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1、化工原理化工原理第一章第一章 流體流動(dòng)流體流動(dòng)第一節(jié) 概述 流體是指具有流動(dòng)性的物體，包括液體和氣體。研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)宏觀規(guī)律的科學(xué)稱為流體力學(xué)。流體力學(xué)分為流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)?；どa(chǎn)中所處理的原料、中間體和產(chǎn)品，大多數(shù)是流體。按生產(chǎn)工藝要求，制造產(chǎn)品時(shí)往往把它們依次輸送到各設(shè)備內(nèi)，進(jìn)行藥物反應(yīng)或物理變化，制成的產(chǎn)品又常需要輸送到貯罐內(nèi)貯存。過(guò)程進(jìn)行的好壞、動(dòng)力消耗及設(shè)備的投資都與流體的流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。在化工生產(chǎn)中，有以下幾個(gè)主要方面經(jīng)常要應(yīng)用流體流動(dòng)的基本原理及其流動(dòng)規(guī)律。第一節(jié) 概述 一、流體的輸送 欲將流體沿管道進(jìn)行輸送，需選擇適宜的流動(dòng)速度，以確定輸送管路的直徑。在流體的輸送

2、過(guò)程中，常常要采用輸送設(shè)備，因此需要確定流體在流動(dòng)過(guò)程中應(yīng)加入的外功，為選用輸送設(shè)備提供依據(jù)。這些都要應(yīng)用流體流動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行分析和計(jì)算。二、壓力、流速和流量的測(cè)量為了了解和控制生產(chǎn)過(guò)程，需要測(cè)定管路或設(shè)備內(nèi)的壓力、流速及流量等參數(shù)，以便合理地選用和安裝測(cè)量?jī)x表。而這些測(cè)量?jī)x表的工作原理又多以流體的靜止或流動(dòng)規(guī)律為依據(jù)。第二節(jié) 流體靜力學(xué) 一、流體的壓縮性 流體的特征是分子之間的內(nèi)聚力極小，幾乎有無(wú)限的流動(dòng)性，而且可以幾乎毫無(wú)阻力地將其形狀改變。當(dāng)流速低于聲速時(shí)，氣體和液體的流動(dòng)具有相同的規(guī)律。一般說(shuō)來(lái)，液體的形狀與容器相同，具有一定的自由表面，其體積幾乎不隨壓強(qiáng)和溫度而改變。與之相反，氣體的形

3、狀與容器完全相同，完全充滿整個(gè)容器，其體積隨壓強(qiáng)和溫度的變化而有明顯改變。流體的體積隨壓強(qiáng)和溫度而變的這個(gè)性質(zhì)，稱為流體的壓縮性。第二節(jié) 流體靜力學(xué)一般說(shuō)來(lái)，液體的形狀與容器相同，具有一定的自由表面，其體積幾乎不隨壓強(qiáng)和溫度而改變。與之相反，氣體的形狀與容器完全相同，完全充滿整個(gè)容器，其體積隨壓強(qiáng)和溫度的變化而有明顯改變。流體的體積隨壓強(qiáng)和溫度而變的這個(gè)性質(zhì)，稱為流體的壓縮性。實(shí)際流體都是可壓縮性流體。但是，液體由溫度、壓力引起的體積變化極小，工程上可按不可壓縮性流體考慮。氣體具有較大的壓縮性，但在壓力變化很小的流動(dòng)狀態(tài)下，也可以當(dāng)作不可壓縮性流體處理。在流體力學(xué)中，為了研究許多有關(guān)液體靜止或

4、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的理論，引入了實(shí)際不存在的理想液體的概念。理想液體的體積絕對(duì)不隨壓強(qiáng)和溫度的變化而改變，在流動(dòng)時(shí)分子之間沒(méi)有摩擦力。高溫、低壓下的實(shí)際氣體接近于理想氣體，所以通?？捎美硐霘怏w狀態(tài)方程式來(lái)計(jì)算。第二節(jié) 流體靜力學(xué)二、流體的主要物理量 1密度、相對(duì)密度和比體積（1）密度 單位體積流體所具有的質(zhì)量，稱為流體的密度。其表達(dá)式為（1-1）流體的密度，/m3；流體的質(zhì)量，；流體的體積，m3。第二節(jié) 流體靜力學(xué) 氣體的密度 氣體是可壓縮性流體，其密度隨壓強(qiáng)和溫度而變化。因此氣體的密度必須標(biāo)明其狀態(tài)。從手冊(cè)中查得的氣體密度往往是某一指定條件下的數(shù)值，這就需要將查得的密度換算成操作條件下的密度。一般當(dāng)壓

