考试点专业课：西北工业大学 872 化工原理基础讲义.pdf

第一章流体流动 1 1概述 一 流体的概念 流动的物质 气体 液体的统称 连续性假设 流体的不可压缩性 高真空的气体除外 二 流体的粘性 1 牛顿粘性定律 2 粘度的单位及换算 3 温度与压强对粘度的影响 任何流体都有粘性 但粘性只有在流体运动时才会表现出来 所以粘度又称动力粘度 注意 区别 运动粘 p 常温 常压下 水的粘度约为 1cPp 温度升高液体的粘度减小 气体的粘度增大 p 压强对流体粘度的影响一般可忽略 p 其他流体的粘度一般可通过查手册等获得 牛顿流体和非牛顿流体 p 牛顿型流体 剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体 即 n 1 如水 所有 气体都属于牛顿流体 p 非牛顿型流体 剪应力与速度梯度的关系不服从牛顿粘性定律 即 n 1 如泥浆 某些 高分子溶液 悬浮液等 1 2静力学基本方程1 2静力学基本方程 静力学基本方程的静力学基本方程的意义意义 在静止的流体内部 任一点的位压能和静压能之和为常数 两者 互相转换 在静止的流体内部 任一点的位压能和静压能之和为常数 两者 互相转换 流体静力学方程及应用流体静力学方程及应用 液柱压差计 液柱压差计 U 型压差计 微差压差计和斜管压差计等U 型压差计 微差压差计和斜管压差计等 dy du A F dy du AF 秒 帕斯卡厘厘泊 秒 帕斯卡厘厘泊 sPa10 P 10 1cP 32 n dy du A F n 1 牛顿流体牛顿流体 n 1 非牛顿流体 非牛顿流体 G Z1 Z2 P1A P2A P0 图 1 1 静 力 学 基 本 方 程 的 推 导 P Z g 常数 常数 gZPgZP 1122 g PP H 02 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 1 条件条件 重力场中的静止的 连续的和不可压缩的流体重力场中的静止的 连续的和不可压缩的流体 1 3流体在管内的流动 一 流动类型 流量和流速 一般是指管内的平均流速 管子规格 注意常用流体的适宜流速范围 水 1 3m s 一般气体 10 20m s 稳定流动和不稳定流动 二 流动现象 雷诺实验 雷诺数 流动类型 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 2 2000层流 也称滞流 2000 4000过渡流 4000 湍流 也称紊流 例 1 520 的水在直径为 60 3 5mm 的钢管中流 动 如水流速度为 1 5m s 时 试判别其流型 解 已知 d 0 060 0 0035 2 0 053m u 1 5m s 水在 20 时的密度 10 3kg m3 粘度 10 3Pa s 所以 所以水流型态为紊流 边界层及其分离 边界层的产生是因为流体具有粘性的结果 000 3 Re mL L m L mL L du 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 3 边界层按其流型有层流边界层和湍流边界层之分 在壁面的前一段 边界层的流型为层流 称为层流边界层 离开平壁前缘若干距离后 边界内的流型转为紊流 称为紊流边界层 其厚度较快地扩展 即使在紊流边界层内 近壁处仍有一薄层 其流型仍为层流 称为层流底层 圆管内的边界层 圆管内的流动有规律性 经过稳定段后流体流动才达到稳定 在入口段存在边界层 的扩大或增长过程 边界层的分离 流体在遇到障碍物时会产生边界层的分离现象 原因是作用在流体上的静压强改变了流 体的流动状况 本质是能量转换造成的结果 研究边界层及其分离的目的是进一步了解流体在流动过程中的现象和本质 为后续的研 究和应用提供一个基础 如层流底层的提法能在一定程度上解释传热和吸收传质过程中存在 的现象和规律 三 流体流动的基本方程 1 连续性方程 根据质量守恒定律 1A1u1 2A2u2 2 实际流体的柏努利方程 衡算范围 内壁面 1 1 与 2 2 截面间连续的流体 衡算基准 1kg 流体 衡算基准面 0 0 水平面 目的 考察 1 1 2 2 截面间流体的总能量 W2 W1 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 4 根据能量守恒定律 在连续稳定流动条件下 1kg 流体在截面 1 1 与 2 2 间的总能量衡算式为 输入 输出 此式称为以热力学第一定律表示的能量衡算式 式中的能量可分为两类 一类称为机械能 包括 位能 动能 静压能与外部机械输入的能量 另一类为内能与热 根据热力学第一定律 流体内能的变化等于流体 所获得的热量减去它所作的功 即 再研究系统内热量的变化 对不可压缩流体 其比容 或密度 为常数 均与压力无关 实际流体的柏努利方程 理想流体的柏努利方程 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 5 条件 