化工基础3.1流体的基本性质91905

1、1化化 工工 基基 础础2复复 习习化工生产过程是由化工生产过程是由 一系列的一系列的_按一定的顺序所组成，在这按一定的顺序所组成，在这些单元中，有的主要是些单元中，有的主要是_作用作用, ,有的主要是有的主要是_变化。主变化。主要是要是_或或_的单元可归纳为传递过程。的单元可归纳为传递过程。化学工程中的传递过程包括化学工程中的传递过程包括_、_和和_。单元单元物理物理化学化学物理作用物理作用化学作用化学作用动量传递动量传递热量传递热量传递质量传递质量传递3流体流体没有固定形状没有固定形状,能够自由流动能够自由流动气体液体动量传递过动量传递过程程第三章第三章 流体流动过程及流体输送设备流体流动

2、过程及流体输送设备4流体的流动和输送在化工生产中占有非常重要的流体的流动和输送在化工生产中占有非常重要的地位地位,是必不可少的单元操作之一是必不可少的单元操作之一.5在生产中，对流体的流动与输送需要解决的问题：在生产中，对流体的流动与输送需要解决的问题： 输送流体所需管径尺寸的选择流体输送所需要的能量和设备的确定流体性能参数的测量和控制 研究流体的流动型态，为强化设备和操作提供理论依据 了解流体输送设备的工作原理和操作性能， 正确使用流体输送设备 6教学目的：教学目的：重点难点：重点难点：3.1 3.1 流体的基本性质流体的基本性质掌握流体有关的物理性质和流体静力学方程掌握流体有关的物理性质和

3、流体静力学方程流体的压强流体的压强流体的流速和流量流体的流速和流量流体的粘度流体的粘度流体静力学方程及其应用流体静力学方程及其应用71 1密度密度 单位体积流体的质量。用单位体积流体的质量。用 表示。表示。 国际单位用国际单位用kg/m3 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不可压缩性流体。此时，密度随温度而改变，在使用液体的密度时，要注意温度条件。 对于气体，密度随T、P改变很大，称为可压缩性流体可压缩性流体，此 时， tfptf,气体的密度必须标明其状态。8若对气体混合物密度进行计算：若对气体混合物密度进行计算：当不太高,T不太低时,可按理想气体处理RT

4、pMnnm2111由于各组分在混合前后质量不变，以1m3混合气体为基准 气体混合物中各组分的体积分率。 n21,在气体混合物的压力下各纯组分的密度，kg/m3。 n21,用体积分数来表示各组分的浓度用体积分数来表示各组分的浓度92.2.比体积比体积mV113kgm当混合前后体积变化不大时，以1g液体混合物为标准，其密度可由下式计算：nn22111对于液体混合物，各组分浓度以质量分数表示对于液体混合物，各组分浓度以质量分数表示比体积又称比容比体积又称比容 ，是指单位质量流体所具有的体积。，是指单位质量流体所具有的体积。103. 压力压力压力的定义 流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体垂直作用于

5、单位面积上的力，称为流体的压强流体的压强，简称简称压压强强。用用p表示表示，工程上习惯称之为工程上习惯称之为压力压力。数学表达式为： AFp SI制单位：N/m2，即Pa。（1）压力的单位）压力的单位其它常用单位有： atm（标准大气压）、工程大气压kgf/cm2、流体柱高度（mmH2O，mmHg等）。 11压强的单位：压强的单位：国际单位制国际单位制 Pa物理学物理学(cgs制制) atm、mmHg、mH2O等。工程单位制工程单位制 千克(力)/厘米2(kgfcm-2)工程大气压（at）工程技术上习用工程技术上习用:8:8公斤蒸汽，是指公斤蒸汽，是指8 8 kgfkgfcmcm-2-2( (

6、表压表压) )的饱和蒸汽；的饱和蒸汽； 反应釜有反应釜有5 5公斤压强，指公斤压强，指5 5 kgfkgfcmcm-2-2( (表压表压) )的压强。的压强。压强的单位换算压强的单位换算:1atm=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgfcm-21mmHg=0.133kPa 1mH2O=9.81kPa1kgfcm-2=98.1kPa液柱12AhPaghAghAAmgAFpgPhm液柱液柱NoteNote：h即为该流体在压力p作用下能上升的高度；同一p值,因不同流体的密度不同,其h值也不同， 用液柱高度表示流体的压力时，必须注明是何种流体何种流体，必要时还应注明温度