5、強(qiáng)不太高、溫度不太低時(shí)，也可按理想氣體來(lái)處理。結(jié)果為：第二節(jié) 流體靜力學(xué)（1-2）氣體的絕對(duì)壓力，kPa；氣體的千摩爾質(zhì)量，kg/kmol；氣體的熱力學(xué)溫度，K；通用氣體常數(shù)，8.314 kJ/（kmolK）；下標(biāo)0表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即273 K、101.3 kPa。任何氣體的R值均相同。的數(shù)值，隨所用P、V、T等的單位不同而異。選用R值時(shí)，應(yīng)注意其單位。第二節(jié) 流體靜力學(xué) 用式（12）計(jì)算混合氣體的密度時(shí)，應(yīng)以混合氣體的平均千摩爾質(zhì)量M均代替M。混合氣體的平均摩爾質(zhì)量M均可按下式求得M均=M1y1+M2y2+Mnyn 式中M1、M2Mn氣體混合物中各組分的千摩爾質(zhì)量，kg/kmol；y 1、y2

6、 yn氣體混合物中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)。液體的密度 液體的密度一般用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。工業(yè)上測(cè)定液體密度最簡(jiǎn)單的方法使用比重計(jì)。各種液體的密度數(shù)據(jù)，可從有關(guān)手冊(cè)中查到。本書(shū)附錄中列有某些液體的密度，供練習(xí)查用。第二節(jié) 流體靜力學(xué) 混合液體的密度的準(zhǔn)確值要用實(shí)驗(yàn)方法求得。如液體混合時(shí)，體積變化不大，則混合液體密度的近似值可由下式求得：（1-3）液體混合液的密度；混合液中各純組分的密度；混合液中各純組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。（2）相對(duì)密度 相對(duì)密度為流體密度與4時(shí)水的密度之比，用符號(hào) 表示，習(xí)慣稱為比重。即 （1-4）式中 液體在t時(shí)的密度；水在4時(shí)的密度。由上式可知，相對(duì)密度是一個(gè)比值，沒(méi)有單位。因?yàn)樗?時(shí)的密

7、度為1000/m3，所以，即將相對(duì)密度值乘以1000即得該液體的密度，/m3。第二節(jié) 流體靜力學(xué) （3）比體積 單位質(zhì)量流體所具有的體積稱為流體的比體積，用符號(hào) 表示，習(xí)慣稱為比容。顯然，比體積就是密度的倒數(shù)，其單位為m3/。表達(dá)式為 （1-5）上述這些物理量是表明流體的質(zhì)量與體積的換算關(guān)系。如果已知流體的質(zhì)量及密度（或相對(duì)密度、比容），即可求得流體的體積。反之亦然。第二節(jié) 流體靜力學(xué) 2壓強(qiáng)（壓力）（1）壓強(qiáng)的定義 流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體壓力強(qiáng)度，亦稱為流體靜壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱壓強(qiáng)（工程上習(xí)慣稱為壓力）。用符號(hào) 表示壓強(qiáng)，表示面積，為流體垂直作用與面積上的力。則壓強(qiáng) （1-6）式中

8、作用在該表面上的壓力，N/m2，即Pa；垂直作用于表面的力，N；作用面的面積，m2。第二節(jié) 流體靜力學(xué)（2）壓強(qiáng)的單位及其換算 在SI中，壓力的法定計(jì)量單位是 Pa(帕)或N/m2，工程上常使用MPa（兆帕）作為壓力的計(jì)量單位。在工程單位制中，壓力的單位是at(工程大氣壓)或kgf/cm2。其它常用的壓力表示方法還有如下幾種：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（物理大氣壓），atm；米水柱，m-H2O；毫米汞柱，mmHg；毫米水柱，mmH2O（流體處于低壓狀態(tài)時(shí)常用）。各種壓力單位的換算關(guān)系如下：1 atm=101.3 kPa=1.033 kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O 1 at=98.1kPa=

9、1kgf/cm2=735.6 mmHg=10 mH2O 第二節(jié) 流體靜力學(xué) 實(shí)際生產(chǎn)中還經(jīng)常采用以某液體的液柱高度表示流體壓力的方法。它的原理是作用在液柱單位底面積上的液體重力。設(shè)為液柱高度，為液柱的底面積，為液體的密度，則由液柱高度所表示的流體壓強(qiáng)為 （1-7）由此可見(jiàn),流體液柱的壓強(qiáng)等于液柱高度乘以液體的密度和重力加速度。如果已知流體的壓強(qiáng)為，密度為，與它相當(dāng)?shù)囊褐叨瓤捎上率角蟮玫诙?jié) 流體靜力學(xué) 所以，用液柱高度表示液體的壓強(qiáng)時(shí)，必須注明流體的名稱及溫度，才能確定液體的密度，否則即失去了表示壓強(qiáng)的意義。（3）壓力的表達(dá)方式 壓力在實(shí)際應(yīng)用中可有三種表達(dá)方式：絕壓、表壓和真空度。絕對(duì)壓強(qiáng)

