3.1 流体的基本性质

1化工基础AnIntroductiontoChemicalIndustryandEngineering2教学目的：重点难点：课型：第三章流体流动过程及流体输送设备§3.1流体的基本性质掌握流体有关的物理性质和流体静力学方程流体的压强理论知识课流体的流速和流量流体的粘度流体静力学方程及其应用3复习化工生产过程是由一系列的______按一定的顺序所组成，在这些单元中，有的主要是______作用,有的主要是_____变化。主要是__________或______________的单元可归纳为传递过程。化学工程中的传递过程包括__________、__________和___________。单元物理化学物理作用物理化学作用动量传递热量传递质量传递4流体的流动和输送在化工生产中占有非常重要的地位,是必不可少的单元操作之一.5第三章流体流动过程及流体输送设备流体(fluid)——没有固定形状,能够自由流动liquidgasfluid流体力学(fluidmechanics)流体静力学(hydrostatic)流体动力学(hydrodynamic)动量传递过程momentumtransferprocess6密度(density):是指单位体积物料所具有的质量,单位3mkgVm液体混合物密度的计算：以1kg混合物为基准nnBBAAmV......1混合物中各组分的质量分率液体混合物中各组分的密度Note:忽略体积效应§3.1流体的基本性质注:流体的密度是温度和压力的函数7气体混合物密度的计算：当p不太高,T不太低时,可按理想气体处理RTpMmmMm—气体平均分子量，nnBBAAmyMyMyMM......或:nnm2111由于各组分在混合前后质量不变，以1m3混合气体为基准——气体混合物中各组分的体积分率。n21,——在气体混合物的压力下各纯组分的密度，kg/m3。n21,8比体积(specificvolume):是指单位质量物料所具有的体积。mV113kgm9压强(pressure):物体单位面积上所受到的流体垂直作用力。压强的单位：国际单位制Pa物理学(cgs制)atm、mmHg、mH2O等。工程单位制千克(力)/厘米2(kgf•cm-2)——工程大气压（at）工程技术上习用:8公斤蒸汽，是指8kgf•cm-2(表压)的饱和蒸汽；反应釜有5公斤压强，指5kgf•cm-2(表压)的压强。压强的单位换算:1atm=101325Pa=760mmHg=10.33mH2O=1.033kgf•cm-21mmHg=0.133kPa1mH2O=9.81kPa1kgf•cm-2=98.1kPa1bar=100kPa液柱10以液柱表示压强：Ah][PaghAghAAmgAFpgPh[m液柱]Note：①h即为该流体在压力p作用下能上升的高度；②同一p值,因不同流体的密度不同,其h值也不同，③用液柱高度表示流体的压力时，必须注明是何种流体，必要时还应注明温度以确定流体的密度。ghghpBBAA11压强的基准绝对压(absolutepressure):以绝对零压为起点的压强称为绝对压强。表压(superatmosphericpressure):以当时当地大气压为起点的压强。真空度(degreeofvacuum)：低于当时当地大气压的这部分压强。绝对零压线当时当地大气压(1.0atm)p1(1200mmHg)绝对压表压绝对压真空度p2(500mmHg)绝对压=当时大气压+表压=当时大气压—真空度12体积流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的体积，称为体积流量，qv流量(flow,flux)体积流量(volumeflowrate)质量流量(massflowrate)质量流量：单位时间内通过导管任一横截面的流体的质量，称为质量流量，qm（m3•s-1）。（kg•s-1）。