理想流体 粘度为零 因此在流动过程中不会产生粘性阻力 即 hf 0 并且无外 加功 即 We 0 柏努利方程式的讨论 1 外加功 We 2 当流体静止时 即u1 u2 0 外加功与阻力亦自然为零 即 We 0 hf 0 静力学基本方程 3 不同衡算基准 单位重量的流体 单位体积的流体 3 柏努利方程的应用 应用的步骤 1 作图 根据题意绘出流程示意图 2 选取截面 确立衡算范围 截面应选在已知量最多且包含要求的未知量的位置上 3 选取基准水平面 基准水平面可以任意选取而不影响计算结果 选某截面中心所在的水 平面作为基准面 4 列柏努利方程式 5 代入已知数据求解方程 有时也利用连续性方程 静力学方程 应用注意事项 1 各物理量的单位必须一致 一般都采用 SI 单位 2 方程中的 Z P 之值 一律取截面中心的值 方程中的流速 u 一律用该截面处流体的平 均流速 3 基准面上的 Z 为零 基准面以上截面的 Z 取正值 基准面以下截面的 Z 取负值 4 出口两侧流体的压强数值相等 5 大截面 如大容器横截面等 上流体的流速可近似取作零 6 We与流入项 hf与流出项写在一起 与截面标号无关 例 1 1 图示吸液装置中 吸入管尺寸为 32 2 5mm 管的下端位于水面下 3m 并装有底 阀及拦污网 该处的局部压头损失为 若截面 2 2 处的真空度为 5mH2O 由 3 3 截面 至 2 2 截面的压头损失为 求 1 吸入管中水的流量 m 3 h 2 吸入口 3 3 处的表压 wWN ee e N N 2 2 1 1 P gz P gz fe H g P g u zH g P g u z 2 2 2 2 1 2 1 1 22 fT PP u gzHP u gz 2 2 2 21 2 1 1 22 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 6 例 1 2 某化工厂用泵将碱液池的碱液输送至吸收塔顶 经喷嘴喷出 如附图所示 泵的 进口管管径为 108 4 5mm 管中流速为 1 5m s 出口管径为 76 2 5mm 贮液池中碱液 深度为 1 5m 池底至塔顶喷嘴上方入口处的垂直距离为 18m 碱液经管系的摩擦损失为 30J kg 碱液进喷嘴处的压强为 3 104Pa a 表压 碱液的密度为 1100kg m 3 3 设泵的效率为 60 试求泵的有效功率与轴功率 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 7 例 1 3如图 a 所示 在某输送管路上装一复式 U 型压差计以测量 A B 两点间的压差 指示剂为水银 两指示剂间的流体与管内流体相同 已知管内流体密度 900kg m3 压差 计读数 R1 0 35m R2 0 45m 试求 1 A B 两点间的压差 2 若用一 U 型压差计代替原来的复式 U 型压差 计如图 b 则读数 R 为多时 3 若保持管内流量不变 将图 b 中管道向上倾斜 使 B 端 高出 A 端 0 5m 如图 c 则 U 型管压差计读数是否变化 例 1 4如图所示 某气体 密度 1kg m 3 粘度很小 可视为理想流体 从变径管流 过 大管为 18 3 5mm 小管为 18 2 5mm 在 A B 两点间接一复式压差计 内放等量 的水作指示剂 密度 1000kg m 3 两指示剂之间充满煤油 密度 810kg m3 已知大 管中气速为 10m s 试求复式压差计读数 R1和 R2的大小 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 8 四 流体在圆管内的速度分布 1 层流的速度分布规律 在圆管内取半径 r 长l的流体柱作为对象 考察其受力平衡 静压力与摩擦阻力 因其作等速运动 合力为零 02 2 2 1 2 dr du rlprpr 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 9 上式称为 哈根 泊谡叶公式 圆管中流体层流流动的规律是 层流流速沿径向呈抛物线分布 在管壁处流速为零 管中心处流速最大 平均流速为最大值的一半 2 紊流的速度分布规律 紊流流动的流体在圆管内的速度分布比较复杂 内摩擦力的大小无法用牛顿粘性定律来 解释 通过实验得出 流体在管内的速度分布分为两部分 一是管中心处 另一个则是靠近 管壁处 管中心处流体的流速比较均匀 如图所示 在管中心处流体的速度分布曲线随着流速的增大 Re 的增加顶部越宽阔平坦 近壁处 由于壁面附着力的影响流速迅速降为零 即在壁面上的流体流速为零 靠近壁面处存在层 流底层 该区域内存在较大的速度梯度 且雷诺数越大层流底层越薄 紊流时圆管内流速分布规律只能由实验得出经验关联式 无法通过理论推导得出 1 4流体流动阻力 一 阻力类型 直管阻力和局部阻力 二 直管阻力计算 1 圆形直管阻力的计算通式 当流体作均速运动时 三者合力应为零 即 P1 P2 F 0 