化工基础之流体流动过程及流体输送设备
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第二章 流体流动过程及输送机械
2.1 流体的静力学基本方程式 2.2 流体流动的基本规律
化工生产中处理的原料、中间产物，产品，大 多数是流体，涉及的过程大部分在流动条件下进行。 流体的流动和输送是必不可少的过程操作。
研究流体的流动和输送主要是解决以下问题。 ①选择输送流体所需管径尺寸，确定输送流体所
2．压强 流体垂直作用于单位面积上的力称为压强：
p= P／A
p—流体的压力，Pa； P—流体垂直作用于面积A上的力，N； A—作用面积，m2。 压力的单位Pa（Pascal，帕），即N·m-2。
常用压力单位与Pa之间的换算关系如下：
1atm=760mmHg=1.01325×105Pa=10.33mH2O= 1.033 kgf·㎝-2
2．定态流动和非定态流动
流体在管道或设备中流动 时，若在任一截面上流体的 流速、压力、密度等有关物 理量仅随位置而改变，但不 随时间而改变，称为定态流 动；反之，若流体在各截面 上的有关物理量中，只要有 一项随时间而变化，则称为 非定态流动。
ρn—液体混合物中各纯组分液体的密度，kg·m-3； xmn—液体混合物中各组分液体的质量分数。 对于气体混合物:
ρm—气体混合物平均密度，kg·m-3； Mm—气体混合物的平均摩尔质量
比体积 单位质量流体所具有的体积称为流体的比体积，
以υ表示，它与流体的密度互为倒数:
υ=1/ρ υ一流体的比体积，m3·kg-1； ρ—流体的密度，kg·m-3。
④ 微差压差计
p2
p1
ρc
ρA
微差压差计
R
⑤ 倒U形管压差计
p1 p2 gR
0
z1
1 p1
1
0 R
z2 2 p2 2
倒U形管压差计
(2) 液封高度 目的：
① 恒定设备内的压力， 防止超压；
② 防止气体外泄； 水封
液封高度计算：
气
液p
气
水
溢流
h0
0
0
安全液封
p
0
0
h.0
煤气柜
水 气体
习题p54,1, 2
向流体的作用面
流体中任一点压强的大小与所选定的作用面 在空间的方位无关
3．流体静力学基本方程式 流体处于静止状态下所受的压力和重力的平衡关系
受力分析（图2-2）
或
z1g
p1 ρ
z2g
p2 ρ
关于静力学方程的讨论
① 等压面
z1g
p1 ρ
z2g
p2 ρ
定义: 静止、连续的均质流体，处于同一水平面上的各点压强相等
重力场中的压力分布
⑤ 静力学方程的几种不同形式
p1
z1g
p2
z2g
Pa
J / kg
p1
g
z1
p2
g
z2
4.流体静力学基本方程式的应用
4.1 压强的测定
① 测压管和气压计 气压计:
p=0
h p0
测压管: 表压:
绝压: p gh p0
气压计 p0 h
p 测压管
② U形管压差计 选基准面列静力学方程
练习
2.2 流体流动的基本规律
物料衡算式：连续性 能量衡算式：伯努利
方程
方程
1．流量和流速
单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，
称为流体的流量。若流体量用体积来计量，称为体
积流量，以符号qv表示，单位为m3·s-1 或m3·h-1 ； 若流体量用质量来计量，则称为质量流量，以符号
qm表示，其单位为kg·s-1 或kg·h-1 。若流体量用物 质的量表示，称为摩尔流量，以符号qn表示，其单 位为mol·s-1。 体积流量和质量流量的关系为： qm=ρqV 质量流量与摩尔流量的关系为
qm＝Mqn
单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的 距离，称为流体的流速，以u表示，单位为 m·s-1。
管道中心的流速最大，离管中心距离越远，流 速越小，而在紧靠管壁处，流速为零。
通常所说的流速是指管道整个截面上的平均流速 ，以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值来 表示：
u = qV/A
A —— 与流体流动方向相垂直的管道截面积，m2
压强有两种表达方式。一是以绝对真空为起点 而计量的压强；另一是以大气压强为基准而计量的 压强，当被测容器的压强高于大气压时，所测压强 称为表压，当测容器的压强低于大气压时，所测压 强称为真空度。
两种表达压强间的换 算关系为
表压=绝对压强-大气压强 真空度＝大气压强-绝对压强
流体压强的重要特性: 流体压强处处与它的作用面垂直,并且总是指
1 p1
1
z1
2 p2
2
z2
z1 z2 R 0
p1 p2 ( )gR
若 （ ） 则 R
若 则 p1 p2 gR
