化工原理绪论

化工原理（1）学时：48教材：《化工原理》上册天津大学出版社参考书:《化工原理》上册化学工业出版社《食品工程原理》中国轻工业出版社绪论1.概述--化工生产过程与单元操作

化学工业:对原料进行化学加工以获得产品。化工生产过程:用化工手段将原料加工成产品的生产过程。该生产过程的核心是化学反应过程，为使化学反应经济有效的进行，反应前物料要达到一定纯度,即需要进行前处理;反应器内必须保持最佳反应条件（压强、温度）;反应后还要进行后处理，使产物与反应物分开、产物精制。前、后处理中，绝大多数过程是纯物理过程。绪论化工生产过程：是由若干化学反应和物理操作串联的生产过程。例：用乙炔和氯化氢生产聚氯乙烯塑料乙炔提纯单体合成单体精制聚合脱水干燥氯化氢提纯

（反应热）（反应热）（压缩，冷凝）在各种化工生产过程中，除化学反应外的其余物理操作称为单元操作(UnitOperation)：流体的流动与输送，沉降，过滤，搅拌，压缩，传热，蒸发，结晶，干燥，精馏，吸收，萃取，冷冻等。化工原理：是研究这些单元操作的基础学科，是各个单元操作的综合和集成。化工原理←→食品工程原理奶粉生产工艺：各个单元操作串联操作的生产过程牛奶预热杀菌真空浓缩过滤喷雾干燥生物化工原料的某些成分如蛋白质、酶之类都是生物活性物质，在加工过程中会引起变性、钝化或破坏。热敏性和氧化变质及易腐性是动、植物原料的共有特点。食品加工的科学化和工程化的标志---单元操作的引入和应用。食品工程是在化学工程基础上发展起来的一个新领域---相同的理论基础和单元操作。2.本课程的性质与任务

本课程是在高等数学、物理学及物理化学、化学等课程的基础上开设的一门专业基础课程，其主要任务是研究化工单元操作的基本原理，典型设备的构造及工艺尺寸的计算或设备选型。本课程作为化学工程学的一个基础组成部分，是化工、生物、制药、食品等专业的主干课程之一（学科基础课），其在基础课和专业课之间，起着承上启下，由“理”过渡到“工”的桥梁作用。3.本课程的内容，特点及学习方法内容：以“三传”--流体流动过程（动量传递）；传热过程（热量传递）；传质过程（质量传递）为核心和主线，讲述单元操作的基本原理，典型设备的结构原理，操作性能和设计计算。教学环节：理论课教学，实验，课程设计特点：内容多，范围广，难度大。学习方法：重点掌握基本概念，基本原理和基本计算。1）基本量，导出量（物理量）任何物理量均可由几个彼此独立的基本量表示其性质和特征。基本量：长度[L]m；质量[m]kg；时间[t]s；温度[T]K导出量：如速度u=L/tm/s。2）单位制（基本单位与导出单位的总和）（1）绝对单位制（cgs制）：力，达因，dyn（2）工程单位制：力，公斤（力）,kg(f)（3）国际单位制（SI）：力，牛顿，N1N=1[kg·m/s2]=1/9.81[kgf]=105[dyn]4.单位制与单位换算SI基本单位量的名称 量的符号 单位名称 单位符号

长度l(L)米m质量m千克kg时间t秒s电流I安（培）A热力学温度T开（尔文）K发光强度I(IV)坎（德拉）cd物质的量n摩尔 mol 导出单位：力（N）；压强Pa（N/m2）；功，能，热（J）；功率（W）1)流体流动过程（动量传递）研究流体流动及流体和与之接触的固体间发生相对运动时的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如流体的输送、沉降、过滤、搅拌及固体的流态化等。2)传热过程（热量传递）研究传热的基本规律以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如热交换、蒸发等。5.传递过程

3)传质过程（质量传递）研究物质通过相界面迁移过程的基本规律，以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作，如液体的蒸馏、气体的吸收、固体的干燥及结晶等。6.物料衡算与能量衡算

1)物料衡算根据质量守恒定律而进行的质量平衡计算。向设备输入的物料质量减去从设备输出的物料质量，必等于积累在设备里的物料质量，即：

输入物料的总和输出物料的总和积累物料量

2)能量衡算根据能量守恒定律而进行的能量平衡的计算。在生产中能量可能是热能、电能、机械能或其它能。如果是热能，则称为热量衡算。随物料进入系统的总热量，kJ或kW

随物料离开系统的总热量，kJ或kW

向系统周围散失的热量，kJ或kW

7.平衡关系与过程速率

1)平衡关系平衡关系予告过程或反应能够达到的极限。如连通器液面最终达到同一水平面，传热的极限是冷热流体温度相同，气体吸收的极限是当时条件下的饱和溶解度，反应的极限是当时条件下的平衡转化率。2)过程速率

第1章流体流动概述液体和气体都具有流动性，通常总称为流体。在化工和食品生产过程中，所处理的原料、半成品、产品以及辅助材料大多数以流体的状态存在。流体的流动和输送既是一个单元操作，又与其他各种单元操作密切相关。水、空气、水蒸气典型流体牛顿流体（流体力学规律）牛奶、果汁、盐水稀薄流体蜂蜜、脂肪、果酱稠厚流体非牛顿流体（流变学规律）应用流体流动的基本原理和规律可以解决如下工程问题：(1)流体输送：流体流速u，管道直径d，输送设备选择、操作及其功率计算(2)流体压强，流量和流速的测量(3)强化设备：为强化其他单元操作（设备）提供适宜条件1.1流体的物理性质1.1.1流体的物理性质与作用力1)流体特征：易流动，无固定形状

气体：气体分子间距大，相互作用力小，无一定自由表面和体积，充满整个容器。在外力作用或温度变化时，体积改变较大，一般不能忽略（可压缩和膨胀性），称之为可压缩流体。

液体：不可压缩流体。2)连续介质模型（1753年，欧拉）

不考虑流体的微观分子运动，把流体看作由无穷多个流体质点稠密无间隙所组成的连续介质，以研究流体的宏观运动规律。3)流体的密度和比容单位体积流体所具有的质量称为密度ρ（kg／m3）

