化工原理课件第三版(讲课用).ppt

0绪论,一、化工生产过程,1.化工生产过程：对原料进行化学加工获得有用产品的过程称为化工生产过程。,乙烯,氯,提纯,提纯,单体合成,反应热,分离,裂解,精制氯乙烯,聚合,脱水干燥,成品,分离,氧氯化,提纯,乙烯,空气,水,反应热,5503MPa,2200.5MPa,5500.8MPa,CH2=CH2+Cl2,CH2ClCH2Cl,CH2ClCH2Cl,CHCl=CH2+HCl,2CH2=CH2+2HCl+O2,2CHCl-CH2+2H2O,HCl,聚氯乙烯生产,一氯苯的生产(一氯苯的质量分数达99.9%),苯,氯气,提纯,氯化器,氯化液,一氯苯69%,二氯苯1%,苯29%,水洗中和,中性氯化液,常压精馏,粗氯苯,一氯苯97%,二氯苯3%,苯0.01%,减压精馏,轻组分,重组分,一氯苯9.99%,【苯、一氯苯、二氯苯的常压沸点/】,2.化工过程原则流程,原料,反应物料制备,化学反应,反应产物分离,废料处理,废料,产品,可利用原料,药物和制药工业：反应设备投资占10%,其他单元操作的设备投资占90%。,3.单元操作在化工及其相近工业中的重要作用,化学和石油化学工业：反应设备投资占11%,其他单元操作的设备投资占89%；,二、单元操作的分类与特点,1.单元操作分类,单元操作所遵循的规律,遵循流体动力学基本规律的单元操作，包括流体输送、沉降、过滤、物料混合(搅拌)。,遵循热量传递基本规律的单元操作，包括加热、冷却、冷凝、蒸发等。,遵循质量传递基本规律的单元操作，包括蒸馏、吸收、萃取、吸附、膜分离等。,同时遵循热、质传递规律的单元操作，包括气体的增湿与减湿、结晶、干燥等。,单元操作的目的,流体输送,物料的混合,物料的加热与冷却,均相混合物的分离,非均相混合物的分离,2.单元操作特点,同一单元操作在不同的化工生产中遵循相同的过程规律，但在操作条件及设备类型(或结构)方面会有很大差别。,物理过程。,对同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实现。,三、本课程研究方法,1.实验研究方法(经验法),2.数学模型法(半经验半理论方法),研究工程问题的方法论,传递过程,分析过程机理,物理模型,数学模型,含模型参数的结果,求得模型参数,合理简化,数学描述,求解,实验,四、联系单元操作的两条主线,五、化工过程计算的理论基础,化工过程计算的类型：设计型计算和操作型计算,物料衡算,平衡关系,计算依据：,能量衡算,速率关系,六、本课程特点及学习要求,1.本课程特点,该课程是化工类及相近专业一门重要的技术基础课，兼有“科学”与“技术”的特点,研究内容：各单元操作的基本原理，所用的典型设备的结构、工艺尺寸设计和设备的选型。,2.学习要求,(4)过程开发或科学研究能力,(1)单元操作和设备选择的能力,(2)工程设计能力,(3)操作和调节生产过程的能力,3.考核,七、教学安排,1.理论课108学时+课程设计2周+实验,2.理论课安排,王志魁.化工原理(第三版).北京：化学工出版社,2005陈敏恒.化工原理(上下册).北京：化学工出版社,2000何潮洪，窦梅，朱明乔，等.化工原理习题精解(上册).北京：科学技术出版社,2003何潮洪，南碎飞，安越,等.化工原理习题精解(下册).北京：科学技术出版社,2003丛德兹，丛梅，方图南.化工原理详解与应用.北京：化学工出版社,2002丁忠伟，杨祖荣.化工原理学习指导.北京：化学工出版社,2006,八、参考书,7.柴诚敬，王军，陈常贵，郭翠梨.化工原理学习指导.天津：天津大学出版社,20038.黄华江.实用化工计算机模拟Matlab在化学工程中的应用.北京：化学工出版社,2004,1.1概述,1.1.1流体流动的考察方法,1.1.2流体流动中的作用力,1.1.1流体流动的考察方法,一、流体的特征与压缩性,1.特征：易于变形,2.压缩性,可压缩流体,不可压缩流体,如:气体,如:液体,二、流体质点与连续性假设,1.质点的含义,质点：由大量分子构成的集团(微团)，是保持流体宏观力学性的最小流体单元，从尺寸说是微观上充分大，宏观上充分小的分子团。,微观上充分大,分子团的尺度分子的平均自由程,宏观上充分小,分子团的尺度所研究问题的特征尺寸,对分子运动作统计平均，以得到表征宏观现象的物理量,物理量都可看成是均匀分布的常量,V=10-5cm3,分子数目N=2.71014个,3.