化工基础课第三章 流体流动及流体输送设备
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化工基础 第三章 流体流动及流体输送设备
Chapter 3 Flow Transfer
一．研究流体规律的意义
1、化工生产产品工艺中所涉及的物料大都是流体 2、 化工生产所涉及的过程：
大部分在流动条件下进行。设备之间、工序之间均采用管道联 接，都和流体的流动与输送有关。 流体的输送为“三传一反”中的“动量传递”过程 三传：动量、热量、质量传递 一反：化学反应器
求解方程时应注意各项单位的一致性（J/kg 或 Pa）。
【例X3-6】
容器 B 内保持一定真空度，溶液从敞口 容器 A 经内径 为30mm导管自动流入容 器 B 中。容器 A 的液面距导管出口的高度 为 1.5m，管路阻力损失可按 hf = 5.5u2 计算（不包括导管出口的局部阻力），溶 液密度为 1100kg/m3。
p真
抽真空
2
2
pa
1
1 .5 m 1
B
试计算：送液量每小时为 内应保持的真空度。
3m3
时，容器 B
A
解：取容器A的液面1-1截面为基准面，导液管出口为2-2截面， 在该两截面间列柏努利方程，有
2 2 p u p u 1 1 2 2 z g zg h 1 2 f 2 2
1 3 1 3 7 0 k g m m 4 7 . 2 81 0
例题X3-2
已知干空气的组成为：O221%、N278%和Ar1%（均为体 积%）。试求干空气在压力为9.81×104Pa及温度为100℃时 的密度。 解： 首先将摄氏度换算为开尔文温度： 100℃=273+100=373K 再求空气的平均分子量： Mm=32×0.21+28×0.78+39.9×0.01=28.96
∴ 进口绝对压力P1=760-220=440 mmHg=7.2×104 Pa 出口绝对压力P2=1.033+1.7=2.733kgf=2.68×105 Pa
4．流量和流速
⑴ 流量： ①体积流量qv 单位时间内流体流经管道任一截面的体积，m3· s-1 ②质量流量qv
单位时间内流体流经管道任一截面的质量
以内径为105mm的钢管输送压力为2atm、温度为120℃ 的空气。已知空气在标准状态下的体积流量为630m3· h-1，试 求此空气在管内的流速和质量流程。
解： 依题意将空气在标准状态下的流量换算为操作状态
下的流量。因压力不高，可应用理想气体状态方程 计算如下：
p T 2 7 3 1 2 01 3 1 0 q q 6 3 0 4 5 3 m h V V 0 T P 7 3 2 2 0
某台离心泵进、出口压力表读数分别为220mmHg（真空 度）及1.7kgf/cm2，若当地大气压力为760mmHg，试求它 们的绝对压力各为若干。
解： 离心泵进口处压力表读数为真空度、出口压力压力表读数为表压
真空度=大气压力-绝对压力 ∴绝对压力=大气压力-真空度
表压=绝对压力-大气压力 ∴绝对压力=大气压力+表压
应用柏努利方程进行计算的一般原则
应用柏努利方程时，首先应根据具体问题 在流体流动系统中确定衡算范围，也就是确 定列出柏努利方程的两截面位置。
所选的两个截面应尽可能是已知条件最多的截面，而 待求的参数应在两截面上或在两截面之间。
计算重力位能的基准水平面可任取，基准面处流体的 重力位能为零。所以若使两计算截面之一为基准面可使 方程简化。
【例X3-6】
p p 0u 0 1 a z 1 1
p p p 2 a 真 z 1 . 5 m 2
pa
1 .5 m 1 1 2 2
p真
抽真空
4 V 3 3 6 0 0 u 1 . 1 8 m s 2 2 2 d 0 . 7 8 50 . 0 3
2 2 h 5 . 5 u 5 . 5 u f 2
⑴ 粘度μ 的物理意义：
设有上、下两块平行放置、 面积很大、相距很近的夹板，板 间充满流体，下板固定，以一推 动力F推动上平板以u恒速运动。
y
y
y
经实验证明，此时： 引入比例系数μ ，有：
u F A y
u F A y
⑵ 粘度 :
单位：Pa· s，泊P：g· cm-1· s-1
1.定态流动和非定态流动
⑴ 定态流动：
u 、 p 、 等 参 数 与 位 置 有 关 ， 但 与 时 间 无 关
⑵ 非定态流动
u 、 p 、 等 参 数 与 位 置 、 时 间 均 有 关
2.流体定态流动过程的物料衡算---连续性方程
⑴ 推导：
定态流动时，单位时间内通过 流动系统任一截面的液体的质 量应相等：