ρ=m/V

式中m—流体的质量，kg；V—流体的体积，m3

单位质量流体所具有的体积称为比容υ（m3／kg）

υ=V/m

气体密度随温度，压力的改变有较大变化，通常在温度不太低，压力不太高的情况下，可用理想气体方程式计算：式中：p——气体的绝对压强，PaM——气体的摩尔质量，kg／molR——通用气体常数，8.315J／(mol·K)T——气体的热力学温度，K1.1.2流体的粘度1.牛顿粘性定律流体流动时存在内摩擦力，流体流动时必须克服内摩擦力作功。这种内摩擦力就是一种平行于流体微元表面的表面力，通常又称作剪切力。当各流体层速度不同时，层与层之间会发生相对运动和相互作用力。流体的这种内部相邻层间相互作用力就是流体内部的内摩擦力或粘滞力。单位面积上的内摩擦力就是剪应力。τ—剪应力，N／m2F—剪力，NS—流体层间的接触面积，m2du/dy—法向速度梯度，1／sμ—比例系数，称为粘性系数或动力粘度，简称粘度牛顿粘性定律：粘度单位:SI:μ=τ/(du/dy)=N·s/m2=Pa·scgs:μ=dyn·s/cm2=P（泊）1泊=100cP（厘泊）Pa·s=10P=1000cP2.流体的粘度粘度的物理意义:促使流体产生单位速度梯度的剪应力粘性：确定流体流动时内摩擦力大小的物理性质。粘度：衡量流体粘性大小的物理量称动力粘度，简称粘度。温度对粘度的影响：液体：温度上升，则粘度减小。气体：温度上升，则粘度增大。理想流体:粘度为零的流体牛顿流体：服从牛顿粘性定律的流体非牛顿流体：不服从牛顿粘性定律的流体3.理想流体4.非牛顿流体简介非牛顿流体粘性流体粘弹性流体与时间无关与时间有关无屈服应力有屈服应力触变性流体流凝性流体塑性流体（污水泥浆，巧克力浆）

τ=τy+μdu/dy假(涨)塑性流体（高分子溶液，涂料，蜂密，果浆，淀粉溶液）

τ=k(du/dy)n牛顿流体（所有气体，大多数液体）

τ=μdu/dydu/dy无屈服应力：假塑性流体，涨塑性流体有屈服应力：宾汉塑性流体1.2流体静力学基本方程式1.2.1静止流体的压力1)压力与静压强

垂直作用于任意流体微元表面的力称作压力。把流体单位面积上所受的压力称为流体的静压强，简称压强，用p表示，即：p=P/A式中p——静压强，N／m2或Pa（帕）P——垂直作用于流体表面的压力，NA——作用面的表面积，m2习惯上还采用一些其他单位，如atm(标准大气压)、某液柱高度、bar(巴)或kgf／cm2、工程大气压(at)等。它们之间的换算关系为：latm=1.033kgf／cm2＝760mmHg=10.33mH2O＝1.0133bar＝1.0133×105Palat＝lkgf／cm2＝735.6mmHg＝10mH2O＝0.981bar＝9.81×104Pa2)压强表示:按度量压强的基准（零点）AB绝对压强：以绝对零压（真空）为基准（真实压强）表压强和真空度：以大气压为基准

当被测流体的绝对压强大于外界大气压强时，所用的测压仪表称为压强表。压强表上的读数表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，即：表压强=绝对压强－大气压强

当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时，用真空表进行测量。真空表的读数表示被测流体的绝对压强低于当地大气压强的数值，称为真空度，即：真空度＝大气压强－绝对压强=－表压强1.2.2流体静力学基本方程

流体静力学方程研究处于相对静止的流体在重力和压力作用下，处于平衡状态的规律。①作用于薄层下底的总压力pA；②作用于薄层上底的总压力(p+dp)A；③向下作用的重力ρgAdz。

当流体处于静止状态时：pA－(p+dp)A－ρgAdz=0

dp+ρgdz＝0dp+ρgdz＝0若密度ρ为常数，则上式积分得：p/ρ+gz=常数若积分的上、下限取高度为z1和z2的二个平面，而作用于这二个平面的压强分别为p1和p2，则得：

(p2－p1)/ρg=z1－z2或p2＝p1+ρg(z1－z2)

流体静力学基本方程讨论

p＝p0+ρgh①当容器内液面上方的压强p0一定时，静止液体内部任一点压强p的大小与液体本身的密度ρ和该点距液面的深度h有关。②在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上的各点压强都相等。③当液面上方的压强p0改变时，液体内部各点的压强p也发生同样大小的变化。④压强或压强差可以用一定高度的流体柱h表示，即：(p2－p1)/ρg=z1－z2=hp2＝p1+ρg(z1－z2)1。p02。hpp1p2点1处于容器的液面上，设液面上方的压强为p0，距液面h处的点2压强为p。1.2.3流体静力学方程的应用1）U形管压差计

（不互溶指示液，ρ指>ρ）

pa=pbpa=p1+hρg+Rρgpb=p2+hρg+Rρ0g

p1-p2=gR(ρ0-ρ)当ρ0>>ρ（被测流体为气体时）

p1-p2=gRρ01.压强与压强差的测量[例]水平导管上的两点间接一盛有四氯化碳的U型管压差计，压差计读数R为35cm。若导管内流经的是(1)水，(2)密度为2.5kg/m3气体时，试分别计算两点间压强差。[解]指示液：ρ0=1630kg/m3(1)管内流经水时：ρ=1000kg/m3⊿p=p1－p2=(ρ0-ρ)gR=(1630–1000)×9.81×0.35=2163(N/m2)(2)管内流经气体时：ρ=2.5kg/m3⊿p=p1－p2=(ρ0-ρ)gR=(1630–2.5)×9.81×0.35=5588(N/m2)2）微差压差计微差压差计亦称双液体U形管压差计。它在U形管的两股上增设两个扩大室，扩大室内径与U形管内径之比一般应大于10。压差计内装有A、C两种密度稍有差异的指示液。由于扩大室的截面远大于U形管截面，所以即使U形管内指示液A的液面差R很大，两个扩大室内指示液C的液面变化也甚小，可视为等高。根据静力学基本方程，压强差可用下式表示：

p1－p2＝gR(ρA－ρc)[例]如本题附图所示，为了控制乙炔发生炉a内的压强不超过10.7×103Pa(表压)，需在炉外装有安全液封(又称水封)装置，其作用是当炉内压强超过规定值时，气体就从液封管b中排出。试求此炉的安全液封管应插入槽内水面下的深度h。解：按炉内允许的最高压强计算液封管插入槽内水面下的深度h。过液封管口作等压面O-O’,并取1，2两点。3）液封高度计算故pa+10.7×103=pa+1000×9.81×h