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 10 代入上式后可得 上式右端分子分母同乘以 2 u2 得 令 又在截面 1 1 与 2 2 间列柏努利方程 式中 z1 z2 u1 u2 u We 0 hf hf 上式可简化为 P hf Pf 以上两式都称为范宁公式 是直管阻力计算的通式 它既适用于层流也适用于紊流 式中 是无因次的系数 称为摩擦系数 它是雷诺数的函数 层流时 或者是雷诺数与管壁粗糙 度的函数 过渡流与紊流时 2 层流摩擦系数的计算 层流时摩擦系数的计算公式 可由哈根 泊谡叶公式推得 代入上式得 即 由上式说明 层流时 是 Re 的函数 且与 Re 成反比 3 紊流摩擦系数的计算 采用因次分析方法 因次分析方法的内容 一致性原则 定理 一致性原则 对能反映一个物理现象的方程 其等号两边不仅数值要相等 而且式中 每一项都应具有相同的因次 定理 任何因次一致的物理方程都可以表示为一组无因次数群的零函数 即 f 1 2 i 0 无因次数群的数目 1 2 i i 等于影响该现象的物理量数目 n 减 去用以表示这些物理量的基本因次的数目 m 即 i n m 因次分析方法适用的场合 2 2222 2 1111 4 4 dpApPdpApP d l ppP 4 21 2 8 2 2 u d l u P 2 8 u 2 2 u d l P fe h pu gzW pu gz 2 2 2 2 1 2 1 1 222 2 u d l hf 2 2 u d l hP ff 2 32 d lu P 2 32 2 2 u d l d lu Re 646464 du du 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 11 当过程比较复杂 仅知道影响某一过程的物理量 而不能列出该过程的微分方程 或 列出的微分方程不能积分的情况下 或过程变量太多 求解方程比较困难的情况下 因次分析方法的使用的目的 以无因次数群代替变量使实验关联工作简化 可靠 以紊流摩擦系数的求取为例说明 根据对紊流流动时各影响因素的分析 可以知道 克服内摩擦而产生的压头损失 Pf 与流体流经的管径 d 管长 l 平均流速 u 流体密度 粘度 及管壁的绝对粗糙度 表 1 2某些工业管道的绝对粗糙度 由表 1 2 可看出 管子的粗糙度不仅与材质等因素有关 还与使用情况有关 选取时 必须全面考虑 将各影响因素罗列成一个函数关系式得 分析关系式中各变量的因次 将各变量的因次代入上式 方程式有 3 个 未知数却有 6 个 故不能联解出各未知数的数值 但可用其中 3 个量来表示 令 a c d 已知 则由因次一致性原则可得 a b e f c 2 e d 1 e uldfPf fedca f u b lkdP LLTuTML LdMLLMTPf 111 312 feeebfeb f ulkdP 12 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 12 Eu 欧拉准数 显然变量的数目减少了 根据实验数据很容易得出在充分发展了的流动条件下 b 1 则 上式变成 因次分析法必须建立在对过程影响因素正确判断的基础上 若遗漏某个重要的影响因素则将 得不到可靠的结果 同时 通过因次分析只能得到一个一般的函数关系 确切的关系还有待 通过实验来解决 摩迪图 与 Re d 的函数关系标绘在双对数坐标上 1 1 层流区 与 d 无关 即压头损失与流速的一次方成正比 2 2 过渡区 3 湍流区 注意光滑管曲线在最下面 4 完全湍流区 此区域内摩擦系数只与相对粗糙度有关 与 Re 无关 各曲线趋近于水平 线 由 可知 阻力损失与速度的平方成正比 因此该区域又称为阻力平方区 当然 工程上除了可用摩迪图求 外 还有其他一些经验或半经验公式用来计算 如柯尔布鲁克 Colebrook 公式 适用范围 湍流下的光滑管和粗糙管 4 相对粗糙度对摩擦系数的影响 为了更好地反映 对流动的影响 工程上采用 d 来表示管道的相对粗糙度 层流时摩擦系数与 d 无关 如图 a 湍流时在一定 Re 和管径的条件下 越大 能量损失越大 即 越大 如图 b f e b f d du d l k u P 2 dd du k f e Re 2 Re 64 2 32 d lu P 2 2 u d l hf e Rd 35 9 lg214 1 1 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 13 5 非圆直管阻力计算 用当量直径 de 代替管径来计算 对于圆形管 对于边长分别为 a 与 b 的矩形管 非圆形管摩擦系数 的计算 可以按下面方法进行 湍流时 可采用圆形管的方法和公式来计算非圆形管的摩擦系数 但使用时应注意 用当 量直径代替圆管直径 用于矩形管时 长宽比不应超过 3 1 用于环形管时误差较大 层流时 应将 的关系进行修正 式中 C 为无因次常数 某些非圆形管常数 C 列于表 1 3 表 