连续性假定,流体由无数的彼此相连的流体质点组成，是一种连续性介质，其物理性质和运动参数也相应连续分布。,内容,适用范围,绝大多数情况适用，但高真空下的气体不适用。,三、运动的描述方法拉格朗日法和欧拉法,1.拉格朗日法,描述同一质点在空间不同时刻的状态,2.欧拉法,描述空间各点的状态及其与时间的关系,例如：位移的描述：sf(t),uxfx(x，y，z，t)uyfy(x，y，z，t)uzfz(x，y，z，t),例如:速度的描述,四、定态与稳定,1.定态,指全部过程参数均不随时间而变,定态流动：流场中各点的流动参数只随位置变化而与时间无关。,非定态流动：流场中各点的流动参数随位置与(或)时间而变化。,定态流动,非定态流动,指过程抗外界干扰的能力，当外界扰动移去后，过程能恢复到原有状态者，该过程是稳定的或具有稳定性。反之，则是不稳定的。,2.稳定,五、流线与轨线,1.流线,a.流线不能相交，因为空间一点只有一流速；,特点:,b.流体质点流动时不能穿越流线，因为质点的流速与流线相切。,2.轨线,某一段时间间隔内某一特定的流体质点在空间所经过的路线轨迹。,3.流线与轨线的比较,六、系统与控制体,1.系统,众多流体质点的集合，与外界间的分界称为系统边界。,系统与外界可以有力的作用与能量的交换，却无质量交换。,2.控制体或称为划定体积,流体可自由进出控制体，控制面上可有力的作用与能量的交换。,当划定一固定的空间体积来考虑问题，该空间体积称为控制体。,构成控制体空间界面称为控制面,控制面总是封闭的固定界面。,1.1.2流体流动中的作用力,一、质量力,作用于所考察对象的每一个质点上的力，并与流体的质量成正比,二、表面力,1.表面力：作用于所考察对象表面上的力，与表面积成正比。,2.应力：单位面积上所受到的表面力。,表面力,切向力(剪力),法向力,拉力,压力,压应力(压强),剪应力,拉应力,3.表面力的分解,三、剪应力,1.黏性,含义：当流体流动时，流体内部存在着内摩擦力，这种内摩擦力会阻碍流体的流动，流体的这种特性称为黏性。,实验(两平行平板间距很小),y方向的速度分布为线性,产生内摩擦力的根本原因：流体具有黏性。,内摩擦力：运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力。,2.牛顿黏性定律,粘度,的流体,理想流体:,3.牛顿型流体,层流时服从牛顿黏性定律的流体。所有气体和大部分低分子量(非聚合)的液体或溶液均属于牛顿型流体。,4.黏度,物理意义,速度梯度为1时，单位受力面积上的流体层间内摩擦力的大小。,黏性的物理本质是分子间的引力和分子的运动与碰撞。,单位及其换算,1Pa.s=10P=1000cP,影响因素,温度影响因素分析：,气体的分子间距较大，产生黏性的主要原因在于气体分子本身的运动。,液体的分子紧密排列，分子间距较小，产生黏性的主要原因在于液体分子间的引力。,混合流体的黏度,b.常压下混合气体的黏度,c.分子不缔合的混合液黏度,a.查阅相关手册,运动黏度,单位：m2/s，1m2/s=104St,1.1.3流体流动中的机械能,机械能包括动能、位能和压强能。,流体所含的能量：内能和机械能,1.2流体静力学及其应用,1.2.1流体的密度1.2.2压强及其表示方法1.2.3流体静力学方程1.2.4流体静力学方程的应用,1.2.1流体的密度,一、定义单位体积流体的质量，称为流体的密度。,二、单组分密度,液体密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得。,气体当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：,注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下之值，若条件不同，则密度需进行换算。,三、混合物的密度,混合气体各组分在混合前后质量不变，则有,气体混合物中各组分的体积分率。,或,混合气体的平均摩尔质量,气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。,一、压强：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。,二、压力的单位N/m2或Pa,1atm=101.3kPa=0.1013MPa1atm=1.033kg(f)/cm21atm=10.33mH2O=760mmHg1bar=105Pa1psi=6.89kPa,1.2.2压强,三、压强的表示方法,绝对压强以绝对真空为基准测得的压强。