解得：h=1.09(m)p1=炉内压强=pa+10.7×103p2=pa+ρgh=pa+1000×9.81×h

因p1=p2

例1-9为了维持真空蒸发操作的真空度，需在其后的冷凝器上方抽真空。同时为了防止外界空气从气压管漏入，致使设备内真空度降低，气压管必须插入液封槽中，水即在管内上升一定高度h(液封)。若真空表的读数为80×103Pa，试求气压管中水上升的高度h。解：设气压管内水面上方的绝对压强为P,液封槽液面作用大气压强Pa。根据流体静力学基本方程，在液封槽液面等压面上有:pa＝p+ρghpa＝p+ρghpa－p=真空度=80×103Pa1.3

流体流动的基本方程1.3.1流量与流速1)体积流量：单位时间内通过流道横截面的流体体积。Vs＝V/t(m3/s)2)质量流量：单位时间内流过流道横截面的流体质量。ws＝ρVs(kg/s)3)平均流速：体积流量与流道横截面积之比。

u=Vs/A(m/s)常用流速范围P26

1.3.2稳态流动与非稳态流动稳态流动：流体在管道中流动时，任一截面处的流速、流量和压强等有关物理参数都不随时间而变化。非稳态流动：流动时，任一截面处的有关各物理参数中只要有一项是随时间变化的，则属于不稳定流动。1.3.3连续性方程式1)物料衡算的一般方法物料衡算的依据是质量守恒定律。在工业上常用的计算基准有三：①以加入设备的一批物料为基准，这种基准用于间歇过程；②以单位时间的物料量为基准，常用于连续过程；③以单位质量原料或产品为基准。设：∑ws1为输入物料量的总和；

∑ws2为输出物料量的总和。在无物料损失的情况下，根据质量守恒定律应有：

总进料量＝总出料量

∑ws1=∑ws2(kg)or(kg/s)2)管内稳定流动连续性方程不可压缩流体在园管中作稳定流动时，其流速与截面积成反比，与园管的直径平方成反比。

ws＝u1ρ1A1＝u2ρ2A2＝常数不可压缩流体：ρ1＝ρ2＝ρ

u1A1＝u2A2＝常数流体在圆管内流动时：

u2/u1=(d1/d2)2

流体在管道内作稳定流动时，不论其间的流动截面和流动形态如何变化，都服从质量守恒定律。由物料衡算可得管内稳定流动的连续性方程式：1．流动系统的总能量衡算对于稳定流动系统，设在一定时间内进出系统的流体质量为m(kg)，若忽略电能和化学能等不计，则输入和输出系统的能量有：(1)内能：流体（分子）内部能量的总和，E＝mU(J)。(2)位能：是流体受重力作用，在不同高度具有不同的位能。质量为m流体由基准水平面升举到高度z所作的功，mgz(J)。(3)动能：是流体由于运动而产生的能量。将质量为m流体加速至u所作的功，mu2/2(J)。1.3.4柏努利(Bernoulli)方程式(4)静压能（压力能）：流体经控制面进入或流出系统时，必须克服静压强作功：F×L＝（pA)×V/A=pV=mpυ，流体带有与此相当的能量，mpυ或mp/ρ(J)。(5)外功：外界通过设备对系统作的功，是功的输入（正）。相反，为功的输出（负），W＝mWe(J)。(6)热量：系统通过换热器对外界进行的热交换。对系统加热为正，系统对外界加热为负，Q＝mQe(J)。根据能量守恒定律，系统输入总能量等于输出总能量，得：稳定流动总能量衡算式内能

静压能

位能

动能

热量

外功mU1+mp1υ1+mgz1+mu12/2+Q+W=mU2+mp2υ2+mgz2+mu22/2(J)U1+p1υ1+gz1+u12/2+Qe+We=

U2+p2υ2+gz2+u22/2(J/kg)h1+gz1+u12/2+Qe+We=h2+gz2+u22/2(J/kg)↑单位质量流体的焓（复合状态参数，在定压过程中焓的增加值等于所吸收的热量）Qe+We=⊿h+g⊿z+⊿u2/2(J/kg)上式说明：外界加给系统的热量和功量，全部用于增加流体的焓、位能和动能。h1+gz1+u12/2+Qe+We=h2+gz2+u22/2(J/kg)稳定流动总能量方程式应用Qe+We=⊿h+g⊿z+⊿u2/2(1)通过换热器的流动：外界对体系的机械功We=0，流体从进口至出口的位能和动能的变化可以忽略，Qe=⊿h

表示此时加热量等于流体焓值增加（冷却放热量为—）(2)通过喷嘴的流动：无热功交换Qe=0，We=0；无位能变化，⊿h+⊿u2/2=0表明流体流过收缩喷嘴后获得的动能等于流体焓值的减少。(3)通过节流阀的流动：无热功交换Qe=0，We=0；无位能和动能的变化，⊿h=0

可见通过节流前后，流体焓值没有变化。

(4)流过压缩机：设此时对外无热交换，Qe=0，且位能和动能的变化可以忽略，则方程式简化为：We=⊿hQe+We=⊿h+g⊿z+⊿u2/2说明压缩机所耗的功，等于压缩前后气体焓值的增量2.柏努利(Bernoulli)方程式1)理想流体柏努利方程式稳定流动总能量方程式是解决工程问题的基础，可以解决广泛的工程问题。为使解决问题简化：①将气体视为不可压缩流体（压强变化范围不大）；②设想流体为无粘性，无摩擦损失的理想流体