R 0
U 形管压差计
若U形管压差计一端与大气相通，则可测得表压（或绝压）。
p0 p1 gz1
1 p1
1 pa
z1
R
0
0
③ 倾斜液柱压差计
p1
p2
R
α
倾斜液柱压差计
质量流速的定义是单位时间内流体流经管路单
位截面积的质量，以G表示，单位为 kg·s-1·m-2，表
达式为：
G = qm／A
流速和质量流速两者之间的关系：
G =ρu 工业上用的流速范围大致为：
液体1.5 ～ 3.0m·s-1，高粘度液体0.5 ～ 1.0 m·s-1；气 体102 ～ 0 m·s-1，高压气体15 ～ 25 m·s-1；饱和水蒸 气204 ～ 0 m·s-1，过热水蒸气30 ～ 50 m·s-1。 练习：习题3
实例：
p1
p2
p
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
等压面概念
② p0一定，p仅和、h有关 p p0 gh
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。
gz1
p1
Leabharlann Baidu
gz2
p2
或 gz p 常数
po
h1 1 p1 zo
2 z1 z2 p2
流体体积，m3。
气体具有可压缩性及热膨胀性，其密度随压力
和温度有较大的变化。气体密度可近似地用理想气
体状态方程进行计算： ρ= pM/RT
p—气体绝对压强 kN·m-2或kPa；T—气体温度 K；M—气
体摩尔质量 kg·mol-1；R—气体常数，8.314 J·mo1-1·K-1。
化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组 分的混合物。对于液体混合物，各组分的浓度常用 质量分数表示。
需能量和设备。 ②流体性能参数的测量, 控制。 ③研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供
理论依据。 ④了解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。
2.1 流体静力学基本方程式
1．密度（p10)
单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，
其表达式为：
ρ= m／V
ρ——流体密度，kɡ·m-3 ; m——流体质量，kg；V——
2.1 流体的静力学基本方程式 2.2 流体流动的基本规律
化工生产中处理的原料、中间产物，产品，大 多数是流体，涉及的过程大部分在流动条件下进行。 流体的流动和输送是必不可少的过程操作。
研究流体的流动和输送主要是解决以下问题。 ①选择输送流体所需管径尺寸，确定输送流体所
2．压强 流体垂直作用于单位面积上的力称为压强：
p= P／A
p—流体的压力，Pa； P—流体垂直作用于面积A上的力，N； A—作用面积，m2。 压力的单位Pa（Pascal，帕），即N·m-2。
常用压力单位与Pa之间的换算关系如下：
1atm=760mmHg=1.01325×105Pa=10.33mH2O= 1.033 kgf·㎝-2
2．定态流动和非定态流动
流体在管道或设备中流动 时，若在任一截面上流体的 流速、压力、密度等有关物 理量仅随位置而改变，但不 随时间而改变，称为定态流 动；反之，若流体在各截面 上的有关物理量中，只要有 一项随时间而变化，则称为 非定态流动。
ρn—液体混合物中各纯组分液体的密度，kg·m-3； xmn—液体混合物中各组分液体的质量分数。 对于气体混合物:
ρm—气体混合物平均密度，kg·m-3； Mm—气体混合物的平均摩尔质量
比体积 单位质量流体所具有的体积称为流体的比体积，
以υ表示，它与流体的密度互为倒数:
υ=1/ρ υ一流体的比体积，m3·kg-1； ρ—流体的密度，kg·m-3。
④ 微差压差计
p2
p1
ρc
ρA
微差压差计
R
⑤ 倒U形管压差计
p1 p2 gR
0
z1
1 p1
1
0 R
z2 2 p2 2
倒U形管压差计
(2) 液封高度 目的：
① 恒定设备内的压力， 防止超压；
② 防止气体外泄； 水封
液封高度计算：
气
液p
气
水
溢流
h0
0
0
安全液封
p
0
0
h.0
煤气柜
水 气体
习题p54,1, 2
向流体的作用面
流体中任一点压强的大小与所选定的作用面 在空间的方位无关
3．流体静力学基本方程式 流体处于静止状态下所受的压力和重力的平衡关系
受力分析（图2-2）
或
z1g
p1 ρ
z2g
p2 ρ
关于静力学方程的讨论
① 等压面
z1g
p1 ρ
z2g
p2 ρ
定义: 静止、连续的均质流体，处于同一水平面上的各点压强相等
