化工基础-流体输送及机械.ppt

化工基础 上 FundamentalsofChemicalEngineering 吴卫生博士 副教授上海交通大学化工系 化学楼218室 Tel 021 54747454E mail wuws 科学和化工 化学 科学的十二大类 哲学 经济学 历史学 农学 医学 管理学 理学 工学 军事学 法学 文学 教育学 化学工程与技术为隶属工学的一级学科 包含五个二级学科 化学工程 化学工艺 应用化学 生物化工和工业催化化学为隶属理学的一级学科 包含五个二级学科 有机化学 无机化学 分析化学 物理 理论 化学和高分子化学与物理 化学工程与技术 研究以化学工业为代表的各类过程工业中有关化学过程与物理过程的基本规律和应用技术的工程技术学科 本学科以过程工业为背景和研究对象 学科内容体现基础和应用并重 包括基础理论 基本方法和基本实验技术 产品研制 工艺开发 过程设计 系统模拟与优化和操作控制等 过程工业与加工工业的区别 化学工程与技术的五个二级学科 化学工程 研究各类化学过程和物理过程的一般原理 共性规律 工程基础和应用技术 化学工艺 研究化学品的精化原理 生产原理 产品开发 工艺实施 过程设计和优化 生物化工 研究有生物体或生物活性物质参与的过程的基本原理和工程技术问题 应用化学 研究精细化学品 专用化学品 功能材料及器件等的制备原理和工艺技术 工业催化 研究催化剂和催化反应过程的理论基础及其设计 开发和工业应用 化学工业的发展简史 化学工业的特点 化学工业与人类的生存与发展息息相关原料 工艺和产品的多样性技术密集型能源密集型资金密集型 化学工业的发展趋势 产品精细化化学工业和生物技术结合煤化工的兴起新材料的研究与开发 化学工业的分类 中国 化工生产过程将原料 RawMaterials 通过物理或化学方法转变成产品 Products 化学反应 使物质的结构 组成或性质发生变化单元操作 UnitOperation 只有物理性质的变化 不涉及化学反应常见的单元操作 流体输送 物料的加热和冷却 蒸发 蒸馏 吸收 萃取 干燥 结晶等单元操作的理论基础 三传 动量 Momentum 热量 Heat 和质量 Mass 传递 Transfer 相平衡 PhaseEquilibrium 物料衡算 能量衡算和过程速率 物料衡算 MassBalance 输入物料量 输出物料量 累积物料量稳态过程 输入物料量 输出物料量能量衡算 EnergyBalance 输入能量 输出能量 系统累积能量稳态过程 输入能量 输出能量过程速率 过程推动力 过程阻力 本课程的教学内容 单元操作54学时化学反应工程基础18学时化工热力学基础18学时 第一章流体流动 FluidFlow 流体输送 化工过程中最普遍的单元操作之一本章的研究内容 对象 压力 功率 流量等流体流动 内部存在相对运动 质点运动的总和质点 大量分子的聚集体刚体运动 内部不存在相对运动 第一节流体静止的基本方程 流体静力学 流体的密度 density 比重 specificgravity 和比容 specificvolume 密度 单位体积流体的质量 比重 某物质的密度对水的密度之比比容 单位质量物质的体积 压力 压强 表压 绝对压力 大气压真空度 大气压 绝对压力 流体静力学基本方程式 描述静止流体内部压强随位置高低变化的规律 数学表达式 在静止的连续的同一流体内等高处压强相等 流体静力学基本方程式的应用 液柱压差计 U型压差计双液体U型压差计倾斜U型压差计串联U型压差计 第二节流体流动的基本方程 流量与流速稳定流动与非稳定流动总质量衡算 连续性方程总能量衡算机械能衡算 柏努利方程柏努利方程的应用 流量与流速 Flux Velocity 体积流量 VolumeFlux Vs V 单位时间流过管路任一截面的流体体积 质量流量 MassFlux ms m 单位时间流过管路任一截面的流体质量 流速 Velocity u Vs A 体积流量除以管截面所得的平均速度 质量流速 MassVelocity G ms A 质量流量与管截面的比值 稳定流动 SteadyFlow p z等物理量不随时间 变化不稳定流动 UnsteadyFlow p z等物理量随时间 变化 总质量衡算 MassBalance 连续性方程 EquationofContinuity ms1 ms2u1A1 1 u2A2 2或uA 常数若 为常数 则u1A1 u2A2 常数 总能量衡算 EnergyBalance H1 gz1 u12 2 qe we H2 gz2 u22 2 H g z u2 2 qe we 机械能衡算 MechanicalEnergyBalance 柏努利方程 BernoulliEquation 三个假定 1 流体不可压缩v1 v2 v 1 2 无热交换qe 0 3 流体温度不变U1 U2gz1 u12 2 p1 we gz2 u22 2 p2 wfz1 u12 2g p1 g he z2 u22 2g p2 g hf