实际流体抽象和假设不可压缩理想流体（υ

1=υ2=υ；ρ1=ρ2=ρ；U1=U2）(J/kg)不可压缩理想流体

（υ

1=υ2=υ；ρ1=ρ2=ρ；U1=U2）若是单纯的流动问题，无热功交换:We=0；Qe=0U1+p1υ1+gz1+u12/2+Qe+We=U2+p2υ2+gz2+u22/2

(J/kg)不可压缩理想流体稳定流动总能量方程式：柏努利方程式---流体机械能（位能，压力能，动能）衡算式机械能转换与总机械能保持不变(J/kg)(J/kg)每1kg质量流体能量(m)每1kg.m/s2重量流体能量(N/m2)每1m3体积流体的能量2)实际流体柏努利方程式实际流体：有粘性，流体流动过程发生摩擦，消耗机械能。减少的机械能转化为热力学能，总能量守恒。通常把方程式中的(U2－U1)称为机械能损失或摩擦损失（∑hf），并将方程式写成：稳定流动总能量方程式不可压缩实际流体稳定流动的能量衡算：输送系统有泵对外无热交换(Qe＝0)(J/kg)(J/kg)不可压缩实际流体柏努利方程式有效功率(Ne)：单位时间内输送设备所作的有效功(J/kg)(N/m2)3.柏努利方程式的讨论1）不可压缩理想流体稳定流动的不同形式机械能互相转化和总机械能守恒。2）不稳定流动系统的任一瞬间，柏努利方程式成立。3）可压缩流体：若两截面间的压强变化小于原来的20%[(p1－

p2)/p1＜20%]，可用柏努利方程式。ρm=(ρ1+ρ2)/24）当流体静止时：u=0，流体静力学基本方程：=常数(J/kg)[例1-6]如附图所示的开口水箱，其下部一方装有泄水龙头，设水箱上方有维持水位恒定的装置，液面与泄水出口的高差⊿z＝10m。试求龙头开启后，水流达稳定时水的流量。已知管内径为12mm。（不计流动阻力）[解]取水箱底面为基准面，液面为1-1截面，龙头出口为2-2截面，1-1截面（大截面)面积远大于2-2截面，其速度相对甚小可以忽略不计，即：u1<<u2，u12/2≈0；p1=p2=pa；在1-1和2-2截面间列柏努利方程式1.3.5柏努利方程式的应用

1.应用柏努利方程式解题步骤及要点1）作图：根据题意画出流动系统示意图。2）基准面选取：一般取最低面，与地面平行。3）截面选取：垂直于流动方向；截面间流体连续；未知量最少；“大截面”容器和小管子。4）在两截面间列柏努利方程式。5）方程式中各物理量的单位须一致，压强的表示方法一致。[例]水从高位槽通过虹吸管流出，其中：h=8m，H=6m，设槽中水面保持不变，不计流动阻力损失，试求管出口处水的流速及虹吸管最高处的压强。[解]取管口为基准面，水面为1-1截面（大截面），管口为2-2截面，管最高处为3-3截面，即有：u1<<u2，u12/2≈0；p1=p2=pa；z1=H=6m,z2=0,z3=h=8m1）在1-1和2-2截面间列柏努利方程式：2）在2-2和3-3截面间列柏努利方程式（u2=u3）：[例1-7]牛奶用泵由真空锅被抽送，经冷却器至位于9m高度的牛奶贮罐中。各段输送管路的长度如图。真空锅内的真空度87800Pa(660mmHg)，贮罐开口通大气。牛奶输送量为4.35t/h。整个管路包括冷却器在内的摩擦损失为50J/kg。试近似估计所需泵的能量。估算时将牛奶相对密度视为1。[解]作图，取泵中心为基准面，锅内液面为1-1截面（大截面)，管出口为2-2截面：u1<<u2，u12/2≈0；p2=paz1=1.5m，z2=9m，∑hf=50J/kgd2=32－2×2=28mm在1-1和2-2截面间列柏努利方程式：真空度＝－表压强，p1=－87800Pa（表压强）；p2=0（表压强）[例]用泵将贮液池中常温下的水送至吸收塔顶部，贮液池水面维持恒定，各部分的相对位置如图所示。输水管的直径为76×3mm，排水管出口喷头连接处的压强6.15×104Pa(表压)，送水量为34.5m3/h，水流经全部管道的能量损失为160J/kg，试求泵的有效功率。

[解]作图，取贮液池水面为为基准面，同为1-1截面（大截面)，管出口为2-2截面：u1<<u2，u12/2≈0；z1=0，z2=2+24=26m，∑hf=160J/kg，ρ=1000kg/m3

p1=pa=0（表压强）；p2=6.15×104Pa（表压强）d2=76－2×3=70mm在1-1和2-2截面间列柏努利方程式：1.4流体流动现象

1.4.1流动类型与雷诺数1)稍打开阀门，水流速度很小时，水流中心的有色液体是一条平稳流过的直线，与水完全不相混杂，表明管内水的质点基本成平行的直线运动。2)当继续提高水流速度到一定时，有色液细线开始出现波纹形。3)随着速度再提高，细线完全消失，有色液散开使水均匀染色，表明水流不再是平行的直线流，而是在向出口流动的总方向之下，同时有各个方向的不规则运动，彼此碰撞并互相混杂。1.雷诺实验与雷诺数1883年，英国学者雷诺(Reynolds)用实验证明，流体运动存在着两种根本不同的形态，即：层流和湍流，其摩擦损失存在着很大区别。2.层流和湍流雷诺实验揭示了流体流动形态与流动速度的关系，发现流体流动形态与以下四个因素有关：流体动力粘度μ、流体密度ρ、导管直径d和平均流速u。用量纲分析法将这四个因素归纳为一个量纲为一的无因次准数：雷诺数Re，用以判别流体流动的形态。临界雷诺数：流动状态发生变化时的雷诺数下临界雷诺数：湍流变为层流时的雷诺数Re=2000上临界雷诺数：层流变为湍流时的雷诺数Re=4000两临界雷诺数之间：可能是层流，也可能是湍流（过渡流）。Re＜2000层流2000＜Re＜4000过渡流Re＞4000湍流壁湍流：发生在流体与固体壁面的接触流动时，如流体流经密闭管道、明渠或浸没物体等。自由湍流：由不同速度运动的两液层之间的接触而产生，如将流体喷射到大量静止流体中等。湍流流动：流体质点作不规则运动，相互碰撞和混杂，并产生大量旋涡。由质点碰撞产生的附加阻力比由流体粘性产生的摩擦阻力大得多。时间脉动速度1.4.2流体在圆管内流动时的速度分布

