力(压强)(水平力的区别)2.表示:P=F/A[N/m2]3.工程中常用压强单位及换算:(1)常用单位:kgf/cm2;atm;mmHg;mH2O；m液柱(多用)(2)换算:1工程压力=1kgf/cm2=98.1KPa=735.6mmHg=10mH2O1atm=101.3KPa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf/cm2(3)说明:单位使用情况4.压强的表示方法:(1).绝对压强:以绝对零压(真空)为起点表示的压强;适用于体系压力大于大气压(2).表压强:以大气压为零点表示的压强;适用同（1）(3).真空度:以大气压与体系压强的差值表示的压强;适用于体系压力小于大气压三者的关系:绝对压强=大气压+表压强真空度=大气压–绝对压强注意:表示压强时需指出表示方法三.流体静力学基本方程1.静力学方程:流体静止时所受各种力的关系2.方程的推倒已知:如图:取小液柱PAP1\AZ1P2Z2受力分析:向下力=重力+小液柱上表面压力==mg+P1A向上力=液柱下表面压力=P2A液柱静止平衡时:P2A=P1A+mg=P1A+A(Z1-Z2)ρg整理:P2=P1+ρg(Z1-Z2)即Z1+P1/ρg=Z2+P2/ρg3.讨论:（1）.若Z1=Z2则P1/ρg=P2/ρg或P2=P1即液体体系中同一液体深度处各点压强相等（2）.若液柱取在液体表面,则Z0+P表/ρg=Z1+P1/ρgP1=P表+ρg(Z0-Z1)P1=P表+ρgh静止液体内,任意一处的压强与流体的深度有关.（3）.因Z1+P1/ρg=Z2+P2/ρg=Z3+P3/ρg=….指定流体体系,各点处高度与P/ρg之和为一常数（4）.上式同样适用于气体（5）.启示a.流体流动时的方程中也应含上述两项.(因静止为运动的特殊情况)b.流体的静压强(静压能)可用高度单位表示四.流体静力学基本方程式的应用1.压强与压强差的测量（1）U形管压力计A..结构:可视U形管和指示液对液体的要求:不与被测系统中的流体互溶或反应;密度要远远大于被测流体的密度.一般测定液体用Hg或CCL4;测气体用带色的水B.材质:玻璃或透明管状聚合物C.用途:测定体系中某点的压力或两点的压差D.原理:静力学方程例1:测某点的压力:PAh1h2BCρ1Pρ根据静力学方程得PB=PC即PA+ρgh1=P+ρ1gh2则PA=P+ρ1gh2-ρgh1例2:测定两点的压差ρABh2bh1aρ1因Pa=Pb故PA+ρg(h2-h1)=PB+ρgh2+ρ1gh1则:PA-PB=(ρ1-ρ)gh1E.适用:各种流体ABρ1hHA1B1ρ2（2）微差压差计A.结构B.材质C.用途D.原理:PA1=PB1PA+ρ1gH=PB+ρ1g(H-h)+ρ2gh则:PA-PB=(ρ2-ρ1)ghE.适用范围:测定压力差较小的体系（3）倾斜液柱压差计（略）说明：测量压强的仪表很多，以上只介绍的是以流体静力学为原理的测压仪表ba例1:把密度为1000[kg/m3]溶液由地面罐送到距离地面18m的高位槽中,(1)能否用真空泵抽吸?(2)若用正压压送地面配料罐内的表压应为多少?(假设液体在管道中流动无阻力)抽空（P0）18P0（P正压）液液解(1)用真空法时方法Ⅰ若为水最大吸上高度为10.33m故不行方法Ⅱ用静力学方程P0=P余压+ρgh则h=(P0-P余压)/ρg当P余压=0时真空度最大此时h=P0/ρg=101325/(1000X9.8)=10.33(2)用正压压送时P绝压=P0+ρghP表压=P绝压-P0=ρgh=1000X9.8X18=1.77X105Pa例2:如图为用U型管压力计测定反应器内的压力.100mmHg100mmHg在图(1_左)中,釜内的表压和绝对压力各为多少?在图(2_右)中,釜内的真空度和余压各为多少?解.(1)P绝压=P0+100=760+100=860mmHgP表压=P绝压-P0=100mmHg(2)P余压+100=P0则:P余压=660mmHgP真空=P0-P余压=760-660=100mmHg2.液位的测量(1)用途：用于指示体系内的液面高度(2)结构：一根可视直管(3)指示原理：静力学方程（例储罐高位槽等）3.液封高度的计算(1)用途：用液体封住气体(2)结构：多(3)指示原理：静力学方程（例气柜、气体吸收塔等）作业：习题P76：1、3、5、6第三节流体流动的基本方程本节重点：1.流量、流速的概念及关系2.伯努力方程的各种表示形式本节难点：灵活应用伯努力方程解决实际问题前言1.