ρ ：流体的密度，kg· m-3 m：流体的质量，kg V：流体的体积，m3
⑵ 密度计算： ① 气体密度用理想气体状态方程进行计算：
PM RT
T0 P 0 T P0
M T0 P 22.4TP0
思考：如何推导
提示： PV=nRT
② 混合流体密度的计算：
1 / / / / m 11 11 n n
2 u 2 2 p zg 5 . 5 u 2 2 真 2
B
A
2 4 1 . 5 9 . 8 1 6 . 0 1 . 1 8 1 1 0 0 2 . 5 4 1 0P a
3.3流体压力和流量的测量
1．流体压力的测量---U形管压力计
q q 4 5 3 / 3 6 0 0 1 V V u 2 1 4 . 5 4 m s 2 A d 1 0 5 / 1 0 0 0 3 . 1 4 4 4
取空气在标准状况下的平均分子量为Mm=28.9 实际操作状态下空气的密度为：
2 8 . 9 2 7 3 2 3 1 . 7 9 k g m 2 2 . 42 7 3 1 2 0 1
根据式（3-2）： 4 2 8 . 9 6 2 7 39 . 8 1 1 0 3 0 . 9 1 6 k g m m 5 2 2 . 4 3 7 3 1 . 0 1 3 2 5 1 0
2．比体积(specific volume)
物理意义： 单位质量流体所具有的体积。 表达式：
u 1 . 7 9 1 4 . 5 4 2 6 . 0 3 k g sm
1 2
5．粘度(viscosity)
粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度是衡量流体粘 性大小的物理量。粘度↑，流动性↓ 以圆形管为例：可将流动的流体看成分割成无数极薄 的圆和筒层，相邻两层之间的相互作用力便是流体的内 摩擦力。
① 动能：
② 位能：
m u 2
2
m gz
m P ③ 静压能：
⑴理想流体流动过程的能量衡算 图中截面1、2之间符合能量守恒定律
2 2 m u m p u p 1 1 2 m 2 m g z m g z m 1 2 2 2 2 2 u p u p 1 1 2 即 ： z z 2 1 2 2 g g 2 g g
因此，化工生产需要进行准确的流体流动、输送 的工程计算某化工厂生产场地
二．研究流体的流动、输送主要解决的问题
⑴ 输送流体相关参数的确定。
⑵ 了解流体输送设备的工作原理和操作性能，正确地使 用流体输送设备。
3.1 流体的基本性质
3.2 流体流动的基本规律 3.3流体压力和流量的测量
3.4管内流体的阻力 3.5 流体输送机械
2
z ： 位 压 头
1
u2、p2
Z2 2‘
u 12 ：动压头 2g
p ：静压头 g
u1、p1 1‘ Z1
基准面
⑵实际流体流动过程的能量衡算
实际流体输送过程中存在：流体输送机械输入功He、 摩擦阻力损失Σhf
2 2 u p u 1 1 2 p 2 z H e g z h 1 2 f 2 2
2．流体流量的测量---孔板流量计、文丘里流量计、 转子流量计
1．流体压力的测量---U形管压力计
在测量流体压力时，压力计可视为静止流体。在指示液两液 面间进行能量衡算，此时柏努利方程简化为：
——此式为柏努利方程的最常用形式
4.流体流动规律的举例
H
h f 包括所选截面间全部管路阻力损失
e
输送单位质量流体所需加入的外功， 是决定流体输送机 械的重要数据。
若管路输送的流体的质量流量为 w（kg/s），则输送流体所需供 给的功率（即流体输送机械的有效功率）为：
Ne H e q m
如果流体输送机械的效率为，则实际消耗的功率即流体输送机械 的轴功率为： Ne H e qm N
例题 X3-1
已知硫酸与水的密度分别为1830kg.m-3与998kg.m-3， 试求含硫酸为60%（质量）的硫酸水溶液的密度。
解： 根据式（3-3）
1 0 . 60 . 4 4 4 ( 3 . 2 8 4 )1 0 7 . 2 8 1 0 8 3 0 9 9 8 m1
1/
流体的比体积，m3· kg-1 流体的密度，kg· m-3
3．压力(pressure)
⑴ 物理意义：
流体垂直作用于单位面积上的力（压力、压强） ⑵ 表达式：
pF/ A
P ：流体的压力,Pa F ：流体垂直作用于面积A上的力，N A ：作用面积，m2
1atm=760mmHg=1.01325×105Pa =10.33mH2O=1.033kgf.cm-2
⑶ 运动粘度：
ν /
单位：m2· s-1，沲st：g· cm-1· s-1
⑷ 内摩擦应力或剪应力 ： 单位面积上的内摩擦力。 F 即： A