1.层流时的速度分布

园形直管内层流流动时，流体质点沿着与管轴平行方向作直线流动，管轴中心处流速最大，管壁处最小。Rr抛物面2.湍流时的速度分布湍流流动时，由于流体质点间的剧烈碰撞和混合，管中心流速分布较平坦，不呈抛物面：Re=4×103n=6Re=1.1×105n=7Re=2.0×106n=101.4.3边界层的概念1.边界层的形成

流体边界层：受壁面影响而存在速度梯度的流体层速度为us的均匀流平行流经固体壁面时，与壁面接触的流体，因分子附着力而静止不动，壁面附近的流体层，由于流体粘性而减速，此减速效应将沿垂直于壁面的流体内部方向逐渐减弱。在离壁面一定距离δ处，流速已接近于均匀流的速度us，在此层内存在速度梯度，该薄层称为流体边界层。2.边界层的发展边界层厚度δ，是离板前缘距离x的函数，厚度增加。边界层外：主流区，du/dy≈0，近似无粘性阻力，与理想流体等效。边界层内：流动可能是层流，也可能是湍流，取决于雷诺数，τ=μdu/dy。边界层前段：边界层较薄，为层流边界层。湍流边界层内：湍流主体缓冲层：非层流又非完全湍流层流内层过度区边界层后段：在离板前缘距离xc处，由层流转为湍流（过度区），后成湍流边界层。3.边界层的分离边界层分离：当流体沿曲面流动或流动中遇障碍物时，不论是层流或湍流，会发生边界层脱离壁面的现象。A-B:流通截面减小，加速减压B-C：减速加压C-D：分离面

C点：分离点B点:流速最大,压力最小边界层分离后出现流体空白区，回流形成涡流。在涡流区，由于流体质点的碰撞和混合而消耗大量能量。

由物体表面形状造成边界层分离而引起的流动阻力和能量损耗，称为形体阻力。凡是流道发生突然改变时，都会发生边界层分离引起机械能损失，需要避免或减少。1.5流体在管内的流动阻力

流动阻力产生的原因与影响因素：流体具有粘性，流动时存在着内摩擦，是流动阻力产生的根源；固定的管壁或其它形状固体壁面，促使流动的流体内部发生相对运动，为流动阻力的产生提供了条件。流动阻力的大小与流体的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。流体在管路中流动时的阻力：直管阻力：是流体流经一定管径的直管时，由于流体内摩擦而产生的阻力，这种阻力的大小与路程长度成正比，或称为沿程阻力。

hf局部阻力：主要是由于流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部地方所引起的阻力。hf’

∑hf=hf+hf’1.5.1流体在直管中的流动阻力(沿程阻力)1.计算圆形直管阻力的通式τ=μdu/dy(计算困难)Z1=Z2，u1=u2=uF=τS=τπdL范宁公式---圆形直管阻力公式λ：无因次摩擦系数，是流体物性和流动状况（雷诺数Re和管壁粗糙度ε）的函数。沿程阻力与Re、ε、L、d、u等因素有关。(J/kg)2.管壁粗糙度对摩擦系数的影响光滑管、粗糙管与管壁粗糙度光滑管：玻璃管、黄铜管、塑料管粗糙管：钢管、铸铁管绝对粗糙度ε:壁面凸出部分的平均高度（表1-2，p49)相对粗糙度:ε/d3.层流时的摩擦系数园形直管层流流动时的摩擦系数:哈根－泊谡叶方程：层流时的压强降（摩擦损失）与u的一次方成正比4.湍流时的摩擦系数1）对于光滑管，有布拉修斯(Blasius)公式湍流流动的摩擦系数除与Re有关外，还受管壁粗糙度ε的影响，比层流复杂得多，难以从理论上推导得出摩擦系数λ的计算式，根据实验得到了一些经验公式。2）对于粗糙管，有柯尔布鲁克(Colebrook)公式摩擦系数图（以ε/d为参数，标绘λ与Re的关系图）双对数坐标③湍流区：Re>4000，在虚线以下，λ与Re和ε/d都有关。λ随ε/d增加而增加，随Re增大而逐渐缓和下降。Re较小，ε/d影响较小，Re较大，ε/d影响较大。④完全湍流区：在虚线以上，λ与Re无关，hf与u2成正比（阻力平方区）。①层流区：Re≤2000，λ=64/Re，与管壁粗糙度无关。②过渡区：Re=2000～4000

不稳定，可按层流或湍流，工程按湍流延伸查取。[例1-8]相对密度1.03，粘度150mPa.s的番茄汁流过长10m的钢管（￠76mm×3.5mm)，流速为1.5m/s，计算沿程损失。[解]d=76－2×3.5=69mm=0.069mu=1.5m/sρ=1030kg/m3μ=150×10-3=0.15Pa.s流动为层流，由摩擦系数图或计算得：λ=0.09，计算沿程损失：[例1-8-1]已知：Re=7000，ε/d=0.003，求摩擦系数。λ=0.0385.非圆形管内的流体阻力在工程实际上有许多非圆形管道或设备，虽然流道截面形状对流速分布及流动阻力都有影响，但实验证明：在湍流情况下，非圆管用当量直径de代替直径d应用圆管阻力公式的误差不大。1.5.2管路上的局部阻力流体流过管路的入口、出口、弯头、阀门、突扩、突缩等局部位置时，其流速和流向发生变化，涡流现象加剧，消耗大量能量。由于流体流过这些局部多数是湍流，所以主要讨论湍流流动时的局部阻力，其计算方法有：当量长度法和阻力系数法。1.当量长度法将流体流过局部位置所产生的局部阻力折合成相当于某个长度（当量长度Le）上的圆直管的阻力。局部阻力：Le：从手册查取(J/kg)2.阻力系数法将流体流过局部位置所产生的局部阻力表示为流体动能u2/2的某个倍数ζ（局部阻力系数）。ζ值由实验测定，可从手册中查得。(J/kg)[例1-9]将5℃的鲜牛奶以5000kg/h的流量从贮奶罐输送至杀菌器进行杀菌。这条管路系统所用的管子外径为38mm、内径35mm的无缝钢管，管子长度12m，中间有一只摇板式单向阀，3只90°弯头，试计算管路进口至出口的摩擦阻力。已知鲜奶5℃时的粘度为3mPa·s，密度为1040kg/m3。[解](1)算流速：(2)算Re：(5)求摩擦损失：(4)局部阻力系数ζ：1只摇板式单向阀2.03只90°弯头3×1.1管子入口0.5管子出口1.0