7、以确定流体的密度。ghghpBBAA设容器底面积为设容器底面积为A液柱高液柱高h，液体密度，液体密度 ，则液体作用在底面的，则液体作用在底面的力为力为F 等于液柱重量，作用在单位底面上的压力等于液柱重量，作用在单位底面上的压力当液体一定，当液体一定， 、g一定为常数，所以可用高度一定为常数，所以可用高度h的大小表示压力的大小表示压力P的大小的大小13（2）压强的不同种表示方法）压强的不同种表示方法绝对压力绝对压力：以真空为起点的压强称为绝对压力（强）。以真空为起点的压强称为绝对压力（强）。表压表压: :以当时当地大气压为起点的压强。以当时当地大气压为起点的压强。真空度真空度：低于当时当地大气压

8、的这部分压强。低于当时当地大气压的这部分压强。绝对零压线当时当地大气压p0p1绝对压力绝对压力表压表压绝对压力绝对压力真空度真空度p2表压强表压强=绝对压强绝对压强-大气压强大气压强真空度真空度=大气压强大气压强-绝对压强绝对压强当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。 如：4103Pa（真空度）、200KPa（表压）。 14例：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80103pa，在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真空表的读数应为多少？（兰州地区的平均大气压强为85.3103pa,天津地区的平均大气压强为101.33103pa, ）15体积流量体积流量：单位时间内通过导管任

9、一横截面的流体的体积，：单位时间内通过导管任一横截面的流体的体积， 称为体积流量，称为体积流量， q v 流量流量体积流量体积流量质量流量质量流量质量流量质量流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的质量，单位时间内通过导管任一横截面的流体的质量， 称为质量流量，称为质量流量， q m（m3s-1）。（kgs-1）。q m = q v 摩尔流量摩尔流量:单位时间内通过导管任一横截面的流体的物质的量，单位时间内通过导管任一横截面的流体的物质的量， 称为摩尔流量，称为摩尔流量，qn(mol.s-1) 摩尔流量摩尔流量4. 流量和流速流量和流速 定义：单位时间内流体流经管道任一截面的流体量。（1）流

10、量）流量VtVq mmqt16（2 2）流）流 速速定义：单位时间内流体在流动方向上流过的距离。 平均流速平均流速：u= q v /s（ms-1）= 4 q v / d 2 质量流速质量流速: 单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，单位时间内流体流经管路单位截面积的质量， kg.s-1.m-2usqm/以u表示，单位为m/s。17管径的计算管径的计算 q V是由生产是由生产任务决定的任务决定的ud材料费用设备费用阻力能量消耗操作费用优化优化：两者之两者之和最小和最小uqdv424dS24dquv管道直径的计算式18 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

11、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0.53.0m/s，气体则为1030m/s管材有一定的规格，用公称直径Dg表示，19 流体在一般管路中的流速范围流体在一般管路中的流速范围流动介质流速(ms-1)液体自然流动粘性流体（油类、硫酸等）一般液体0.11.00.51.00.5 2.5气体自然流动不大的压强下(鼓风机管路)压缩气体2 48 151525蒸汽常压和略高于常压的饱和蒸汽0.1 0.5MPa(表压)饱和水蒸汽15 2520 4020管径的计算管径的计算 水管、煤气管的规格水管、煤

12、气管的规格公称口径 Dg外径mm普通管壁厚mm加厚管壁厚mmmm英寸1015202532801251503/811 1 561721.2526.7533.542.2588.51401652.252.752.753.253.254.04.54.52.753.253.5444.255.55.521例例: :安装一根输水量为安装一根输水量为30m3/h的管道的管道, ,试选择合试选择合适的管道。适的管道。普通无缝钢管普通无缝钢管 外径外径 = 88.5mm 壁厚壁厚 = 4mm即即 88.54的管子的管子内径为内径为 d = 80.5mm 0.081m实际流速为实际流速为: vqdv48 . 14/

13、14. 33600/30 mmm77077. 0 解：选择管内水的经验流速解：选择管内水的经验流速v = 1.8m/ssmv/62. 1)081. 0(785. 03600/30222v由于流体本身粘性及其与管壁间存在摩擦力，使流体在管道截面上形成流速分布。流体在圆管内的流动，可以看成分割成无数极薄的圆筒层，其中一层套着一层，各层以不同的速度向前流动 5.5.粘粘 度度23v即流体层之间存在速度差异，发生相对运动。v速度较快的流体层对与其相邻速度较慢的一层有牵引的作用力；速度较慢的流体层对其上层则有着一个阻力。v 二力大小相等 方向相反uu 牵引力大小曳力流动的流体内部相邻两流体层间的相互作用