表压以大气压为基准测得的压强。,表压绝压大气压力,0正表压,0负表压,真空度大气压力绝压,表压=绝对压力大气压力真空度=大气压力绝对压力,1.2.3流体静力学方程,一、流体微元的受力平衡研究对象：静止流体中的一立方体流体微元六面体,受力分析：质量力与表面力X、Y、Z单位质量流体在X、Y、Z方向的分量x方向：,同理,y方向：,z方向：,欧拉平衡方程,单位质量流体所受的体积力,单位质量流体所受的压力,将该微元流体移动dl距离，此距离对x、y、z轴的分量为dx，dy，dz,乘以dx,乘以dy,乘以dz,压力所作功,质量力所作功,流体平衡的一般表达式,二、平衡方程在重力场中的应用,重力场,离心场,讨论,1不可压缩流体,虚拟压强,压力形式,能量形式,静力学基本方程,（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；（2）物理意义：,单位质量流体所具有的位能，J/kg；,单位质量流体所具有的静压能，J/kg。,在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。,（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。（4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。,2.可压缩流体(以气压方程的推导为例),1.2.3静力学基本方程的应用,1.压力及压力差的测量,（1）U形压差计,若被测流体是气体,所以,讨论：,（1）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,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。,(3)总势能大的一侧指示液液位低。,（2）指示液的选取,（2）双液体U管压差计,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B；,适用于压差较小的场合。,（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,（5）复式压差计,（4）倾斜式压差计,适用于压差较小的情况。,适用于压差较大的情况。,例如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，指示液为水银，读数R250mm，m900mm。,已知当地大气压为101.3kPa，水的密度1000kg/m3，水银的密度13600kg/m3。试计算该截面处的压力。,解：,例如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示液为水银，两U形压差计间充满水。相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为,Z0=2.1m,Z2=0.9m,Z4=2.0m,Z6=0.7m,Z7=2.5m。试计算锅炉内水面上方的蒸汽压力。,2.液位测量,（1）近距离液位测量装置,压差计读数R反映出容器内的液面高度。,液面越高，h越小，压差计读数R越小；当液面达到最高时，h为零，R亦为零。,（2）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,3.液封高度的计算,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。,液封高度：,液封作用：,1.3流体流动中的守恒原理,1.3.1质量守恒原理1.3.2机械能守恒(伯努利方程)1.3.3动量守恒(不讲),1.3.1质量守恒原理,一、流速与流量1.流量,含义：单位时间流过管道任一截面的物质量。,体积流量：单位时间内流体流过管道任一截面的体积.qVm3/s或m3/h,换算关系：qmqv,质量流量：单位时间内流体流过管道任一截面的质量.qmkg/s或kg/h,2、流速,点速度单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。平均流速,体积流量相等,质量流速单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。