化工基礎(chǔ)3.1流體的基本性質(zhì)91905

1、1化化 工工 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)2復(fù)復(fù) 習(xí)習(xí)化工生產(chǎn)過程是由化工生產(chǎn)過程是由 一系列的一系列的_按一定的順序所組成，在這按一定的順序所組成，在這些單元中，有的主要是些單元中，有的主要是_作用作用, ,有的主要是有的主要是_變化。主變化。主要是要是_或或_的單元可歸納為傳遞過程。的單元可歸納為傳遞過程。化學(xué)工程中的傳遞過程包括化學(xué)工程中的傳遞過程包括_、_和和_。單元單元物理物理化學(xué)化學(xué)物理作用物理作用化學(xué)作用化學(xué)作用動量傳遞動量傳遞熱量傳遞熱量傳遞質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞3流體流體沒有固定形狀沒有固定形狀,能夠自由流動能夠自由流動氣體液體動量傳遞過動量傳遞過程程第三章第三章 流體流動過程及流體輸送設(shè)備流體流動

2、過程及流體輸送設(shè)備4流體的流動和輸送在化工生產(chǎn)中占有非常重要的流體的流動和輸送在化工生產(chǎn)中占有非常重要的地位地位,是必不可少的單元操作之一是必不可少的單元操作之一.5在生產(chǎn)中，對流體的流動與輸送需要解決的問題：在生產(chǎn)中，對流體的流動與輸送需要解決的問題： 輸送流體所需管徑尺寸的選擇流體輸送所需要的能量和設(shè)備的確定流體性能參數(shù)的測量和控制 研究流體的流動型態(tài)，為強(qiáng)化設(shè)備和操作提供理論依據(jù) 了解流體輸送設(shè)備的工作原理和操作性能， 正確使用流體輸送設(shè)備 6教學(xué)目的：教學(xué)目的：重點難點：重點難點：3.1 3.1 流體的基本性質(zhì)流體的基本性質(zhì)掌握流體有關(guān)的物理性質(zhì)和流體靜力學(xué)方程掌握流體有關(guān)的物理性質(zhì)和

3、流體靜力學(xué)方程流體的壓強(qiáng)流體的壓強(qiáng)流體的流速和流量流體的流速和流量流體的粘度流體的粘度流體靜力學(xué)方程及其應(yīng)用流體靜力學(xué)方程及其應(yīng)用71 1密度密度 單位體積流體的質(zhì)量。用單位體積流體的質(zhì)量。用 表示。表示。 國際單位用國際單位用kg/m3 Vm對于液體，壓強(qiáng)的變化對密度的影響很小，可以忽略， 稱為不可壓縮性流體不可壓縮性流體。此時，密度隨溫度而改變，在使用液體的密度時，要注意溫度條件。 對于氣體，密度隨T、P改變很大，稱為可壓縮性流體可壓縮性流體，此 時， tfptf,氣體的密度必須標(biāo)明其狀態(tài)。8若對氣體混合物密度進(jìn)行計算：若對氣體混合物密度進(jìn)行計算：當(dāng)不太高,T不太低時,可按理想氣體處理RT

4、pMnnm2111由于各組分在混合前后質(zhì)量不變，以1m3混合氣體為基準(zhǔn) 氣體混合物中各組分的體積分率。 n21,在氣體混合物的壓力下各純組分的密度，kg/m3。 n21,用體積分?jǐn)?shù)來表示各組分的濃度用體積分?jǐn)?shù)來表示各組分的濃度92.2.比體積比體積mV113kgm當(dāng)混合前后體積變化不大時，以1g液體混合物為標(biāo)準(zhǔn)，其密度可由下式計算：nn22111對于液體混合物，各組分濃度以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示對于液體混合物，各組分濃度以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示比體積又稱比容比體積又稱比容 ，是指單位質(zhì)量流體所具有的體積。，是指單位質(zhì)量流體所具有的體積。103. 壓力壓力壓力的定義 流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體垂直作用于