10、（簡(jiǎn)稱絕壓）是指流體的真實(shí)壓強(qiáng)。更準(zhǔn)確地說(shuō)，它是以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測(cè)得的流體壓強(qiáng)。表壓強(qiáng)（簡(jiǎn)稱表壓）是指工程上用測(cè)壓儀表以當(dāng)時(shí)、當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為基準(zhǔn)測(cè)得的流體 表壓=絕對(duì)壓強(qiáng)（外界）大氣壓強(qiáng) 真空度當(dāng)被測(cè)流體內(nèi)的絕對(duì)壓強(qiáng)小于當(dāng)?shù)兀ㄍ饨纾┐髿鈮簭?qiáng)時(shí)，使用真空表進(jìn)行測(cè)量時(shí)真空表上的讀數(shù)稱為真空度。即真空度=（外界）大氣壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng)第二節(jié) 流體靜力學(xué) 在這種條件下，真空度值相當(dāng)于負(fù)的表壓值。圖1-1 絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓和真空度的關(guān)系 因此，由壓力表或真空表上得出的讀數(shù)必須根據(jù)當(dāng)時(shí)、當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)進(jìn)行校正，才能得到測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)壓。絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)與真空度之間的關(guān)系，可以用圖1-1表示。為了避免絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓與真

11、空度三者關(guān)系混淆，在以后的討論中規(guī)定，對(duì)表壓和真空度均加以標(biāo)注，如2000Pa（表壓）、600mmHg（真空度）。如果沒(méi)有注明，即為絕壓。第二節(jié) 流體靜力學(xué)圖1-1 絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓和真空度的關(guān)系 第二節(jié) 流體靜力學(xué) 三、流體靜力學(xué)基本方程式 1、流體靜力學(xué)基本方程式的形成 靜止的流體是在重力和壓力的作用下達(dá)到靜力平衡，因而處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。由于重力就是地心引力，可以看作是不變的，起變化的是壓力。用以表述靜止流體內(nèi)部壓力變化規(guī)律的公式就是流體靜力學(xué)基本方程式。此方程的導(dǎo)出方法如下：如圖1-2所示，敞口容器內(nèi)盛有密度為 的靜止流體，液面上方受外壓強(qiáng) 的作用（當(dāng)容器敞口時(shí)，即為外界大氣壓強(qiáng)）。取任意

12、一個(gè)垂直流體液柱，上下底面積均為Am2。任意選取一個(gè)水平面作為基準(zhǔn)水平面，今選用容器底面積為基本水平面。并設(shè)液柱上、下底與基準(zhǔn)面的垂直距離分別 為和 。作用在上、下端面上并指向此兩端面的壓強(qiáng)分別為 和 在重力場(chǎng)中，該液柱在垂直方向上受到的作用力有 第二節(jié) 流體靜力學(xué)（1）作用在液柱上端面上的總壓力 (方向向下)（2）作用在液柱下端面上的總壓力 （方向向上）（3）作用于整個(gè)液柱的重力G （方向向下）由于液柱處于靜止?fàn)顟B(tài)，在垂直方向上的三個(gè)作用力的力為零，即 整理上式得 （1-8）第二節(jié) 流體靜力學(xué) 式中 為液柱的高度，m。若將液柱上端取在液面，并設(shè)液面上方的壓強(qiáng)為，液柱高度為，則式(1-8)可改

13、成為 （1-9）式(1-8)和（1-9）均稱為流體靜力學(xué)基本方程式，它表明了靜止流體內(nèi)部壓力變化的規(guī)律。2、靜力學(xué)基本方程的討論 （1）在靜止的液體中，液體任一點(diǎn)的壓力與液體密度和其深度有關(guān)。液體密度越大，深度越大，則該點(diǎn)的壓力越大。（2）在靜止的、連續(xù)的同一液體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)的壓力均相等。此壓力相等的截面稱為等壓面。第二節(jié) 流體靜力學(xué) (3)當(dāng)液體上方的壓力或液體內(nèi)部任一點(diǎn)的壓力 有變化時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力 也發(fā)生同樣大小的變化。熱力學(xué)基本方程式是以液體為例推導(dǎo)出來(lái)的，也適用于氣體。因在化工容器中，氣體的密度也可認(rèn)為是常數(shù)。值得注意的是，靜力學(xué)基本方程式只能用于靜止的連通著的同一