u F A y
u y
3.2 流体流动的基本规律
1.定态流动和非定态流动
2.流体定态流动过程的物料衡算---连续性方程 3.流体定态流动过程的能量衡算---柏努利方程
③摩尔流量：
qm qV
单位时间内流体流经管道任一截面的物质的量
q n q m/M
⑵ 流速
① 流速
单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离，
m· s-1
②质量流速(mass velocity of flow)：
kg· s-1
u qV / S
w q /S u m
例题X3-4
⑶ 表压(gauge pressure) 、真空度（degree of vacuum）
测定压力 表 压 绝对压力 大 气 压 压 大 气 压 压 真空度 测定压力 绝对压力 绝对真空：绝对压力（为零） 测定压力＞大气压 测定压力＜大气压
表压=绝对压力－大气压力
真空度=大气压力－绝对压力
例题X3-3
3.1 流体的基本性质
1．密度（density） 2．比体积(specific volume)
3．压力(pressure)
4ຫໍສະໝຸດ Baidu流量和流速（flow and flow rate） 5．粘度(viscosity)
1．密度（density）
⑴ 密度的物理意义：单位体积的流体所具有的质量。 表达式：
＝ m/v
, m-3 1 2 n各纯组分流体的密度，kg·
m 1 1 2 2 n n
, 2 1 n 各组分流体的质量分数
③ 混合气体密度的计算
, m-3 1 2 n 各纯组分液体的密度，kg·
, 1 2 n 各组分的体积分数
例X3-5
某液体在一管路中稳定流过，若将管子直径减小一半， 而流量不变，则液体的流速为原流速的多少倍? 解：
q u Su = S = u S v 1 1 2 2
S d 4
d1 = 2d 2
2
u 2 = 4 u1
3.流体定态流动过程的能量衡算---柏努利方程
流动体系的三种能量形式：
A B
qm， 1 q m ， 2 即
u s us 1 1 1 2 22
推广到任一截面有：
q u S ＝ u S u S = 常 数 m 1 1 1 2 2 2 n n n
对 于 不 可 压 缩 流 体 ， = 常 数 1 2
q u su s ＝ u s v 1 1 2 2 n n
Chapter 3 Flow Transfer
一．研究流体规律的意义
1、化工生产产品工艺中所涉及的物料大都是流体 2、 化工生产所涉及的过程：
大部分在流动条件下进行。设备之间、工序之间均采用管道联 接，都和流体的流动与输送有关。 流体的输送为“三传一反”中的“动量传递”过程 三传：动量、热量、质量传递 一反：化学反应器
求解方程时应注意各项单位的一致性（J/kg 或 Pa）。
【例X3-6】
容器 B 内保持一定真空度，溶液从敞口 容器 A 经内径 为30mm导管自动流入容 器 B 中。容器 A 的液面距导管出口的高度 为 1.5m，管路阻力损失可按 hf = 5.5u2 计算（不包括导管出口的局部阻力），溶 液密度为 1100kg/m3。
p真
抽真空
2
2
pa
1
1 .5 m 1
B
试计算：送液量每小时为 内应保持的真空度。
3m3
时，容器 B
A
解：取容器A的液面1-1截面为基准面，导液管出口为2-2截面， 在该两截面间列柏努利方程，有
2 2 p u p u 1 1 2 2 z g zg h 1 2 f 2 2
1 3 1 3 7 0 k g m m 4 7 . 2 81 0
例题X3-2
已知干空气的组成为：O221%、N278%和Ar1%（均为体 积%）。试求干空气在压力为9.81×104Pa及温度为100℃时 的密度。 解： 首先将摄氏度换算为开尔文温度： 100℃=273+100=373K 再求空气的平均分子量： Mm=32×0.21+28×0.78+39.9×0.01=28.96
∴ 进口绝对压力P1=760-220=440 mmHg=7.2×104 Pa 出口绝对压力P2=1.033+1.7=2.733kgf=2.68×105 Pa
4．流量和流速
⑴ 流量： ①体积流量qv 单位时间内流体流经管道任一截面的体积，m3· s-1 ②质量流量qv
单位时间内流体流经管道任一截面的质量
以内径为105mm的钢管输送压力为2atm、温度为120℃ 的空气。已知空气在标准状态下的体积流量为630m3· h-1，试 求此空气在管内的流速和质量流程。
解： 依题意将空气在标准状态下的流量换算为操作状态
