化工原理-1章流体流动

P 作用于上底的总压力： 1 p1 A
P2 p2 A 作用于下底的总压力：
液柱处于静止时，上述三力的合力为零:
p2 A p1 A (Z1 Z 2 ) Ag 0
化简得：
p2 p1 g (Z1 Z2 )
p1
压力形式
来自百度文库

Z1 g
p2

Z2 g
能量形式
——静力学基本方程式
单位：
Pa
J / kg
p1

z1 g
p2

z2 g
位能
单位：
静压能
p1 p2 z1 z2 g g
静压头 位压头
单位：
m
流体静力学基本方程式讨论：
（1）在静止的液体中，液体任一点的压力与液体密 度和其深度有关。液体密度越大，深度越大，则该点 的压力越大。 p p gh （2）物理意义：
生产任务
输送流体
选择流速
确定输送管路的直径
输送设备确定
应用流体流动的规律进行分析和计算。
②压力、流速和 流量的测量
第二节 流体静力学（Fluid Statics）
1.2.1 流体的物理性质
1.2.2 流体的压力
1.2.3 流体静力学基本方程式及应用
1.2.1 流体的物理性质
1.密度( Density) （1）定义：单位体积流体所具有的质量， kg/m3
p1
0

Z1 g
p2

Z2 g
zg ——单位质量流体所具有的位能，J/kg；
p

——单位质量流体所具有的静压能，J/kg。
在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能
和静压能各不相同，但其总和保持不变 。
（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平 面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压 面。
流体力学: 研究流体平衡和运动宏观规律的科学。
流体静力学
流体力学
（流体的状态）
流体动力学
在化工生产中，许多方面都用到流体力学的知识。
连续介质假定：将流体视为由无数质点组成的、彼此间没有
空隙的连续介质。
流体质点：含有大量分子的极小单元或微团，尺寸远小于流 体所处空间的尺寸，但远大于分子自由程。
流体力学的用途 ①流体的输送
h
p0
③ p0变化某一数值，则 p改变同样大小数值 —压力的可传递性 ④ 静止流体内部，各不同截面上的压力能 和势能两者之和为常数。
p
po
gz1
或
p1

