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化工原理绪论流体流动流体输送机械非均相物系的分离传热蒸发蒸馏吸收液液萃取干燥全套可编辑PPT课件

绪论化工过程的特征一、化工生产过程是指对原料进行大规模的化学或物理方法处理，使其不仅在状态和物理性质上发生变化，而且在化学性质上也发生变化，最终将其制造成有价值的产品的工业生产过程。化学工业生产的产品种类繁多，生产方法千差万别。纵观众多纷杂的化学工业过程，大都可以看成是由原料的预处理过程、化学反应过程和反应产物的后处理过程三个基本环节构成的，其中化学反应是化工生产的核心。

绪论原料的预处理过程主要是对进入化工过程的初始原料进行分离去杂，使之在一定的温度、压力等状态下满足反应所需要的条件。同时，从反应器出来的产物通常是一种混合物，需要进行一系列的后处理过程，从中分离出符合质量要求的目的产品，并回收未反应完的反应物、催化剂或其他有价值的副产物等。

绪论在原料的预处理和反应产物的后处理过程中，常采用的操作方法有：使状态和操作条件发生改变（如加热、冷却、增减压等）；使物料发生相变化（如汽化、冷凝、结晶、溶解等）；使均相物料中各组分进行分离（如蒸馏、吸收、萃取等操作）；使非均相物料彼此分开（如沉降、过滤等）。即使在化学反应过程中，为了维持适宜的反应条件，也常需要采用加入或移出热量、混合、搅拌等化工操作方法。这些操作方法，均没有明显的化学反应发生，是一种以物理操作为主的过程。这种物理过程改变了物料的状态和物性，占用过程工业的大部分设备投资和操作费用，其地位相当重要。在化工生产过程中，通常把这些物理的操作过程（如流体的输送与压缩、沉降、过滤、传热、蒸发、蒸馏、吸收、干燥、冷冻等基本过程）称为单元操作。只有对各种不同的化工生产中的单元操作进行研究，才能揭示其本质、原理和规律。

绪论化工原理研究的内容及任务二、各种单元操作是依据一定的物理或物理化学原理在某些特定的设备中进行的特定过程，过程和设备是相互依存的，所以单元操作也称作化工过程与设备。化工原理主要研究各单元操作的基本原理、过程控制及工艺计算、典型设备的设计及选型。单元操作类型较多，按其操作目的，单元操作可分为以下几类：

绪论（1）流体输送；（2）物料的混合；（3）物料的加热或冷却；（4）均相混合物的分离；（5）非均相混合物的分离。

绪论按照操作的主要物理特征和基本原理，单元操作可分为以下四个过程：（1）动量传递过程。动量传递过程包括遵循流体力学基本规律的单元操作，如流体流动、流体输送、非均相物系分离等。（2）热量传递过程。热量传递过程是以热量交换基本规律为主要理论基准的单元操作，如传热、蒸发等。（3）传质分离过程。传质分离过程是以质量传递为主要理论基础的单元操作，如吸收、蒸馏、萃取、吸附等。（4）热质传递过程。热质传递过程是质量传递和热量传递同时进行的过程，如干燥、结晶、增湿与减湿等。

绪论本课程的主要任务是培养学生能够运用单元操作的基本原理进行过程的计算、设备的设计和选型的能力；在工业生产过程中，能根据生产的要求和变化，结合实际情况对操作参数进行调节，降低生产成本，强化生产过程的能力；对于常见的故障，能找到产生故障的原因并具有一定的排除故障的能力。

绪论工程观点和工程方法三、之前学过的“四大化学”是化学化工类专业的基础理论课程，侧重化学理论和化学实验，目的是教会学生如何合成新物质，如何提取新物质，如何表征新物质。化工原理是由化学理论到化学工业过渡的专业技术基础课，旨在解决工业化化工生产过程中需要配置的各种单元操作过程和设备的开发、设计、操作等问题。

绪论化工过程的影响因素和制约条件较多，物料物性（如密度、黏度、导热系数、表面张力等）和设备的各种操作条件（如温度、压力、流量、流速、物料组成等）都会对化工过程产生影响，设备内部与物料接[JP]触的各种构件的形状、尺寸和相对位置等因素也对化工过程产生着影响，并直接或间接地影响传热和传质过程的进行。另外，当地气温和气压变化范围、冷却水的来源及水温、环境保护、安全防火、设备加工等客观上存在的制约因素也影响着化工生产过程。

绪论由于工程问题的复杂性，工程的处理方法有别于基础理论研究方法，如工程计算所采用的公式通常是从实验得到的经验、半经验公式，而且这些公式都有各自的使用条件；在计算方法上，由于参数间的关系复杂，往往难以用联立方程求解，而需要用“试差法”，即先设定某些初值，将设定的初值代入方程求解，再校核所设初值是否正确，若计算值与所设初值吻合，则计算结束，否则，应重设初值进行计算。另外，工程问题的处理或设计的方案通常不是唯一的，在做决定时，除要考虑经济性以外，还要同时兼顾技术条件、节能、环保及资源回收等因素。因此，通过学习建立工程观点，培养工程意识，掌握工程处理方法，具备解决工程实际问题的能力，是本课程所要达到的根本目的。

绪论各单元操作的基本计算方法四、化工原理课程涉及到的工程计算可分为设计型计算和操作型计算两类。设计型计算是依据工艺上给定的条件（如温度、压力等）和要求的工艺指标（如流量、产量、质量等），再通过工程方法来确定设备的结构，计算设备的尺寸、外加功率、热交换量等，从而满足生产要求，完成生产任务。操作型计算是在现有的生产设备运行过程中，某些操作参数（如温度、压力、物性、流量等）发生变化时，对操作结果的影响或对完成特定任务的能力进行核算。无论是设计型计算，还是操作型计算，所采用的基本计算方法主要有物料衡算、能量衡算、过程速率计算、平衡关系以及物性计算。

绪论（一）物料衡算化工生产中的每一个单元操作均涉及原料、产物、副产物等量之间的关系，这些可以通过物料衡算来确定。根据质量守恒定律，进入任何过程的物料质量等于从该过程离开的物料质量与积存于该过程中的物料质量之和，即输入物料的总量=排出物料的总量+过程积累的总量对于连续操作过程，各物理量不随时间变化，过程进行中无物料积存，此种过程属于稳定过程。此种情况下，物料衡算关系可简化为输入物料总量=排出物料总量通过物料衡算可由系统的已知物流量求出未知物流量。物料衡算的方法可按下列步骤进行：

绪论（1）根据题意画出各物料的流程示意图，并在示意图中画出衡算范围。在工艺计算时，通常以一个生产过程为衡算系统；在设备设计时，可以以一个设备、设备中的一部分或一组设备作为衡算系统。（2）选定计算基准和计算对象。一般选用单位进料量或出料量、时间及设备的单位体积为计算基准。对于无化学反应的系统，一般选择某一组分作为计算对象，对有化学变化的过程，可选择参与发生化学变化的物质或某一个化学元素为衡算对象。（3）对总物料或其中某一组分列物料衡算式，进行求解。

绪论（二）能量衡算大部分的单元操作需要与外界进行能量交换，用于改变物料的温度或聚集状态，提供过程进行所需要的热量等。此时，其间的关系可通过能量衡算确定。根据能量守恒定律，对于连续稳定的系统，进入系统的总能量必等于系统输出的总能量，即