下的流量。因压力不高，可应用理想气体状态方程 计算如下：
p T 2 7 3 1 2 01 3 1 0 q q 6 3 0 4 5 3 m h V V 0 T P 7 3 2 2 0
某台离心泵进、出口压力表读数分别为220mmHg（真空 度）及1.7kgf/cm2，若当地大气压力为760mmHg，试求它 们的绝对压力各为若干。
解： 离心泵进口处压力表读数为真空度、出口压力压力表读数为表压
真空度=大气压力-绝对压力 ∴绝对压力=大气压力-真空度
表压=绝对压力-大气压力 ∴绝对压力=大气压力+表压
应用柏努利方程进行计算的一般原则
应用柏努利方程时，首先应根据具体问题 在流体流动系统中确定衡算范围，也就是确 定列出柏努利方程的两截面位置。
所选的两个截面应尽可能是已知条件最多的截面，而 待求的参数应在两截面上或在两截面之间。
计算重力位能的基准水平面可任取，基准面处流体的 重力位能为零。所以若使两计算截面之一为基准面可使 方程简化。
【例X3-6】
p p 0u 0 1 a z 1 1
p p p 2 a 真 z 1 . 5 m 2
pa
1 .5 m 1 1 2 2
p真
抽真空
4 V 3 3 6 0 0 u 1 . 1 8 m s 2 2 2 d 0 . 7 8 50 . 0 3
2 2 h 5 . 5 u 5 . 5 u f 2
⑴ 粘度μ 的物理意义：
设有上、下两块平行放置、 面积很大、相距很近的夹板，板 间充满流体，下板固定，以一推 动力F推动上平板以u恒速运动。
y
y
y
经实验证明，此时： 引入比例系数μ ，有：
u F A y
u F A y
⑵ 粘度 :
单位：Pa· s，泊P：g· cm-1· s-1
1.定态流动和非定态流动
⑴ 定态流动：
u 、 p 、 等 参 数 与 位 置 有 关 ， 但 与 时 间 无 关
⑵ 非定态流动
u 、 p 、 等 参 数 与 位 置 、 时 间 均 有 关
2.流体定态流动过程的物料衡算---连续性方程
⑴ 推导：
定态流动时，单位时间内通过 流动系统任一截面的液体的质 量应相等：
ρ ：流体的密度，kg· m-3 m：流体的质量，kg V：流体的体积，m3
⑵ 密度计算： ① 气体密度用理想气体状态方程进行计算：
PM RT
T0 P 0 T P0
M T0 P 22.4TP0
思考：如何推导
提示： PV=nRT
② 混合流体密度的计算：
1 / / / / m 11 11 n n
2 u 2 2 p zg 5 . 5 u 2 2 真 2
B
A
2 4 1 . 5 9 . 8 1 6 . 0 1 . 1 8 1 1 0 0 2 . 5 4 1 0P a
3.3流体压力和流量的测量
1．流体压力的测量---U形管压力计
q q 4 5 3 / 3 6 0 0 1 V V u 2 1 4 . 5 4 m s 2 A d 1 0 5 / 1 0 0 0 3 . 1 4 4 4
取空气在标准状况下的平均分子量为Mm=28.9 实际操作状态下空气的密度为：
2 8 . 9 2 7 3 2 3 1 . 7 9 k g m 2 2 . 42 7 3 1 2 0 1
根据式（3-2）： 4 2 8 . 9 6 2 7 39 . 8 1 1 0 3 0 . 9 1 6 k g m m 5 2 2 . 4 3 7 3 1 . 0 1 3 2 5 1 0
2．比体积(specific volume)
物理意义： 单位质量流体所具有的体积。 表达式：
u 1 . 7 9 1 4 . 5 4 2 6 . 0 3 k g sm
1 2
5．粘度(viscosity)
粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度是衡量流体粘 性大小的物理量。粘度↑，流动性↓ 以圆形管为例：可将流动的流体看成分割成无数极薄 的圆和筒层，相邻两层之间的相互作用力便是流体的内 摩擦力。
① 动能：
② 位能：
m u 2
2
m gz
m P ③ 静压能：
⑴理想流体流动过程的能量衡算 图中截面1、2之间符合能量守恒定律
2 2 m u m p u p 1 1 2 m 2 m g z m g z m 1 2 2 2 2 2 u p u p 1 1 2 即 ： z z 2 1 2 2 g g 2 g g
因此，化工生产需要进行准确的流体流动、输送 的工程计算某化工厂生产场地
二．研究流体的流动、输送主要解决的问题
⑴ 输送流体相关参数的确定。
⑵ 了解流体输送设备的工作原理和操作性能，正确地使 用流体输送设备。