gz2
p2

h1
zo z2
1
p1
gz
p

常数
2 z1
p2
重力场中的压力分布
⑤ 静力学方程的几种不同形式
p1 gZ1 p2 gZ2
【例题1-3】 在兰州操作的苯乙烯精馏塔塔顶的真 空度为620mmHg。在天津操作时，若要求塔内维 持相同的绝对压力，真空表的读数应为多少？兰 州地区的大气压力为640mmHg,天津地区的大气 压力为760mmHg。
解：
兰州：绝压=大气压-真空度 天津：真空度=大气压-绝压
【例题1-4】 装在某设备进口和出口的压强表的 读数分别为4 kgf/cm2和2 kgf/cm2，试求此设备 的进出口之间的压强差，kPa。设当时设备外 的大气压强为1 kgf/cm2。
化工原理
principles of chemical engineering
第一章 流体流动 （Flow of Fluid）
延安大学化学与化工学院
第一章 流体流动
第一节 概述 第二节 流体静力学 第三节 流体动力学 第四节 流体流动的阻力 第五节 管路计算 第六节 流速和流量的测量
学习本章的意义
（4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体
内部各点的压力也将发生相应的变化。P0 P2
p2 p0 gh
二、流体静力学基本方程式的应用
（一）压力的测量（Measuring pressure differences ）
1、U形管压差计（U-tube manometer）
组成： U形玻璃管、标尺盘、指示剂 对指示液要求： 与被测流体不互溶；不起化学反应； 指示液密度大于被测流体。 指示液：水、油、四氯化碳或汞
解：
压强差=进口绝压-出口绝压 =(P+P进表)- (P+P出表)= P进表- P出表
书P8例题1-2
1.536 （ 1 ） 若当地大气压为 750mmHg ， 0.5atm( 表压 ) 则 ______
5 kgf/cm2(绝)= 1.51×10 Pa（绝）＝
1130 mmHg(绝)。
（ 2 ） 若当 地大气 压 为 720mmHg ， 某设 备 上真空 表 读数为 700mmHg，该设备内绝压为
表压力=绝对压力-大气压力
式a
真空度=大气压力-绝对压力
式b
注意： ①大气压随海拔高度、温度和湿度而变； ②式a,式b的大气压均指当地大气压，如不加说 明时均可按标准大气压计算； 压力的数值如不特殊说明，均指绝对压力。
P1
表压 真空度 当时当地 大气压强
绝对压强
P2
绝对压强
绝对真空
绝压、表压、真空度的关系
(5)混合物粘度 ：
分子不缔合的液体混合物：
lgμ m xi lgμ i
1 i 1 2 i i 2 i i
气体混合物：
μm
yμ M y M
式中：xi－液体混合物中i组分的摩尔分率； yi－气体混合物中i组分的摩尔分率； μi－与混合物相同温度下的i组分的粘度； Mi－气体混合物中i组分的分子质量。
1. 流体存在的广泛性。在化工厂中，管道和设备中 绝大多数物质都是流体 （包括气体、液体或气液 混合物）。
2. 通过研究流体流动规律，可以正确设计管路和合
理选择泵、压缩机、风机等流体输送设备，并且
计算其所需的功率。
3. 流体流动是化工原理各种单元操作的基础，对强 化传热、传质具有重要的实践意义。
第一节 概述
解：理想气体
pM RT
例题1-2 已知空气的组成为21%O2和79%N2(均为体 积分数)，试求在100 kPa和300 K时空气的密度。
解：混合气体
M均 M O2 yO2 M N2 yN2
pM 均 RT
书P7 例题1-1
2.流体的比体积（比容）
定义：单位质量流体所占的体积。
V 1 3 1 v [m kg ] m
yi为各物质的摩尔分数,对于理想气体，体积分数与摩尔分数相等。
②混合液体密度计算
假设液体混合物由n种物质组成，混合前后体积
不变，各物质的质量百分比分别为ωi，密度分 别为ρi
n 1 2 混 1 2 n
1
例题1-1 求甲烷在320 K和500 kPa时的密度。
液体：T↑，μ↓（T↑,分子间距↑，范德华力↓，内摩擦力↓） 气体：T↑，μ↑（T↑,分子间距有所增大，但对μ影响不大， 但T↑，分子运动速度↑，内摩擦力↑）
压力P 对气体粘度的影响一般不予考虑，只有在极高或极 低的压力下才考虑压力对气体粘度的影响。
(4)运动粘度υ及单位：
= /
CGS制单位：[ cm2/s ]=[St]（斯托克斯，简称斯） ,常用 的还有cst（厘斯），1st=100cst SI制单位: [m2/s] 换算：1St=100cSt=1×10-4 m2/s
20
mmHg。
1.2.3 流体静力学基本方程式及应用 流体静力学研究流体静止时其内部压强变化的规律。
流体静力学基本方程式是用于描述静止流体内部的 压力沿着高度变化的数学表达式