∑ζ=6.8(3)查摩擦系数λ：由表1-2查得管子ε＝0.25；ε/d=0.00025/0.035=0.00715；λ=0.0381.6管路计算(1)管路计算的基本方法综合应用连续性方程，柏努利方程式和阻力损失计算式。(2)管路的情况1.简单管路hf总＝∑hf,iws,1=ws,2=ws,3

当ρ＝const则Vs,1=Vs,2=Vs,32.复杂管路1)并联管路Σhf,1=Σhf,2=Σhf,3

ws,总＝Σws,i

当ρ＝const

则Vs,总＝ΣVs,i

各支管的流量:CAB2)分支管路EA+Σhf,A=EB+Σhf,BVs＝VsA+VsB(3)管路计算的类型1)已知流量Vs、管道尺寸L、d,管件，计算管路系统的能量损失，以及所需输送设备的功率等；(直接计算）2)给定流量、管长、所需管件和允许的能量损失，计算管路直径；(用试差法计算）3)已知管道尺寸、管件和允许的能量损失，求管道中流体的流速和流量。(用试差法计算）(4)管径的选择食品工业和化工生产经常需要安装许多管路，其费用占整个设备费和生产费的很大比例，如何选用管子是一个重要的问题。选择管子，除按工艺要求并从经济角度来考虑管路布置和管子的材质以外，主要是如何选用合适的管径，后者仍然是经济衡算问题。生产费用主要是每年消耗在克服管路阻力的能量费用。在一定流量下，不同管径必然得出不同的流速，不同的雷诺数，从而得出不同的能量损失∑hf。用实践经验和综合经济效果及其他因素得到的管内流动的常用流速范围作为选用管径的根据，可以使问题简化。[例1-10]15℃、20％砂糖液用泵将其长距离输送至位于高5m的某处，估计管路长度为150m，要求输送量为60t/h，试求所需泵的能量。[解]考虑到管路甚长，动能及局部损失可忽略不计；又因常压下输送；p1＝p2，故计算式可简化为：上式中已知L＝150m，而d、u、λ待定，且互相依赖。故问题归结为选择管径和管子。由表1-1查得：15℃、20%砂糖液的密度为l080kg/m3，由图l-2查得其粘度为2.2mPa·s，与水相仿。查阅常用流速范围表，在工业供水1.5～3.5m/s的流速范围内取u＝2m/s。按所给的流量计算管径：从管子规格表选无缝钢管Φ108mm×4mm，再计算：计算Re：查摩擦系数λ：由表1-2查得管子ε＝0.25mm；ε/d=0.00025/0.1=0.0025；λ=0.026

计算需要泵提供的能量：泵的有效功率为：例题（试差法）[例]从水塔引水至车间，管路为Φ114×4mm的无缝钢管，管路的计算长度150m(包括直管长度及局部阻力的当量长度)。水塔内液面维持恒定，并高于排水管口12m，水塔液面及管子出口均通大气。试求水温为20℃时此管路的输水量。解：取水塔液面为1-1截面（大截面)，排水管出口为2-2截面：u1<<u2，u12/2≈0；以水管出口中心平面为基准面。已知：zl＝12m，z2＝0，p1＝p2＝0(表压)，u2＝u，L+∑Le=150m，d=114－2×4=0.106m，∑hf=λ(L+∑Le)u2/2d在两截面间列出柏努利方程：(两个未知数)应用试差法先求u：(湍流时，一般λ=0.02～0.03)试设：λ=0.02计算Re：20℃水ρ=998kg/m3，μ=1.005×10-3Pa.s查λ：查得管子ε＝0.20mm；ε/d=0.2/106=0.0019

λ=0.0235，与试设值不相符合；重设：λ=0.0235，代入前式再计算：u=2.62m/s；Re=2.76×105按u=2.62m/s，计算输水量：再查表得：λ=0.0236，与重设值很接近，可不再重算；3%1.7

流量测量

流量是流体流动和输送的重要参数，无论是工业生产中，为了检查生产操作条件，调节、控制生产过程，还是科学实验都需要对流量的精确测量。流量一般可以采用流量计直接测量，也可以采用流速计测量流速再乘以流动截面积而得。1.测速管(毕托管)由两根弯成直角同心套管构成，其内管和外管分别与U形管压差计的两个管口相连。毕托管管口B平面与流动方向平行，测得流体的静压能：p/ρ。管口A平面与流动方向垂直，随着流体向管口流动，其动能逐渐转化为静压能，速度渐减，到达管口时为零。因此，管口A处的压力能为原有的静压能和转化的动能之和，称为冲压能。即：p/ρ+u2/2设：流体密度ρ，压差计指示液密度ρ0压差计读数R，则：被测流体为气体时：ρ0>>ρU形管压差计反映的是测量点（A点和B点）的冲压能与静压能之差，即：流体动能的大小。