,kg/（m2s）,流量与流速的关系：,对于圆形管道,流量qV一般由生产任务决定。,流速选择：,二、管径的估算,常用流体适宜流速范围：,水及一般液体13m/s粘度较大的液体0.51m/s低压气体815m/s压力较高的气体1525m/s,三、连续性方程的推导,前提:定态流动系统;管路中流体无增加和漏损。,推广至任意截面,连续性方程,讨论1.导出条件:流体充满全管;定态流动。,流体在均匀直管内作定态流动时，平均流速沿流程保持定值，并不因内摩擦而减速！,2.均质、不可压缩流体,=常数,3.均质、不可压缩流体在圆管内流动,4.管路有分支,例如附图所示，管路由一段89mm4mm的管1、一段108mm4mm的管2和两段57mm3.5mm的分支管3a及3b连接而成。若水以910-3m3/s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。,解：管1的内径,水在管1中的流速,管2的内径,水在管2中的流速,管3a及3b的内径,水在分支管路3a、3b中的流量相等,水在管3a和3b中的流速,1.3.2定态流动系统的机械能守恒(伯努利方程),1.总能量衡算,（1）内能贮存于物质内部的能量。1kg流体具有的内能为U（J/kg）。,衡算范围：1-1、2-2截面以及管内壁所围成的空间衡算基准：1kg流体位能基准面：0-0水平面,（2）位能流体受重力作用在不同高度所具有的能量。1kg的流体所具有的位能为gz（J/kg）。,能量分析:,（3）动能1kg的流体所具有的动能,（4）静压能,流体带入系统的静压能,1kg的流体所具有的静压能,(J/kg),（5）热设换热器向1kg流体提供的热量为qe(J/kg)。,质量为m、体积为V的流体通过截面A,推进流体进截面A的作用力为pA流体通过截面A所走的距离为V/A，,（6）外功(有效功)1kg流体从流体输送机械所获得的能量为he(J/kg)。,以上能量形式可分为两类：,机械能：位能、动能、静压能及外功，可用于输送流体；内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。,2实际流体的机械能衡算,假设流体不可压缩，则,(1)以单位质量流体为基准,流动系统无热交换，则,流体温度不变，则,设1kg流体损失的能量为hf（J/kg），有：,式中各项单位为J/kg。,（2）以单位重量流体为基准,(1)/g:,式(2)中各项单位,（3）以单位体积流体为基准,(1)，得,式中各项单位:,压力损失,(4)效率,有效功率，指单位时间内流体从流体输送机械(如泵、风机)获得的机械能,轴功率，指电机输入流体输送设备(如泵、风机)的功率,3理想流体的机械能衡算,理想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。,伯努利方程式,4.伯努利方程的讨论,(1)若流体静止，u=0，hf=0，he=0，则伯努利方程变为,（2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，即,(3）伯努利方程式适用于不可压缩性流体。(4)对于可压缩流体，当(p1-p2)/p120%时，仍可用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均密度m代替。,4伯努利方程的应用,管内流体的流量；输送设备的功率；管路中流体的压力；容器间的相对位置等。,利用伯努利方程与连续性方程，可以确定：,（1）根据题意绘制流动系统示意图标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围；,（2）选取位能基准面必须与地面平行；宜于选取两截面中位置较低的截面；若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。,使用步骤：,（4）定压力基准压力表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。,（3）选取截面与流体的流动方向相垂直；两截面间流体应是定态连续流动；截面宜选在已知量多、计算方便处。,例容器间相对位置的计算如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液,管为452.5mm的钢管，要求送液量为3.6m3/h。