∑Q入=∑Q出

能量的形式很多，如机械能、热量、电能、化学能等，各种能量之间可以相互转化。在化工原理教材中，能量衡算主要指机械能衡算和热能衡算。

绪论（三）平衡关系任何一个物理或化学变化过程，都是在一定的条件下，沿着一定的方向进行，当达到动态平衡时，各物理量将不再发生变化。例如,在一定温度下，不饱和的糖溶液与固态糖接触，糖向溶液中溶解，直至糖溶液饱和。此时，糖溶液与固态糖表面达到平衡，液相中糖的浓度和固相糖的质量均不再发生变化，若溶液中糖的浓度大于饱和时的浓度，则溶液中的糖将会析出，固相中糖的量就会增加，重新达到一个新的平衡。因此，由过程的平衡参数可以判断物理或化学变化过程进行的方向，以及可能达到的极限。上述不饱和糖溶液的溶解过饱和糖溶液的结晶，就是溶解和结晶过程所进行的方向，当达到平衡时，则是过程进行的极限。

绪论（四）过程速率单位时间内过程的变化量称为过程速率，其通式表示如下：例如，传热过程速率是指单位时间通过一定传热面上传递的热量，传质过程速率用单位时间单位面积上传递过的物质的量来表示。

绪论过程速率与过程推动力成正比，与过程阻力成反比。过程速率的大小决定着过程进行的快慢，在各单元操作中，传递过程的速率对于设备的工艺尺寸以及设备的操作性能有决定性的影响。对于不同的传递过程，过程速率、过程推动力与过程阻力三者的意义和所构成的具体表达式是不同的，如在传热过程中的推动力是用温度差来表示的，在传质过程中的推动力是用组分浓度与其平衡浓度的差来表示的。

绪论从以上基本关系可以看出，要提高过程进行的速率，可以通过增大过程的推动力或减少过程阻力的途径来实现，如在传热过程时可以提高温度差，在传质过程时可以提高浓度差，在流体输送时可加大输送管道的直径等。谢谢观看！化工原理

第一章流体流动第二节管内流体的流动第一节流体静力学第四节化工管路及管路系统的计算第三节流体在管内流动时的阻力第五节流量的测量

第一章流体流动知识目标掌握静力学方程、连续性方程、柏努利方程、管路阻力计算公式及简单管路的计算方法。理解流体在管内流动时产生阻力损失的原因；测速管、孔板流量计、转子流量计的基本结构、测量原理及使用要求。熟悉流体主要物性(密度、黏度)数据的求取及影响因素；压强的定义、表示方法、单位及单位换算；连续性和稳定性的概念；管内流体的速度分布；流体的流动类型；雷诺准数及其计算。了解湍流时的流速分布；复杂管路的计算。

第一章流体流动能力目标通过对本章的学习，能够应用静力学原理和动力学原理处理工程过程中的设计型计算和操作型计算。气体和液体通称为流体，原来是固体的物料，有时也可以做成溶液以便于输送或处理。流体具有流动性，其形状随容器的形状而变化，一般将液体视为不可压缩性流体，而气体的压缩性很强，受热时体积膨胀很大，因此将气体视为可压缩的流体。流体流动是化工生产过程中最普遍的现象，研究流体流动的目的主要是解决以下几个工程问题：

第一章流体流动

第一章流体流动（1）流体的输送，输送管路的设计与所需功率的计算，输送设备的选型与操作；（2）流速、流量的计算，系统中的压强或压强差的测量，设备液位及液封高度的确定；（3）根据流体流动规律降低输送能耗，强化化工设备中传热、传质过程等。

第一章流体流动工程上研究流体流动时，只研究流体的宏观运动，不考虑流体分子间的微观运动，也就是说，将流体视为由许多分子组成的“微团”，又把“微团”称作质点，质点的大小与它所处的空间相比是微不足道的，但比分子运动的自由程度要大得多。在流体的内部各个质点相互紧挨着，它们之间没有任何空隙从而成为连续体。因此将流体视为由无数质点组成的其间无任何空隙的连续介质，即所谓的连续性假定。

第一节流体静力学流体静力学是研究流体在外力作用下处于静止或相对静止状态下的规律，本节主要讨论静止流体在重力场中内部的压力变化规律。在讨论此规律之前，先对与此有关的物理量进行简单的说明。

第一节流体静力学流体的密度一、单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，其表示式为式中m——流体的质量，kg；V——流体的体积，m3；

ρ——流体的密度，kg/m3。

第一节流体静力学密度是流体的物性数据，各种流体的密度值可以从有关的物理化学手册中查得。液体的密度基本上不随压力的变化而变化，但随温度的变化稍有改变，因此在查取液体密度时，一定要注意所指的温度。气体的密度的变化随压力和温度的变化而改变，压力不高时，气体的密度可按理想气体状态方程计算，即

第一节流体静力学式中m——质量，kg；V——体积，m3；M——摩尔质量，kg/kmol；p——压力，kPa，（注意,压力单位为kPa时，密度单位为kg/m3）；R——气体常数，R=8.315kJ/(kmol·K)

；T——热力学温度，K。当在一定温度T1、压力p1下查得某气体的密度ρ1，可求出操作条件（p，T）下气体的密度ρ为

第一节流体静力学化工过程中遇到的流体大多为混合物，而手册中一般仅提供纯物质的密度，混合物的密度可通过纯物质的密度计算，对于液体均相混合物，假定混合前后总体积不变，则

第一节流体静力学对于气体混合物，可按式（1-2）计算，但需将其中的摩尔质量M按平均摩尔质量M计算，即M=y1M1+y2M2+…+ynMn(1-4)

式中

y1，y2,…,yn——气体混合物各组分的摩尔分数；M1，M2,…,Mn——气体混合物各组分的摩尔质量，kg/kmol。

第一节流体静力学压力二、（一）压力的概念垂直作用于流体单位面积上的力，称为压力强度，简称压强，工程上多称为压力。压力的法定单位是Pa（帕），即N/m2。此外，还有一些习惯上使用的单位，现列出一些常见的压力单位及其换算关系如下：1atm=1.013×105Pa=10.33mH2O=760mmHg=1.033kgf/cm2

第一节流体静力学（二）压力的表示方法（1）[JP2]绝对压力（简称绝压）。它是指流体的真实压强，即以绝对零压为准测得的流体压力。（2）表压力（简称表压）。它是指工程上用测压仪表以当地大气压为基准测得的压力值，是流体的真实压力与当地大气压的差值，即

表压=绝对压力-当地大气压力

第一节流体静力学（3）真空度。它是指绝压低于当地大气压的数值。当绝压小于当地大气压时，用真空表测得的数值即为真空度。

真空度=当地大气压-绝压绝压、表压和真空度三者的关系如图1-1所示。由上述关系可看出，真空度也等于表压的负值。当压力数值用绝压或真空度表示时，应分别注明，以免混淆，如500kPa（绝），700mmHg（真），未注明时即认为是表压，记录真空度或表压时，还要注明当地大气压，若没有注明，则认为是1atm。

第一节流体静力学图1-1绝压、表压和真空度

第一节流体静力学怎样理解真空度是表压的负值？思考题1-1

第一节流体静力学流体静力学基本方程三、静止流体内部任一点的压力，称为该点的静压力。研究流体平衡时的规律，其实质是研究流体处于相对静止状态下流体内部压力变化的规律，为了便于进行讨论，先介绍静止液体内部压力变化的规律，然后再推广到气体。