h he hf h z u2 2g p g z u2 2 p g 0或 h 0 we 0 wf 0 理想流体 BernoulliEq 的应用 流体流动中 各种形式的机械能可以相互转化 流体接受外功 he 可以转变为机械能 而部分机械能因克服阻力而被消耗 hf 机械能可以用压头 m 表示 h h2 h1 he hf静止流体 u1 u2 0he 0hf 0则z1 p1 g z2 p2 g 流体静力学方程 第三节流体流动现象 粘度流动型态管内流动的速度分布边界层简介 第四节管内流动的阻力损失 阻力损失的直观表现 压力降因次分析法流体流动阻力损失中的无因次数群 准数 范宁公式摩擦因数非圆形管的摩擦损失局部阻力损失 阻力损失的直观表现 压力降 满足以下条件 z1 z2 水平 u1 u2 等径 we 0 无外功 pf p1 p2 wf ghf p1 p2 pf 压力损失 hf 压头损失 wf 单位质量流体的机械能损失 因次分析法 因次一致性原则 凡是根据基本物理规律导出的物理量方程 其中各项的因次必然相同 定理 Buckingham定理 某一物理现象中存在n个物理量 这些物理量涉及有m个基本单位 那么 这一物理现象可由n m个无因次数群 1 2 n m所组成的函数关系式表示 即F 1 2 n m 0 流体流动阻力损失中的无因次数群 准数 阻力损失 pf与以下物理量有关 d l u e 粗糙度 共有7个物理量 pf d l u e基本单位有3个 kg m s根据 定理 存在7 3 4个无因次数群 Eu pf u2 表征压力与惯性力之比l d反映管子的几何特性Re du 反映流体的湍动程度e d相对粗糙度 反映管壁的几何特性 范宁 Fanning 公式 摩擦因数 层流 湍流 非圆形管的摩擦损失 当量直径 局部阻力损失 局部阻力损失计算式 局部阻力系数 总阻力 直管损失 局部损失 第五节管路计算 依据 连续性方程 ms1 ms2i e u1A1 1 u2A2 2BernoulliEq gz1 u12 2 p1 we gz2 u22 2 p2 wfi e z1 u12 2g p1 g he z2 u22 2g p2 g hf阻力计算式 直管 wf l d u2 2 i e hf l d u2 2g 局部 wf u2 2 i e hf u2 2g 总 wf l d u2 2 l le d u2 2 i e hf l d u2 2g l le d u2 2g 简单管路 没有分支或汇合特点 质量流量保持不变 总阻力损失为各段损失之和 复杂管路 存在分支或汇合分支管路汇合管路并联管路特点 总管流量等于各分支管流量之和 对任一支管而言 分支前及汇合后的总压头皆相等 可压缩流体的管路计算 简单了解 简化计算法 第六节流量测定 FluxMeasurement 流量计 差压流量计 截面流量计差压流量计 皮托管 孔板 文丘里截面流量计 转子流量计差压流量计 等截面 变压差节流口面积不变 流体流经节流口所产生的 p随V而变 通过测定 p间接测定流量V 转子流量计 变截面 等压差流体流经节流口 环隙 的 p恒定 而节流口的面积不断变化 皮托管 PitotTube 测定管道截面上某一点的速度 孔板 OrificePlate 测定平均速度和流量 文丘里 VenturiTube 孔板的改进型 转子流量计 Rotameter 收缩口面积可变的孔板 第二章流体输送机械 流体输送机械 向流体作功 提高机械能能量转换装置主要是流体静压头的增加 还有动压头的增加等流体输送机械 分类 泵 输送液体风机 压缩机 输送气体本章的研究内容 各种流体输送机械 主要是离心泵 的操作原理 基本构造与性能 选型等 第一节离心泵 操作原理 构造和类型理论压头与实际压头有效功率 轴功率和效率特性曲线工作点和流量调节安装高度选用 安装与调节 操作原理 构造和类型 基本工作原理 利用高速旋转的叶轮产生离心力 不断吸入和排出液体气缚 泵壳内存在气体 真空度不够 吸不上液吸入管路安装止逆阀 保证启动前泵内充满液体离心泵的主要构件 叶轮和泵壳叶轮 产生离心力 将机械能传递给液体 增加液体的静压头泵壳 汇集液体 将一部分动能转变为静压能 操作原理 构造和类型 续 离心泵的类型按叶轮数目划分 单级泵 叶轮只有一个多级泵 叶轮有n个按输送液体的不同划分 水泵油泵耐腐蚀泵杂质泵 离心泵的理论压头与实际压头 理想状况 叶轮内叶片数目无穷多 液体沿叶片弯曲表面流动 且无倒流液体粘度为零 即没有阻力损失离心泵基本方程 离心泵的理论压头与流量 转速间的关系式 离心泵的理论压头与实际压头 续 压头损失 Hl 涡流损失阻力损失冲击损失实际压头 H 理论压头 H 压头损失 Hl 离心泵的有效功率 轴功率和效率 有效功率 轴功率 离心泵的特性曲线 固定转速 清水条件下 H N 与Q的关系共同特点 压头随流量的增大而下降功率随流量增大而上升 离心泵启动时应关闭出口阀 效率随流量的增大而上升 达到最大值后下降 离心泵铭牌上标明的是最大效率下的值 离心泵的工