环境工程原理课件图文解析一六

环境工程原理目录第一章流体流动第二章流体输送机械第三章沉降与过滤第四章吸收第五章吸附第六章液-液萃取第七章膜分离技术第八章其他传质分离方法第一章流体流动学习目标了解流体流动在工业生产及环境治理中的应用，牛顿粘性定律，流体阻力及其产生的原因；流体在圆管内流动时的速度分布，流动边界层概念；管路的构成及分类。理解雷诺实验；稳定流动与不稳定流动的基本概念；影响摩擦系数的因素。掌握流体的密度、粘度的定义、影响因素和求取方法；压力的表示方法及单位换算；静力学基本方程、连续性方程、柏努利方程及其应用；流体的流动型态及判定方法；管道内流体的流动阻力及计算；能熟练应用柏努利方程解决工程实际问题，树立工程观念。

流体具有流动性。在工业生产和环境治过程中所处理的物料，大多为流体。本章主要讨论流体流动的基本原理及流体在管内的流动规律，并应用这些原理和规律解决流体输送过程中的一些问题，具体有以下几个方面。(1)流体的输送(2)压强的测量(3)为强化设备提供适宜的操作条件第一节流体的基本物理量

一、流体的密度单位体积流体所具有的质量称为流体的密度：单位质量流体所具有的体积，称为流体的比容：某液体的密度ρ

与标准大气压下4℃（277K）时纯水密度ρ水的比值，称为相对密度：kg/m3m3/kg对于液体混合物:对于气体:

由理想气体状态方程式对于气体混合物:

Mm——平均摩尔质量

可得密度计算式为φ1、φ2、φi、φn——混合物中各组分的体积分数二、流体的压强1.压强的定义在流体内部由于流体本身的重力而产生的垂直作用在单位面积上的力称为流体的静压强，简称压强或压力。流体压力的两个特征：①垂直作用于器壁

