【正文】 化工原理化工原理第一章 流體流動(dòng)第一節(jié) 概述 流體是指具有流動(dòng)性的物體，包括液體和氣體。研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)宏觀規(guī)律的科學(xué)稱為流體力學(xué)。流體力學(xué)分為流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)。 化工生產(chǎn)中所處理的原料、中間體和產(chǎn)品，大多數(shù)是流體。按生產(chǎn)工藝要求，制造產(chǎn)品時(shí)往往把它們依次輸送到各設(shè)備內(nèi)，進(jìn)行藥物反應(yīng)或物理變化，制成的產(chǎn)品又常需要輸送到貯罐內(nèi)貯存。過程進(jìn)行的好壞、動(dòng)力消耗及設(shè)備的投資都與流體的流動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。 在化工生產(chǎn)中，有以下幾個(gè)主要方面經(jīng)常要應(yīng)用流體流動(dòng)的基本原理及其流動(dòng)規(guī)律。 第一節(jié) 概述 一、流體的輸送 欲將流體沿管道進(jìn)行輸送，需選擇適宜的流動(dòng)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(shè)備，因此需要確定流體在流動(dòng)過程中應(yīng)加入的外功，為選用輸送設(shè)備提供依據(jù)。這些都要應(yīng)用流體流動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行分析和計(jì)算。 二、壓力、流速和流量的測(cè)量 為了了解和控制生產(chǎn)過程，需要測(cè)定管路或設(shè)備內(nèi)的壓力、流速及流量等參數(shù)，以便合理地選用和安裝測(cè)量?jī)x表。而這些測(cè)量?jī)x表的工作原理又多以流體的靜止或流動(dòng)規(guī)律為依據(jù)。 第二節(jié) 流體靜力學(xué) 一、流體的壓縮性 流體的特征是分子之間的內(nèi)聚力極小，幾乎有無限的流動(dòng)性，而且可以幾乎毫無阻力地將其形狀改變。當(dāng)流速低于聲速時(shí)，氣體和液體的流動(dòng)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(qiáng)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(gè)容器，其體積隨壓強(qiáng)和溫度的變化而有明顯改變。流體的體積隨壓強(qiáng)和溫度而變的這個(gè)性質(zhì)，稱為流體的壓縮性。第二節(jié) 流體靜力學(xué) 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(qiáng)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(gè)容器，其體積隨壓強(qiáng)和溫度的變化而有明顯改變。流體的體積隨壓強(qiáng)和溫度而變的這個(gè)性質(zhì)，稱為流體的壓縮性。 實(shí)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(dòng)狀態(tài)下，也可以當(dāng)作不可壓縮性流體處理。 在流體力學(xué)中，為了研究許多有關(guān)液體靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的理論，引入了實(shí)際不存在的理想液體的概念。理想液體的體積絕對(duì)不隨壓強(qiáng)和溫度的變化而改變，在流動(dòng)時(shí)分子之間沒有摩擦力。 高溫、低壓下的實(shí)際氣體接近于理想氣體，所以通?？捎美硐霘怏w狀態(tài)方程式來計(jì)算。 第二節(jié) 流體靜力學(xué) 二、流體的主要物理量 1． 密度、相對(duì)密度和比體積 （ 1） 密度 單位體積流體所具有的質(zhì)量，稱為流體的密度。其表達(dá)式為 （ 11） —— 流體的密度，㎏ /m3 ； —— 流體的質(zhì)量，㎏ ； —— 流體的體積， m3 。 第二節(jié) 流體靜力學(xué) ① 氣體的密度 氣體是可壓縮性流體，其密度隨壓強(qiáng)和溫度而變化。因此氣體的密度必須標(biāo)明其狀態(tài)。從手冊(cè)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(dāng)壓強(qiáng)不太高、溫度不太低時(shí)，也可按理想氣體來處理。結(jié)果為：第二節(jié) 流體靜力學(xué) （ 12） — 173。—— 氣體的絕對(duì)壓力， kPa ； 173?！?氣體的千摩爾質(zhì)量， kg/kmol ； —— 氣體的熱力學(xué)溫度， K ； —— 通用氣體常數(shù)， kJ/（ kmolK）； 下標(biāo) 0表示標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，應(yīng)注意其單位。第二節(jié) 流體靜力學(xué) 用式（ 12）計(jì)算混合氣體的密度時(shí)，應(yīng)以混合氣體的平均千摩爾質(zhì)量 M均 代替 M。 混合氣體的平均摩爾質(zhì)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(zhì)量， kg/kmol ； y y2… y n—— 氣體混合物中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)。 ② 液體的密度 液體的密度一般用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。工業(yè)上測(cè)定液體密度最簡(jiǎn)單的方法使用比重計(jì)。各種液體的密度數(shù)據(jù)，可從有關(guān)手冊(cè)中查到。本書附錄中列有某些液體的密度，供練習(xí)查用。第二節(jié) 流體靜力學(xué) 混合液體的密度的準(zhǔn)確值要用實(shí)驗(yàn)方法求得。如液體混合時(shí)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)。 （ 2）相對(duì)密度 相對(duì)密度為流體密度與 4℃ 時(shí)水的密度之比，用符號(hào) 表示，習(xí)慣稱為比重。即 （ 14） 式中 —— 液體在 t℃ 時(shí)的密度； —— 水在 4℃ 時(shí)的密度。 由上式可知，相對(duì)密度是一個(gè)比值，沒有單位。因?yàn)樗?4℃ 時(shí)的密度為 1000㎏ /m3， 所以 ，即將相對(duì)密度值乘以 1000即得該液體的密度 ，㎏ /m3。第二節(jié) 流體靜力學(xué) （ 3）比體積 單位質(zhì)量流體所具有的體積稱為流體的比體積，用符號(hào) 表示，習(xí)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(dá)式為 （ 15） 上述這些物理量是表明流體的質(zhì)量與體積的換算關(guān)系。如果已知流體的質(zhì)量及密度（或相對(duì)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(xué) 2．壓強(qiáng)（壓力） （ 1）壓強(qiáng)的定義 流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體壓力強(qiáng)度，亦稱為流體靜壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱壓強(qiáng)（工程上習(xí)慣稱為壓力）。用符號(hào) 表示壓強(qiáng)， 表示面積， 為流體垂直作用與面積上的力。則壓強(qiáng) （ 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(xué) （ 2）壓強(qiáng)的單位及其換算 在 SI中，壓力的法定計(jì)量單位是 Pa(帕 )或 N/m2， 工程上常使用 MPa（ 兆帕）作為壓力的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)常用）。 各種壓力單位的換算關(guān)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(xué) 實(shí)際生產(chǎn)中還經(jīng)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(shè)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(qiáng)為 （ 17） 由此可見 ,流體液柱的壓強(qiáng)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(qiáng)為，密度為，與它相當(dāng)?shù)囊褐叨瓤捎上率角蟮? 第二節(jié) 流體靜力學(xué) 所以，用液柱高度表示液體的壓強(qiáng)時(shí)，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(qiáng)的意義。 （ 3）壓力的表達(dá)方式 壓力在實(shí)際應(yīng)用中可有三種表達(dá)方式：絕壓、表壓和真空度。 ① 絕對(duì)壓強(qiáng)（簡(jiǎn)稱絕壓） 是指流體的真實(shí)壓強(qiáng)。更準(zhǔn)確地說，它是以絕對(duì)真空為基