毕托管只能测出管道截面上某一点流体的速度。为了求取管内平均流速，可将毕托管放在管截面中心，测得中心最大流速umax；

计算:Remax=dumaxρ/μ；然后按图求出u/umax；最后算得平均流速u。2.孔板流量计在管道安装孔板，由于流动截面积减小，流速增大，动能变大，静压能减小，就使部分静压能转变为动能。缩脉：孔板后流动截面最小处截面减小→流速增大→静压能（静压强）减小→产生压强差；流量越大，压强差越大，可用测量压强差的变化来度量流体的流量1-1截面：孔板前流动截面未收缩处0-0截面：孔板处2-2截面：孔板后缩脉处1)忽略摩擦损失2)以0-0截面参数代替2-2截面3)测压孔位置偏差用校正系数C消除以下因素的影响：C0：流量系数（与Re，孔管面积比A0/A1有关)(m3/s)(m/s)孔板流量计：结构简单，摩擦损失较大。喷嘴和文丘里管的原理及流量公式与孔板流量计相同。3.转子流量计转子流量计由截面自下而上逐渐扩大的玻璃管制成，管内有一金属或其他材料制的浮子，浮子顶部边缘刻有斜槽。流体自下而上流过时，浮子将浮起并随着旋转，故称转子。一定流量的流体流过由锥形玻璃管壁与转子间的环形间隙时，因摩擦阻力造成转子下部和上部的压力差。当此压力与转子重力和浮力成平衡时，转子停留在一定的高度上，即可从玻管上得到读数。当流量发生变化时，流量计将自动通过转子的升降来改变环形流道截面积，而改变流动阻力，以保持压力不变，从而达到新的平衡。AR：转子最大截面积VR：转子体积ρR：转子材料密度ρ：被测流体密度转子平衡时：上下压力差=重力－浮力P2=ARp2P1=ARp1重力浮力(p1－p2)AR=VRρRg－VRρg=VRg(ρR－ρ)等式右边各项为定值，压强差为常数与流量无关流量←→转子位置高低仿照孔板流量计的流量公式，转子流量计的流量：(m3/s)CR：转子流量计的流量系数，与Re和转子形状有关，其值由实验测定。

Aa：转子与玻管的环隙面积（变数）标定条件：20℃，0.1MPa下的空气或20℃的水。转子流量计的刻度与环隙面积、转子的形状、大小、材料、流体密度及Re有关转子流量计常用于测量非浑浊液体、气体等，具有结构简单、维修方便、测量范围广、能量损失小和价格低廉等优点。例2-5用￠159mm×4.5mm的钢管，输送20℃的苯，在管路上装有一个孔径为78mm的孔板流量计，用来测流量。孔板前后连接的U型管液柱压强计的指示液为水银。当压强计的读数R为80mm时，试求导管中苯的流量。解：苯在20℃时，密度ρ＝879kg/m3，粘度μ＝0.67×10-3N·s／m2，水银的密度ρ

Hg＝13600kg/m3，已知读数R＝0.080m，钢管内径d＝159－4.5

×2＝0.150m，A0/A1=d02/d12=(78/150)2=0.27假设Re＞界限值：8×104，查得流量系数：C0=0.635Re1=d1u1ρ/μ=？用试差法：管内流体流速：通过孔板的流速：与假设相符，C0=0.635正确，u0为所求。谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH安全注射与职业防护PART01一、安全注射二、职业防护主要内容安全注射阻断院感注射传播让注射更安全！《健康报》

别让输液成为一个经济问题有数据显示，是世界最大的“注射大国”。2009年我国平均每人输液8瓶，远远高于国际上人均2.5—3.3瓶的平均水平。我国抗生素人均消费量是全球平均量的10倍。因此我国被称为：

“输液大国、抗生素大国和药品滥用大国”。2016年国家十五部委重拳出击

遏制细菌耐药《阻断院感注射传播，让注射更安全（2016-2018年）》专项工作指导方案量化指标医疗卫生机构安全注射环境、设施条件、器具配置等合格率100%医务人员安全注射培训覆盖率100%规范使用一次性无菌注射器实施注射100%（硬膜外麻醉、腰麻除外）医疗卫生机构对注射后医疗废物正确处理率100%医疗卫生机构内部安全注射质控覆盖率100%医务人员安全注射知识知晓率≧95%医务人员安全注射操作依从性≧90%医务人员注射相关锐器伤发生率较基线下降≧20%相关内容基本概念安全注射现况不安全注射的危害如何实现安全注射意外针刺伤的处理

基本概念

注射

注射是指采用注射器、钢针、留置针、导管等医疗器械将液体或气体注入体内，达到诊断、治疗等目的的过程和方法。包括肌内注射、皮内注射、皮下注射、静脉输液或注射、牙科注射及使用以上医疗器械实施的采血和各类穿刺性操作。

基本概念

符合三个方面的要求：对接受注射者无危害；对实施者无危害；注射后的废弃物不对环境和他人造成危害。不安全注射发生率东欧：15%中东：15%亚州：50%印度：50%中国：50%对我国某地3066个免疫接种点的调查表明:一人一针一管的接种点为33.5％一人一针的接种点为62.1％一人一针也做不到的接种点......

目前情况

不安全注射

没有遵循上述要求的注射常见不安全注射-对接受注射者不必要的注射注射器具重复使用注射器或针头污染或重复使用手卫生欠佳注射药品污染不当的注射技术或注射部位医用纱布或其他物品中潜藏的锐器常见不安全注射-对接受注射者减少不必要的注射是防止注射相关感染的最好方法据调查，从医疗的角度来说，有些国家高达70％的注射不是必须的应优先考虑那些同样能达到有效治疗的其他方法口服纳肛不安全注射-对实施注射者采血技术欠佳双手转移血液不安全的血液运输手卫生欠佳废弃锐器未分类放置不必要的注射双手针头复帽重复使用锐器锐器盒不能伸手可及患者体位不当不安全注射-对他人不必要的注射带来过多医疗废物医疗废物处置不当废弃锐器置于锐器盒外与医用纱布混放放在不安全的处置地点—如走廊中容易拌倒废物处理者未着防护用品（靴子，手套等）重复使用注射器或针头最佳注射操作注射器材和药物注射器材药物注射准备注射管理锐器伤的预防废物管理常规安全操作手卫生手套其他一次性个人防护装备备皮和消毒清理手术器械医疗废物二次分拣2023/7/6Dr.HUBijie1352023/7/611/05/09135锐器盒摆放位置不合适，放在地上或治疗车下层头皮针入锐器盒时极易散落在盒外，医废收集人员或护士在整理过程中容易发生损伤不正确使用利器盒绝大部分医务人员对安全注射的概念的理解普遍仅局限于“三查七对”，因此安全注射的依从率也非常低。安全注射现况滥用注射导致感染在口服给药有效的情况下而注射给药临床表现、诊断不支持而使用注射治疗

