【正文】 化工原理化工原理第一章 流體流動第一節(jié) 概述 流體是指具有流動性的物體，包括液體和氣體。研究流體平衡和運動宏觀規(guī)律的科學稱為流體力學。流體力學分為流體靜力學和流體動力學。 化工生產中所處理的原料、中間體和產品，大多數(shù)是流體。按生產工藝要求，制造產品時往往把它們依次輸送到各設備內，進行藥物反應或物理變化，制成的產品又常需要輸送到貯罐內貯存。過程進行的好壞、動力消耗及設備的投資都與流體的流動狀態(tài)密切相關。 在化工生產中，有以下幾個主要方面經常要應用流體流動的基本原理及其流動規(guī)律。 第一節(jié) 概述 一、流體的輸送 欲將流體沿管道進行輸送，需選擇適宜的流動速度，以確定輸送管路的直徑。在流體的輸送過程中，常常要采用輸送設備，因此需要確定流體在流動過程中應加入的外功，為選用輸送設備提供依據(jù)。這些都要應用流體流動的規(guī)律進行分析和計算。 二、壓力、流速和流量的測量 為了了解和控制生產過程，需要測定管路或設備內的壓力、流速及流量等參數(shù)，以便合理地選用和安裝測量儀表。而這些測量儀表的工作原理又多以流體的靜止或流動規(guī)律為依據(jù)。 第二節(jié) 流體靜力學 一、流體的壓縮性 流體的特征是分子之間的內聚力極小，幾乎有無限的流動性，而且可以幾乎毫無阻力地將其形狀改變。當流速低于聲速時，氣體和液體的流動具有相同的規(guī)律。 一般說來，液體的形狀與容器相同，具有一定的自由表面，其體積幾乎不隨壓強和溫度而改變。與之相反，氣體的形狀與容器完全相同，完全充滿整個容器，其體積隨壓強和溫度的變化而有明顯改變。流體的體積隨壓強和溫度而變的這個性質，稱為流體的壓縮性。第二節(jié) 流體靜力學 一般說來，液體的形狀與容器相同，具有一定的自由表面，其體積幾乎不隨壓強和溫度而改變。與之相反，氣體的形狀與容器完全相同，完全充滿整個容器，其體積隨壓強和溫度的變化而有明顯改變。流體的體積隨壓強和溫度而變的這個性質，稱為流體的壓縮性。 實際流體都是可壓縮性流體。但是，液體由溫度、壓力引起的體積變化極小，工程上可按不可壓縮性流體考慮。氣體具有較大的壓縮性，但在壓力變化很小的流動狀態(tài)下，也可以當作不可壓縮性流體處理。 在流體力學中，為了研究許多有關液體靜止或運動狀態(tài)的理論，引入了實際不存在的理想液體的概念。理想液體的體積絕對不隨壓強和溫度的變化而改變，在流動時分子之間沒有摩擦力。 高溫、低壓下的實際氣體接近于理想氣體，所以通常可用理想氣體狀態(tài)方程式來計算。 第二節(jié) 流體靜力學 二、流體的主要物理量 1． 密度、相對密度和比體積 （ 1） 密度 單位體積流體所具有的質量，稱為流體的密度。其表達式為 （ 11） —— 流體的密度，㎏ /m3 ； —— 流體的質量，㎏ ； —— 流體的體積， m3 。 第二節(jié) 流體靜力學 ① 氣體的密度 氣體是可壓縮性流體，其密度隨壓強和溫度而變化。因此氣體的密度必須標明其狀態(tài)。從手冊中查得的氣體密度往往是某一指定條件下的數(shù)值，這就需要將查得的密度換算成操作條件下的密度。一般當壓強不太高、溫度不太低時，也可按理想氣體來處理。結果為：第二節(jié) 流體靜力學 （ 12） — 173?！?氣體的絕對壓力， kPa ； 173?！?氣體的千摩爾質量， kg/kmol ； —— 氣體的熱力學溫度， K ； —— 通用氣體常數(shù)， kJ/（ kmolK）； 下標 0表示標準狀態(tài)，即 273 K、 kPa。 任何氣體的 R值均相同。的數(shù)值，隨所用 P、 V 、 T等的單位不同而異。選用 R值時，應注意其單位。