第一节流体静力学（一）静力学方程的推导图1-2所示容器中液体是静止的，液面上方的压力为p0（外界大气压）。取容器中液体内部任意一垂直液柱为研究对象，其截面积为A，若以容器底面为基准水平面，液柱的图上、下端面与容器底的垂直距离分别为z1和z2，作用于上、下端面上并指向此两端面的压强分别为p1和p2。在重力场中，该液柱在垂直方向上受到的作用力有：（1）作用在液柱上端面上的总压力F1F1=p1A(方向向上)（2）作用在液柱下端面上的总压力F2F2=p2A(方向向下)（3）液柱自身的重力GG=ρgA(z1-z2)（方向向下）

第一节流体静力学

第一节流体静力学1-2液柱受力分析图

第一节流体静力学（1）式（1-6）和式（1-6b）说明，静止、连续、均匀的流体同一水平面上的静压力相等，且流体内部各点的机械能守恒，静压能和位压能之间可以相互转化。（2）当作用于液面上方的压力大小有任何改变时，液体内部各点的压力也有同样的改变。即静止流体上方的压力能以同样的大小传递到液体的各个地方（巴斯卡原理)。

第一节流体静力学（二）静力学方程的讨论

第一节流体静力学（3）将式（1-6b）各项除以ρg，则方程变为p-p，说明压强差的大小可以用一定高度的液体柱表示。这就是压强或压强差可以用mmHg、mH2O来表示的原因。应注意的是，应用静力学方程时，液体的密度必须为常数。一般情况下，液体的密度是常数，气体密度随压力变化较大，但在化工设备中，气体密度随高度的变化而发生的改变可以忽略，视为常数，所以一般静力学方程也适用于气体。如图1-3所示，流体在水平管内流动，上部连接一倒U形压差计,1-1′、2-2′、3-3′、4-4′分别为四个不同的水平面，试判断p1与p1′、p2与p2′、p3与p3′、p4与p4′是否相等。解：p1与p1′在同一水平面上，与之连通着的流体满足静止、连续、均质，所以p1=p1′。p2与p2′、p3与p3′、p4与p4′虽然也分别处于同一水平面上，但与之连通着的流体不均质或不静止，所以p2≠p2′,p3≠p3′,p4≠p4′。【例1-2】

第一节流体静力学

第一节流体静力学图1-3例1-2附图

第一节流体静力学（三）静力学方程的应用流体静力学基本方程在工程实际中的应用十分广泛，常用于工业生产过程中压强的测量、贮罐内液位的测量、液封高度的计算、流体内部物体受到的浮力以及液体对壁面的作用力的计算等。利用静力学方程计算时注意以下要点：（1）根据题意绘出示意简图；（2）在示意图上选出等压面；（3）分别列出各等压面上的静力学方程；（4）根据等压面上静压力相等的特点，联立求出待求的物理量。以下举例说明。

第一节流体静力学压强和压强差的测量1.常见的运用流体静力学基本原理测定流体的表压强或压强差的仪器有如下几种。(1)U形管压差计。U形管压差计如图1-5所示，U形管两端口与被测流体B的测压点相连接（连接管内与指示液液面上方均充满流体B），在U形玻璃管内装有密度为ρA的指示液A（对指示液的要求：A与B不发生化学反应、互不相溶，且ρA>ρB)，若p1>p2，则U形管中指示液面将出现如图1-5所示的高度差R，其数值随压差（p1-p2）值的变化而变化。当（p1-p2）为一定值时，R也为定值。A-b水平面为等压面。由静力学基本方程可得U形管两侧压强为

第一节流体静力学图1-5

U形管压差计

第一节流体静力学左侧：pa=p1+ρBg(z+R)右侧：pb=p2+ρBgz+ρAgR因为pa=pb

所以p1-p2=(ρA-ρB)gR(1-7）

由式（1-7）可见，由指示液的液位差R的数值可计算出压差的大小。

第一节流体静力学(2)倾斜U形管压差计。当被测压差值很小时，读得的R必然很小，为了减小由于读数造成的相对误差，可采用如图1-6所示的倾斜U形管压差计，倾斜角α愈小，读数R则愈大，R′与R的关系为

第一节流体静力学图1-6倾斜U形管压差计

第一节流体静力学(3)倒U形管压差计。当被测系统为液体时，也可选用比被测液体密度小的流体（如气体）作指示剂，采用如图1-7所示的倒U形管压差计进行测量。当p1>p2时，管左端的B液面将升高而右端液面降低，出现如图1-7所示的高度差R。运用静力学方程可得p1-p2=(ρB-ρA)gR（1-9）当指示剂A选用气体时，由于ρB>ρA，所以p1-p2=ρBgR（1-9a）

第一节流体静力学图1-7倒U形压差计

第一节流体静力学(4)微差压差计（双液体U形管压差计）。微差压差计如图1-8所示，当(p1-p2)值非常小时，用上述压差计测得的读数都将很小而使结果不够精确，可在U形管压差计顶部增加两个扩大室，在U形管下部装入指示液A，上部装入指示液C，指示液A与C互不相溶。扩大室截面直径与U形管的直径之比要大于10∶1。故当测量微压差(p1-p2)时，R的变化对扩大室内C的液面高度的影响极小并可忽略，A的低端液面为等压面，可得p1-p2=(ρA-ρC)gR（1-10）显然，当（p1-p2）值很小时，为获得较大的读数R，应当选择密度接近的指示液A和C。

第一节流体静力学图1-8微差压差计化工厂中经常需要了解容器内液体的贮存量，以控制设备内的液位，因此需要随时知道液面位置。测量设备内液位的装置有多种，如玻璃管液位计、浮标液位计、液柱压差液位计等。图1-9为最简单的液位测量装置，设备中的液位与玻璃管中的液位高度R相等。

第一节流体静力学测量液面位置2.

第一节流体静力学图1-9液位显示装置

第一节流体静力学若要测量离操作室较远或埋在地面以下的容器内的液位时，可采用图1-10所示的装置。自管口通入压缩空气，用调节阀1调节其流量。管内空气的流速控制得很小，只要在鼓泡观察器2内看到有气泡缓慢逸出即可。气体通过吹气管4的流动阻力可以忽略不计。管内某截面压强用U形管压差计3来测量。设U形管压差计3中的指示液密度为ρ′，贮槽5中液体的密度为ρ。

第一节流体静力学

图1-10远距离测定液位1.调节阀2.鼓泡观察器3.