14、力，称流动的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的为流体的内摩擦力内摩擦力，它是，它是流体粘性的表现流体粘性的表现。流体流。流体流动时，必须克服粘性阻力而作功，从而造成能量损动时，必须克服粘性阻力而作功，从而造成能量损失。失。24流体流动时产生内摩擦力的性质，称为流体流动时产生内摩擦力的性质，称为粘性粘性。流体粘性越大，其流动性就越小。从桶底把一桶甘油放完流体粘性越大，其流动性就越小。从桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油流动时内摩擦力要比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油流动时内摩擦力比水大的缘故。比水大的缘故。 （1）牛顿粘性定律）牛顿粘性定律yFxuu u yyO

15、现象说明：现象说明： (1) 板间流体可看成许多流体层，板间流体可看成许多流体层，且其间存在相对运动且其间存在相对运动(速度差速度差)。 (2) 相邻流体层之间存在摩擦力，相邻流体层之间存在摩擦力，称为内摩擦力或粘滞力。（否则流体静称为内摩擦力或粘滞力。（否则流体静止）止） 25实验证明，对于一定的 液体，内摩擦力F与两流体 层的速度差 成正比，与 两层之间的垂直距离dy成 反比，两层间的接触面积A 成比。 yAFyuAF 单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以表示。F Ayudydu流体在圆管中流动，u和y的变化不是直线关系，而是曲线关系，故应写为牛顿粘性定律牛顿粘性定律u26式中：

16、 ：dydu速度梯度,即在流体流动方向相垂直的y方向上流体速度的变化率： 粘度系数，简称为粘度。它的值随流体的不同而不同，流体的粘性愈大，其值愈大，（2）粘度的物理意义在一般的工程计算中可以予以忽略，只有在极低的 压强下，才需考虑压强对气体粘度的影响。 液体的粘度液体的粘度: 受压力影响很小，随温度的升高而显著降低。受压力影响很小，随温度的升高而显著降低。气体的粘度：气体的粘度：随温度升高而增大，随压力升高而增加的很少。随温度升高而增大，随压力升高而增加的很少。由牛顿粘性定律可见，粘度的物理意义是指当速度梯度为1时，因流体粘性而产生的剪应力。27（3）粘度的单位：）粘度的单位：国际单位制： P

17、as物理学单位制：泊泊(poise，p)或厘泊或厘泊(cp) 由牛顿粘性定律得 dydu dydu/msmmN)/(/22.mSNSPa.PCPsPa11001 . 0运动粘度运动粘度: 流体的粘度与密度的比值流体的粘度与密度的比值)(/12sm在在CGS制中运动粘度的单位为制中运动粘度的单位为 cm2.s-1 ，称为，称为 沲沲(stoke，st)1st=100cst=10-4 m2.s-12811iiiimiiiyMy M混合物的粘度：混合物的粘度：对常压气体混合物对常压气体混合物对分子不缔合液体混合物对分子不缔合液体混合物lglgmiix工业上常常遇到各种流体的混合物，它们的粘度一般应用

18、实验的方法测定其数值，或选用适当的经验公式进行估算。注：注：粘度不仅与分子间的吸引力有关，还与分子热运动有关。29（4）理想流体和实际流体 理想流体：不具有粘性，在流动过程中不产生摩擦阻力； 实际流体：具有粘性，流动时产生摩擦阻力。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。30如图所示：容器中盛有如图所示：容器中盛有密度为密度为 的的静止液体。现从液体内部任意划出静止液体。现从液体内部任意划出一底面积为一底面积为A的垂直液柱。若以容的垂直液柱。若以容器底部为基准水平面，液柱的上、器底部为基准水平面，液柱的上、下底面与基准水平面的垂直距离分下底面与基准水平面的垂直距离分别为别为z1和和z2，以以p1和和p2分别表示高分别表示高度为度为z1和和z2处的压力，处的压力，液面上方的液面上方的压力为压力为p0。（5）流体静力学基本方程）流体静力学基本方程31方程的推导方程的推导在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， 0F02112gzzAFF32两边同时除A 021