重力场中的压力分布
⑤ 静力学方程的几种不同形式
p1
z1g
p2
z2g
Pa
J / kg
p1
g
z1
p2
g
z2
4.流体静力学基本方程式的应用
4.1 压强的测定
① 测压管和气压计 气压计:
p=0
h p0
测压管: 表压:
绝压: p gh p0
气压计 p0 h
p 测压管
② U形管压差计 选基准面列静力学方程
练习
2.2 流体流动的基本规律
物料衡算式：连续性 能量衡算式：伯努利
方程
方程
1．流量和流速
单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，
称为流体的流量。若流体量用体积来计量，称为体
积流量，以符号qv表示，单位为m3·s-1 或m3·h-1 ； 若流体量用质量来计量，则称为质量流量，以符号
qm表示，其单位为kg·s-1 或kg·h-1 。若流体量用物 质的量表示，称为摩尔流量，以符号qn表示，其单 位为mol·s-1。 体积流量和质量流量的关系为： qm=ρqV 质量流量与摩尔流量的关系为
qm＝Mqn
单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的 距离，称为流体的流速，以u表示，单位为 m·s-1。
管道中心的流速最大，离管中心距离越远，流 速越小，而在紧靠管壁处，流速为零。
通常所说的流速是指管道整个截面上的平均流速 ，以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值来 表示：
u = qV/A
A —— 与流体流动方向相垂直的管道截面积，m2
压强有两种表达方式。一是以绝对真空为起点 而计量的压强；另一是以大气压强为基准而计量的 压强，当被测容器的压强高于大气压时，所测压强 称为表压，当测容器的压强低于大气压时，所测压 强称为真空度。
两种表达压强间的换 算关系为
表压=绝对压强-大气压强 真空度＝大气压强-绝对压强
流体压强的重要特性: 流体压强处处与它的作用面垂直,并且总是指
1 p1
1
z1
2 p2
2
z2
z1 z2 R 0
p1 p2 ( )gR
若 （ ） 则 R
若 则 p1 p2 gR
R 0
U 形管压差计
若U形管压差计一端与大气相通，则可测得表压（或绝压）。
p0 p1 gz1
1 p1
1 pa
z1
R
0
0
③ 倾斜液柱压差计
p1
p2
R
α
倾斜液柱压差计
质量流速的定义是单位时间内流体流经管路单
位截面积的质量，以G表示，单位为 kg·s-1·m-2，表
达式为：
G = qm／A
流速和质量流速两者之间的关系：
G =ρu 工业上用的流速范围大致为：
液体1.5 ～ 3.0m·s-1，高粘度液体0.5 ～ 1.0 m·s-1；气 体102 ～ 0 m·s-1，高压气体15 ～ 25 m·s-1；饱和水蒸 气204 ～ 0 m·s-1，过热水蒸气30 ～ 50 m·s-1。 练习：习题3
实例：
p1
p2
p
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
等压面概念
② p0一定，p仅和、h有关 p p0 gh
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。
gz1
p1
Leabharlann Baidu
gz2
p2
或 gz p 常数
po
h1 1 p1 zo
2 z1 z2 p2
流体体积，m3。
气体具有可压缩性及热膨胀性，其密度随压力
和温度有较大的变化。气体密度可近似地用理想气
体状态方程进行计算： ρ= pM/RT
p—气体绝对压强 kN·m-2或kPa；T—气体温度 K；M—气
体摩尔质量 kg·mol-1；R—气体常数，8.314 J·mo1-1·K-1。
化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组 分的混合物。对于液体混合物，各组分的浓度常用 质量分数表示。
需能量和设备。 ②流体性能参数的测量, 控制。 ③研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供
理论依据。 ④了解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。
2.1 流体静力学基本方程式
1．密度（p10)
单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，
其表达式为：
ρ= m／V
ρ——流体密度，kɡ·m-3 ; m——流体质量，kg；V——