1 3某些非圆形管的常数 C 必须注意 在计算非圆形管道截面积时 不能用当量直 A de 4 d d d de 2 4 4 ba ab ba ab de 2 2 4 e R 64 e R C 长方形 非圆形管的截面形状 正方形 等边三角形 环形 长 宽 2 1 长 宽 4 1 常数C 57 53 96 62 73 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 14 径 即 三 局部阻力 局部阻力计算的方法主要有 当量长度法和阻力系数法 注意 突然扩大和突然缩小的局部阻力系数 出口处 1 0 入口处 0 5 计算阻力损失的公式中流速取小管中的流速 例 1 5 要求向精馏塔中以均匀的速度进料 现装设一高位槽 使料液自动流入精馏塔中 如 附图所示 高位槽内的液面保持距槽底 1 5 米的高度不变 塔内的操作压力为 0 35at 表压 塔的进料量须维持在每小时为 50m3 则高位槽的液面要高出塔的进料口多少米才达到要 2 4 e dA 2 2 u d l h e l 2 2 u hl 表 1 4 突然扩大和突然缩小的局部阻力系数 A1 A2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 8 0 9 1 0 突然扩大 1 0 0 810 640 490 360 250 160 090 04 0 01 0 A1 A2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 8 0 9 1 0 突然缩小 0 5 0 470 450 380 340 30 250 20 15 0 09 0 u A1 A2 u A2 A1 表 1 5 管件与阀门的阻力系数与当量长度数据 湍流用 名 称 阻力系数 Le d 名 称 阻力系数 Le d 弯头 45 0 35 17 球阀 全开 6 0 300 弯头 90 0 75 35 半开 9 5 475 三通 1 0 50 角阀 全开 2 0 100 回弯头 1 5 75 90 5 0 250 管接头 0 04 2 止逆阀 球式 70 0 3500 管出口 1 0 50 摇板式 2 0 100 管入口 0 5 25 水表 盘式 7 0 350 闸阀 全开 0 17 9 底阀 1 5 75 半开 4 5 225 滤水器 2 0 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 15 求 已知料液的密度为 900kg m3 粘度为 1 5cp 连接 管的尺寸为 108 5mm 的钢管 其长度为 x 1 2 3 m 管道上的管件有 180 回弯头一个 0 3 截止阀一个及 90 弯头一个 解 取高位槽内液面为 1 1 截面 塔内进料管出 口为 2 2 截面 以 2 2 截面中心的水平面为基准面 在 1 1 与 2 2 间列柏努利方程 式中 z1 x z2 0 P1 0 表压 We 0 P2 0 35at 0 35 9 807 104 34325Pa 表压 u1 0 直管阻力损失 设 0 3mm d 0 3 0 98 0 003 由摩迪图查得 0 0275 计算局部阻力 hl 系统的局部阻力系数由表 1 5 查得 由贮槽流入导管取 1 0 5 180 回弯管 2 0 3 已知 截止阀 按开计 3 9 5 90 弯头 4 0 75 系统的局部阻力 将各值代入柏努利方程 解得 x 6 36m 即高位槽内液面须高出塔内进料口 6 36m 为保证所要求的流量和考虑适当的调节余地 故 可将 x 取为 7 0m 第二章第二章流体输送机械 重点掌握离心泵的工作原理 正确的安装和使用及工作点的调节 了解往复泵的工作原理和流量调节的方法 了解离心风机的主要性能指标及正确的安装和使用 f h Pu gzWe Pu gz 2 2 2 2 1 2 1 1 22 lff hhhsm A V u 84 1 098 03600 504 2 2 5 3 1008 1 105 1 90084 1098 0 Re du 2 2 u d l hf 8 1 474 0 4 84 1 098 0 8 1 0275 0 2 x x hf 67 18 8 1 474 0 67 18 2 84 1 75 05 93 05 0 2 2 2 4321 xh u h f l 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 16 不同类型的流体输送机械 按输送流体的类型分 泵 风机 按工作原理分 动力式 离心泵和离心风机 容积式 正位移式 如往复泵 喷射式 喷射泵 2 1离心泵 一 离心泵的结构和工作原理 1 结构 主要由叶轮和泵壳构成 叶轮的结构及工作特点 叶片的弯曲方向及作用 图 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 17 泵壳的形状及工作特点 螺壳形状 不同能量形式的转化 图 2 