U形管压差计

4.吹气管5.贮槽

第一节流体静力学计算液封高度3.工业生产工程中，为了控制设备内的气体压强不超过某规定值，常采用如图1-11所示的安全装置，用液柱把气体封闭在设备内，以免气体压强超过规定时冲出液面而逸出，这种装置称为液封装置，由于通常所用的液体为水，所以又可称水封。液封管插在液封槽中的深度可根据设备内的压强值由静力学基本方程式求得。实际操作时，液封管插入深度应大于计算值才能确保液封的效果更好；但若为保证设备内气体压强不超过规定值，则液封管插入的深度应小于计算值。

第一节流体静力学图1-11液封装置

第一节流体静力学此外，在化工厂中，经常要将真空系统中的液体排至大气中，不允许外界空气漏入系统内，这时也要采用液封装置。图1-12所示总管内流通的为负压气体，其管道中的冷凝水需要及时排除管外，在排除冷凝液的同时需防止外界空气漏入设备内，在主管道上垂直安装一排液细管，其下部插入水槽中，排液细管中液柱的高度h可通过液体静力学基本方程式求算。

第一节流体静力学图1-12液封高度

第一节流体静力学用U形管压差计测量一楼某处气体管道中某点的压强，为了操作方便，将U形管压差计安装在三楼，这时应如何根据该压差计读数计算测压点的压强？思考题1-2

第二节管内流体的流动流体在管道中的流动，是化工生产过程中非常普遍的现象。本节主要讨论流体在管中流动的原因以及流体流动的规律。先介绍流体流动的基本概念。

第二节管内流体的流动流量1.流量和流速一、（1）体积流量。它是指单位时间内流过管子任意截面的流体体积，以qv表示，其单位为m3/s。（2）质量流量。它是指单位时间内流过管子任一截面的流体质量，以qm表示，其单位为kg/s。qv与qm之间的关系为[JP]qm=ρqv

（1-11）

第二节管内流体的流动流速2.（1）平均流速。单位时间内流体在流动方向上流过的距离称为平均流速，以u表示，单位为m/s，它等于体积流量除以管道截面积，即

第二节管内流体的流动管道直径的计算3.一般管道截面都是圆形，若以d表示管子内径，则式中d——管子内径，m。式（1-15a）是确定管道直径的最基本公式。流量qv依据生产任务规定，选择适宜的流速后就可以用式（1-15a）算出管子的直径。流速的大小主要依据经济运行指标进行权衡决定，通常可选用经验数据。表1-1列出了某些流体在一定操作条件下适宜的流速范围，可供设计者选用。

第二节管内流体的流动

第二节管内流体的流动稳定流动和非稳定流动二、（1）稳定流动。流体在管道内流动时，任一截面处的流速、流量和压力等有关的物理量不随时间而改变，只随位置而改变，这种流动称为稳定流动。（2）非稳定流动。流体流动过程中，系统的参变量不仅随所在空间而变化，而且也随时间变化，这种流动称为非稳定流动。化工生产中的操作大多数是连续生产，流体的流动过程一般都属于稳定过程，所以本节只介绍稳定流动。

第二节管内流体的流动稳定流动系统中的物料衡算——连续性方程式三、对图1-13所示的稳定流动过程系统进行物料衡算。流体从1-1′截面流入，从2-2′截面流出，且在所划的输送范围内无流体的泄漏与补充，根据质量守恒定律知，单位时间内进入图1-13连续性方程的推导

第二节管内流体的流动1-1′截面的流体质量必等于由2-2′截面输出的质量，即qm1=qm2

（1-16）推广之qm1=qm2=…=qmn

（1-16a）因qm=uAρ，故式（1-16）可以写为u1A1ρ1=u1A2ρ2=…=unAnρn

（1-16b）式中符号的下标为截面的序号。

第二节管内流体的流动如图1-14所示，质量为m的流体由1-1′截面流至2-2′截面。流体的流速分别为u1和u2，两截面上的压力分别为p1和p2，对1-1′截面和2-2′截面的流体作能量衡算。

第二节管内流体的流动稳定流动系统中的能量衡算——柏努利方程式四、（一）柏努利方程的推导

第二节管内流体的流动图1-14柏努利方程的推导

第二节管内流体的流动位能1.位能是流体因受重力的作用处于不同的位置所具有的能量，计算位能时应先规定一个基准面，如图1-14中的0-0′面。设流体与基准面的距离为z，质量为m的流体在1-1′截面和2-2′截面上的位能分别为mz1g和mz2g。将1kg流体由基准水平面提升至其上垂直距离z处所做的功称为位压能，如图1-14中，流体在1-1′截面和2-2′截面上的位压能分别为z1g和z2g。位压能的单位为J/kg。

第二节管内流体的流动动能2.动能是流动着的流体所具有的能量，其值等于流体从静止状态加速到流速为u所需的功。1kg流体在管内流动时某截面上具有的动能称为动压能，如图1-14中，流体在1-1′截面和2-2′截面上的动压能分别为u21/2和u22/2。动压能的单位为J/kg。

第二节管内流体的流动静压能3.在图1-15所示的管路内，流体以一定流速u流过。在管路上方装一垂直于管轴的细玻璃管，则玻璃管中的液位将上升至一定高度。这说明流动着的流体内部任一位置处都具有一定的静压强。如图1-15所示，管路中1-1′截面所受压力为p1，流体要流入1-1′截面，必须为克服该截面上的压力而做功，该功称为静压能。

第二节管内流体的流动图1-15测量流动系统中液体的静压强

第二节管内流体的流动若将质量为m、体积为V1的流体推过截面积为A1的1-1′截面，走过的距离为V1/A1，根据功=力×力矩，则流体流过1-1′截面时的静压能为p1A1=p1V1，其单位为J。故1kg流体的静压，其单位为J/kg。

第二节管内流体的流动外加功（有效功）4.若管路上安装了泵或鼓风机等流体输送机械，便有能量从外界输送到流动系统内。1kg流体由输送机械获得的能量称为有效功，以We表示，单位为J/kg。

第二节管内流体的流动阻力损失5.实际流体在流动过程中要克服各种阻力，因此流体的机械能将减小，若1kg流体自1-1′截面流到2-2′截面，由于摩擦而消耗掉的能量称阻力损失或能量损失，用Wf表示，单位为J/kg。

第二节管内流体的流动柏努利方程式6.流体在流动过程中，通过各个截面上的动压能、静压能、位压能通称为流体所具有的机械能。根据能量守恒定律：进入系统的机械能+外界向系统补加的有效功=离开系统的机械能+机械能的损失。对图1-14中1-1′截面和2-2′截面之间进行机械能衡算，可得

第二节管内流体的流动式(1-17)称为柏努利方程式，是以单位质量流体为衡算基准的表达形式。若以单位重量为衡算基准，则柏努利方程的表达形式为

第二节管内流体的流动式（1-18）中，各项的单位均为m，表示单位重量流体所具有的机械能，其中z(z1和z2)、p/(ρg)、u2/（2g）、Hf分别称为位压头、静压头、动压头和压头损失。He称为输送设备对流体提供的有效压头。

第二节管内流体的流动（二）柏努利方程式的讨论（1）式（1-17）是实际流体的柏努利方程。若流体无黏性，在流动过程中不产摩擦阻力，即Wf=0，则这种流体称为理想流体。对于理想流体，若系统无需补加能量，即We=0，则式（1-17）可简化为式（1-19）说明，理想流体在管道中流动时，各截面上的总机械能守恒，但每一种机械能不一定相等，它们之间可以相互转化。

第二节管内流体的流动（2）对于静止流体，其流速为零，此时式（1-19）变为上式即为前述的流体静力学基本方程式（1-6），由此可知柏努利方程式不仅说明了流体的运动规律，也说明了流体静止时的规律。流体静力学基本方程式是柏努利方程式的一个特例。

第二节管内流体的流动（3）对不可压缩流体，若过程的压强变化与初始绝对压强之比小于20%，即(p2-p1)/p1×100%＜20%时，仍可用式（1-17）、式（1-18）及式（1-19）进行计算，但式中的ρ应取两截面上的算术平均值。