5、單位面積上的力，稱為流體的壓強(qiáng)流體的壓強(qiáng)，簡稱簡稱壓壓強(qiáng)強(qiáng)。用用p表示表示，工程上習(xí)慣稱之為工程上習(xí)慣稱之為壓力壓力。數(shù)學(xué)表達(dá)式為： AFp SI制單位：N/m2，即Pa。（1）壓力的單位）壓力的單位其它常用單位有： atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）、工程大氣壓kgf/cm2、流體柱高度（mmH2O，mmHg等）。 11壓強(qiáng)的單位：壓強(qiáng)的單位：國際單位制國際單位制 Pa物理學(xué)物理學(xué)(cgs制制) atm、mmHg、mH2O等。工程單位制工程單位制 千克(力)/厘米2(kgfcm-2)工程大氣壓（at）工程技術(shù)上習(xí)用工程技術(shù)上習(xí)用:8:8公斤蒸汽，是指公斤蒸汽，是指8 8 kgfkgfcmcm-2-2( (

6、表壓表壓) )的飽和蒸汽；的飽和蒸汽； 反應(yīng)釜有反應(yīng)釜有5 5公斤壓強(qiáng)，指公斤壓強(qiáng)，指5 5 kgfkgfcmcm-2-2( (表壓表壓) )的壓強(qiáng)。的壓強(qiáng)。壓強(qiáng)的單位換算壓強(qiáng)的單位換算: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即為該流體在壓力p作用下能上升的高度；同一p值,因不同流體的密度不同,其h值也不同， 用液柱高度表示流體的壓力時，必須注明是何種流體何種流體，必要時還應(yīng)注明溫度

7、以確定流體的密度。ghghpBBAA設(shè)容器底面積為設(shè)容器底面積為A液柱高液柱高h(yuǎn)，液體密度，液體密度 ，則液體作用在底面的，則液體作用在底面的力為力為F 等于液柱重量，作用在單位底面上的壓力等于液柱重量，作用在單位底面上的壓力當(dāng)液體一定，當(dāng)液體一定， 、g一定為常數(shù)，所以可用高度一定為常數(shù)，所以可用高度h的大小表示壓力的大小表示壓力P的大小的大小13（2）壓強(qiáng)的不同種表示方法）壓強(qiáng)的不同種表示方法絕對壓力絕對壓力：以真空為起點的壓強(qiáng)稱為絕對壓力（強(qiáng)）。以真空為起點的壓強(qiáng)稱為絕對壓力（強(qiáng)）。表壓表壓: :以當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮簽槠瘘c的壓強(qiáng)。以當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮簽槠瘘c的壓強(qiáng)。真空度真空度：低于當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮?/p>

8、的這部分壓強(qiáng)。低于當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮旱倪@部分壓強(qiáng)。絕對零壓線當(dāng)時當(dāng)?shù)卮髿鈮簆0p1絕對壓力絕對壓力表壓表壓絕對壓力絕對壓力真空度真空度p2表壓強(qiáng)表壓強(qiáng)=絕對壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng)-大氣壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng)真空度真空度=大氣壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng)-絕對壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng)當(dāng)用表壓或真空度來表示壓強(qiáng)時，應(yīng)分別注明。 如：4103Pa（真空度）、200KPa（表壓）。 14例：在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔頂?shù)恼婵毡碜x數(shù)為80103pa，在天津操作時，若要求塔內(nèi)維持相同的絕對壓強(qiáng)，真空表的讀數(shù)應(yīng)為多少？（蘭州地區(qū)的平均大氣壓強(qiáng)為85.3103pa,天津地區(qū)的平均大氣壓強(qiáng)為101.33103pa, ）15體積流量體積流量：單位時間內(nèi)通過導(dǎo)管任

9、一橫截面的流體的體積，：單位時間內(nèi)通過導(dǎo)管任一橫截面的流體的體積， 稱為體積流量，稱為體積流量， q v 流量流量體積流量體積流量質(zhì)量流量質(zhì)量流量質(zhì)量流量質(zhì)量流量：單位時間內(nèi)通過導(dǎo)管任一橫截面的流體的質(zhì)量，單位時間內(nèi)通過導(dǎo)管任一橫截面的流體的質(zhì)量， 稱為質(zhì)量流量，稱為質(zhì)量流量， q m（m3s-1）。（kgs-1）。q m = q v 摩爾流量摩爾流量:單位時間內(nèi)通過導(dǎo)管任一橫截面的流體的物質(zhì)的量，單位時間內(nèi)通過導(dǎo)管任一橫截面的流體的物質(zhì)的量， 稱為摩爾流量，稱為摩爾流量，qn(mol.s-1) 摩爾流量摩爾流量4. 流量和流速流量和流速 定義：單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體量。（1）流