②在同一流体的相同水平面上各方向的压强相同pppppp压力单位之间的换算1atm=1.033kgf/cm2=1.013×105N/m2=760mmHg=10.33mH2O1at=1kgf/cm2=9.807×104N/m2=735.6mmHg=10mH2O2.压力的表示方法⑴绝压----以绝对真空为基准测得的压力⑵表压----以大气压力为基准测得的压力表压力=绝对压力-大气压力真空度=大气压力-绝对压力绝压/表压/真空度的关系PA,绝PA（表）大气压线P大气压P（真空度）PB,绝绝对零压线压力表真空表三、流体的流量与与流速1.流量---单位时间内流经管管道任一截面的流流体量。体积流量和质量流流量的关系:2.流速---单位时间内流体在在流动方向上所流流过的距离。A—管道的截面积，m2；对于圆形管路:四、流体的粘度1．牛顿粘性定律粘性---是流体的固有属性性，是产生内摩擦擦力的原因。粘度---衡量流体粘性大小小的物理量。牛顿粘性定律---流体层间的剪应力力与速度梯度成正正比。称为粘度，流体的的粘性越大，值越大。2．粘度的单位在SI制中，粘度的单位位是Pa·s，在工程上或文献献中常用泊（P）或厘泊（cP）表示。1Pa·s=10P=1000cP运动粘度:在SI制中，运动粘度的的单位为m2/s第二节流体静力学流体静力学是研究究静止流体在重力力场中受重力和压压力作用下的平衡衡规律。一、流体体静力学学基本方方程式1．静力学学基本方方程式的的导出在垂直方方向上作作用于液液柱上的的力有：：⑴作用于于上端面面的力F1，方向向向下；⑵作用于于下端面面的力F2，方向向向上；⑶液柱所所受的重重力W，方向向向下。取向上的的作用力力为正值值，则F1=－p1dAF2=p2dAW=-ρgdA(z1－z2)液柱处于于静止状状态时，，在垂直直方向各各力的代代数和应应为零，即p2dA－p1dA－ρgdA(z1－z2)=0整理可得得p2=p1+ρg(z1－z2)上式可整整理为p=p0+ρgh2．静力学学基本方方程式的的讨论⑴在静止止的、连连通的同同一液体体内部，，处于同同一水平平面上各各点压力力都相等等。⑵液面上上方的压压力po变化时，，液体内内部各点点的压力力p也发生相相应的变变化。⑶静力学基基本方程程式可改写为为上式说明压压力差的的大小可可以用一一定高度度的液体体柱来表表示二、流体体静力学学基本方方程式的的应用（一）压压力的测测量运用流体体静力学学基本原原理测定定流体的的压力差差或表压压力的仪仪器统称称为液柱柱压差计计。常见见的有正正U形管压差差计、倒倒U形管压差差计、双双液柱微微差计和和斜管压压差计等等。正U形管压差差计测量表压压测量真空空度1．正U形管压差差计因为pa=pb所以=2.倒U形管压压差计计当被测测流体体为液液体时时，也也可选选用比比被测液液体密密度小小的流流体作作指示示剂，，采用用倒U形管压压差计计进行行测量量。当p1>p2时当指示示剂A选用气气体时时p1－p2≈ρBgR倒U形管压压差计计3.双液柱柱微差差计及斜管压压差计计双液柱柱微差差计斜管压压差计计（二）液液位的的测量量以流体体静力力学基基本方方程式式为依依据进进行液液位的的计算，以了解各各种贮贮槽或或计量量槽等等容器器内的的物料料贮存存量，，控制制设备备内的的液位位。液位的的测量量远距离离测量量液位位远距离离测量量液位位pa=pbρgh=ρBgR（三））液封封高度度的计计算安全水水封切断水水封溢流水水封第三节节稳定流流动系系统的的能量量衡算算一、稳稳定流流动与与不稳稳定流流动稳定流流动---流动参参数只只与空空间位位置有有关而而与时时间无无关的的流动。。不稳定定流动动---流动参参数既既与空空间位位置有有关又又与时时间有有关的流动动。稳定流流动与与不稳稳定流流动二、稳稳定流流动系系统的的物料料衡算算———连续续性方方程对于稳稳态流流动系系统，，在管管路中中流体体没有有增加加和漏漏失的的情况况下：：推广至至任意意截面面——连续性性方程程式1122三、流流动系系统的的能量量在任一一流动动系统统中，，总能能量包包括，，流体体本身身所具具有的的能量量及系系统与与外部部交换换的能能量。。