《化工原理教学资料》第一章流体流动与输送机械(郭锴)

1、化工原理，北京化工大学郭绪论，化工原理是一门很有用的课程，处理有关理论和问题的方法适用于整个工程科学学科其意义不仅是“化学工程学”，而且学通后，对自然段客观规律的认识加深了“化工原理”，从“尤针织面料操作”发展而来，尤针织面料网际网络课程：资源分享课程搜索“化工原理”可以在上线了学习。0.1化工生产过程和尤针织面料操作，0.1.1化工是用化学和物理方法加工原料得到产品的工业。 化工产品不仅是工业、农业和国防的重要生产资料，也是人们日常生活中的重要生活资料。 近年来，传统化工已延伸到石油化学工业、精细化工、生物化工、环境、压电石英药、食品、冶金等工业领域相结合，出现了“

2、化工及其近过程工业”的萃取法，进一步揭示了其在国民经济中的重要地位。 尽管化工产品种类繁多，生产过程非常复杂，各产品的生产过程也各不相同，但归纳起来可以看作是由原料预处理过程、化学反应过程和反应产物后处理三个基本环节组成。 例如，乙烯法氯乙烯的制造过程是以乙烯、氯化氢和空气为原料，在压力0.5MPa、温度220、CuCl2为催化剂等条件下反应，制造氯乙烯。 反应前，乙烯和氯化氢必须经过预处理去除有害物质，避免催化中毒。 在反应后生成物中，除了作为反应主生成物的氯乙烯以外，还含有未反应的氯化氢、乙烯及副产物，例如二氯乙烷、三氯乙烷等。 经过氯化氢的吸收过程、二氯乙烷、三氯乙烷和氯乙烯的分离过程等

3、后处理过程，最终得到聚合级精制氯乙烯。 其生产过程的概略图如下所示。 上述生产过程中，单体合成除了化学反应过程之外，还是原料和反应生成物的前处理和后处理过程中的精制、精制分离，为了反应过程维持一定的温度、压力而进行的加热、蒸发制冷、压缩等是物理加工过程。 在化学和石油化学、制药等工业中，物理加工过程的固定投资约占全厂固定投资的90，在化工生产过程中可以看到它们的重要地位。 0.1.2针织面料操作(Unit operation )通常一个产品的生产过程需要几个或几十个物理加工过程。 但研究了化工生产的诸多物理过程，结果表明根据这些个物理过程的操作原理和特点，可以归纳为流体流动与运输、沉降、过滤、

4、加热与蒸发制冷、蒸发、蒸馏、吸收、干燥、结晶与吸附等基本操作过程。 流体动力过程(动量传递)遵循流体动力学的基本规律，以动量传递为理论基础的热针织面料操作传递过程(传热)遵循传热的基本规律，即热传递(heat transfer ) 以理论为基础的单针织面料操作传递过程(mass transfer process ) (质量传递)遵循传递基本规律，以质量传递(mass transfer )为理论基础的单针织面料操作热、质向云同步传递过程遵循热质向云同步传递规律的单针织面料操作。 1923年，美国麻省理工学院教授W.H .瓦尔克等人出版了第一个关于尤针织面料操作的萩作化学工业原理(principl

5、esofchemicalengineering )。 解放后，中国也陆续出版了以尤针织面料操作为主线的化工原理、化工过程和设备等教材，沿用了化工原理这一名称。0.2化工原理课程的性质、内容和任务、本课程的性质：本课程是继数学、物理、化学、物理化学、校正计算机基础上开设的技术基础课，也是一门实践性很强的课程，所讨论的各单元操作与生产实践密切相关。 本课程内容：主要研究化工生产过程中各尤针织面料操作的基本原理、典型设备及其设修订核算方法。在流体动力过程中，包括流体的流动和输送、非均匀物系的分离等单针织面料操作在内的传热过程，包括传热、蒸发等单针织面料操作在内的传热过程，包括蒸馏、吸收、吸附、膜分离

6、等单针织面料操作在内的热质过程，包括干燥、结晶化等单针织面料操作。 本课程任务：培养学生利用本学科的基础理论和技能(如电算等)分析解决化工生产中实际问题的能力，特别注意培养学生的工程科学观点、定量核算、设计开发能力和创新理念。 具体要求如下：选定基于生产技术要求、材料特性和技术、经济特征，可合理选择用户针织面料操作和设备的设定修订运算，可根据选择的用户针织面料操作进行过程修订运算和设备设定修订，数据不足时可进行实验测量所需数据等办法，操作采用操作原理、操作具有分析和解决运行中出现的故障的基本能力开发创新具有加强或优化流程和设备的基本能力。0.3欧针织面料操作常用的基本概念和观点、4个基本概念和