工作原理 以离心泵为例 前提条件 运行的过程及对整个系统结构的要求 条件 一定安装高度下的泵壳内充满液体 且运行无泄漏 什么是离心泵的气缚现象 有何危害 如何消除 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 18 运行过程 依靠叶轮中液体作离心运动产生的压差吸入液体 且液体在泵壳内 存在能量形式的转换 使流体获得以静压能为主的机械能 系统的特点 吸入管径比压出管径大 一般安装底阀 二 离心泵的特性方程 研究流体经过离心泵的作用后获得能量的情况 实验条件是 单位重量的理想流体在无限多后弯叶片间的流动 考察的是相邻两叶片间进出口所在截面间流体的机械能衡算 即理论压头和理 论流量间的关系 三 离心泵的主要性能参数和特性曲线 1 注意 在离心泵的铭牌上标明的主要性能参数是以 20 清水作实验在最高效率条件下测得 的数值 2 各性能参数 详见泵的特性曲线 流量 Q 扬程 H 轴功率 N 和效率 容积损失 水力损失和机械损失 了解并熟练掌握特性曲线中各曲线的含义及使用条件 注意最高效率区的范围 92 max 及用途 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 19 3 离心泵特性曲线的换算 密度的变化 流体密度的变化仅对泵的轴功率影响 粘度的变化 流体粘度增加 流体在泵内的能量损失增大 泵的压头 流量 效率都下降 而轴 功率增加 转速变化 转速变化量在 20 以内 泵的特性参数满足比列定律 叶轮直径变化 切割量在 10 以内 泵的特性参数满足切割定律 四 离心泵的汽蚀现象与安装高度 1 什么是离心泵的汽蚀现象 有何危害 如何消除 2 如何计算离心泵的安装高度 在池液面和泵的叶轮入口截面间 进行机械能衡算 3 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 n n N N n n H H n n Q Q e e 3 2 2 2 2 2 2 2 D D N N D D H H D D Q Q e e 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 20 Hg 泵的安装高度 轴心距离池液面的垂直落差 允许吸上真空度法 10 2 110 2 fg H g u g PP H 在池液面和泵的吸入口截面 不是叶轮入口 间进行机械能衡算 在池液面和泵的吸入口截面 不是叶轮入口 间进行机械能衡算 定义吸上真空度定义吸上真空度 Hs 当叶轮入口处的压强恰好达到流体的饱和蒸汽压时 吸入管 当叶轮入口处的压强恰好达到流体的饱和蒸汽压时 吸入管 1 1 截面处的压强达到最低 截面处的压强达到最低 p1 min 此时 对应的压差为泵的最大吸上真空度 此时 对应的压差为泵的最大吸上真空度 Hs max 实际操作取一定的余量 有的也取实际操作取一定的余量 有的也取 0 5m 用允许吸上真空度表示的泵的安装高度 用允许吸上真空度表示的泵的安装高度 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 21 3 03 0 min10 max g PP HH ss 允 g PP Hs min10 max 10 2 1 2 fsg H g u HH 10 2 1 2 fsg H g u HH 允允 由上式可知 允许吸上真空高度与吸液面的压强 液体密度及液体温度 即 Pv 有关 说明书 所给出的 Hs 允是在 P0 Pa 1atm 水温为 20 状态下的数值 当操作条件与该状态不同时 实际允许吸上真空高度须进行校正 允许汽蚀余量法 h 允与 Hg 允均跟流量有关 在计算 Hg允时 必须按使 用过程中可能达到的最大流量进行计算 实验条件改变后也必须校正 Hg 允 10 h 允 当被输送液体的温度较高 饱和蒸汽压比较大时其 Hs 允 较低 通常可采取下列措施来提 10 2 110 2 fg H g u g PP H g P g P HH va ss 24 0 33 10 允允 g P g u g P h v 2 2 11 10 2 110 2 fg H g u g PP H hH g PP H f v g 10 0 g P g u g P h v 2 2 1min1 min 3 0 2 3 0 2 1min1 min g P g u g P hh v 允 允允 hH g PP H f v g 10 0 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 22 高其 Hg 允值以避免汽蚀现象的发生 1 尽量减小吸入管的阻力损失 如选用较大的吸入管径 泵的安装尽量靠近液源 缩短管 道长度 减少不必要的管件和阀门等 2 将泵安装在贮液池液面以下 使液体自动灌入泵体内 五 离心泵的工作点及其调节 1 离心泵的工作点 离心泵的特性方程 He m nQe 管路的特性方程 He A BQe2 