一、推导
取： 、A、h、Z1、Z 2
液柱为研究对象
垂直方向上作用于液柱的力有：
重力：G mg A(Z1 Z 2 ) g
P P0 gh
应用范围：流体为不可压缩流体， 即密度为常数 h
p0
p
关于静力学方程的讨论： ① 等压面
定义: 静止、连续的同种流体，处于同一水平面上的各点压力相等 实例：
p1
p2 p
1 2 3 4 5 5 4 1 2
3
等 压 面 概 念
② p0一定，p仅和、h有关
p p0 gh
组分黏度见---附录9、附录10
1.2.1 流体的压力（Pressure） 一.定义
流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体 的压强，工程上一般称压力。
F [N/m2] 或[Pa] P A
式中 P──压力，N/m2即Pa(帕斯卡)；
F──垂直作用在面积A上的力，N；
A──作用面积，m2。
工程单位制中，压力的单位是at(工程大气压)或kgf/cm2。 其它常用的压力表示方法还有如下几种： 标准大气压（物理大气压）atm；米水柱 mH2O； 毫米汞柱mmHg； 流体压力特性： （1）流体压力处处与它的作用面垂直，并总是指向流体 的作用面。
结果：（1） 85.3kPa ；（2） 83.4kPa ；（3）196.2kPa
二.压力的表示方式 三种表示方式：绝对压力、表压、真空度
绝对压力：以绝对真空(即零大气压)为基准计量 的压力，是流体的真实压力； 表压力： 以当地大气压为基准，比当地大气压高 出的压力，称为表压力。 真空度： 以当地大气压为基准，比当地大气压低 出的压力，称为真空度。
指 指 （1）若被测流体是气体，
则上式可简化为 p1 p2 指 gR
（2）若将U形管一端与被测点连接，另一端与大气相 通，此时测得的是流体的表压或真空度。
U管压差计优缺点： a.构造简单，测压方便 b.测压范围窄 c.玻璃管易碎
表压
真空度
p1 pa 指 gR
pa p1 指 gR
第一节 概述
流体： 指具有流动性的物体，包括液体和气体。
液体：易流动、不可压缩。 气体：易流动、可压缩。 不可压缩流体：流体的体积不随压力及温度变化。
特点：（a） 具有流动性 （b） 受外力作用时内部产生相对运动
流动现象:
① 日常生活中
② 工业生产过程中
煤气
填料塔 孔板流量计
煤气
水封
泵 水池
水
煤 气 洗 涤 塔
（2）流体中任一点压力的大小与所选定的作用面在空间
的方位无关。
记住
1 atm=101.3kPa=1.033 kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O 1 at=98.1kPa=1kgf/cm2=735.6 mmHg =10 mH2O
将下列压力换算为kPa （1） 640mmHg； （2）8.5mH2O； （3）2 kgf/cm2
（2）影响因素：
液体：
m V
= f（T）
----液体不可压缩性
例附录3、8 纯液体的密度可由实验测定或从手册中查取。
气体： = f（T、P） 例附录四 纯气体的密度一般可计算得到或从手册中查取。
（3）密度的计算 ①气体密度的计算
a.理想气体密度计算:
PM M PT0 或 RT 22.4 P0T
2、斜管压差计
当被测量的流体压力或压差不大时，读数R很小，为了得 到精确的读数，可采用如下的斜管压差计
p1 p2
p1 p2 ( ) gR
R R1 sin
测量原理：
U形玻璃管的两端与管道中的两截面相连通若作用于U形管 两端的压力P1和P2不等，若P1>P2
p1 p2
∵
形成液位差R
p A p（等压面） A
p A p1 g (m R)
pA p2 gm 指 gR
p1 p2 ( 指 ) gR
推论： p1 p2 ( 指 ) gR
T0=273.15K，P0=101.3kPa（标态下气体的温度和压力） b.理想气体混合物的密度计算:
假设气体混合物由N种物质组成，各物质的体积百
分比分别为xi，密度分别为ρi
m = 1x1 2 x2 ...... n xn
或
pM m m = RT
M m Mi yi
dyn / m 2 dyn S g P(泊） CGS制： [ ] 2 cm / s cm cm s du 物理单位制度 cm dy
1Pa s 10 P 1000 cP
厘泊
(3)粘度μ的影响因素 ：
μ = f ( T、P、物质种类 )
单位：[ m3/kg ]
3.黏度
(1)流体的粘性
是流体的重要的物理性质
只有在流动时才表现出来 。 粘性流体速度分布：
(2)流体的粘度及单位
黏度：表征流体粘性的物理性质，用符号μ表示。
N / m2 N S kg [ ] p s a 2 SI制： du m / s m ms 国际单位制度 m dy