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《化工单元操作》
项目一 流体流动及输送
一、流体的基本物理量
（一）密度与相对密度
1.密度：
单位：kg/m3
影响因素：
①T：T
②p：对液体密度影响不大，对气体密度影响较大，p
任务二 获取流体输送知识（1）
ρ
V
ρ
① 纯液体查表（查表时注意温度）；
[例1-1]已知20℃正戊烷和正辛烷的密度分别为626kg/m3和703kg/m3。试求正戊烷含量为70%（质量分数）的正戊烷-正辛烷溶液的密度。
解：
② 混合液体利用公式 （ 为各组分的质量分数）（根据混合前后体积不变）计算。
2、ρ的求取
（1）液体
注意：方程式中各物理量的单位
p——kPa（要用绝压）;T——K
① 纯气体：查表（查表时注意温度和压强）或利用气态方程式。
（2）气体
理想气体在标准状态下的密度：
由标准状态下的密度求出其他状态下的密度：
② 混合气体
a、 （ 为各组分的体积分数或摩尔分数，下同）
b、
例1-2：干空气的组成近似为21%的氧气和79%的氮气（均为体积分数）。试求压力为294kPa、温度为80℃时空气的密度。
解：
2.相对密度：
某一液体密度和标准液体（4℃时的水）的密度的比值。
液体的相对密度值可用比重计 测定，也可查有关手册。
（二）压力（压强）
1.定义：
2.单位
SI制：N/m2（Pa）；kPa 、MPa
工程制：kgf/m2、kgf/cm2（at）；
用液柱高度表示：mmHg 、mH2O等。
标准大气压（物理大气压）：atm
工程大气压：at
3.压强的表示方法
A.绝对压强：以绝对零压（绝对真空）为基准算得的压强。
B.表压、真空度（需注明）：以大气压为基准得到的压力，比大气压高的部分称表压，比大气压低的部分称真空度。
关系： P表= P绝 - P大 P真= P大 - P绝
注意：大气压与气温、湿度和所在地的海拔高度有关。1atm = 1.013×105Pa =760mmHg =10.33m H2O
绝对零压线
大气压线
表压
真空度
绝对压强
绝对压强
图1-1 绝对压强、表压与真空度的关系
【例1-3】 某设备进、出口测压仪表的读数分别为3kpa（真空）和67kpa（表压），求两处的绝对压强差？
解：已知：进口真空度p1=3kPa；出口表压p2=67kPa
则：
所以：
（三）黏度
1.定义：衡量流体黏性大小的物理量，用μ表示。黏性是指实际流体流动时流体分子之间产生内摩擦力的特性。黏性越大，流动性越差，流动阻力越大。
2.单位：
SI制: N·s/m2=Pa·s(帕斯)
1 Pa·s=10P=1000cP=1000 m Pa·s
1cP（厘泊） =1 m Pa·s
（1）T:
气体：T↑，μ↑
液体：T↑，μ↓
（2）P:
气体：在很高或很低时才考虑。
液体：影响很小，不考虑。
4.μ的求取：
3.影响黏度的因素：T和P
纯物质查表、查图；混合物利用经验公式。
注意：运动粘度
（一）密度与相对密度
混合液体、混合气体密度的求法
（二）流体的压力（压强）
绝压、表压、真空度
（三）黏度
小 结
2、 不变时，静止流体内部任一点的压强 的大小与流体本身的密度和该点距液面的深度有关，当T一定后， 。
1、当 变化时，流体内部各点压强 也发生同样大小的变化；
二、静力学方程及其应用
（一）静力学方程
p = p0 + ρg h
3、在静止流体内部，静止、连续、同一流体的同一水平面，压强相等，这个面称为等压面。（四个条件缺一不可）
例: 本题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1=0.7m、密度ρ1=800kg/m3，水层高度h2=0.6m、密度ρ2=1000kg/m3。
（1）判断下列两关系是否成立，即 pA=p'A pB=p'B
（2）计算水在玻璃管内的高度h。
解：（1）判断题给两关系式是否成立 pA=p'A的关系成立。因A与A'两点在静止的连通着的同一流体内，并在同一水平面上。所以截面A-A'称为等压面。
pB=p'B的关系不能成立。因B及B'两点虽在静止流体的同一水平面上，但不是连通着的同一种流体，即截面B-B'不是等压面。
（2）计算玻璃管内水的高度h 由上面讨论知，pA=p'A，而pA=p'A都可以用流体静力学基本方程式计算，即
pA=pa+ρ1gh1+ρ2gh2
pA'=pa+ρ2gh
于是 pa+ρ1gh1+ρ2gh2=pa+ρ2gh
简化上式并将已知值代入，得
800×0.7+1000×0.6=1000h
解得 h=1.16m