设计或选型时应使离心泵的工作点处在最高效率区 2 工作点 流量调节 改变管路特性曲线 方法 调节出口管路上的阀门开度 特点 调节方便 流量连续 但阀门开度小时因阻力大存 在较大的能量损失 适用场合 流量调节范围不大的一般场合 改变泵的特性曲线 方法 改变泵的转速或切割叶轮直径 特点 能量利用率高 但成本高 调节范围小且损坏设备 适用场合 实际生产较少使用 提供一种思路 此外 改变泵的特性曲线还可以通过多台泵的串 并联来实现 泵的并联 相同型号的两台泵并联后工作点的流量并不是单台的两倍 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 23 特性曲线平坦的泵适宜并联使用 泵的串联 相同型号的两台泵串联后工作点的扬程并不是单台的两倍 特性曲线陡峭的泵适宜串联使用 多台泵串联使用时 最后一台泵所受的压力必须符合该泵的使用条件 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 24 六 离心泵的类型及选用 泵的主要类型 清水泵 IS 型 B 型 D 型 S 型 耐腐蚀泵 F 和油泵 Y 等 IS50 32 125 及 150F 35A 的含义 选用原则 选择合适的类型 由工艺条件确定泵的具体型号 视操作条件对泵进行校核 经济核算 大 小之分 单台和多台的区别 3 1 概述 流体非均相混合物的分离与颗粒流体力学流体非均相混合物的分离与颗粒流体力学 1 非均相物系 1 定义 物系内部存在相界面且界面两侧的物理性质完全不同 2 类型 气态非均相物系 含尘气体 含雾气体 液态非均相物系 悬浮液 乳浊液 泡沫液 2 分散相 分散质 非均相物质中处于分散状态的物质 如悬浮液中的固体颗粒 3 连续相 分散介质 包围分散质的处于连续状态的流体 如悬浮液中的液体 4 非均相物系分离的依据 分散相与连续相之间的物理性质的差异 如密度 颗粒外径等 5 分离方法 机械法即使分散质与分散相之间发生相对运动 实现分离 6 理论基础 颗粒流体力学 7 分离目的 回收分散质 如从气固催化反应器的尾气中收集催 化剂颗粒 净化分散介质 如原料气中颗粒杂质的去除以净化反应原料 环保方面烟道气中 煤炭粉粒的除去 3 2 流体通过固定床层的流动与液体过滤 3 2 1 流体通过固定床层的流动3 2 1 流体通过固定床层的流动 一 基本概念 1 过滤 是指以某种多孔物质作为介质 在外力的作用下 流体通过介质的孔道 而使固 体颗粒被截留下来 从而实现固体颗粒与流体分离目的的操作 过滤可去除气固体中的固体 颗粒 也可去除液固体中的固体颗粒 化工生产过程中 过滤大多用于悬浮液中固液分离 本节只介绍悬浮液的过滤操作 2 实现过滤操作的外力 可以是重力 压差或惯性离心力 在化工生产过程中应用最多的 是以压强差为推动力的过滤 3 滤浆 料浆 指被处理的悬浮液 4 过滤介质 过滤操作中采用的多孔物质 5 滤液 是指通过介质孔道的液体 6 滤饼 是指被截留的固体颗粒 7 过滤目的 获得洁净的液体或获得作为产品的固体颗粒 二 过滤操作的分类饼层过滤 滤饼过滤 1 1 定义 若悬浮液中固体颗粒的体积百分数大于 1 则过滤过程中在过滤介质 表面会形成固体颗粒的滤饼层 这种过滤操作称为饼层过滤 2 2 特点 在饼层过滤中 由于悬浮液中的部分固体颗粒的粒径可能会小于介质 孔道的孔径 因而过滤之初会有一些幼小颗粒穿过介质而使液体浑浊 但颗粒会在 孔道内很快发生 架桥 现象 并开始形成滤饼层 滤液由浑浊变为清澈 此后过 滤就能有效进行了 3 小结 在饼层过滤中 真正起截留颗粒作用的是滤饼层而不是过滤介质 在饼层过 滤过程中 滤饼会不断增厚 过滤的阻力随之增加 在推动力不变下 过滤速度会 愈来愈小 2 深层过滤 4 定义 当悬浮液中固体颗粒的百分数在 0 1 以下且 固体颗粒的粒度很小时 若以小而坚硬的固体颗粒堆积生成的固定床作为过滤介 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 25 质 将悬浮于液体中的固体颗粒截留在床层内部且过滤介质表面不生成滤饼的过滤 称为深层过滤 5 5 适用范围 深层过滤适用于浮液中固体颗粒的体积百分数小于 0 1 且固体 颗粒粒径较小的场合 6 6 特点 深层过滤中 由于悬浮液的粒子直径小于床会孔道直径 所以粒子随 着液体一起流入床层内的曲折通道 在穿过此曲折通道时 因分子间力和静电作用 力的作用 使悬浮粒子粘附在孔道壁面上而被截留 过滤介质表面不生成滤饼 且 整个过滤过程中过滤阻力不变 3 动态过滤 前已述及 饼层过滤中 饼层不断增厚 阻力亦不断增加 在推动力 如压强差 保 持不变时则过滤速率会不断变小 为了在过滤过程中限制滤饼的增厚 Tller 于 1977 年提出了被称为动态过滤的新过 滤方式 1 1 定义 动态过滤可描述为料浆沿过滤介质表面作高速流动 使得滤饼在剪切力的 作用下不会增厚 这样就可维持较高的过滤能力 如图 3 3 所示 P101 2 特点 动态过滤中 滤液与料浆呈错流 