第二节管内流体的流动（4）式（1-17）中gz、u2/2、p/ρ与We、Wf有明显的区别。gz、u2/2、p/ρ是指在某截面上流体本身所具有的机械能，We、Wf分别是指流体在1-1′截面与2-2′截面间从外界获得的能量以及消耗的能量。其中，We是输送机械对单位质量流体所做的有效功，是选用流体输送机械的重要依据。单位时间内输送机械所做的有效功称为有效功率，以Ne表示，即Ne=Weqm

（1-20）式中qm——为流体的质量流量，kg/s；Ne——有效功率，J/s或W。若泵的效率为η，则泵的轴功率N为

第二节管内流体的流动柏努利方程式的应用五、（一）应用柏努利方程的注意事项应用柏努利方程式解决流体流动问题时，可按以下述步骤进行：（1）根据题意，画出代表过程的示意简图。（2）选基准面，基准面是用来确定柏努利方程中两截面的位置,即z1和z2的大小，所以基准面必须是水平面，基准水平面可以任意选取，计算出的Δz都是一样的，但习惯上总是取衡算开始或终了的截面为基准面，这样两个z中必有一个为零，可使计算简化。

第二节管内流体的流动（3）选截面，两个截面的选取有以下的原则：①截面一定要与流动方向相垂直，且两截面间的流体满足连续性假定，两截面上的p、u、z等物理量均取平均值；②截面应选在已知量多、计算方便处，未知量应在截面上或两截面间，一般选择流体开始流动和终结流动的两个截面，因为这两个截面上已知数量多；③截面若选在管口以外，则截面上的流速视为零；

第二节管内流体的流动④计算输送机械提供的能量时，所选的两个截面应在输送机械的两侧，若两截面间没有输送机械，则有效功We=0；⑤两截面上的静压力p1和p2可以用表压强也可以用绝对压强，计算结果是一致的，但选用时要一致，表压强与绝对压强不能同时并用。（4）列柏努利方程，写出或通过计算得出方程中的各已知量，将已知量代入方程式求未知量。在某水平通风管段中，管直径自300mm渐缩到200mm。为了粗略估算其中空气的流量，在锥形接头两端分别测得粗管1-1′截面的表压为1200Pa，细管2-2′截面的表压为800Pa。空气流过锥形管的能量损失可以忽略，求空气的体积流量为多少？（设该物系可按不可压缩流体处理，空气密度取为ρ=1.29kg/m3。）【例1-7】

第二节管内流体的流动确定管道中流体的流速1.（二）应用柏努利方程的计算示例

第二节管内流体的流动解：如图1-16所示，水平管的基准面取通过管中心线的水平面，在1-1′截面和2-2′截面间列柏努利方程得

第二节管内流体的流动图1-16例1-7示意图

第二节管内流体的流动确定设备间的相对位置2.如图1-17所示，用虹吸管从高位槽向反应器加料，高位槽和反应器均与大气连通，要求料液在管内以1m/s的速度流动。设料液在管内流动时的能量损失为20J/kg（不包括出口的能量损失），试求高位槽的液面应比虹吸管的出口高出多少？【例1-8】

第二节管内流体的流动解：取高位槽液面为1-1′截面，虹吸管出口内侧截面为2-2′截面，并以2-2′截面为基准面。列柏努利方程得即高位槽液面应比虹吸管出口高2.09m。应注意，本题下游2-2′截面必定要选在管子出口内侧，这样才能与题给的不包括出口损失的总能量的条件相适应。

第二节管内流体的流动图1-17例1-8示意图

第二节管内流体的流动确定输送过程中所需的有效功率3.某化工厂的开口贮槽内盛有密度为1100kg/m3的溶液，今用泵将溶液从贮槽输送至常压吸收塔1的顶部，经喷头2喷到塔内以吸收某种气体，如图1-18所示（图中没有画出气体流动路线）。已知输送管路与喷头连接处的表压强为0.3×105Pa，连接处高于贮槽内液面20m。输送管道为57mm×2.5mm，送液量为15m3/h。已测得溶液经管路的能量损失为150J/kg（不包括流经喷头的能量损失），泵的效率为0.7，求泵的轴功率。贮槽液面维持恒定。【例1-9】

第二节管内流体的流动

图1-18例1-9附图1.吸收塔2.喷头3.泵4.开口贮槽

第二节管内流体的流动解：贮槽液面维持恒定，故本题属于稳定流动。取1-1′截面（贮槽的液面）为基准面，在1-1′截面与2-2′截面（管道与喷头连接处）间列柏努利方程，得

第二节管内流体的流动

第二节管内流体的流动确定管路中流体的压强4.如图1-19所示，密度与水相同的稀溶液在水平管中作定态流动，管子由38mm×2.5mm逐渐扩至54mm×3.5mm。细管与粗管上各有一测压口与U形管压差计相连，已知两测压口间的能量损失为2J/kg。溶液在细管的流速为2.5m/s，压差计指示液密度为1594kg/m3。求：（1）U形管压差计两侧的指示液面哪侧较高？（2）压差计读数R。【例1-10】

第二节管内流体的流动图1-19例1-10附图

第二节管内流体的流动解：（1）比较U形管两侧液面高低要判断U形管压差计两侧的指示液面高低，实质上是求（p1-p2）或（p2-p1）的值。取两测压口截面分别为1-1′截面及2-2′截面，以管中心线为基准水平面，如图1-19中所示。在两截面间列柏努利方程式，得

第二节管内流体的流动

第三节流体在管内流动时的阻力应用柏努利方程解决流动问题时，必须先计算出流动过程中的阻力损失。产生阻力损失的原因，首先是流体具有黏性，其次是外界的操作条件所引起的流动状态的改变。本节将讨论流动阻力的产生、影响因素及计算方法。

第三节流体在管内流动时的阻力流体阻力的产生及影响因素一、（一）流体的黏性实际流体都具有黏性，所以流体在管内流过时，任一截面上各点流速并不相同，管子中心速度最大，越接近管壁速度就越小，在贴近管壁处流速为零。流体在管内流动时，实际上被分割成无数极薄的一层套着一层的速度不等的流体层，如图1-20所示。由于黏性力的作用，在流体内部不同速度的流体层之间产生了相互作用力。这种运动着的流体，相邻两流体层之间产生的相互作用力，称为内摩擦力。流体流动时由于要克服内摩擦力，从而将一部分机械能转为热能而损失掉。

第三节流体在管内流动时的阻力图1-20流体在管内分层流动示意图设想有两块面积很大、相距很近的平板，中间夹着某种液体，如图1-21所示。若令下面平板固定，以恒定的力F推动上板，使它以速度u向x方向运动，此时两板间的液体也分为无数薄层向x方向运动，附在上层板表面的一薄层液体也以同样速度u随上板运动，其下各层液体的速度依次减慢，到下层板底面时速度为零。

第三节流体在管内流动时的阻力牛顿黏性定律1.（二）牛顿黏性定律与流体的黏度

第三节流体在管内流动时的阻力图1-21平板间液体速度变化图

第三节流体在管内流动时的阻力取相邻两层流体进行研究，两流体层的速度变化量为du，层间垂直距离为dy。实验证明，内摩擦力与两层板间的速度差du及表面积S成正比，与两板间的垂直距离dy成反比，即