(二)静力学基本方程的应用——（关键是找等压面）
1. 压力及压力差的测量
（1）U形压差计
设指示液的密度为 ，
被测流体的密度为 。
A与A′面 为等压面，即
p1
p2
m
R
A
A’
水平等径管内流体是流动的，但在软管和U形管压差计内的流体是静止的。
所以
整理得
若被测流体是气体， ，则有
p1
p2
m
R
A
A’
而
讨论：
a. U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；
表压
真空度
p1
pa
p1
pa
b. 指示液的选取：
指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；
其密度要大于被测流体密度。
应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。
思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数
R反映了什么？
p1
p2
z2
R
A
A’
z1
（2）微压差计
扩大室内径与U管内径之比应大于10 。
密度接近但不互溶的两种指示
液A和C ；
适用于压差较小的场合。
当P1-P2值较小时，R值也较小，若希望读数R清晰，可采取三种措施：两种指示液的密度差尽可能减小、采用倾斜U型管压差计、采用微差压差计。
（3） 倒U形压差计
指示剂密度小于被测流体密度，
如空气作为指示剂
（4） 复式压差计
适用于压差较大的情况。
例: 如图所示，在一输水异径水平管段两截面（1-1‘、2-2’）连一倒置U管压差计，其指示剂为空气，压差计读数R=200mm。试求两截面间的压强差。
解：根据流体静力学基本原理，截面a-a‘为等压面，
则 pa=pa'
又由流体静力学基本方程式可得
pa=p1－ρgM
pa'=p2－ρg（M－R）－ρggR
联立上三式，并整理得
p1－p2=（ρ－ρg）gR
由于ρg《ρ，上式可简化为
p1－p2≈ρgR
所以p1－p2≈1000×9.81×0.2=1962Pa
空气
水
例： 如图所示，蒸汽锅炉上装置一复式U形水银测压计，截面2、4间充满水。已知对某基准面而言各点的标高为z0=2.1m， z2=0.9m， z4=2.0m，z6=0.7m， z7=2.5m。试求锅炉内水面上的蒸汽压强。
解：按静力学原理，同一种静止流体的连通器内、同一水平面上的压强相等，故有 p1=p2，p3=p4，p5=p6
对水平面1-2而言，p2=p1，即
p2=pa+ρig（z0－z1）
对水平面3-4而言，
p3=p4= p2－ρg（z4－z2）
对水平面5-6有
p6=p5=p4+ρig（z4－z5）
锅炉蒸汽压强 p=p6－ρg（z7－z6）
p=pa+ρig（z0－z1）+ρig（z4－z5）－ρg（z4－z2）－ρg（z7－z6）
则蒸汽的表压为
p－pa=ρig（z0－z1+ z4－z5）－ρg（z4－z2+z7－z6）
=13600×9.81×(2.1－0.9+2.0－0.7)－1000×9.81×(2.0－0.9+2.5－0.7)
=3.05×105Pa=305kPa
2.液位测定
【例】容器内存有密度为800 kg/m3的油品，U形管压差计中指示液为汞，读数为200mm。求容器内油面高度？
解：
远距离液位测量装置
管道中充满氮气，其密度较小，近似认为
而
所以
A
B
【例】有一地下对硝基氯苯贮槽，用图示装置测量其液位。自管口通入压缩氮气，通过观察罩观察到氮气在贮槽内鼓泡时，吹气管上安装的U形管压差计的读数稳定为R。已知压差计中指示液为汞，读数为R=100mm，对硝基氯苯的密度为1250 kg/m3，贮槽上方通大气。试求贮槽液面至吹气管口的垂直距离h？
解：由于通过观察罩可以得知吹气管内氮气在鼓泡状态下通过，所以氮气压力与吹气管底等高的槽内流体压力相等。即：
3. 液封高度的计算
液封作用：
液封高度：
确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出；
防止气柜内气体泄漏
[例1-6]为控制乙炔发生炉内的压强不大于10.7kPa(表压)，在炉外装有安全液封(水封)，如图所示。求水封中水应比气体出口管高出多少米？
解：由等压面的判定条件知：
故
小 结
一、静力学方程
二、静力学方程的应用
U形管压差计、测液位、液封
——关键是找等压面:
作业
工艺计算题：P67页2、3

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