10、量）流量VtVq mmqt16（2 2）流）流 速速定義：單位時間內(nèi)流體在流動方向上流過的距離。 平均流速平均流速：u= q v /s（ms-1）= 4 q v / d 2 質(zhì)量流速質(zhì)量流速: 單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管路單位截面積的質(zhì)量，單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管路單位截面積的質(zhì)量， kg.s-1.m-2usqm/以u表示，單位為m/s。17管徑的計算管徑的計算 q V是由生產(chǎn)是由生產(chǎn)任務(wù)決定的任務(wù)決定的ud材料費用設(shè)備費用阻力能量消耗操作費用優(yōu)化優(yōu)化：兩者之兩者之和最小和最小uqdv424dS24dquv管道直徑的計算式18 在管路設(shè)計中，適宜的流速的選擇十分重要。 若流速選得太大，流體流過管路時的阻

11、力增大 ，操作費用增加 ； 若流速選得太小，管徑增大，管路的基建費增加。 應(yīng)在操作費與基建費之間通過經(jīng)濟(jì)權(quán)衡來確定適宜的流速 一般來說，液體的流速取0.53.0m/s，氣體則為1030m/s管材有一定的規(guī)格，用公稱直徑Dg表示，19 流體在一般管路中的流速范圍流體在一般管路中的流速范圍流動介質(zhì)流速(ms-1)液體自然流動粘性流體（油類、硫酸等）一般液體0.11.00.51.00.5 2.5氣體自然流動不大的壓強(qiáng)下(鼓風(fēng)機(jī)管路)壓縮氣體2 48 151525蒸汽常壓和略高于常壓的飽和蒸汽0.1 0.5MPa(表壓)飽和水蒸汽15 2520 4020管徑的計算管徑的計算 水管、煤氣管的規(guī)格水管、煤

12、氣管的規(guī)格公稱口徑 Dg外徑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: :安裝一根輸水量為安裝一根輸水量為30m3/h的管道的管道, ,試選擇合試選擇合適的管道。適的管道。普通無縫鋼管普通無縫鋼管 外徑外徑 = 88.5mm 壁厚壁厚 = 4mm即即 88.54的管子的管子內(nèi)徑為內(nèi)徑為 d = 80.5mm 0.081m實際流速為實際流速為: vqdv48 . 14/

13、14. 33600/30 mmm77077. 0 解：選擇管內(nèi)水的經(jīng)驗流速解：選擇管內(nèi)水的經(jīng)驗流速v = 1.8m/ssmv/62. 1)081. 0(785. 03600/30222v由于流體本身粘性及其與管壁間存在摩擦力，使流體在管道截面上形成流速分布。流體在圓管內(nèi)的流動，可以看成分割成無數(shù)極薄的圓筒層，其中一層套著一層，各層以不同的速度向前流動 5.5.粘粘 度度23v即流體層之間存在速度差異，發(fā)生相對運動。v速度較快的流體層對與其相鄰速度較慢的一層有牽引的作用力；速度較慢的流體層對其上層則有著一個阻力。v 二力大小相等 方向相反uu 牽引力大小曳力流動的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用

14、力，稱流動的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力，稱為流體的為流體的內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力，它是，它是流體粘性的表現(xiàn)流體粘性的表現(xiàn)。流體流。流體流動時，必須克服粘性阻力而作功，從而造成能量損動時，必須克服粘性阻力而作功，從而造成能量損失。失。24流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱為流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱為粘性粘性。流體粘性越大，其流動性就越小。從桶底把一桶甘油放完流體粘性越大，其流動性就越小。從桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多，這是因為甘油流動時內(nèi)摩擦力要比把一桶水放完慢得多，這是因為甘油流動時內(nèi)摩擦力比水大的緣故。比水大的緣故。 （1）牛頓粘性定律）牛頓粘性定律yFxuu u yyO

