化工基礎(chǔ)3.1流體基本性質(zhì)91905

化工基礎(chǔ)1復(fù)習(xí)化工生產(chǎn)過(guò)程是由一系列的______按一定的順序所組成，在這些單元中，有的主要是______作用,有的主要是_____變化。主要是__________或______________的單元可歸納為傳遞過(guò)程?；瘜W(xué)工程中的傳遞過(guò)程包括__________、__________和___________。單元物理化學(xué)物理作用化學(xué)作用動(dòng)量傳遞熱量傳遞質(zhì)量傳遞2流程分析：

流體（水和煤氣）在泵（或鼓風(fēng)機(jī)）、流量計(jì)以及管道中流動(dòng)等，是流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

流體在壓差計(jì)，水封箱中的水處于靜止?fàn)顟B(tài)，則是流體靜力學(xué)問(wèn)題。

為了確定流體輸送管路的直徑，計(jì)算流動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的阻力和輸送流體所需的動(dòng)力。

據(jù)阻力與流量等參數(shù)選擇輸送設(shè)備的類型和型號(hào)，以及測(cè)定流體的流量和壓強(qiáng)等。

流體流動(dòng)將影響過(guò)程系統(tǒng)中的傳熱、傳質(zhì)過(guò)程等，是其他單元操作的主要基礎(chǔ)。流體——沒(méi)有固定形狀,能夠自由流動(dòng)氣體液體動(dòng)量傳遞過(guò)程第三章流體流動(dòng)過(guò)程及流體輸送設(shè)備3流體的流動(dòng)和輸送在化工生產(chǎn)中占有非常重要的地位,是必不可少的單元操作之一.4在生產(chǎn)中，對(duì)流體的流動(dòng)與輸送需要解決的問(wèn)題：①輸送流體所需管徑尺寸的選擇②流體輸送所需要的能量和設(shè)備的確定③流體性能參數(shù)的測(cè)量和控制

④研究流體的流動(dòng)型態(tài)，為強(qiáng)化設(shè)備和操作提供理論依據(jù)

⑤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5教學(xué)目的：重點(diǎn)難點(diǎn)：§3.1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)方程流體的壓強(qiáng)流體的流速和流量流體的粘度流體靜力學(xué)方程及其應(yīng)用61．密度

單位體積流體的質(zhì)量。用表示。國(guó)際單位用kg/m3對(duì)于液體，壓強(qiáng)的變化對(duì)密度的影響很小，可以忽略，稱為不可壓縮性流體。此時(shí)，密度隨溫度而改變，在使用液體的密度時(shí)，要注意溫度條件。

對(duì)于氣體，密度隨T、P改變很大，稱為可壓縮性流體，此時(shí)，氣體的密度必須標(biāo)明其狀態(tài)。7若對(duì)氣體混合物密度進(jìn)行計(jì)算：當(dāng)不太高,T不太低時(shí),可按理想氣體處理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)——?dú)怏w混合物中各組分的體積分率。——在氣體混合物的壓力下各純組分的密度，kg/m3。用體積分?jǐn)?shù)來(lái)表示各組分的濃度82.比體積當(dāng)混合前后體積變化不大時(shí)，以1g液體混合物為標(biāo)準(zhǔn)，其密度可由下式計(jì)算：對(duì)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，是指單位質(zhì)量流體所具有的體積。93.壓力壓力的定義

流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱壓強(qiáng)。用p表示，工程上習(xí)慣稱之為壓力。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

SI制單位：N/m2，即Pa。（1）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）。

10壓強(qiáng)的單位：國(guó)際單位制

Pa物理學(xué)(cgs制)

atm、mmHg、mH2O等。工程單位制千克(力)/厘米2(kgf?cm-2)——工程大氣壓（at）工程技術(shù)上習(xí)用:8公斤蒸汽，是指8kgf?cm-2(表壓)的飽和蒸汽；反應(yīng)釜有5公斤壓強(qiáng)，指5kgf?cm-2(表壓)的壓強(qiáng)。壓強(qiáng)的單位換算: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即為該流體在壓力p作用下能上升的高度；②同一p值,因不同流體的密度不同,其h值也不同，③用液柱高度表示流體的壓力時(shí)，必須注明是何種流體，必要時(shí)還應(yīng)注明溫度以確定流體的密度。設(shè)容器底面積為A液柱高h(yuǎn)，液體密度，則液體作用在底面的力為F等于液柱重量，作用在單位底面上的壓力當(dāng)液體一定，、g一定為常數(shù)，所以可用高度h的大小表示壓力P的大小12（2）壓強(qiáng)的不同種表示方法絕對(duì)壓力：以真空為起點(diǎn)的壓強(qiáng)稱為絕對(duì)壓力（強(qiáng)）。表壓:以當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮簽槠瘘c(diǎn)的壓強(qiáng)。真空度：低于當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮旱倪@部分壓強(qiáng)。絕對(duì)零壓線當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卮髿鈮簆0p1絕對(duì)壓力表壓絕對(duì)壓力真空度p2表壓強(qiáng)=絕對(duì)壓強(qiáng)-大氣壓強(qiáng)真空度=大氣壓強(qiáng)-絕對(duì)壓強(qiáng)當(dāng)用表壓或真空度來(lái)表示壓強(qiáng)時(shí)，應(yīng)分別注明。如：4×103Pa（真空度）、200KPa（表壓）。

13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80×103pa，在天津操作時(shí)，若要求塔內(nèi)維持相同的絕對(duì)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85.3×103pa,天津地區(qū)的平均大氣壓強(qiáng)為101.33×103pa,）14體積流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)管任一橫截面的流體的體積，稱為體積流量，qv流量體積流量質(zhì)量流量質(zhì)量流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)管任一橫截面的流體的質(zhì)量，稱為質(zhì)量流量，qm（m3?s-1）。（kg?s-1）。qm=

qv?摩爾流量:單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)管任一橫截面的流體的物質(zhì)的量，稱為摩爾流量，qn(mol.s-1)