qm=qv•摩尔流量:单位时间内通过导管任一横截面的流体的物质的量，称为摩尔流量，qn(mol.s-1)摩尔流量(molarflowrate)13流速(velocityofflow)※点速度(spotspeed)：单位时间内流体质点在流动方向上通过的距离，ur（m•S-1）※平均流速(averageflowrate)：u=qv/s（m•s-1）=4qv/d2※质量流速:单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，kg.s-1.m-2usqm/14管径的计算∴qV是由生产任务决定的ud材料费用设备费用阻力能量消耗操作费用优化：两者之和最小uqdv415表2-2工业上管内流体常用的流速范围流动介质流速(m•s-1)液体自然流动粘性流体（油类、硫酸等）一般液体0.1～1.00.5~1.00.5～2.5气体自然流动不大的压强下(鼓风机管路)压缩气体2～48～1515~25蒸汽常压和略高于常压的饱和蒸汽0.1～0.5MPa(表压)饱和水蒸汽15～2520～4016管径的计算表2-3水管、煤气管的规格公称口径Dg外径mm普通管壁厚mm加厚管壁厚mmmm英寸1015202532401251503/8½¾11¼1½561721.2526.7533.542.25481401652.252.752.753.253.253.54.54.52.753.253.5444.255.55.517••maxuuRr0u0r流动的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的内摩擦力，它是流体粘性的表现。流体流动时，必须克服粘性阻力而作功，从而造成能量损失。粘度(viscosity)18粘度(viscosity)牛顿型流体的粘度:粘度是流体内部摩擦力的表现，衡量流体粘性大小的物理量，是流体的重要物性参数之一。流体的粘度越大，流体的流动性越小。F(剪切力)uu0udyduAFy(牛顿粘性定律)——作用于单位面积上的剪切力，称为剪应力。——比例系数，即流体的粘度。主要通过实验测定.速度梯度19粘度(viscosity)粘度的单位：国际单位制：Pa•s物理学单位制：泊(poise，p)或厘泊(cp)1泊=0.1Pa•s液体的粘度:受压力影响很小，随温度的升高而显著降低。气体的粘度：随温度升高而增大，随压力升高而增加的很少。NOTE：√粘度不仅与分子间的吸引力有关，还与分子热运动有关。√工业上常常遇到各种流体的混合物，它们的粘度一般应用实验的方法测定其数值，或选用适当的经验公式进行估算。20运动粘度(kinemeticviscosity):流体的粘度与密度的比值)(/12sm在CGS制中运动粘度的单位为cm2.s-1，称为沲(stoke，st)1st=100cst=10-4m2.s-121流体静力学基本方程根据用液柱表示压强的方法，p=hg，则在静止液面下面深度h处的压强为：ghpp0（流体静力学方程）在重力场中，静止流体内任一点的静压力的大小与液体的密度及该点的深度有关，与该点所在的水平位置及容器的形状无关。在连续、静止的同一流体中，在同一水平面上，流体的静压力相等，这样的水平面称为等压面。0ABCDghpghppBA0hBAppDCpp？液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部,此规律即物理学中的巴斯噶原理.22练习水水水Q1:A1、A2、A3的压力是否相同？他们的大小顺序如何？A1A2A3B1B2B3Q2:B1、B2、B3的压力是否相同？C1C2C3Q3:C1、C2、C3的压力是否相同？Q4:D1、D2、D3的压力是否相同？D1D2D3A:A3A2A1A:B3B2B1A:C1C2=C3A:D1=D2=D323练习离H0为0.5m，油的密度0为800kg•m-3，水的密度为1000kg•m-3。如果要求油水分界面位于观察孔中心，则倒U型管顶部至观察孔中心的垂直距离H应为多少？设液体在器内的流动缓慢，可按静力学处理。而且油水易于分层，没有乳化界面。H0H溢流混合物水油和水的混合物在分离器内利用密度差异进行分离。油由上部的侧管溢流排走，水由底部的倒U型管排出。倒U型管顶部有平衡管与分离器顶部连通，使两处压力相等。油面至观察孔中心的距gHgH0024练习乙炔发生器装有水封管,当器内压力过大时通过水封排气至安全处。要控制发生器内压力不超过12kPa（表压）。求水封管应插入水的深度H。乙炔发生器H4102.1gHp