化工原理 第一章 流体流动

流动管路截面1、2间的压差(导结果为

4.斜管压差计

),可根据液柱高度差R进行计算。推

斜管压差计

当被测量的压差比较小时,读数R必然很小。为了放大读数R,提高测量精确度,除了选用更合适的指示液外,还可采用一端带扩大室,另一端倾斜角为α的斜管压差计。

根据流体静力学基本方程式可推导出计算压差(

)的公式,即

显然,当测量的压差值一定时,倾斜角α值越小,读数R'值就越大。但倾斜角不宜小于150,一般为200左右。否则会给读取数据造成困难。

5.微差压差计

当所测压差很小时,为了放大读数R,还可采用微差压差计,其构造如图所示。U形管每端有扩大室,当读数R变化时,两扩大室液面不致有明显的变化。可忽略两扩大室间的液面差;在U形管内装有两种密度不同(如溶的指示液a和b,所以微差压差计也叫做双指示液压差计。

根据流体静力学基本方程式,取A-B为等压面,可推导出计算压差(的公式,即

)

)、又不互

由上式可知,对一定的压差,即使

很小,只要适当选择a、

b两种指示液,即使它们的密度差很小,则可放大读数R。常用的双

指示液有:水-煤油、酒精-煤油、四氯化碳-水、苯胺-氯化钙溶液(其密度可由浓度调整)等。

(二)液面测定

在石油加工和石油化工生产中,为了了解容器或设备内的贮液量,需要对液面进行测定。此处仅讨论以流体静力学基本方程式为依据的液面测定方法──液面计。

液面计就是根据静止、连续的同一液体内同一水平面上各点压力相等这一原理设计成的。如图1-12所示,为一测量设备内液面离度的液面计简图。因为玻璃管上、下端与设备内液面上、下相连通,则

。根据等压面概念,设备内

液面与玻璃管内液面必在同一水平面上。故从玻璃管中观察到的液面高度也就是设备内液面高度。

(三)液封高度的计算

液封在实际工程中应用十分广泛,如各种气液分离器的后面、气体洗涤塔底以及气柜等为了防止气体泄漏和安全等目的,都要采用液封(或称水封)。

如塔底液面上方的表压力为p,则根据流体静力学基本方程式,可得

只要液封高度z满足以上条件,就可以达到只让水流出,而不致使气体冲出的目的。但由于洗涤塔底流出的水中常溶解或夹带部分气体,使水的密度降低。因此,水封高度z应大于上面的计算值。

第三节 流体动力学

一、流量和流速 (一)流量

1.体积流量 单位时间内流体流过管路任一截面的体积,称为体积流量,以V表示,其单位为m3/s或m3/h。

2.质量流量 单位时间内流体流过管路任一截面的质量,称为质量流量,以W表示,其单位为kg/s或kg/h。

体积流量与质量流量的关系为

(1-25)

式中

──流体的密度,kg/m3。

(二)流速

1.平均流速 单位时间内流体在流动方向上流过的距离,称为流速。实践证明,流体在管路内流动时,由于流体具有粘性,管路截面上流体的流速沿半径是变化的,如图1-3所示。流体在管路中心流速最大,愈靠近管壁流速愈小,在管内壁处流速为零。流体在截面上的某点流速,称为点速度,以

表示。流体在

同一截面上各点流速的平均值,称为平均流速,简称流速,以u表示,单位为m/s。在工程上,平均流速一般是以流体的体积流量V(m3/s)除以管路的截面积A,即

(1-26)

式中A──管路的截面积,m2。 显然,W、V和u三者关系为

(1-27)

2.质量流速 单位时间内流体流过管路单位截面积的质量,称为质量流速,以符号G表示,常用单位为

,其表达式为

(1-28)

由于气体为可压缩性流体,其体积随温度、压力而发生变化,那么气体的体积流量、流速和密度也将随之变化,但其质量流速不变化,或者气体的流速和密度

成反比例变化,故其质量流速G不变。因此,在气体管路的分析和计算中,

采用质量流速比较方便。

(三)管径估算

若以d表示管路内径,则管路的截面积为A=πd2/4。由式(1-26)可得

(1-29)

式中d──圆形管路或设备内径,m。

流体的流量一般为生产任务所决定,所以计算管径的关键是选择流速。工厂内部的工艺管路通常比较短,管内流速可选用经验数据,某些流体在管路中的常用流速范围列于表1-2中以供估算管径时选用。由表1-2可知,流体在管路中的适宜流速与流体的性质和操作条件有关。

由于厂家生产的管子都已规范化,所以估算出管径之后,还需要按有关手册出的管子规格选取合适的标准管径。

二、稳定流动与不稳定流动 1.稳定流动

流体在管路中流动时,若流体在任一截面处的流速、流量、压力和密度等与流动有关的物理量均不随时间而变化,这种流动称为稳定流动。如图1-14所示的水箱,因其内水位保持恒定,任一流动截面处的上述物理量均不随时间变化。因此,这种流动属于稳定流动。

2.不稳定流动

流体在流动时,若流体在任一截面处与流动有关的物理量中,只要有一项随时间而变化,这种流动称为不稳定流动。如把图1-14中的进水管的阀门关闭时,因槽中的水面不断下降而各截面上的流速和压力不仅随位置而变,而且还随时间而变,这种流动情况就属于不稳定流动。

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