交错流动 动态过滤需多耗机械能 且 不能得到含量高的滤饼 操作中因料浆粘度不断增加 过大的阻力可能使电机过截 因此使 用动态过滤需十分谨慎 化工生产中使用最大的是饼层过滤 故以后只介绍饼层过滤的基本原理及计算 三 过滤介质 1 1 定义 过滤介质是一种多孔物质 它是滤饼的支承物 它应具有足够的机械强度和 尽可能小的流动阻力 过滤介质的孔道直径往往会大于悬浮液中一部分颗粒的直径 2 种类 工业上常用的过滤介质主要有以下几类 1 1 织物介质 又称滤布 它由棉 毛 丝 麻等天然纤维及由各种合成纤维制成的织 物 以及由玻璃丝 金属丝等织成的网 2 粒状介质 包括细纱 木炭 石棉 硅藻土等细小坚硬的颗粒状物质 多用于深床过滤 3 多孔道固体介质 它是具有很多微细孔道的固体材料 如多孔陶瓷 多孔塑料及多孔金 属制成的板式管 四 滤饼 1 1 定义 滤饼是由被截留下来的颗粒垒积而成的固定床层 随着过滤操作的进行 滤 饼的厚度与流动阻力都逐渐增加 2 滤饼的种类 1 不可压缩性滤饼 构成滤饼的颗粒是不易变形的坚硬固体颗粒 颗粒结构不随操作压差的 改变而变 固其单位厚度床层的流动阻力可认为是恒定的 如硅藻土 碳酸钙等 2 可压缩性滤饼 构成滤饼的固体颗粒易变形 滤饼空隙率随操作压差的增大而变小 如 Al OH 3等 四 助滤剂 对于可压缩性滤饼 压差增加时 饼层颗粒间的孔道会变窄 有时会因颗粒过于细密而 将通道堵塞 为了避免此种情况 可将某种质地坚硬且能形成疏松床层的另一种固体颗粒预 先涂于过滤介质上 或者混入悬浮液中 以形成较为疏松的滤饼 使滤液得以畅流 这种物 质称为助滤剂 如硅藻土等 五 滤饼过滤物料衡算 3 2 2 流体通过固定颗粒床层的压降3 2 2 流体通过固定颗粒床层的压降 流体通过固定颗粒床层的流动在化工生产和自然界中常见的现象 例如 过滤过程中滤 液通过滤饼层的流动 固定床催化反应过程中流体在固体催化剂床层中的流动以及地下水在 土壤 砂层中的渗流等 流体通过固定颗粒床层的流动 一方面使流体速度分布均匀 另一 方面产生压强降 即流动阻力 对于过滤等操作过程而言 工程上感兴趣的是流体通过固定颗粒床层的压降 而不是 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 26 速度分布 一 流动阻力 已学流体力学知识 1 定性分析 表面摩擦力 形体阻力 2 定量计算 直管流动方式 范宁公式 p l d u 2 2 问题是 范宁方式能否适用流体通过固定颗粒床层的压降呢 3 2 3过滤基本方程式3 2 3过滤基本方程式一 过滤速率设过滤面积 A m 2 过滤时间 s 滤液量 V m3 定义 过滤速率 过滤速度 在过滤操作中 一般悬浮液中所含固体颗粒的尺寸都很小 所以 滤液在滤饼层中流 动多处于康采尼方程适用的低雷诺数 二 过滤介质的阻力饼层过滤中 过滤介质的阻力一般都比较小 但在过滤的初始 阶段滤饼尚薄的期间 过滤介质的阻力不可忽略 过滤介质的阻力与其厚度及致密度有关 一般可视为常数 设 Le为与过滤介质的阻力相等的滤饼的厚度 当然 Le是一个虚拟值 假想的 称为当量滤饼厚度 把滤布阻力看成是当量厚度 Le米的滤饼阻力 此当量滤饼层 的结构及颗粒特性与真实滤饼相同 且其单位过滤面积通过 qe qe Ve A 滤液生成 在一定的操作条件下 以一定介质过滤一定悬浮液时 Le为定值 但同一介质在不同 的过滤操作中 Le值不同 4 1 概述 温度对化学反应有重要的影响 许多的单元操作过程都与传热有关 传热过程普遍存在 在生产中对传热的要求主要有两个 一是强化传热 另一个是热绝缘 二者目的不同但传热 的机理和设备相同 传热的几个基本概念 传热推动力和热量传递方向 温差 是热量传递的推动力 只要有温度差的存在就有热量的传递现象 且热量是从高温 向低温 传递 传热速率热流量 Q 和热流密度 q 稳态传热过程 系统中各点的温度和传热速率不随时间而变 不加说明一般都指稳态传热过程 传热方式 热传导 也叫导热 依靠物体内部自由电子的热运动或分子的原位振动进行热量的传递 特点是物体内部的质点没有宏观位移 一般发生在固体或层流流体中 热对流 对流传热 流体内部各部分之间发生相对位移进行的热量传递 仅发生在流体中 根据流体对流的原因又分为自然对流和强制对流 热量传递的效果更好 热 辐射 辐射传热 依靠电磁波的形式传递热量 绝对温度不为零的任何物体均能向 外界辐射传热 且无需任何介质 传热过程中流体的接触方式 smm d dq Ad dV u 23 sm d dV 3 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 27 直接接触式l 间壁式l畜热式 4 2 热传导 几个基本概念 温度场 任一时间 物体 或空间 各点处温度的分布状况 等温面和等温线 空间任一点在某一瞬间不能同时有两个不同的温度存在 即等温线不能相交 类似于磁 场中的磁力线 温度梯度 一个向量 与热流方向恰好相反 沿等温面将无热量传递 