第二節(jié) 流體靜力學 用式（ 12）計算混合氣體的密度時，應以混合氣體的平均千摩爾質量 M均 代替 M。 混合氣體的平均摩爾質量 M均可按下式求得 M均 = M1y 1+M2y2 +… + Mnyn 式中 M M2… Mn—— 氣體混合物中各組分的千摩爾質量， kg/kmol ； y y2… y n—— 氣體混合物中各組分的摩爾分數(shù)。 ② 液體的密度 液體的密度一般用實驗方法測定。工業(yè)上測定液體密度最簡單的方法使用比重計。各種液體的密度數(shù)據(jù)，可從有關手冊中查到。本書附錄中列有某些液體的密度，供練習查用。第二節(jié) 流體靜力學 混合液體的密度的準確值要用實驗方法求得。如液體混合時，體積變化不大，則混合液體密度的近似值可由下式求得： （ 13） —— 液體混合液的密度； —— 混合液中各純組分的密度； —— 混合液中各純組分的質量分數(shù)。 （ 2）相對密度 相對密度為流體密度與 4℃ 時水的密度之比，用符號 表示，習慣稱為比重。即 （ 14） 式中 —— 液體在 t℃ 時的密度； —— 水在 4℃ 時的密度。 由上式可知，相對密度是一個比值，沒有單位。因為水在 4℃ 時的密度為 1000㎏ /m3， 所以 ，即將相對密度值乘以 1000即得該液體的密度 ，㎏ /m3。第二節(jié) 流體靜力學 （ 3）比體積 單位質量流體所具有的體積稱為流體的比體積，用符號 表示，習慣稱為比容。顯然，比體積就是密度的倒數(shù)，其單位為 m3/㎏。 表達式為 （ 15） 上述這些物理量是表明流體的質量與體積的換算關系。如果已知流體的質量及密度（或相對密度、比容），即可求得流體的體積。反之亦然。第二節(jié) 流體靜力學 2．壓強（壓力） （ 1）壓強的定義 流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體壓力強度，亦稱為流體靜壓強，簡稱壓強（工程上習慣稱為壓力）。用符號 表示壓強， 表示面積， 為流體垂直作用與面積上的力。則壓強 （ 16） 式中 —— 作用在該表面上的壓力， N/m2， 即 Pa； —— 垂直作用于表面的力， N； —— 作用面的面積， m2。 第二節(jié) 流體靜力學 （ 2）壓強的單位及其換算 在 SI中，壓力的法定計量單位是 Pa(帕 )或 N/m2， 工程上常使用 MPa（ 兆帕）作為壓力的計量單位。 在工程單位制中，壓力的單位是 at(工程大氣壓 )或kgf/cm2。 其它常用的壓力表示方法還有如下幾種： 標準大氣壓（物理大氣壓）， atm； 米水柱， mH2O；毫米汞柱， mmHg； 毫米水柱， mmH2O（ 流體處于低壓狀態(tài)時常用）。 各種壓力單位的換算關系如下： 1 atm= kPa= kgf/cm2 =760mmHg = 1 at==1kgf/cm2= mmHg =10 mH2O 第二節(jié) 流體靜力學 實際生產中還經常采用以某液體的液柱高度表示流體壓力的方法。它的原理是作用在液柱單位底面積上的液體重力。設為液柱高度， 為液柱的底面積，為液體的密度，則由液柱高度所表示的流體壓強為 （ 17） 由此可見 ,流體液柱的壓強等于液柱高度乘以液體的密度和重力加速度。 如果已知流體的壓強為，密度為，與它相當?shù)囊褐叨瓤捎上率角蟮? 第二節(jié) 流體靜力學 所以，用液柱高度表示液體的壓強時，必須注明流體的名稱及溫度，才能確定液體的密度，否則即失去了表示壓強的意義。 （ 3）壓力的表達方式 壓力在實際應用中可有三種表達方式：絕壓、表壓和真空度。 ① 絕對壓強（簡稱絕壓） 是指流體的真實壓強。更準確地說，它是以絕對真空為基