14、種流體內(nèi)部，因?yàn)樗麄兪歉鶕?jù)靜止的同一種連續(xù)的液柱導(dǎo)出的。3、靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用 流體靜力學(xué)基本方程在化工生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用廣泛，通常用于測(cè)量流體的壓力或壓差、液體的液位高度等。第二節(jié) 流體靜力學(xué) （1）測(cè)量流體的壓力或壓差 U管壓差計(jì) U管壓差計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，系由兩端開(kāi)口的U形玻璃管，中間配有讀數(shù)標(biāo)尺所構(gòu)成。使用時(shí)管內(nèi)裝有指示液，指示液要與被測(cè)流體不互溶，不起化學(xué)作用，且其密度 應(yīng)大于被測(cè)流體的密度 。通常采用的指示液有：水、油、四氯化碳或汞等。圖1-3所示，當(dāng)U管壓差計(jì)兩支管分別與管路（或設(shè)備）中兩個(gè)不同壓力的測(cè)壓口相連接，流體即進(jìn)入兩支管內(nèi)，指示液的上面為流體所充滿。設(shè)流體作用在兩支

15、管口的壓力為 和 ，且 ，則必使左支管內(nèi)的指示液面下降，而右支管內(nèi)的指示液液面上升，穩(wěn)定時(shí)顯示出讀數(shù)，由讀數(shù) 可求出U管兩端的流體壓差（）。第二節(jié) 流體靜力學(xué) 在圖1-3中，水平面A-B以下的管內(nèi)都是指示液，設(shè)A-B液面上作用的壓力分別為 和 ，因?yàn)樵谙嗤黧w的同一水平面上，所以與應(yīng)相等。即：根據(jù)流體靜力學(xué)基本方程式分別對(duì)U管左側(cè)和U管右側(cè)進(jìn)行計(jì)算、整理得 （1-10）由式1-10可知，壓差（）只與指示液的位差讀數(shù)R及指示液同被測(cè)流體的密度差有關(guān)。若被測(cè)流體是氣體，氣體的密度比液體的密度小得多，即 ，于是上式可簡(jiǎn)化為 第二節(jié) 流體靜力學(xué) 圖 1-3 U形管液柱壓強(qiáng)計(jì)第二節(jié) 流體靜力學(xué) （1-1

16、1）式1-10或1-11為用U管壓差計(jì)測(cè)壓力差的計(jì)算式。如果要測(cè)量某處的表壓或真空度也很方便，只需將U管壓差計(jì)的一端與所測(cè)的部位相接，另一端與大氣相通即可。圖1-4表示用U管壓差計(jì)測(cè)量容器表壓的情況，此時(shí)U管壓差計(jì)指示液的液面與測(cè)壓口相連的一端液面低，與大氣相通的一端液面高。讀數(shù)值即為表壓。圖1-5表示用U管壓差計(jì)測(cè)量容器負(fù)壓的情況，此時(shí)U管壓差計(jì)指示液的液面與測(cè)壓口相連的一端液面高，與大氣相通的一端液面低。讀數(shù)值即為真空度。第二節(jié) 流體靜力學(xué)圖 1-4 測(cè)量表壓 圖 1-5 測(cè)量真空度第二節(jié) 流體靜力學(xué)U管壓差計(jì)所測(cè)壓差或壓力一般在1大氣壓的范圍內(nèi)。其特點(diǎn)是：構(gòu)造簡(jiǎn)單，測(cè)壓準(zhǔn)確，價(jià)格便宜。但玻璃管易碎，不耐高壓，測(cè)量范圍狹小，讀數(shù)不便。通常用于測(cè)量較低的表壓、真空度或壓差。U管微壓計(jì) 微差壓差計(jì)由式（110）可以看出，若所測(cè)量的壓力差很小，U管壓差計(jì)的讀數(shù)R也就很小，有時(shí)難以準(zhǔn)確讀出R值。為了把讀數(shù)R放大，除了在選用指示液時(shí)，盡可能地使其密度與被測(cè)流體的密度相接近外，還可采用如圖1-6所示的微差壓差計(jì)。第二節(jié) 流體靜力學(xué) 其特點(diǎn)是：壓差計(jì)內(nèi)裝有兩種密度相近、且互不相溶的指示液A和B，