设料液在管内的压头损失为1.2m（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？,解：如图所示，取高位槽液面为1-1截面，进料管出口内侧为2-2截面,z1=h,u10；p1=0（表压）；He=0;z2=0；p2=0（表压）；Hf=1.2m,例泵输送功率的计算某化工厂用泵将敞口碱液池中的碱液（密度为1100kg/m3）输送至吸收塔顶，经喷嘴喷出，如附图所示。泵的入口管为1084mm的钢管，管中的流速为1.2m/s，出口管为763mm的钢管。贮液池中碱液的深度为1.5m，池底至塔顶喷嘴入口处的垂直距离为20m。碱液流经所有管路的能量损失为30.8J/kg（不包括喷嘴），在喷嘴入口处的压力为29.4kPa（表压）。设泵的效率为60%，试求泵所需的功率。,解：在1-1截面和2-2截面间列柏努利方程,z1=0；p1=0（表压）；u10;z2=20-1.5=18.5m；p2=29.4103Pa（表压）;=1100kg/m3，hf=30.8J/kg,kW,本节小结,实际流体的机械能守恒式,重点,不可压缩流体的连续性方程,1.4流体流动的内部结构,1.4.1流体流动类型与雷诺准数1.4.2湍流的基本特征1.4.3圆管内流体运动的数学描述1.4.4边界层及边界层脱离,1.4.1流体流动类型与雷诺准数,一、两种流动型态层流和湍流,1.雷诺实验(1883年，英国),2.两种流型层流(滞流)：流体质点沿流动方向作直线运动，各质点互不碰撞，互不混合。湍流(紊流)：流体质点作不规则的杂乱运动，并互相碰撞、混合，产生旋涡，介于层流与湍流之间的情况称为过渡流，处于不稳定状态。层流与湍流的本质区别：层流无径向脉动，湍流有径向脉动。,二、流动型态判据,1.影响流动型态的因素设备因素：管径d操作因素：流速u物性因素：流体的密度及粘度。,无因次数群或准数,2000Re4000时，流动可能是层流，也可能是湍流，不稳定的过渡区。,Re2000时，流动为层流，层流区；,Re4000时，一般出现湍流，湍流区；,2.判断流型,Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。,3.物理意义,流体在单位横截面积上的惯性力,单位面积上的粘性力,1.4.3圆管内流体运动的数学描述,一、流体的力平衡及剪应力分布,轴向受力分析,圆形直管内剪应力与半径成线性分布,二、层流时的数学分析,层流:,1.速度分布,流体在圆形直管内层流流动时，其速度呈抛物线分布。,2平均速度与最大速度的关系,哈根-泊稷叶方程,3单位质量流体的动能,三、湍流时的数学分析,湍流:,1.速度分布,经验关联式:,n与Re有关，取值如下：,讨论：Re愈大，质点湍动愈剧烈，速度分布愈均匀；靠近管壁的一薄层流体流速很小，作层流流动，这层流体称为层流底层，它往往是传热、传质的主要障碍,2平均速度与最大速度的关系(n=1/7),3单位质量流体的动能,流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域，即流速降为主体流速的99以内的区域。边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。,1.4.4边界层及边界层脱体,一、边界层,边界层区（边界层内）：速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体。,二、边界层的形成与发展,1.流体在平板上流动时的边界层,2.边界层流型：层流边界层和湍流边界层。,层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流。,3.流体在圆管内流动时的边界层,进口段长度：流体从管入口至充分发展所需的管长。层流0.05d，湍流(4050)d,充分发展的流动：边界层厚度不再变化的流动。边界层厚度为圆管的半径.,进口段内有边界层内外之分，分为层流边界层与湍流边界层。,三、湍流时的层流内层和过渡层,湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化；过渡层：分子粘度与湍流粘度相当；层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向传递只能依赖分子运动。