由于滥用注射，导致感染的发生几率明显增加。安全注射现况注射风险外部输入风险：注射器具、药品、材料等产品质量；非正确使用信息，非正规或正规培训传递错误信息，非合理用药及操作习惯等。内部衍生风险：注射的“过度”与“滥用”、非正确的注射、未达标的消毒灭菌、被相对忽略的职业暴露、不被关注的医疗废物管理。

安全注射现况

当前院感注射途径传播的高风险因素使用同一溶媒注射器的重复使用操作台面杂乱，注射器易污染注射后医疗废物管理欠规范---注射器手工分离与二次分捡

对患者的危害-------传播感染

是传播血源性感染的主要途径之一，也是不安全注射的最主要危害。注射是医院感染传播的主要途径之一！不安全注射的危害导致多种细菌感染，如脓肿、败血症、心内膜炎及破伤风等。败血症破伤风心内膜炎脓肿不安全注射

不安全注射的危害

对医务人员的影响

针刺伤：每年临床约有80.6%-88.9%的医务人员受到不同频率的针刺伤！原因：防护意识薄弱、经验不足、操作不规范、防护知识缺乏。

不安全注射的危害

对社会的危害

拿捡来的注射器当“玩具”

不安全注射的危害

如何实现安全注射三防：人防、技防、器防四减少：减少非必须的注射操作减少非规范的注射操作减少注射操作中的职业暴露减少注射相关医疗废物

如何实现安全注射

重视环境的准备警惕锐器伤正确物品管理严格无菌操作熟悉操作规程执行手卫生安全注射

如何实现安全注射

进行注射操作前半小时应停止清扫地面等工作。避免不必要的人员活动。严禁在非清洁区域进行注射准备等工作。应在指定的不会被血液和体液污染的干净区域里，进行注射准备。当进行注射准备时，必须遵循以下三步骤：1.保持注射准备区整洁、不杂乱，这样可以很容易清洁所有表面2.开始注射前，无论准备区表面是否有血液或体液污染，都应清洁消毒。3.准备好注射所需的所有器材：-无菌一次性使用的针头和注射器-无菌水或特定稀释液等配制药液-酒精棉签或药棉-锐器盒重视环境的准备手卫生之前先做脑卫生！观念的改变非常重要！安全注射，“手”当其冲！认真执行手卫生工作人员注射前必须洗手、戴口罩，保持衣帽整洁；注射后应洗手。操作前的准备注射前需确保注射器和药物处于有效期内且外包装完整。操作前的准备给药操作指导单剂量药瓶——只要有可能，对每位患者都使用单剂量药瓶，以减少患者间的交叉污染多剂量小瓶——如果别无选择，才使用多剂量药瓶-在对每个患者护理时，每次只打开一个药瓶-如果可能，一个患者一个多剂量药瓶，并在药瓶上写上患者姓名，分开存储在治疗室或药房中-不要将多剂量药瓶放在开放病房中，在那里药品可能被不经意的喷雾或飞溅物污染药物准备给药操作指导丢弃多剂量药瓶：-如果已失去无菌状态-如果已超过有效日期或时间（即使药瓶含有抗菌防腐剂）-如果打开后没有适当保存-如果不含防腐剂，打开超过24小时，或制造商建议的使用时间后-如果发现未注明有效日期、储存不当，或药品在不经意间被污染或已知道被污染（无论是否过期）药物准备给药操作指导具有跳起打开装置的安瓿瓶——只要有可能，就使用具有跳起打开装置的安瓿瓶，而不是需要金属锉刀才能打开的安瓿瓶如果是需要金属锉刀才能打开的安瓿瓶，在打开安瓿瓶时，需使用干净的保护垫（如一个小纱布垫）保护手指药物准备准备好注射所需的所有器材：-无菌一次性使用的针头和注射器-无菌水或特定稀释液等配制药液-酒精棉签或药棉-锐器盒注射准备对药瓶隔膜的操作步骤在刺入药瓶前用蘸有70%乙醇棉签或棉球擦拭药瓶隔膜（隔层），并在插入器材前使其晾干每次插入多剂量药瓶都要使用一个无菌注射器和针头不要把针头留在多剂量药瓶上注射器和针头一旦从多剂量药瓶中吸出药品并拔出，应尽快进行注射注射准备贴标签多剂量药瓶配制后，应在药瓶上贴上标签：-配制日期和时间药物的种类和剂量-配制浓度-失效日期和时间-配制者签名对于不需要配制的多剂量药品，贴上标签：-开启日期和时间-开启者名字和签名注射准备皮肤消毒剂在有效期内使用。严格落实皮肤消毒的操作流程（以注射点作为中心，自内向外，直径5cm以上）。一人一针一管一用，禁止重复使用。熟悉操作规程，严格无菌操作使用同一溶媒配置不同药液时，必须每次更换使用未启封的一次性使用无菌注射器和针头抽取溶媒。必须多剂量用药时，必须做到一人一针一次使用。熟悉操作规程，严格无菌操作熟悉操作规程，严格无菌操作红圈标注地方绝对不能碰触！××熟悉操作规程，严格无菌操作皮肤消毒后不应再用未消毒的手指触摸穿刺点！皮肤消毒后应完全待干后再进行注射！熟悉操作规程，严格无菌操作现配现用药液抽出的药液、开启的静脉输入用无菌液体须注明开启日期和时间，放置时间超过2小时后不得使用；启封抽吸的各种溶媒超过24小时不得使用。药品保存应遵循厂家的建议，不得保存在与患者密切接触的区域，疑有污染或保存不当时应立即停止使用，并进行妥善处置。

熟悉操作规程，严格无菌操作

2小时内：——输注类药品；

24小时内：

——溶媒启封抽吸后；

——灭菌物品启封后（棉球、纱布等）提倡使用小包装。每周更换2次：

——非一次性使用的碘酒、酒精等，容器应灭菌。