化工流体流动与流体输送机械概述

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-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比较项目过程工业加工工业物质结构和形态实现方法所依靠设备产品计量变化各种反应及分离过程釜、罐、塔器、泵质量或体积（千克、吨、升等不变化不同的加工工序适当的设备件数（片、支、粒等）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

1746年铅室法制取硫酸，世界上第一个化工厂1791年路布兰制碱法1861年索尔维制碱法1862年硝化甘油炸药投入生产1905年哈伯合成氨法1929年青霉素被发现1934年高压聚乙烯被制成1939年尼龙66工业化1941年侯氏联合制碱法1957年聚四氟乙烯纤维的投产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）

化学矿无机盐有机化工原料化学肥料化工农药合成纤维单体涂料、颜料染料及其中间体感光和磁性材料化学试剂石油化工化学医药合成树脂和塑料酸、碱合成橡胶催化剂、试剂和助剂煤化工橡胶制品化工机械化工新型材料化工生产过程

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/θ

（单位时间流过管路任一截面的流体体积）质量流量(MassFlux)：ms=m/θ(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、ρ、z等物理量不随时间θ变化不稳定流动（UnsteadyFlow）—p、ρ、z等物理量随时间θ变化总质量衡算(MassBalance)

—连续性方程(Equation

ofContinuity)ms1=ms2u1A1ρ1=u2A2ρ2或uAρ＝常数若ρ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/ρ；

2.无热交换qe=0；

3.流体温度不变U1=U2gz1+u12/2+p1/ρ+we=gz2+u22/2+p2/ρ+wf

z1+u12/2g+p1/ρg+he=z2+u22/2g+p2/ρg+hf△h=he–hf(h=z+u2/2g+p/ρg)△z+△(u2)/2+△p/ρg=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/ρg=z2+p2/ρg(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=ρwf=ρghf

(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。π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π1,π2,...,πn-m所组成的函数关系式表示，即F(π1,π2,...,πn-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、ρ、μ、e（粗糙度）共有7个物理量：△pf

、d、l、u、ρ、μ、e基本单位有3个：kg、m、s根据π定理，存在7-3=4个无因次数群:

Eu=△pf

/(ρu2)

表征压力与惯性力之比

l/d

反映管子的几何特性

Re=duρ/μ

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λ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：

<1>连续性方程：ms1=ms2i.e.u1A1ρ1=u2A2ρ2

<2>BernoulliEq.:gz1+u12/2+p1/ρ+we=gz2+u22/2+p2/ρ+wfi.e.z1+u12/2g+p1/ρg+he=z2+u22/2g+p2/ρg+hf<3>阻力计算式：直管：wf=λ(l/d)(u2/2)i.e.hf=λ(l/d)(u2/2g)局部：wf=ζ(u2/2)i.e.hf=ζ(u2/2g)总：Σwf=(λ(l/d)+Σζ)(u2/2)=λ(l+Σle)/d(u2/2)i.e.Σhf=λ(l/d)(u2/2g)=λ(l+Σle)/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：

<1>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

<2>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)：<1>涡流损失<2>阻力损失<3>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、η与Q的关系共同特点：<1>压头随流量的增大而下降<2>功率随流量增大而上升（离心泵启动时应关闭出口阀）<3>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）离心泵的工作点与流量调节离心泵的工作点由离心泵的特性与管路的特性共同决定离心泵的特性曲线：H~Q管路的特性曲线：he=△z+△p/ρg+f(Q)流量调节措施之一：阀门调节流量调节措施之二：改变转速离心泵的安装高度汽蚀汽蚀余量允许吸上真空度允许安装高度离心泵的选用、安装与操作气体输送与压缩机械主要作用：<1>气体输送—通风机、鼓风机<2>产生高压气体—压缩机<3>产生真空—真空泵要求简单了解各种气体输送与压缩机械的工作原理、基本结构及特点

《化妆品术语》起草情况汇报中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所一、标准的立项和下达时间2006年卫生部政法司要求各标委会都要建立自己的术语标准。1ONE二、标准经费标准研制经费：3.8万三、标准的立项意义术语标准有利于行业间技术交流、提高标准一致性、消除贸易误差，作为标准体系中的基础标准，术语标准在各个领域的标准体系中均起着重要的作用。随着我国化妆品卫生标准体系建设逐步加快，所涉及的术语和定义的数量也在迅速增长，在此情形下，化妆品术语标准的制定就显得尤为重要。四、标准的制订原则1.合法性遵守《化妆品卫生监督条例》、《化妆品卫生监督条例实施细则》中关于化妆品的定义。2.协调性直接引用或修改采用的方式，与相关标准中的术语和定义相协调。3.科学性对于没有国标或定义不统一的术语，在定义时体现科学性的原则。4.实用性在标准体系中出现频率较高，与行业联系较紧密的术语优先选用。五、标准的起草经过

第一阶段：资料搜集

搜集国内外相关法规、标准、文献并对国外文献如美国21CFR进行翻译。第二阶段：2007年末形成初稿

初稿内容包括一般术语、卫生化学术语、毒理学术语、微生物术语、产品术语、人体安全和功效评价术语，常用英文成份术语等７部分。第三阶段：专家统稿1.2007年12月第一次专家统稿会（修订情况：1.在结构上增加原料功能术语、相关国际组织和科研机构等内容；2.在内容上增加一般术语、产品术语的种类，将化妆品行业的新产品类别纳入本标准；3.对于毒理学、卫生化学、微生物学术语进行修改；4.删除与化妆品联系不紧密、无存在必要的常用英文成分术语。2.2009年1月第二次专家统稿会会议意见：1.修改能引用国家标准的尽量引用国家标准；对存在歧义的个别用词进行修改。2.删除由于本标准中的“产品术语”一章和香化协会所制定的某个标准存在重复，因此删除“产品术语”一章的内容；对“原料功能术语”的内容进行梳理，删除了20余条内容。3.增加专家建议增加“化妆品限用物质”等若干项术语。第四阶段：征求意见2009年2月面向全国公开征求意见。第五阶段：征求意见的处理与形成送审稿。在征求意见的处理阶段再次征求了相关专家的意见。六、标准的内容依据1.《化妆品卫生监督条例》、《化妆品卫生监督条例实施细则》;2.《化妆品卫生规范》;3.美国21CFR；4.相关领域国家标准如：GB5296.3-2008消费品使用说明化妆品通用标签，GB/T14666-2003分析化学术语等；5.国内外化妆品的相关文献，如《化妆品监督管理及安全性评价》等。七、标准的结构和主要内容（一）结构：1.范围2.一般术语3.毒理学试验方法术语4.卫生化