,层流内层为传递过程的主要阻力,Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。,简化处理：忽略过渡层。,四.边界层的分离,AC：压力逐渐减小（顺压梯度）；CS：压力逐渐增加（逆压梯度）；S点：逆压梯度和粘性剪应力的作用，速度降为0。SS以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡流，出现边界层分离。,AC：流道截面积逐渐减小，流速逐渐增加，压力逐渐减小（顺压梯度）；CS：流道截面积逐渐增加，流速逐渐减小，压力逐渐增加（逆压梯度）；S点：物体表面的流体质点在逆压梯度和粘性剪应力的作用下，速度降为0。SS以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡流，出现边界层分离。,边界层分离的后果：产生大量旋涡；造成较大的能量损失。,边界层分离的必要条件：流体具有粘性；流动过程中存在逆压梯度。,1.5阻力损失,1.5.1两种阻力损失1.5.2湍流时直管阻力损失的实验研究方法1.5.3直管阻力损失的计算1.5.4局部阻力损失,1.5.1两种阻力损失,一、流体阻力的类型,直管,弯头,阀门,直管阻力流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力.,产生阻力损失的外部条件,局部阻力流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小或方向的改变而引起的阻力。,特点:边界层与固体表面不分离,特点:边界层与固体表面分离,阻力损失产生的根本原因:流体内部及流体与固体壁面间的粘性摩擦作用。,二、阻力损失的表现：流体势能的降低,1.通常的管路无论直管阻力或局部阻力，也不论是层流或湍流，阻力损失主要表现为流体势能降低。,2.水平均匀管道阻力损失等于静压能的减小。,3非水平均匀管道阻力损失表现为流体势能的降低。,三、层流时直管的阻力损失,阻力损失,1.5.2湍流时直管阻力损失的实验研究方法,一、析因实验：寻找影响过程的主要因素,流动的几何尺寸：d，l，(粗糙度)；流动条件：u；流体性质：，,hf=f(d，l，u，),绝对粗糙度：管壁粗糙面凸出部分的平均高度相对粗糙度:/d,粗糙度,管道,光滑管,粗糙管,玻璃管铜管,钢管铸铁管,按管材性质和加工情况分类,二、规划实验：减少实验工作量,因次分析法,基础：因次一致性即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的因次。,目的：（1）减少实验工作量；（2）结果具有普遍性，便于推广。,基本定理：白金汉（Buckinghan）定理,设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本因次数为m个，则该物理现象可用N(nm)个独立的无因次数群表示。,物理变量n7基本因次m3即长度、时间、质量无因次数群Nnm4,无因次化处理,欧拉准数,雷诺准数,管道的几何尺寸,相对粗糙度,因次分析法的优点：,(1)克服了一些实验测定时的困难,(2)具有物料由此及彼，设备尺寸由小见大的功效,问题：考察物性和对阻力损失的影响,改变流体种类,改变Re,三、数据处理：实验结果的正确表达,据经验:阻力损失与管长l成正比,1.5.3直管阻力损失的计算,一、统一的表达方式(范宁公式),二、摩擦系数,1.层流,2.湍流,J.NikuradseandL.F.Moody人工粗糙管,光滑管(水力光滑管),Blasius公式,粗糙管,Re很大,3.摩擦因数图,分界线,过渡区（2000Re10d，下游l5d；（2）结构简单，制造与安装方便；（3）能量损失较大。,1.7.3文丘里（Venturi）流量计,属差压式流量计；能量损失小，造价高。,CV流量系数（0.980.99）A0喉管处截面积,1.7.4转子流量计,一、结构与原理,从转子的悬浮高度直接读取流量数值。,二、流量方程,转子受力平衡,在1-1和0-0截面间列柏努利方程,0,由连续性方程,CR流量系数,体积流量,（1）特点：恒压差、恒流速、变截面截面式流量计。,讨论：,（2）刻度换算,标定流体：20水（1000kg/m3）20、101.3kPa下空气（1.2kg/m3）,CR相同,同刻度时,式中：1标定流体；2被测流体。