第三节流体在管内流动时的阻力式（1-23）称为牛顿黏性定律，说明流体黏度越大，流动时产生一定速度梯度的剪应力就越大。凡是服从牛顿黏性定律的流体均称为牛顿型流体，气体和大多数液体都属于牛顿型流体。不服从牛顿黏性定理的流体称为非牛顿型流体，如某些高分子溶液、胶体溶液、油漆以及泥浆状液体都属于这一类。本教材只介绍牛顿型流体。

第三节流体在管内流动时的阻力黏度2.（1）黏度的影响因素。黏度是流体的物理性质之一，其值由实验测定。液体的黏度随温度升高而减小，气体则相反。压强对流体黏度的影响很小，在工程计算中，除了在极高或极低的压强下，都不考虑压强对黏度的影响。（2）黏度的单位。在法定单位制中，黏度的单位为Pa·s。在物理单位制中，黏度的单位为P(泊)或cP(厘泊)。cP、P与Pa·s的关系为1cP=1×10-2P=1×10-3Pa·s

第三节流体在管内流动时的阻力（3）混合物黏度的获得。工业上遇到的多数是混合物，其黏度可通过近似计算求得。例如，互溶混合液体的黏度计算式为式中

μm——混合液体的黏度，Pa·s；xi——组分i的摩尔分数；

μi——在溶液混合物的温度下，纯组分i的黏度，Pa·s。式（1-24）适用于非电解质、非缔合性液体的互融混合液体。

第三节流体在管内流动时的阻力（三）流体的流动类型雷诺实验1.流动类型是影响流体流动阻力的外因，可通过雷诺实验进行观察。如图1-22所示，在水箱3的底部接一段直径不变的水平玻璃管4，管出口处装有调节流量的阀门，小瓶1中盛有带色的液体，经细管2通入玻璃管一端的中心处。实验时维持箱内液面恒定，水流经玻璃管的同时也将有色液体通入玻璃管的中心位置上。

第三节流体在管内流动时的阻力

图1-22雷诺实验装置1.小瓶2.细管3.水箱4.水平玻璃管

5.阀门6.溢流装置

第三节流体在管内流动时的阻力实验观察到：当水在玻璃管内流速小时，有色液体呈直线在管子中心线位置上流过，与水不相混淆，如图1-23（a）所示。这种现象表明玻璃管内水的质点彼此作平行于管中心线的直线运动。若将水的速度逐渐提高，有色液体由直线运动慢慢变成波浪运动，当水的流速提高到某一数值后，有色液体的细线完全消失，与水混为一体，如图1-23（b）所示。

第三节流体在管内流动时的阻力图1-23两种流动类型

第三节流体在管内流动时的阻力雷诺实验表明，流体在管内的流动状态可分为两种类型：（1）层流（滞流）。流体在管内流动时，质点沿与管轴平行的方向分层流动，质点与质点之间互不碰撞、互不混合的流动称为层流。（2）湍流（紊流）。流体在管内流动时，质点沿流动总方向作不规则的杂乱流动，各质点的运动速度在大小和方向上都随时发生变化，质点与质点之间相互碰撞、相互混合，并产生漩涡的流动称为湍流。

第三节流体在管内流动时的阻力雷诺准数2.进一步实验发现，除了流速u影响质点的流动情况外，管子直径d、流体的黏度μ和密度ρ也都对质点流动情况有影响。u、d、ρ越大，μ越小，就越容易从层流转变为湍流。雷诺得出结论：若将这四个物理量组成duρ/μ的形式，则可以用它的数值大小来判断流体流动类型。duρ/μ称为雷诺准数，用符号Re表示，即

第三节流体在管内流动时的阻力上式中L、θ、M分别为长度、时间和质量的因次。所以，雷诺准数是无因次数群。不管采用何种单位制，只要Re中各物理量的单位用同一单位制，计算结果都是相同的。流体流动的类型可以用Re数群的数值大小来判断。根据实验知道，若流体在圆形直管中流过，当Re≤2000时，流动总是层流（或滞流）；当Re≥4000时，流动属于湍流（或紊流）；当Re在2000～4000之间时，流型可能是层流也可能是湍流，或是两者交替出现。受外界条件所影响，如流动方向的改变、外界轻微的振动等都易促使湍流的发生。

第三节流体在管内流动时的阻力（四）管内流体流动的分析圆管内流体的流动是工程上最为常见的流动。无论是管内层流还是湍流，速度分布均有下列特点：紧贴管壁处速度为零，离开管壁后速度渐增，到管中心处速度达到最大，但速度在管截面上的分布规律，层流和湍流是不同的。下面具体阐述。

第三节流体在管内流动时的阻力层流时的速度分布1.以水平等径管内的流动为例，分析其受力。如图1-24所示，流体自左向右做稳定层流运动。以管轴为中心任取一半径为r、长度为l的圆柱形流体段，在轴向所受的各力如下。图1-24层流流动受力

第三节流体在管内流动时的阻力（1）作用于两端截面上的总推力P1和P21-1′截面上的总推力为P1=πr2p12-2′截面上的总推力为P2=-πr2p2（取流速方向为正，故P2为负）式中，p1,p2分别为1-1′截面和2-2′截面上的平均压力，即截面中心的压力。（2）作用于侧表面上的黏性阻力F按牛顿黏性定律，作用于圆柱体内表面2πrl上的内摩擦力为

第三节流体在管内流动时的阻力

第三节流体在管内流动时的阻力式（1-30）和式（1-28）即为管内稳定层流时的速度分布表达式，虽然是从水平管推得的，但是对等径倾斜管同样适用。由式（1-30）可知ur随r呈抛物线分布，如图1-25所示。以上理论分析的结果与实验数据符合得很好。

第三节流体在管内流动时的阻力图1-25层流时速度

第三节流体在管内流动时的阻力湍流时的速度分布2.由于湍流运动比较复杂，其管内的速度分布式目前尚不能从理论上导出，只能借助于实验数据用经验公式近似地表达，以下为一种常用的指数形式的经验式，即式中，n与Re的大小有关，Re愈大，n值也愈大，当Re=1×105~3.2×106时，n=1/7，此时，称上式为1/7次方律。

第三节流体在管内流动时的阻力图1-26为湍流时的速度分布示意图，与层流时的相比，中部较为平坦，两边近壁处则较陡峭，这是因为湍流时径向存在脉动速度，动量传递比层流时大得多，故速度被拉平，速度分布较层流时均匀。图1-26湍流时的速度

第三节流体在管内流动时的阻力流体在圆管内流动阻力的计算二、化工管路是由管道的直管部分和管件、阀门、截面等突然扩大或缩小等局部部位构成，管路中的总阻力损失，应为流体通过直管部分的阻力损失与流体流经局部部位产生的阻力损失之和，即

∑Wf=Wf+W′f

式中

∑Wf——总阻力损失，J/kg；Wf——直管阻力损失，J/kg；W′f——局部阻力损失，J/kg。

第三节流体在管内流动时的阻力（一）直管摩擦阻力计算通式——范宁公式如图1-27所示，不可压缩流体以速度u在管径为d的管内作稳定流动，将1-1′截面与2-2′截面间的流体看成直径为管内径的一段流体柱作为研究对象，对该段水平直管内流动着的流体柱进行受力分析。

