化工单元过程与操作-流体物性参数及获取

( 一) 密度和相对密度

1.密度 单位体积流体所具有的质量，称为流体的密度，用符号ρ 表示，其表达式为:

式中: ρ——流体的密度，kg/m3;

m——流体的质量，kg;

V——流体的体积，m3。

2.相对密度 物料的密度与4℃纯水密度之比，即:

则:

(1) 纯流体的密度。一般液体的密度基本上不随压力变化而变化( 极高压力除外) ，但随温度变化而变化，常用纯液体密度可由有关书、刊或手册查取，查取时注意其温度条件。气体密度随温度和压力变化较大，当没有气体密度数据时，如果压力不太高、温度不太低，气体密度可近似按理想气体状态方程式计算，即:

式中: p——气体的压力，kPa;

T——气体的温度，K;

M——气体的摩尔质量，kg/mol;

R——摩尔气体常数，其值为8.314J/( mol·K) 。

一般在手册中查得的气体密度都是在一定温度与压力下的数值，若条件不同，需进行换算。

(2) 混合流体的密度。化工生产中遇到的流体，大多为几种组分组成的混合流体，可以通过纯组分的密度进行计算。

①液体混合物密度。对于液体混合物，其组成通常用质量分数表示。现以1kg 混合液体为基准，并假设各组分在混合前后体积不变，则1kg 混合液体的体积等于各组分单独存在时体积之和，即:

式中: w1，w2，…，wn ——液体混合物中各组分的质量分数;

ρ1，ρ2，…，ρn ——各纯组分的密度，kg/m3;

ρm ——液体混合物的平均密度，kg/m3。

②气体混合物密度。对于气体混合物，其组成通常用体积分数表示。现以1m3 混合气体为基准，并假设各组分在混合前后体积不变，则1m3 混合气体的质量等于各组分的质量之和，即:

式中: φ1，φ2，…，φn ——气体混合物中各组分的体积分数;

ρm ——气体混合物的平均密度，kg/m3。

气体混合物的平均密度ρm 也可用理想气体状态方程式计算，但式中的摩尔质量应用混合气体的平均摩尔质量Mm 代替，即:

式中: M1，M2，…，Mn ——各纯组分摩尔质量，kg/mol;(www.xing528.com)

y1，y2，…，yn ——气体混合物中各组分的摩尔分数。对于理想气体，其摩尔分数y 与体积分数φ 相同。

( 二) 压强

垂直作用于流体单位面积的压力，称为流体的静压强，简称压强。

1.压强的单位 在SI 单位制中，压强的单位是Pa 或N/m2。工程上也可以间接地以液体柱高度表示，如用米水柱或毫米汞柱等，它们之间的换算关系为:

2.压强的表示法 压力的大小常以两种不同的基准表示: 一种是绝对真空; 另一种是大气压力。基准不同，表示方法也不同。以绝对真空为基准测得的压强称为绝对压强( 绝压) 。以大气压强为基准测得的压强称为表压强( 表压) 或真空度。

如若系统压强高于大气压，则超出的部分称为表压强，即:

所用的测压仪表称为压力表。

如若系统压强低于大气压，则低于大气压的部分称为真空度，即:

所用的测压仪表称为真空表。

显然，真空度为表压的负值，并且设备内流体的真空度越高，它的绝对压力就越低。绝对压强、表压与真空度之间的关系可用图1 -1 表示。

一般为了避免混淆，当压强以表压或真空度表示时，应用括号注明，如未注明，则视为绝对压强;如2000Pa( 表压) 、10mmHg( 真空度) 等，同时还应指明当地大气压强。

【例1-1】已知甲地区环境大气压强为85.3kPa，乙地区的环境大气压强为101.33kPa，在甲地区的某真空蒸馏塔操作时，塔顶真空表读数为20kPa。若改在乙地区操作，真空表的读数为多少才能维持塔内绝对压强与甲地区操作时相同?

解:甲地区操作时塔顶绝对压强为:

图1-1　绝压、表压、真空度之间的关系

根据题意，乙地区操作时塔内绝对压强即为65.3KPa，则该地区操作时塔顶真空度为:

3.压强的测量 在化工生产和实验中，经常遇到流体静压强的测量问题。最常见的流体静压强测量方法有两种:

(1) 液柱式测压法。液柱式测压法是将被测压强转变为液柱高度差。

(2) 弹性式测压法。弹性式测压法是将被测压强转变为弹性元件形变的位移。

液柱式测压法将在本模块任务三重点介绍，这里仅简单介绍弹簧管压强计。弹簧管压强计主要由弹簧管、齿轮传动机构、示数装置( 指针和分度盘) 以及外壳等几个部分组成，其结构如图1 -2 所示。其测压原理为弹簧管受压变形伸长，变形大小与所受压强成正比，变形的弹簧管带动拨杆、齿轮，使指针偏转。

图1-2　弹簧压强计及其传动部分

1—指针 2—弹簧管 3—接头 4—拉杆 5—扇形齿轮 6—壳体7—基座 8—齿轮 9—铰链 10—游丝