化工原理--流体流动概述

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1、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

2、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

3、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

4、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,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

5、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，8.314 kJ/（kmolK）； 下标0表示标准状态，即273 K、101.3 kPa。 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= M1y 1+M2y2 + + Mnyn 式中M

6、1、M2Mn气体混合物中各组分的千摩尔质量，kg/kmol ； y 1、 y2 yn气体混合物中各组分的摩尔分数。 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

7、 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。,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。,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

8、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。,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

9、算关系如下： 1 atm=101.3 kPa=1.033 kgf/cm2 =760mmHg =10.33mH2O 1 at=98.1kPa=1kgf/cm2=735.6 mmHg =10 mH2O,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,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

10、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。 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。 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 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

11、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

12、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 。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,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

13、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）,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。,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

14、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。,第二节 流体静力学,（1）测量流体的压力或压差 U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

15、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（ ）。,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,第二节 流体静力学,图 1-3 U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