,气体转子流量计,三、安装及优缺点,（3）玻璃管不能经受高温和高压，在安装使用过程中玻璃容易破碎。,（1）永远垂直安装，且下进、上出，安装支路，以便于检修。,（2）读数方便，流动阻力很小，测量范围宽，测量精度较高；,例某气体转子流量计的量程范围为460m3/h。现用来测量压力为60kPa（表压）、温度为50的氨气，转子流量计的读数应如何校正？此时流量量程的范围又为多少？（设流量系数CR为常数，当地大气压为101.3kPa）,解：操作条件下氨气的密度：,即同一刻度下，氨气的流量应是空气流量的1.084倍。此时转子流量计的流量范围为41.084601.084m3/h，即4.3465.0m3/h。,第2章流体输送机械,2.1概述2.2离心泵2.3往复泵2.4其他化工用泵2.5气体输送机械,2.1概述,流体在无外功的情况下，只能从高能位状态向低能位状态流动流体从一处向另一处输送，往往需要提高其位置或增加其静压强或克服管路的沿途阻力需要向流体施加外部的机械功,一、流体输送机械,向流体作功以提高流体机械能的装置。输送液体的机械称为泵输送气体的机械鼓风机通风机压缩机真空泵,二、流体输送机械分类,按工作原理分容积式(正位移式)：包括往复式、旋转式(齿轮式)等动力式(叶轮式)：包括离心式、轴流式等其他类型：不属于上述两类的其它型式，如喷射式等,三、管路特性曲线,目的：计算输送单位重量流体所需补充的能量。,在截面1与截面2之间列Bernoulli方程,管路特性方程,K,较大,较小,曲线1,曲线2,1低阻力管路2高阻力管路,四、压头,输送机械向单位重量流体提供的能量。压头与流量的关系由输送机械本身的特性决定。,返回,2.2离心泵,2.2.1离心泵的工作原理2.2.2离心泵的主要性能参数2.2.3离心泵的特性曲线2.2.4离心泵的工作点及其流量调节2.2.5离心泵的安装高度2.2.6离心泵的类型与选用,2.2.1离心泵的工作原理,一、离心泵的主要构件叶轮、泵壳和轴封装置,离心泵外观,叶片（+盖板）,1.离心泵的叶轮,前盖板、后盖板，无盖板,闭式叶轮,半开式,开式,4-8个叶片（前弯、后弯，径向）,2.泵壳泵壳的作用3.泵轴位于叶轮中心且与叶轮所在平面垂直的一根轴。它由电机带动旋转，以带动叶轮旋转。4.轴封装置避免泵内高压液体沿间隙漏出，或防止外界空气从相反方向进入泵内填料函和机械(端面)密封,机械密封,二、离心泵基本方程,1.流体通过叶轮的流动速度三角形,u切向速度；c绝对速度；相对速度,2.离心泵基本方程式的推导,假设:叶片数目无限多，无环流；理想液体，无阻力；定态流动.,离心泵基本方程,r叶轮半径；叶轮旋转角速度；qV泵的体积流量；b叶片宽度；叶片装置角。,三、离心泵基本方程式的讨论,1.叶轮的转速和直径qv、b2、2一定，D2、nHT,2.叶片几何形状对HT的影响,后弯,径向,前弯,前弯叶片产生的理论压头最高，但并不是最佳的形式后弯叶片，静压能的提高大于动能的提高离心泵总是采用后弯叶片,3.液体密度对HT的影响,HT与无关，但p若启动时泵内是空气，因空气太小，致使p真很小而不能将液体吸入泵内.离心泵启动时须先使泵内充满液体灌泵。叶轮中心处所形成的低压不足以将液体吸入泵内气缚。,解决气缚问题的措施将离心泵的吸入口位置置于液体贮槽的液位之下在吸入口端部安装单向底阀。,四.离心泵送液过程描述,入泵前靠势能差作用液体供液面叶轮；入泵后叶轮中心（低势能、低动能的液体）叶轮外缘(高势能、高动能的液体)蜗壳(部分动能转化为势能)关键：在叶轮中心形成低压区,返回,2.2.2离心泵的主要性能参数,一、流量qv单位时间内泵实际输出的液体体积，m3/s或m3/h送液能力二、扬程(压头)He离心泵对单位重量(1N)液体所提供的有效能量，单位为J/N或m,扬程的实验测量,说明,H实比H理小得多流体在叶片间环流流体的阻力损失冲击损失(2)泵的扬程不等于升举高度,三、功率及效率,1.轴功率Pa与有效功率Pe轴功率Pa：单位时间内由原动机(一般为电动机)向泵轴输入的功有效功率Pe：单位时间内液体从泵中叶轮获得的有效能量,效率,效率反映了离心泵运转过程中能量损失的大小,是决定泵工作经济性的重要指标。这些能量损失主要为-机械损失-水力损失-容积损失,四、转速n,常用转速为2900、1450、960、730r/min。泵出厂时规定最高转速，使用时可降低转速，但提高转速不得超过4%，否则会烧坏电机。