（一））流体体本身身所具具有的的能量量(单位质质量)1．内能能---用U表示J/kg2．位能能---位能=gzJ/kg3．动能能---J/kg4．静压压能---静压能能=J/kg动能=流体的的管路路输送送系统统（二））系统统与外外界交交换的的能量量1．功---流体输输送设设备对对系统统作功功，即即将外外部的的能量量转化化为流流体的的机械械能用We表示J/kg2．热---流体通通过换换热器器将要要吸收收或放放出热热量J/kg3．损失失能量量---流体在在流动动过程程中克克服各各种阻阻力，，使部部分能能量转转化为为热能能而无无法继继续利利用。。用Σhf表示，，J/kg由于在在流体体流动动过程程中，，内能能和热热能从从工程程上讲讲是可可以忽忽略的的，因因此只只讨论论机械械能的的守恒恒及其其转换换。四、稳稳定系系统的的能量量衡算算式———柏柏努利利方程程（一））柏努努利方方程的的导出出根据能能量守守恒定定律输入系系统的能量=输出系系统的能量+系统内内的能量积积累对于稳稳定流流动系系统，，系统统内的的能量量积累累为零零可得Pe为有效效功率率，单单位为为W或J/s。即Pe=Weqm（二））柏努努利方方程的的讨论论1．理想想流体体的柏柏努利利方程程理想流流体的的特征---流体的的能量量损失失Σhf=0无外功功加入入时（（即We=0）则---理想流流体的的柏努努利方方程上式说说明:①理想流流体的的机械械能守恒。②各种形形式的的机械械能可可以相相互转转换。。2.静止流流体的的柏努努利方方程流体静静止时，则u1=u2=0,Σhf=0，若We=0则整理可可得上式即即为流流体静静力学学方程程式。。由此此可见见，柏柏努利利方程程式除除了表表示流流体的的流动动规律律外，，还表表示了了流体体静止止状态态的规规律，，而静静止流流体是是流体体流动动的一一种特特殊形形式。。3．可压压缩流流体的柏努努利方方程若流动动系统统两截截面间间的绝绝对压压力变变化较较小时时（常常规定定为%），仍仍可用用柏努利利方程程式进行行计算算，但但流体体密度度ρ应以两两截面面间流流体的的平均均密度度ρm来代替替。4．以单单位重重量（（1N）流体体为计计算基基准的的柏努努利方方程令则五、柏柏努利利方程程的应应用（一））解题题要点点1.作图与与确定定衡算算范围围2.截面的的选取取3.基准水水平面面的选选取4.单位必必须统统一（二））应用用1.确定管管道中中流体体的流流量2．确定定设备备的相相对位位置3．确定定输送送设备备的有有效功功率4．确定定管路路中流流体的的压力力第四节节流体在在管内内流动动时的的摩擦擦阻力力一、流流动阻阻力产产生的的原因因———内摩摩擦内摩擦擦力是是由于于流体体的粘粘性而而产生生的，，这种种内摩摩擦力力总是是起着着阻止止流体体层间间发生生相对对运动动的作作用。。粘性性是流流体流流动时时阻力力产生生的根根本原原因。。①粘度作作为表表征粘粘性大大小的的物理理量，，其值值越大大，说说明在在同样样流动动条件件下，，流体体阻力力就会会越大大。②决定流动阻阻力大小的的因素除了了粘性和流流动的边界界条件外，，还取决于于流体的流流动状况，，即流体的的流动型态态。二、流体的的流动类型型（一）流动动类型的划划分1．雷诺实验验2．两种流动动类型（1）层流（又称称滞流）流体质点沿沿管子的轴轴线方向作作直线运动动，不具有有径向速度，即与与周围的流流体间无宏宏观的碰撞撞和混合。。（2）湍流（又称称紊流）在这类流动动状态下，，流体不再再是分层流流动的，流流体内部充充满了大小小不一的、、在不断运运动变化着着的旋涡，，流体质点点除沿轴线线方向作主主体流动外外，还在各各个方向有有剧烈的碰碰撞，即存存在径向的的运动。（二）流体体流动型态态的判定1．雷诺准数数Re流体的流动动型态主要要与流体的的密度ρ、粘度μ、流速u和管内径d等四个因素素有关，并并可以用这这四个物理理量组成一一个数群，，称为雷诺诺准数，用用来判定流流动型态。。雷诺准数无无量纲，称称为特征数数。