3.1 流体的基本性质
3.2 流体流动的基本规律 3.3流体压力和流量的测量
3.4管内流体的阻力 3.5 流体输送机械
2
z ： 位 压 头
1
u2、p2
Z2 2‘
u 12 ：动压头 2g
p ：静压头 g
u1、p1 1‘ Z1
基准面
⑵实际流体流动过程的能量衡算
实际流体输送过程中存在：流体输送机械输入功He、 摩擦阻力损失Σhf
2 2 u p u 1 1 2 p 2 z H e g z h 1 2 f 2 2
2．流体流量的测量---孔板流量计、文丘里流量计、 转子流量计
1．流体压力的测量---U形管压力计
在测量流体压力时，压力计可视为静止流体。在指示液两液 面间进行能量衡算，此时柏努利方程简化为：
——此式为柏努利方程的最常用形式
4.流体流动规律的举例
H
h f 包括所选截面间全部管路阻力损失
e
输送单位质量流体所需加入的外功， 是决定流体输送机 械的重要数据。
若管路输送的流体的质量流量为 w（kg/s），则输送流体所需供 给的功率（即流体输送机械的有效功率）为：
Ne H e q m
如果流体输送机械的效率为，则实际消耗的功率即流体输送机械 的轴功率为： Ne H e qm N
例题 X3-1
已知硫酸与水的密度分别为1830kg.m-3与998kg.m-3， 试求含硫酸为60%（质量）的硫酸水溶液的密度。
解： 根据式（3-3）
1 0 . 60 . 4 4 4 ( 3 . 2 8 4 )1 0 7 . 2 8 1 0 8 3 0 9 9 8 m1
1/
流体的比体积，m3· kg-1 流体的密度，kg· m-3
3．压力(pressure)
⑴ 物理意义：
流体垂直作用于单位面积上的力（压力、压强） ⑵ 表达式：
pF/ A
P ：流体的压力,Pa F ：流体垂直作用于面积A上的力，N A ：作用面积，m2
1atm=760mmHg=1.01325×105Pa =10.33mH2O=1.033kgf.cm-2
⑶ 运动粘度：
ν /
单位：m2· s-1，沲st：g· cm-1· s-1
⑷ 内摩擦应力或剪应力 ： 单位面积上的内摩擦力。 F 即： A
u F A y
u y
3.2 流体流动的基本规律
1.定态流动和非定态流动
2.流体定态流动过程的物料衡算---连续性方程 3.流体定态流动过程的能量衡算---柏努利方程
③摩尔流量：
qm qV
单位时间内流体流经管道任一截面的物质的量
q n q m/M
⑵ 流速
① 流速
单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离，
m· s-1
②质量流速(mass velocity of flow)：
kg· s-1
u qV / S
w q /S u m
例题X3-4
⑶ 表压(gauge pressure) 、真空度（degree of vacuum）
测定压力 表 压 绝对压力 大 气 压 压 大 气 压 压 真空度 测定压力 绝对压力 绝对真空：绝对压力（为零） 测定压力＞大气压 测定压力＜大气压
表压=绝对压力－大气压力
真空度=大气压力－绝对压力
例题X3-3
3.1 流体的基本性质
1．密度（density） 2．比体积(specific volume)
3．压力(pressure)
4ຫໍສະໝຸດ Baidu流量和流速（flow and flow rate） 5．粘度(viscosity)
1．密度（density）
⑴ 密度的物理意义：单位体积的流体所具有的质量。 表达式：
＝ m/v
, m-3 1 2 n各纯组分流体的密度，kg·
m 1 1 2 2 n n
, 2 1 n 各组分流体的质量分数
③ 混合气体密度的计算
, m-3 1 2 n 各纯组分液体的密度，kg·
, 1 2 n 各组分的体积分数
例X3-5
某液体在一管路中稳定流过，若将管子直径减小一半， 而流量不变，则液体的流速为原流速的多少倍? 解：
q u Su = S = u S v 1 1 2 2
S d 4
d1 = 2d 2
2
u 2 = 4 u1
3.流体定态流动过程的能量衡算---柏努利方程
流动体系的三种能量形式：
A B
qm， 1 q m ， 2 即
u s us 1 1 1 2 22
推广到任一截面有：
q u S ＝ u S u S = 常 数 m 1 1 1 2 2 2 n n n
对 于 不 可 压 缩 流 体 ， = 常 数 1 2
q u su s ＝ u s v 1 1 2 2 n n