第三节流体在管内流动时的阻力图1-27直管阻力推导

第三节流体在管内流动时的阻力

第三节流体在管内流动时的阻力即对于水平等直径的管路，只要测出两截面的静压差，就可以知道两截面上的能量损失，但应注意，对同一根直管，能量损失与管子的安装方位无关，不管水平或垂直安装，操作条件不变，能量损失均相等；只有水平安装时，能量损失才等于两截面上的静压能之差，即可通过两截面上的静压能之差来计算能量损失，而其他安装方式的能量损失则不能。将式（1-34a）代入式(1-34)，并整理得

第三节流体在管内流动时的阻力

第三节流体在管内流动时的阻力如图1-28所示，水在（a）、（b）、（c）三种不同的管路中以相同的速度流动，且A、B两点的距离相等。试问三种装法中，压差计读数如何变化?A、B两点的压差与经过该段的阻力损失所产生的压强的关系是什么？思考题1-3

第三节流体在管内流动时的阻力图1-28思考题1-3附图

第三节流体在管内流动时的阻力（二）摩擦系数由式（1-36）知，摩擦系数λ是剪应力τ的函数，影响剪应力τ的因素都将影响摩擦系数。流体流动类型不同，对剪应力的影响也不同。故摩擦系数与流体流动类型有关，下面分别讨论。

第三节流体在管内流动时的阻力层流时的摩擦系数1.经过理论分析和大量的实验研究，流体在圆形直管内作层流运动时的压力降可用下式计算，即式（1-40）为层流时摩擦系数λ与Re数的关系，已知层流流动的雷诺准数，便可计算出摩擦系数，进而求出阻力损失。

第三节流体在管内流动时的阻力湍流时的摩擦系数2.湍流流动时的情况相当复杂，无法建立数学模型，不能从理论上推导出计算λ的公式，这时只有依据实验找出规律。先根据理论分析和简单实验找出影响研究对象的各种因素，如影响湍流时阻力损失的因素有l、d、u、ρ、μ及绝对粗糙度ε。[JP+1]绝对粗糙度是指管壁粗糙面凸出部分的高度，绝对粗糙度ε与管内径d之比ε/d称为相对粗糙度。表1-2列出了一些工业管路的绝对粗糙度。所以，湍流流动时，影响摩擦系数λ的主要因素为雷诺准数Re和相对粗糙度ε/d。

第三节流体在管内流动时的阻力

第三节流体在管内流动时的阻力湍流时摩擦系数的计算可采用近年得出一些新的经验式，现推荐一个简单、实用、经修正的公式：为了计算方便，可用实验结果将λ、Re、ε/d三者之间的关系绘于双对数坐标内，两个坐标均按对数划分，但标注的数值为真数，如图1-29所示，图中有四个不同区域。

第三节流体在管内流动时的阻力（1）层流区。Re≤2000时属于滞流（即层流）区，λ与管壁的粗糙度无关，在对流坐标纸上λ与Re成直线关系，且随着Re的增加，λ减小。（2）过渡区。2000<Re<4000时属于过渡区，此区没有实验数据，λ的获得一般是将湍流区的曲线延长，以备λ查用。

第三节流体在管内流动时的阻力（3）湍流区。Re≥4000及最右侧虚线以下的区域，此区域的特点是λ与Re及ε/d都有关系。当ε/d一定时，Re增加，λ减少，由于Wf与流速的平方成正比，故管路的阻力损失将增加，接近虚线时，λ随Re数加大而降低缓慢．当Re数一定时，λ随ε/d减小而降低。（4）完全湍流区。虚线以上的区域属于完全湍流区，这区的特点是λ随Re几乎为水平线，λ只与ε/d有关，与Re无关。阻力损失Wf与u2成正比，故此区又称为阻力平方区。

第三节流体在管内流动时的阻力其他条件不变，若管内流速增大，则湍动程度提高，管内阻力损失将增大。然而，在图1-29中显示，雷诺准数增大时，摩擦系数却减小，两者是否有矛盾？应怎样解释？思考题1-4

第三节流体在管内流动时的阻力图1-29

第三节流体在管内流动时的阻力流体在非圆形直管内流动时的摩擦阻力三、前面所涉及的管子都是圆形管道，在化工厂有时会遇到非圆形管道，如方形的气体通道、套管的环隙、列管的壳程等，而计算雷诺准数Re及阻力损失Wf式中的直径d都是圆管的直径，对非圆形通道计算雷诺准数Re及阻力损失值Wf时，必须找出一个与圆形管管径相当的量代替，为此引入当量直径的概念。对圆形管有

第三节流体在管内流动时的阻力一些非圆形管的常数C值见表1-3。应指出，不能用当量直径来计算流体的流速、流量和流体通过的截面积，即式（１-37）、式（１-38）及雷诺准数Re数中的流速u是指流体的真实流速，不能通过当量直径de来计算。

第三节流体在管内流动时的阻力管路中局部阻力损失的计算四、流体流经管件和阀门等局部部位时，由于速度的大小和方向都发生改变，产生漩涡，质点碰撞加剧，产生局部阻力，局部阻力的计算方法有阻力系数法和当量长度法两种。

第三节流体在管内流动时的阻力（一）阻力系数法流体流经局部部位时，由于湍动程度加剧，可视为进入阻力平方区，局部阻力与动能成

正比。所以式中

ζ——比例系数，也称为阻力系数，无因次，其值由实验测定。

第三节流体在管内流动时的阻力常用管件和阀件的局部阻力系数与当量长度值列于表１-４中。

第三节流体在管内流动时的阻力（二）当量长度法将流体流经阀门、管件等部件时的阻力折算成与管路等直径的长度为le的直管阻力，le称为阀门或管件的当量长度。这样只要将式(１-37)或式(１-38)中的l换以le即可算出局部阻力W′f或压强降Δp′f，即

第三节流体在管内流动时的阻力式中le——管件、阀门的当量长度，m。管件、阀门的当量长度也是由实验测定的。在湍流的情况下，某些管件、阀门的当量长度和局部阻力系数可从表1-4中查出。

第三节流体在管内流动时的阻力管路系统中的总流动阻力(总能量损失)五、管路中的总流动阻力损失包括直管的摩擦阻力与管件、阀门处的局部阻力损失。若管道尺寸相同，用当量长度法求总流动阻力∑Wf的通式为

第三节流体在管内流动时的阻力有时为了计算方便，一部分局部阻力采用当量长度法计算，还有部分局部阻力采用局部系数法来表示（如进口、出口等），则总阻力损失通式为

第三节流体在管内流动时的阻力上式中的速度u是指流体在直管中的流速，与柏努利方程式中的u不同，柏努利方程中的u是指两个衡算截面上的速度。若管路由若干直径不同的管子组成，则流体在各管内的流速不同，整个管路的阻力等于各管段直管阻力和局部阻力之和，即

∑Wf=∑Wf(直)+∑Wf(局)

（１-49）

第三节流体在管内流动时的阻力如图所示管路，试问：（1）B阀不动（半开着），A阀由全开逐渐关小，则h1、h2、(h1-h2)如何变化？（2）A阀不动（半开着），B阀由全开逐渐关小，则h1、h2、(h1-h2)如何变化？思考题1-5

第四节化工管路及管路系统的计算化工管路的计算是连续性方程式、柏努利方程式、摩擦阻力损失计算式及摩擦系数计算式等的具体应用。

第四节化工管路及管路系统的计算管路的种类及用途1.由于输送流体的工艺条件和输送介质的性质不同，管路分为以下几种：（1）铸铁管。常用作埋于地下的污水管和低压给水管等即属于铸铁管。其特点是价格低廉，强度较差，管壁厚而笨重。（2）普通(碳)钢管。普通钢管是化工厂应用最广的一种管子。根据制造方法不同，它又分为焊接钢管和无缝钢管两大类。化工管路的构成一、

