化工基础3.1流体基本性质91905

化工基础1复习化工生产过程是由一系列的______按一定的顺序所组成，在这些单元中，有的主要是______作用,有的主要是_____变化。主要是__________或______________的单元可归纳为传递过程。化学工程中的传递过程包括__________、__________和___________。单元物理化学物理作用化学作用动量传递热量传递质量传递2流程分析：

流体（水和煤气）在泵（或鼓风机）、流量计以及管道中流动等，是流体动力学问题。

流体在压差计，水封箱中的水处于静止状态，则是流体静力学问题。

为了确定流体输送管路的直径，计算流动过程产生的阻力和输送流体所需的动力。

据阻力与流量等参数选择输送设备的类型和型号，以及测定流体的流量和压强等。

流体流动将影响过程系统中的传热、传质过程等，是其他单元操作的主要基础。流体——没有固定形状,能够自由流动气体液体动量传递过程第三章流体流动过程及流体输送设备3流体的流动和输送在化工生产中占有非常重要的地位,是必不可少的单元操作之一.4在生产中，对流体的流动与输送需要解决的问题：①输送流体所需管径尺寸的选择②流体输送所需要的能量和设备的确定③流体性能参数的测量和控制

④研究流体的流动型态，为强化设备和操作提供理论依据

⑤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5教学目的：重点难点：§3.1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流体的压强流体的流速和流量流体的粘度流体静力学方程及其应用61．密度

单位体积流体的质量。用表示。国际单位用kg/m3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。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，此时，气体的密度必须标明其状态。7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。——在气体混合物的压力下各纯组分的密度，kg/m3。用体积分数来表示各组分的浓度82.比体积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：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，是指单位质量流体所具有的体积。93.压力压力的定义

流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强。用p表示，工程上习惯称之为压力。数学表达式为：

SI制单位：N/m2，即Pa。（1）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）。

10压强的单位：国际单位制

Pa物理学(cgs制)

atm、mmHg、mH2O等。工程单位制千克(力)/厘米2(kgf•cm-2)——工程大气压（at）工程技术上习用:8公斤蒸汽，是指8kgf•cm-2(表压)的饱和蒸汽；反应釜有5公斤压强，指5kgf•cm-2(表压)的压强。压强的单位换算:1atm=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf•cm-21mmHg=0.133kPa1mH2O=9.81kPa1kgf•cm-2=98.1kPa液柱11Ah[m液柱]Note：①h即为该流体在压力p作用下能上升的高度；②同一p值,因不同流体的密度不同,其h值也不同，③用液柱高度表示流体的压力时，必须注明是何种流体，必要时还应注明温度以确定流体的密度。设容器底面积为A液柱高h，液体密度，则液体作用在底面的力为F等于液柱重量，作用在单位底面上的压力当液体一定，、g一定为常数，所以可用高度h的大小表示压力P的大小12（2）压强的不同种表示方法绝对压力：以真空为起点的压强称为绝对压力（强）。表压:以当时当地大气压为起点的压强。真空度：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绝对压力表压绝对压力真空度p2表压强=绝对压强-大气压强真空度=大气压强-绝对压强当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。如：4×103Pa（真空度）、200KPa（表压）。

13例：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为80×103pa，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85.3×103pa,天津地区的平均大气压强为101.33×103pa,）14体积流量：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，qv流量体积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，称为质量流量，qm（m3•s-1）。（kg•s-1）。qm=

qv•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，称为摩尔流量，qn(mol.s-1)

摩尔流量4.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）流量15（2）流速定义：单位时间内流体在流动方向上流过的距离。※平均流速：u=qv/s（m•s-1）=4qv/d2※质量流速:单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，kg.s-1.m-2以u表示，单位为m/s。16管径的计算∴qV是由生产任务决定的ud材料费用设备费用阻力能量消耗操作费用优化：两者之和最小——管道直径的计算式17

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0.5～3.0m/s，气体则为10～30m/s管材有一定的规格，用公称直径Dg表示，18流体在一般管路中的流速范围流动介质流速(m•s-1)液体自然流动粘性流体（油类、硫酸等）一般液体0.1～1.00.5~1.00.5～2.5气体自然流动不大的压强下(鼓风机管路)压缩气体2～48～1515~25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15～2520～4019管径的计算水管、煤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1015202532801251503/8½¾11¼1½561721.2526.7533.542.2588.51401652.252.752.753.253.254.04.54.52.753.253.5444.255.55.520例:安装一根输水量为30m3/h的管道,试选择合适的管道。普通无缝钢管①外径=88.5mm壁厚=4mm即φ88.5×4的管子内径为d=80.5mm≈0.081m实际流速为:解：选择管内水的经验流速v=1.8m/s21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.粘度22即流体层之间存在速度差异，发生相对运动。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。

二力大小相等方向相反流动的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的内摩擦力，它是流体粘性的表现。流体流动时，必须克服粘性阻力而作功，从而造成能量损失。23流体流动时产生内摩擦力的性质，称为粘性。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。

（1）牛顿粘性定律⊿⊿现象说明：(1)

板间流体可看成许多流体层，且其间存在相对运动(速度差)。(2)相邻流体层之间存在摩擦力，称为内摩擦力或粘滞力。（否则流体静止）

24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。

单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以τ表示。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25式中：

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:

受压力影响很小，随温度的升高而显著降低。气体的粘度：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。26（3）粘度的单位：国际单位制：Pa•s物理学单位制：泊(poise，p)或厘泊(cp)

由牛顿粘性定律得

运动粘度:

流体的粘度与密度的比值在CGS制中运动粘度的单位为cm2.s-1，称为

沲(stoke，st)1st=100cst=10-4m2.s-127混合物的粘度：对常压气体混合物对分子不缔合液体混合物√工业上常常遇到各种流体的混合物，它们的粘度一般应用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：√粘度不仅与分子间的吸引力有关，还与分子热运动有关。28（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。29如图所示：容器中盛有密度为的静止液体。现从液体内部任意划出一底面积为A的垂直液柱。若以容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别为z1和z2，以p1和p2分别表示高度为z1和z2处的压力，液面上方的压力为p0。（5）流体静力学基本方程30方程的推导在1-1’截面受到垂直向下的压力：在2-2’截面受到垂直向上的压力：

液柱本身所受的重力：

因为小液柱处于静止状态，31两边同时除A