15、現(xiàn)象說明：現(xiàn)象說明： (1) 板間流體可看成許多流體層，板間流體可看成許多流體層，且其間存在相對運動且其間存在相對運動(速度差速度差)。 (2) 相鄰流體層之間存在摩擦力，相鄰流體層之間存在摩擦力，稱為內(nèi)摩擦力或粘滯力。（否則流體靜稱為內(nèi)摩擦力或粘滯力。（否則流體靜止）止） 25實驗證明，對于一定的 液體，內(nèi)摩擦力F與兩流體 層的速度差 成正比，與 兩層之間的垂直距離dy成 反比，兩層間的接觸面積A 成比。 yAFyuAF 單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為內(nèi)摩擦應(yīng)力或剪應(yīng)力，以表示。F Ayudydu流體在圓管中流動，u和y的變化不是直線關(guān)系，而是曲線關(guān)系，故應(yīng)寫為牛頓粘性定律牛頓粘性定律u26式中：

16、 ：dydu速度梯度,即在流體流動方向相垂直的y方向上流體速度的變化率： 粘度系數(shù)，簡稱為粘度。它的值隨流體的不同而不同，流體的粘性愈大，其值愈大，（2）粘度的物理意義在一般的工程計算中可以予以忽略，只有在極低的 壓強(qiáng)下，才需考慮壓強(qiáng)對氣體粘度的影響。 液體的粘度液體的粘度: 受壓力影響很小，隨溫度的升高而顯著降低。受壓力影響很小，隨溫度的升高而顯著降低。氣體的粘度：氣體的粘度：隨溫度升高而增大，隨壓力升高而增加的很少。隨溫度升高而增大，隨壓力升高而增加的很少。由牛頓粘性定律可見，粘度的物理意義是指當(dāng)速度梯度為1時，因流體粘性而產(chǎn)生的剪應(yīng)力。27（3）粘度的單位：）粘度的單位：國際單位制： P

17、as物理學(xué)單位制：泊泊(poise，p)或厘泊或厘泊(cp) 由牛頓粘性定律得 dydu dydu/msmmN)/(/22.mSNSPa.PCPsPa11001 . 0運動粘度運動粘度: 流體的粘度與密度的比值流體的粘度與密度的比值)(/12sm在在CGS制中運動粘度的單位為制中運動粘度的單位為 cm2.s-1 ，稱為，稱為 沲沲(stoke，st)1st=100cst=10-4 m2.s-12811iiiimiiiyMy M混合物的粘度：混合物的粘度：對常壓氣體混合物對常壓氣體混合物對分子不締合液體混合物對分子不締合液體混合物lglgmiix工業(yè)上常常遇到各種流體的混合物，它們的粘度一般應(yīng)用

18、實驗的方法測定其數(shù)值，或選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗公式進(jìn)行估算。注：注：粘度不僅與分子間的吸引力有關(guān)，還與分子熱運動有關(guān)。29（4）理想流體和實際流體 理想流體：不具有粘性，在流動過程中不產(chǎn)生摩擦阻力； 實際流體：具有粘性，流動時產(chǎn)生摩擦阻力。理想流體是一種假設(shè)的概念,是對實際流體在某些條件下的簡化處理。30如圖所示：容器中盛有如圖所示：容器中盛有密度為密度為 的的靜止液體。現(xiàn)從液體內(nèi)部任意劃出靜止液體?，F(xiàn)從液體內(nèi)部任意劃出一底面積為一底面積為A的垂直液柱。若以容的垂直液柱。若以容器底部為基準(zhǔn)水平面，液柱的上、器底部為基準(zhǔn)水平面，液柱的上、下底面與基準(zhǔn)水平面的垂直距離分下底面與基準(zhǔn)水平面的垂直距離分別為別為z1和和z2，以以p1和和p2分別表示高分別表示高度為度為z1和和z2處的壓力，處的壓力，液面上方的液面上方的壓力為壓力為p0。（5）流體靜力學(xué)基本方程）流體靜力學(xué)基本方程31方程的推導(dǎo)方程的推導(dǎo)在1-1截面受到垂直向下的壓力 ：ApF11在2-2 截面受到垂直向上的壓力： ApF22液柱本身所受的重力： gzzAVgmgW21因為小液柱處于靜止?fàn)顟B(tài)， 0F02112gzzAFF32兩邊同時除A 021