第一章化工原理流体流动课件

第一章流体流动

液体和气体统称为流体。流体的特征是具有流动性，即其抗剪和抗张的能力很小，无固定形状，随容器的形状而变化，在外力作用下其内部发生相对运动。

流体随压强的改变而改变自身体积的性质称为流体的压缩性。

压缩性的大小被看作是气体和液体的主要区别。由于气体在压强增大时体积缩小，而液体则变化不明显，故气体属于可压缩性流体，液体属于不可压缩性流体。

气体在输送过程中若压强和温度变化不大，因而体积和密度变化也不大时，也可按不可压缩流体来处理。

一般气体在常温常压下仍可按理想气体考虑，以简化计算。

在化工生产中，涉及流体流动的规律，主要有以下几个方面：

(1)流体阻力及流量、压强的计算

(2)流动对传热与传质及化学反应的影响

(3)流体的混合

第一节流体静力学基本方程

流体静力学是研究流体在外力作用下达到平衡的规律。也即流体在静止状态下流体内部压力的变化规律。

1－1－1 流体的密度

单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，其表达式为：

（1—1）

式中：ρ——流体的密度，kg / m3；

m——流体的质量，kg；

V——流体的体积，m3。

不同流体的密度是不同的，对一定的流体，密度ρ是压力p和温度T的函数，可用下式表达：

ρ = f ( p，T )

液体的密度随压力的变化甚小，可忽略不计，故常称液体为不可压缩的流体。温度对液体的密度有一定影响，但改变不大（极高压力下除外），液体的密度ρ一般可从物理化学手册或有关资料中查到。

气体具有压缩性及膨胀性，其密度随压强，温度的变化很大。当压强不太高，

温度不太低时，其密度可近似地按理想气体状态方程式来计算：

ρ= m / V = pM / RT （1—2）

式中：p——气体的绝对压强，kN / m2或kPa；

T——气体的绝对温度，K；

M——气体分子的分子量；

R——气体常数，8.314 kJ / kmol·K。

若以知标准状态下气体的密度ρ0、温度T0和压力P0，则某状态下(T、P)理想气体的密度ρ也可按下式计算：

ρ = ρ0T 0P / TP0（1—3）式中：ρ0——标准状态下（T０＝273K P０＝101.33 kPa）气体的密度，

kg / m3

ρ0 = M / 22.4 kg / m3

在化工生产中所遇到的流体，往往是含有几个组分的混合物。通常手册中所列出的为纯物质的密度，所以混合物的平均密度ρm还得通过以下公式进行计算：气体混合物的密度ρm可由下式求得（假定混合时各组分的体积不变）：

ρm = ρ1y1 + ρ2y2 + … + ρn y n (1—4)

式中：ρi——各组分的密度；

y i——各组分的体积分数。

当气体混合物的温度，压力接近理想气体时，（即温度不太低时，压强不太高时）仍可用式（1—2）来计算气体的密度，但式中气体分子的分子量M应以混合气体的平均分子量M m代替，即：

Ｍm＝Ｍ１Ｙ１＋Ｍ２Ｙ２＋…＋Ｍn Y n(1—5) 式中：Ｍi——气体混合物各组分的分子量；

Ｙi——气体混合物各组分的摩尔分率。

气体混合物的组成通常以体积分率表示。

对于理想气体，其体积分率与摩尔分率，压力分率是相等的。

液体混合物的组成通常以质量分率表示，它的密度可按下式计算：

1 / ρm ＝a1/ρ1＋a2/ρ2＋…＋a n / ρn（1—6）

式中：a i——液体混合物中各组分的质量分率；

ρi——液体混合物中各组分的密度；

ρm——液体混合物的平均密度。

比容密度的倒数称为比容，以υ表示，单位为m３/kg，表达式为：

υ= V / m = 1/ρ

重度是指单位体积的流体所具有的重量，单位为kg / m3，表达式为：

γ = G / V

式中：G——流体的重量，kg；

V——流体的体积，m3；

γ——流体的重度，kg / m3。

例：以知炼焦煤气的组成为：CO2 1.8%；C2H4 2%；O2 0.7%；CO 6.5%；CH4 24%；H2 58%；N2 7%（皆为体积%）。试求103.9 kPa及298 K时炼焦煤气的密度。

解：查附录知，在标准状态下，各组分气体的密度分别为：

ρCO2=1.976 kg/m３ρC2H4=1.261 kg/m３

ρO2=1.429 kg/m３ρCO =1.250 kg/m３

ρCH4=0.717 kg/m３ρH2=0.0899 kg/m３

ρN2=1.293 kg/m３

按式(1—4)先求出标准状态下（T０＝273K P０＝101.33 kPa）炼焦煤气（气体混合物）的密度：

ρ0 =ρm = ρ1y1 + ρ2y2 + … + ρn y n

ρ0 =ρm = 1.976×1.8%＋1.261×2%＋1.429×0.7%＋1.250×6.5%＋0.717×24%＋0.0899×58%＋1.293×7% = 0.4667 kg / m３

再按式(1—3)求出在给定条件下（T = 298 K P = 103.9 kPa）炼焦煤气（气

体混合物）的密度：

ρm = ρ 0T0p / Tp0 = 0.4667×（103.9 / 101.3）×（273 / 298）= 0.438kg / m3

也可以先求出混合气体分子的平均分子量Ｍm，再按式（1—2）计算在所给条件下的炼焦煤气的密度ρm，两种计算结果基本相同：

按式（1—5）求出气体混合物的平均分子量Ｍm：