分析：中心问题解决由能量衡算方程定/物料量（物料衡算）/流量和流速及流动形式（定态或非定态）2.内容(1)概念部分：流量和流速、定态流动和非定态流动(2)衡算部分：物料和能量衡算(3)应用部分：能量衡算方程一.流量和流速1.流量(1)定义:单位时间内流体流过设备某截面的量(2)表示:质量流量WS[kg/s][kg/h]体积流量VS[m3/s][m3/h]则：WS=VSρ2.流速（1）定义：单位时间内流体质点在设备内流经的距离（2）表示：υ=VS/A[m/s]对圆管υ=VS/[（п/4）d2、则d=（4VS/пυ）1/2（3）说明A..此处流速指平均流速，因同一截面各质点流速不同；B.不同流体常用的流速范围不同，以使操作费用最低和动力设备能承受原则：气体流速＞液体流速；低粘度流体流速＞高粘度流体流速；含固体流体流速＜不含固体流体的流速水的流速范围为：1---3m/s3.流量流速的应用：选择管路[补：管路常识：例如：d75X2.5单位为mm------《管路手册》例现安装流量为30m3/h的水管，请选择合适的管路解：取流速为1.8m/s，根据υ=VS/A得77mm0.077md43600308.12d查P359表选d89X4.5的管路则6m/s.108.043600302v实际二.定态流动和非定态流动1.定态流动：任意一截面上流体的各种参数，包括物理性质和操作条件不随时间变化.例如：连续生产2.非定态流动：任意一截面上流体的各种参数有一者随时间发生改变，则为非稳态流动例如：实验室的一般小试操作，工业生产的开、停车等。三.连续性方程（物料衡算）1.化工生产中流体在设备中流动情况:复杂2.物料衡算范围:（1）微分段用于公式推导（2）单个设备:用于操作单元的理论计算（3）以某一设备为中心的一段范围:用于动力设备的计算（4）以几个、一组、全部设备进行衡算:用于经济核算3.物料衡算原理-----质量守恒定律231123因m1=m2=m3=…则VS1ρ1=VS2ρ2=VS3ρ3……若为液体VS1ρ=VS2ρ=VS3ρ若为液体且在圆管中流动A1υ1ρ=A2υ2ρ=A3υ3ρ即A1/A2=υ2/υ1或d12/d22=υ2/υ1例:在ø76X3的钢管中流动的气体,绝对压强为100KPa,若该气体温度不变,加压到500KPa(表压)后,在另一支钢管中流动,气体的质量流量不变,要求流速变化很小，试选择细钢管的直径.解:分析:衡算范围:一设备为中心的一段范围1212P1=100KPaP2=600Ø1=76X3Ø2=？机据连续性方程:A1ν1ρ1=A2ν2ρ2又因:ν1=ν2则:A1ρ1=A2ρ2d12/d22=ρ2/ρ1d2=[(d12ρ1/ρ2]1/2对气体ρ=(PM)/(RT)则:ρ1/ρ2=P1/P2=1/6故d=【0.072X(1/6)】1/2=0.0286m查管路手册选:ø38.5X5或ø38X4.5四.能量衡算方程1.流动系统的总能量衡算（1）流体流动的实质分析例1:见图1流体可流动的原因为:1122图1液体釜2211图2泵液A液BBBB因Z1＞Z2,则1-1截面的势能比2-2截面的大。则流动的原因是位能部分转化为动能.例2:见图2泵输入能量使液体的位能增加.故:流动过程是一个不同形式能量转化的过程（2）流体流动过程的能量形式A.位能(势能):因流体本身重力而落至基准面(相对)时对外所做的功.位能=mgZB.动能:流体因流动(具有一定的速度)而具有的能量;动能=(1/2)mν2C.静压能:流体处于外压时可向外做功的能力静压能=PV=mPν（其中ν为比容）D.内能:因分子振动、扭动、转动等微观运动而具有的能量内能=mUU=f(T)E.衡算范围内与外界进行的能量交换交换能=QemF.衡算范围内由外界加入的功（泵）加入功=Wem（3）总能量衡算式则以1kg流体为基准的能量衡算式为22Z211Z12液A液BBBBU1+gZ1+(1/2)V12+P1ν1+Qe+We=U2+gZ2+(1/2)V22+P2ν22.流动系统的机械能衡算式与柏努力方程总能量衡算式中去除内能和热量项的公式gZ1+(1/2)V12+P1ν1+We=gZ2+(1/2)V22+P2ν2（1）机械能衡算式考虑流动中的摩擦阻力损失的总机械能衡算式为gZ1+(1/2)V12+P1ν1+We=gZ2+(1/2)V22+P2ν2+∑hf（2）柏努力方程狭义：理想流体且无外界功加入gZ1+(1/2)V12+P1ν1=gZ2+(1/2)V22+P2ν2广义：gZ1+(1/2)V12+P1ν1