第四节化工管路及管路系统的计算（3）有缝钢管。有缝钢管俗称水煤气管，适用于输送水、煤气、压缩空气(p＜1MPa)、油和取暖蒸气(p＜0．4MPa

)等一般无腐蚀性的低压流体。其规格用公称口径Dg或DN(mm)表示，是内径的近似值。（4）无缝钢管。根据加工方式的不同，无缝钢管分为热轧管和冷拔管两种，多用作较高压强和较高温度的无腐蚀性流体输送之用，其规格用外径×壁厚表示，单位为mm。（5）合金钢管。合金钢管种类很多，以镍铬不锈钢管应用最为广泛。主要用于高温或腐蚀性强烈的流体。

第四节化工管路及管路系统的计算（6）紫铜管和黄铜管。紫铜管和黄铜管重量较轻，导热性好，低温下冲击韧性高。宜作热交换器用管及低温输送管。（7）铅管。铅管性软，易于锻制和焊接，但机械强度差，多用于硫酸工业及其他工业部门作耐酸管道，但硝酸、次氯酸盐和高锰酸盐类等介质不宜使用。（8）铝管。铝管能耐酸（除盐酸外）腐蚀但不耐碱及盐等含氯离子的化合物的腐蚀，多用于输送浓硝酸、醋酸等。

第四节化工管路及管路系统的计算（9）陶瓷管及玻璃管。陶瓷管及玻璃管的耐腐蚀性好，但性脆，强度低，不耐压。陶瓷管多用于排除腐蚀性污水，而玻璃管由于透明，有时也用于某些特殊介质的输送。（10）塑料管。塑料管一般用于常压、常温下酸、碱液的输送，也用于蒸馏水或去离子水的输送以避免污染。（11）橡胶管。橡胶管能耐酸、碱，抗腐蚀性好，且有弹性，能任意弯曲，但易老化，只能用作临时性管道。

第四节化工管路及管路系统的计算管路的连接2.常见的管路连接方法有如下几种：(1)螺纹连接。螺纹连接一般适用于管径低于50mm，工作压强低于1MPa，介质温度低于100℃的黑管、镀锌焊接钢管或硬聚氯乙烯管的管路连接。

(2)焊接连接。焊接连接适用于有压管道及真空管道，多用于无缝钢管、有色金属管的连接。(3)承插连接。承插连接适用于埋地或沿墙敷设的低压给、排水管，如铸铁管、陶瓷管、石棉水泥管等，采用石棉水泥、水泥砂浆等作为封口。(4)法兰连接。法兰连接广泛应用于大管径、耐温耐压与密封性要求高的管路连接以及管路与设备的连接。

第四节化工管路及管路系统的计算常用管件3.管件主要用来连接管子以达到延长管路、改变流向、分支或合流等目的。最基本的管件如图1-31所示。用以改变流向有的90°弯头、45°弯头、180°回弯头等；用以堵截管路的有管帽、丝堵(堵头)、盲板等；用以连接支管的有三通、四通；用以改变管径的有异径管(大小头)、内外螺纹管接头(补芯)等；用以延长管路的有管箍、螺纹短节、活接头、法兰等。

第四节化工管路及管路系统的计算图1-31常用管件

第四节化工管路及管路系统的计算阀门是用来启闭或调节管路中流体流量的部件，种类繁多，常用的有下列几种，如图1-32所示。常用阀门4.图1-32常用阀门

第四节化工管路及管路系统的计算（1）闸阀。闸阀的阀体内装有一闸板，通过闸板的升降以启闭管路。这种阀门全开时流体阻力小，全闭时较严密，多用于大直径管路上作启闭阀。由于其密封面易擦伤，不宜用于含有固体颗粒或物料易于沉积的流体。（2）截止阀。截止阀的主要部分为阀盘与阀座，流体自下而上通过阀座，其构造比较复杂，流体阻力较大，但密闭性与调节性能较好，也不宜用于黏度大且含有易沉淀颗粒的介质。

第四节化工管路及管路系统的计算（3）止回阀。止回阀又称为单向阀，靠流体的压力自动开启，只允许介质作一定方向的流动，可防止管道或设备的流体倒流。（4）球阀。球阀是用一个中间开空的球体作阀心，靠球体旋转来开关管路。结构比闸阀、截止阀简单，启闭迅速，操作方便，体积小，流体阻力小。适用于低温、高压及黏度大的介质，但不宜用于调节流量。

第四节化工管路及管路系统的计算（5）旋塞。旋塞的主要部分为一可转动的圆锥形旋塞，中有孔道，当旋塞旋转至90°时管流即全部停止。这种阀门的主要优点与球阀类似，但由于阀芯与阀体的接触面比球阀大，需要较大的转动力矩，温度变化大时容易卡死，也不能用于高压。除此以外，还有蝶阀、减压阀、安全阀、疏水阀等，它们各有自己的特殊构造与作用。

第四节化工管路及管路系统的计算工厂中常用的管路，按其连接和铺设的情况，可分为简单管路和复杂管路两类。管路计算二、流体从进口到出口在一根没有分支的管路中流动，该管路称为简单管路。简单管路分两种类型。（1）由直径相同的管段组成的管路。其特点是不可压缩性流体在管内作稳定流动时，通过整个管路的流速不变。（2）由直径不同的管段组成的串联管路。其特点是不可压缩性流体在管路中作稳定流动时，通过各段的体积流量均相等，各段的流速可用连续性方程计算。

第四节化工管路及管路系统的计算（一）简单管路

第四节化工管路及管路系统的计算（二）复杂管路复杂管路是指有分支或汇合的管路，它分为并联管路和分支管路两类。（1）并联管路。并联管路如图1-33所示，流体分流后又汇合的管路称为并联管路，特点如下：图1-33并联管路

第四节化工管路及管路系统的计算（2）分支和汇合管路。流体从总管分流成多个支管的管路称分支管路，如图1-34所示。流体从多个支管汇合于总管的管路称汇合管路，如图1-35所示。图1-34分支管路

第四节化工管路及管路系统的计算图1-35汇合管路

第四节化工管路及管路系统的计算计算并联管路的总阻力损失时，能否将并联的各支管的阻力损失全部相加作为并联管路的总阻力损失？思考题1-6

第四节化工管路及管路系统的计算（三）简单管路的工业应用简单管路在工业应用中的计算理论依据是静力学方程、连续性方程、柏努利方程和阻力损失的计算公式。工程上管路的计算可分为设计型计算和操作型计算。

第四节化工管路及管路系统的计算设计型计算1.设计型计算是指对于工艺上要求的流体输送任务，选用合理且经济的管子规格，并进行管路布置，确定输送设备的类型和型号。

第四节化工管路及管路系统的计算操作型计算2.操作型计算是指管路系统的设置已经固定，要核算一定条件下输送设备的输送能力或某些技术指标。

第四节化工管路及管路系统的计算如图1-40所示，从高位槽向车间引水，高位槽水位保持不变，管端1、2管径相同，现因管段2有渗漏，而将其换成一直径较小的管段，长度与原来相同，试分析输送能力和阀门前后压力的变化。思考题1-7图1-40思考题1-7附图