,返回,2.2.3离心泵的特性曲线,一、离心泵的特性曲线离心泵的He、Pa、与qv之间的关系曲线各种型号的离心泵都有其本身独有的特性曲线，且不受管路特性的影响.,1.qv,He,2.qv,Pa启动离心泵时，应关闭泵出口阀门，以减小启动电流，保护电机停泵时先关闭出口阀门,防止高压液体倒流损坏叶轮,3.qv,先增后降,n一定，离心泵存在max。,最高效率点泵的设计点,额定点：离心泵最高效率点,二、影响离心泵特性曲线的因素,离心泵特性曲线测定：20清水，一定转速1.转速与叶轮直径,比例定律,切割定律,(1)液体粘度qV,He,Pa,2010-6m2/s,不校正；2010-6m2/s,校正.(2)密度He、qv、与无关，Pa与成正比,返回,2.液体性质,2.2.4离心泵的工作点及其流量调节,一、工作点管路特性曲线与泵特性曲线的交点。,二、流量调节,调节流量的过程就是改变工作点的位置到满意点的过程,1.调小流量,调小阀门改变管路特性曲线,优点：调节方便缺点：增加了管路阻力损失，泵的效率降低,优点：没有节流引起的附加能量损失缺点：调节不便切削叶轮直径,改变转速改变泵特性曲线,2.调大流量,调高转速改变泵的特性曲线,缺点：加剧震动和噪声，甚至会出现机械强度与电机超载问题，通常不采用,开大阀门改变管路特性曲线,组合操作，以两台泵为例分析,组合操作的比较,组合方式的选择,若管路两端的总势能差大于单台泵所能提供的最大扬程Hemax,选串联管路所需外加压头H单,选串联,若单泵可以输液，只是流量达不到要求,对低阻力管路并联优于串联对高阻力管路串联优于并联,返回,2.2.5离心泵的安装高度,一、汽蚀现象,伴随现象泵体振动并发出噪音H,Q,严重时不送液；时间长久，水锤冲击和化学腐蚀，损坏叶片,当p1pv，,叶轮中心汽化汽泡,被抛向外围,凝结局部真空,压力升高,周围液体高速冲向汽泡中心,撞击叶片(水锤),临界汽蚀点离心泵因汽蚀而使泵的扬程发生突变，其值比正常值下降3%作为离心泵的临界汽蚀点。,二、汽蚀余量,1.(NPSH)C在截面1与k间列Bernoulli方程,达到汽化时，Pk=Pv，则P1=P1min,临界汽蚀余量,2.必需汽蚀余量(NPSH)r(NPSH)r=(NPSH)c+0.3从泵的样本上查取,3.实际汽蚀余量,三、安装高度,在o-o与k-k截面间列Bernoulli方程,qv一定，发生汽蚀时，pk=pv,Hg=Hgmax,最大允许安装高度,汽蚀现象产生的原因,安装高度太高被输送流体的温度太高，液体蒸汽压过高；吸入管路阻力或压头损失太高。,确定允许安装高度应注意的问题,吸入管路的阻力损失越大，泵的Hg越小.吸入管路应短吸入管路应省去不必要的管件，调节阀应装在排出管上吸入管径大于排出管径,确定允许安装高度应注意的问题,(NPSH)r泵性能表上列出的(NPSH)r值是按输送20的清水测定出来的,当输送其它液体时,为安全计，可不校正；qV,(NPSH)r,Hg.计算Hg时，必须以使用过程中的最大流量求取。为保险计，实际安装高度比允许安装高度还要小0.5至1米计算出的Hg0,低于贮槽液面安装,返回,2.2.6离心泵的类型与选用,一、离心泵的类型1清水泵代号IS输送清水或物性与水相近、无腐蚀性且杂质较少的液体IS80-65-16080泵入口直径，mm；65泵出口直径，mm；160泵叶轮名义直径，mm,2耐腐蚀泵代号F用于输送具有腐蚀性的液体3.油泵代号Y输送石油产品的泵4.液下泵代号FY安装在液体贮槽内5.屏蔽泵这是一种无泄露泵,二、离心泵的选用,1.据输送介质的性质取操作条件等选择泵的类型(种类和系列)2.根据要求的流量和压头确定泵的型号,返回,2.3往复泵,一、往复泵的作用原理及类型往复泵的结构主要部件：泵缸、活塞(活栓)、活门,往复泵的工作原理-单级往复泵的工作原理-双级往复泵的工作原理类型-动力来源：电动往复泵、气动往复泵-作用方式：单动往复泵、双动往复泵,二、往复泵的流量,单动泵,双动泵,qV泵的流量，m3/sV泵的容积效率A,a分别为活塞的截面积和活塞杆的截面积，m2S活塞的行程(冲程)，mnr活塞每秒种往复次数,三、往复泵的压头,往复泵的压头理论上可以任意高实际上由于构造材料的强度，泵部件泄漏，往复泵的压头仍有一限度,四、往复泵的流量调节,往复泵的严重缺点流量不均匀,可通过采用多缸和装置空气室提高管路流量均匀性正位移特性压头与泵无关，只取决定管路情况的特性,往复泵的工作点流量调节旁路调节改变曲柄转速和活塞行程不能采用安装出口阀的方法调节流量,返回,2.4其他化工用泵(自学）,返回,