摩爾流量4.流量和流速定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體量。（1）流量15（2）流速定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體在流動(dòng)方向上流過(guò)的距離?！骄魉伲簎=qv/s（m?s-1）=4qv/d2※質(zhì)量流速:單位時(shí)間內(nèi)流體流經(jīng)管路單位截面積的質(zhì)量，kg.s-1.m-2以u(píng)表示，單位為m/s。16管徑的計(jì)算∴qV是由生產(chǎn)任務(wù)決定的ud材料費(fèi)用設(shè)備費(fèi)用阻力能量消耗操作費(fèi)用優(yōu)化：兩者之和最小——管道直徑的計(jì)算式17

在管路設(shè)計(jì)中，適宜的流速的選擇十分重要。

若流速選得太大，流體流過(guò)管路時(shí)的阻力增大

，操作費(fèi)用增加

；若流速選得太小，管徑增大，管路的基建費(fèi)增加。

應(yīng)在操作費(fèi)與基建費(fèi)之間通過(guò)經(jīng)濟(jì)權(quán)衡來(lái)確定適宜的流速

一般來(lái)說(shuō)，液體的流速取0.5～3.0m/s，氣體則為10～30m/s管材有一定的規(guī)格，用公稱直徑Dg表示，18流體在一般管路中的流速范圍流動(dòng)介質(zhì)流速(m?s-1)液體自然流動(dòng)粘性流體（油類、硫酸等）一般液體0.1～1.00.5~1.00.5～2.5氣體自然流動(dòng)不大的壓強(qiáng)下(鼓風(fēng)機(jī)管路)壓縮氣體2～48～1515~25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15～2520～4019管徑的計(jì)算水管、煤氣管的規(guī)格公稱口徑Dg外徑mm普通管壁厚mm加厚管壁厚mmmm英寸1015202532801251503/8??11?1?561721.2526.7533.542.2588.51401652.252.752.753.253.254.04.54.52.753.253.5444.255.55.520例:安裝一根輸水量為30m3/h的管道,試選擇合適的管道。普通無(wú)縫鋼管①外徑=88.5mm壁厚=4mm即φ88.5×4的管子內(nèi)徑為d=80.5mm≈0.081m實(shí)際流速為:解：選擇管內(nèi)水的經(jīng)驗(yàn)流速v=1.8m/s21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(dòng)，可以看成分割成無(wú)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(dòng)

5.粘度22即流體層之間存在速度差異，發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。速度較快的流體層對(duì)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(duì)其上層則有著一個(gè)阻力。

二力大小相等方向相反流動(dòng)的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的相互作用力，稱為流體的內(nèi)摩擦力，它是流體粘性的表現(xiàn)。流體流動(dòng)時(shí)，必須克服粘性阻力而作功，從而造成能量損失。23流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱為粘性。流體粘性越大，其流動(dòng)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?yàn)楦视土鲃?dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力比水大的緣故。

（1）牛頓粘性定律⊿⊿現(xiàn)象說(shuō)明：(1)

板間流體可看成許多流體層，且其間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)(速度差)。(2)相鄰流體層之間存在摩擦力，稱為內(nèi)摩擦力或粘滯力。（否則流體靜止）

24實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)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。

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τ表示。流體在圓管中流動(dòng)，u和y的變化不是直線關(guān)系，而是曲線關(guān)系，故應(yīng)寫(xiě)為——牛頓粘性定律25式中：

速度梯度,即在流體流動(dòng)方向相垂直的y方向上流體速度的變化率

粘度系數(shù)，簡(jiǎn)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(jì)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(duì)氣體粘度的影響。液體的粘度:

受壓力影響很小，隨溫度的升高而顯著降低。氣體的粘度：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(jiàn)，粘度的物理意義是指當(dāng)速度梯度為1時(shí)，因流體粘性而產(chǎn)生的剪應(yīng)力。26（3）粘度的單位：國(guó)際單位制：Pa?s物理學(xué)單位制：泊(poise，p)或厘泊(cp)

由牛頓粘性定律得

運(yùn)動(dòng)粘度:

流體的粘度與密度的比值在CGS制中運(yùn)動(dòng)粘度的單位為cm2.s-1，稱為

沲(stoke，st)1st=100cst=10-4m2.s-127混合物的粘度：對(duì)常壓氣體混合物對(duì)分子不締合液體混合物√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)用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定其數(shù)值，或選用適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。注：√粘度不僅與分子間的吸引力有關(guān)，還與分子熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)。28（4）理想流體和實(shí)際流體

理想流體：不具有粘性，在流動(dòng)過(guò)程中不產(chǎn)生摩擦阻力；實(shí)際流體：具有粘性，流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦阻力。理想流體是一種假設(shè)的概念,是對(duì)實(shí)際流體在某些條件下的簡(jiǎn)化處理。29如圖所示：容器中盛有密度為的靜止液體?，F(xiàn)從液體內(nèi)部任意劃出一底面積為A的垂直液柱。若以容器底部為基準(zhǔn)水平面，液柱的上、下底面與基準(zhǔn)水平面的垂直距離分別為z1和z2，以p1和p2分別表示高度為z1和z2處的壓力，液面上方的壓力為p0。（5）流體靜力學(xué)基本方程30方程的推導(dǎo)在1-1’截面受到垂直向下的壓力：在2-2’截面受到垂直向上的壓力：

液柱本身所受的重力：

因?yàn)樾∫褐幱陟o止?fàn)顟B(tài)，31兩邊同時(shí)除A