沿和等温面相交的任何方向 有热量的传递 与等温面垂直方向的温度梯度最大 对于一维温度场 等温面x及 x x 的温度分别为t x 及t x x 则两等温面之间的平均温度变化率 为 温度梯度是向量 其方向垂直于等温面 并以温度增加的方向为正 傅立叶定律 上式即为导热基本方程式 也称为傅立叶定律 它表示传导的热流密度与传热面的法向 温度梯度成正比 而热流方向却与温度梯度相反 其中 是比例系数 称导热系数 导热系数 导热系数在数值上等于单位温度梯度时的热流密度 即 q 是表征物体导热能力的物理量 数值越大导热能力越强 的数值与物质的组成 结构 密度 温度和湿度等因素都有关 一般有 金属 非金 属 液体 气体 具体的数值查有关手册 温度升高则 金属减小 纯金属的比合金的导热系数大得多 非金属增大 液体略有减小 除水和甘油外 且非金属液体中水的最大 气体增大 绝对值很小 常用来保温 平壁的一维稳态导热 l 单层平壁 x xtxxt x t x xtxxt gradt x lim 0 n t A Q q 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 28 根据傅立叶定律 若平壁的导热系数不随温度而变化 则 上式经积分可得 l 多层平壁 对于这样的一维稳态导热 在平壁内部没有热量积聚 所以通过各层平壁的热流量应相等 即 Q1 Q2 Q3 Q 由数学中的加合性可知 多层平壁的稳态导热是一个串联导热过程 其总推动力等于各层推动力之和 总热阻等于各 层热阻之和 单层圆筒壁 dx dt SQ 常数 S Q dx dt 21 ttSQ 热阻 推动力 R t S tt Q 21 单位面积热阻 推动力 R tt S Q q 1 1 1 1 21 1 R t S tt Q 2 2 2 2 32 2 R t S tt Q 3 3 3 3 43 3 R t S tt Q 总阻力 总推动力 R t RRR ttt R t R t R t Q 321 321 3 3 2 2 1 1 ii i i n i i i n S t S tt Q 1 11 i i i n i i i n ttt S Q q 1 11 Q t2 t1 r1 r r2 dr 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 29 在工程计算中 当 S2 S1 2 时 Sm可用算术平均值代替 其误差 4 在一般工程计算 中是允许的 在稳定导热时 通过圆筒壁的热流量 Q 沿途不变 而热流密度 q 则随着 r 的增大减少 l 多层圆筒壁 dx dt SQ rl dr dt Q 2 r r t t dt r dr l Q 112 1 1 ln 2r r l Q tt 1 2 21 ln 2 r r ttl Q rmlS r r rr r mm 2 ln 1 2 21 令 12 21 1 2 12 12 21 2 ln 2 rr ttlr r r rr rr ttl Q m R t S tt m 21 1 2 12 ln S S SS Sm r 1 r2r3 r4 t1 t2 t3 t4 mii i i n i mii i n i mii i n S t S t S tt Q 总 11 11 i i i n i i i i d d tl d d tl Q 1 11 1 ln 1 2 ln 1 2 总 ni i i i i n r r ttL Q 1 1 11 ln 1 2 考试点考研网 w w w k a o s h i d i a n co m 30 对于圆筒壁的稳定热传导 通过各层的热传导速率都是相同的 但是热通量却不相等 例 4 1反应釜的釜壁为钢板 厚 5mm 50W m 粘附在内壁的污垢厚 0 5mm 0 5W m 反应釜附有夹套 用饱和蒸汽加热 釜体钢板外表面 与蒸汽接触 为 150 内表面为 130 试求热流密度 并与没有污垢层和釜壁为不锈钢板 有污垢 铜 有污垢 的情况相比较 设壁面温度不变 解 没有污垢时 若壁温不变 解得 q 200KW m 2 若材料为不锈钢 14W m 并有污垢 解得 q 14 7KW m 2 若材料为铜 400W m 并有污垢 解得 q 19 8KW m 2 计算表明 热阻主要在污垢层 即使金属材料的导热系数有几倍的变化 对热传导的影响也 不大 例 4 2有一炉墙大平壁 内层为硅砖 1 0 46m 外层为硅藻土砖 2 0 23m 已知下 列条件 t1 1500 t3 120 1 1 05 1 0 89 10 3t W m 2 0 198 1 1 17 10 3t W m 求热流密度及中间温度t2 解 由于计算热流密度时必须先知道各层的平均导热系数 而各层平均导热系数与各层 的温度有关 由于本例中间温度t2未知 故为了求出各层平均温度须先假设t2 算出热流 密度后 再核算t2 若两者一致 则可 若不一致须重设t2直至一致为止 假设中间温度 t2 1000 则各层的平均导热系数为 按公式 4 12a 对于两层平壁 n 2