化工原理上册课件第三版

1、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,550 3MPa,220 0.5MPa,550 0.8MPa,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

2、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)。

3、,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

4、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

5、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：

6、天津大学出版社,2003 8. 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

7、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

8、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

9、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,

10、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=100

11、0cP, 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，1 m2/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

12、 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=0.1013MPa 1a

13、tm=1.033kg(f)/cm2 1atm=10.33mH2O=760mmHg 1bar=105Pa 1psi=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

14、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

15、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

16、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1 000kg/m3，水银的密度13 600kg/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

17、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

18、.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

19、流体适宜流速范围：,水及一般液体 13 m/s 粘度较大的液体 0.51 m/s 低压气体 815 m/s 压力较高的气体 1525 m/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910-3m

20、3/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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、，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=29.4103 Pa（表压）;=1100 kg/m3，hf=30.8 J/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

26、,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

27、素：流速u 物性因素：流体的密度及粘度。,无因次数群或准数,2000 Re 4000 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

28、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

29、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

30、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,A C：压力逐渐减小（顺压梯度）； C S：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。,A C：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）； C S：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

31、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

32、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：

33、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 n 7 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

34、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.Nikuradse and L. 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 ；

35、（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,

36、（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101.3 kPa）,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4.3465.0 m3/h。,第2章 流体输送机械,2.

37、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

38、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

39、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

40、径 qv、b2、2一定，D2、n HT ,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

41、） 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

42、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,

43、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

44、，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；

45、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，