2.流动型态的的判断Re<2000时，流体的的流动型态态总是层流流；Re>4000时，流动为为稳定的湍湍流；Re=2000～4000时，为过渡渡状态。在一般工程程计算中，，Re>2000可作湍流处处理。另外外，就湍流流而言，Re越大，流体体湍动程度度越剧烈，，流体中的的旋涡和流流体质点的的随机运动动就越剧烈烈。三、圆管中中的速度分分布与流动动边界层概概念（一）圆管管中的速度度分布1.流体在圆管管中作层流流时的速度度分布⒉流体在圆管管中作湍流流时的速度度分布层流时圆管管内的速度度分布平均流速um的表达式为为湍流时圆管管内的速度度分布湍流时管内内流体的平平均速度为为um≈0.82umax（二）流动动边界层的的概念⑴板面附近流流速变化较较大的区域域，称为流流动边界层层，流体阻阻力集中在在此区域内内；⑵边界层以以外流体流流速基本不不变的区域域称为主流流区，此区区内的速度度梯度为零零。平板上边界界层的形成成第五节节管路路管路是是化工工、石石油、、环保保等许许多行行业生生产中中所涉涉及的的各种种管路路形式式的总总称。。一、管管路的的分类类简单管管路---无分支支的管管路复杂管管路---有分支支的管管路二、管管路的的基本本构成成1.管子管子是是管路路的主主体，，通常常按制制造管管子所所使用用的材材料来来进行行分类类。生生产上上使用用的管管子按按管材材不同同可分分为金金属管管、非非金属属管和和复合合管，，其中中以金金属管管占绝绝大部部分。。管子的的规格格通常常用““φ外径××壁厚厚”来来表示示管路｛｛树状网网环状网网金属管管｛钢管有缝钢钢管铸铁管管有色金金属管管｛无缝钢钢管｛铜管铅管铝管非金属属管｛陶瓷管管塑料管管水泥管管玻璃管管管子的的分类类:2.常用管管件管件是是用来来连接接管子子、改改变管管路方方向或或直径径、接接出支支路和和封闭闭管路路的管管路附附件的的总称称。普通铸铸铁管管件2023/3/7433.阀门阀门是用用来开启启、关闭闭和调节节流量及及控制安安全的机机械置。三、管路路的布置置与安装装1.管路的布布置原则则①管路尽尽可能短短，管件件和阀门门应尽可可能少；②管路与与墙壁、、柱子或或其它管管路之间间应有适适当的距距离；③管路路排列时时，要考虑冷热；有无腐蚀蚀；输气、输液；是否否经常检修修；高压压、低压压；是否保温；金金属、非金属等诸多因因素;④管子、管管件与阀阀门应尽尽量采用用标准件件；⑤对于温度度变化较较大的管管路须采采取热补补偿措施施，安排排凝液排排出装置置，设置置气体排排放装置置；⑥管路通过过人行道道时高度度不得低低于2m，通过公公路时不不得小于于4.5m，与铁轨轨的净距距离不得得小于6m，通过工工厂主要要交通干干线一般般为5m。⑦管路一般采用明线线安装，，但上下下水管及及废水管管采用埋埋地铺设设，埋地地安装深深度应当当在当地地冰冻线线以下。。2.管路的安安装原则则①管路的连连接包括:管子与管管子、管管子与管管件、管管子与阀阀件、管管子与设设备之间间连接的的方式主主要有四四种，即即螺纹连连接、法法兰连接接、承插插式连接接及焊接接等。②管路的热热补偿。包括：弯管的自自然补偿偿、补偿器补补偿。③管路的保保温与涂涂色。④管路的防防静电措措施。第六节流体在管管内流动动时的能能量损失失总能量损损失(总阻力损损失)Σhf项是管路路系统的的通过直直管和各各个局部部障碍处处的阻力力损失这这两大部部分的总总和。一、流体体在直管管中的流流动阻力力流体在管管径不变变的管路路中流动动时造成成的能量量损失，，称为直直管阻力力，也叫叫沿程阻阻力。光滑管：：玻璃管管、铜管管、铅管管及塑料料管等；；粗糙管：：钢管、、铸铁管管等。绝对粗糙度：管道壁面凸出部分的平均高度。相对粗糙度：绝对粗糙度与管内径的比值。

2.层流时摩擦系数流速较慢，与管壁无碰撞，阻力与

无关，只与Re有关。二、摩擦擦系数1.管壁粗糙糙度3.湍流时摩摩擦系数数湍流时流流体质点点运动情情况比较较复杂，，通过实实验测定定，获得得经验的的计算式式。该公式适适用于光光滑管，，适用范范围为Re=5××103～