7、一个观点：建立材料平衡核算、能量平衡核算、工艺平衡核算和速度4个基本概念和经济核算的观点。 (1)根据材料平衡计算质量守恒定律，与某一工艺或设备以外的材料的质量之差必须等于该工艺或设备中存储的材料的质量，即，(2)在本教材中讨论的能量平衡(3)物系的平衡关系(equilibrium relation )是物系的传热和传递过程进行的方向和能够到达的界限。 例如，当两种物质的温度不同时，即温度不平衡时，热从高温物质传递到低温物质，在温度相等之前，传热过程达到极限，两种物质之间不再有热的纯传递。 (4)进程传递速度(rate of transfer process )是指进程的进行速度，通常用单位时

8、间内进程进行的变化量来表示。 例如，传热处理速度用在单位时间内传递的热量或者用在单位时间内的单位面积内传递的热量表示的传递过程的速度用在每单位时间的单位面积内传递的物质量来表示。 很明显，过程传输速度越大，设备的生产能力越大，或者在实现相同生产量时设备的尺寸越小。 在工艺上，过程传递速度问题往往比过程平衡问题更为重要。 (5)经济核算在建设具有一定生产能力的设备时，可以根据设备的型号、材料，提出几个不同的建设核算方案。 对于相同的设备，如果选择不同的操作残奥表，由于设备费和操作费也不同，不仅要考虑技术的先进，还要通过经济核算确定最经济的设定修订方案，达到技术和经济的优化，不仅要考虑单一设备的优

9、化，也要考虑过程的系统优化。 现在，对于工程技术人员来说，确立优化的技术经济观点是很重要的。 第1章流体流动1.1流体基本性质1.2流体静力学1.3流体动力学1.4流体流动的内部构造1.5流体流动阻力1.6管路订正1.7流速和产水量的订正测量1.8流体输送机械，第1章流体流动，流体是气体和液体的总称。 流体的流动和输送是最普遍的化工单针织面料操作之一研究流体流动问题也是研究其他化工单针织面料操作的重要基础。 1.1流体基本性质，1.1.1连续介质是1.1.2流体作用于可压缩性1.1.3流体的力1.1.4质量力和密度1.1.5压力1.1.6假设剪切力和黏性系数，1.1质点：由多个分子组成的传声器

10、计程仪环，其尺寸远远小于设备尺寸，分子工程科学意义：利用连续函数的数学工具，从宏命令中研究流体。1.1流体的基本性质，1.1.2流体的可压缩性，非可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体压强压缩性流体：流体的体积随气体等压力变化。 表面力：通过直接接触作用于流体表面的力，其大小与流体的表面积成正比。 作用于流体的力、作用于质量力：流体的各质点的力、其大小与重力、离心力等流体的质量成正比。 1.1.4质量力和密度1，密度单位体积的流体质量。 kg/m3、二、一成分密度、液体密度仅随温度而变化(极高的压力除外)，其变化关系可从手册中调查。 瓦斯气体在压力不太高、温度不太低时，可以用理想的

11、瓦斯气体状态方程进行补正：注意：手动检查的瓦斯气体密度都是一定的压力和温度下的值，条件不同时需要换算。 三、混合物的密度、混合瓦斯气体的各成分只要在混合前后质量不变，就有瓦斯气体混合物中各成分的体积分数。 或者混合瓦斯气体平均摩尔质量； 瓦斯气体混合物中各成分的摩尔(体积)分率。 假设混合液体的各成分在混合前后体积发生变化，则混合液体具有液体混合物中的各成分的质量分数。 四、比容、每单位质量的流体所具有的体积是密度的倒数。m3/kg、1.1.5压力、流体与单位面积垂直作用的力称为流体的静压，在习惯上也称为压力。 一、压力单位、SI制： N/m2或Pa； 或以流体柱的高度表示：注意：如果以液体柱

12、的高度表示压力，则必须指定流体的种类(例如600mmHg、10mH2O等)。 二、压力的表示方法、绝对压力以绝对真空为基准测定的压力。 以男同性恋二压或真空度大气压强为基准测定的压力。 标准空气压的换算关系：1ATM=1.013105 Pa=760 mmhg=10.33 mh2o，男同性恋二压=绝对压力大气压强压力真空度=大气压强力绝对压力，一、牛顿粘性定律，或式中： f内摩擦力，n剪切应力，pa； 法向速度梯度，1/s； 比例系数称为流体的黏性系数，Pas。 1.1.6剪切力和黏性系数、牛顿型流体：剪切力和速度梯度的关系符合牛顿粘性规律流体非牛顿型流体：不符合牛顿粘性规律的流体。 二、流体的

13、黏性系数(动力粘度)，一、黏性系数的物理意义流体流动时，在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪切应力。 黏性系数的物理本质：分子间的引力和分子的运动与碰撞。 2 .黏性系数单位，SI制： Pas或kg/(ms )物理制： cP (厘米泊)，换算关系，1cP10-3 Pas(mPas )，流体黏性系数的大致范围，3 .运动黏性系数，单位：三，理想流体和实际的流体理想流体：黏性系数为零的流体实际的流体或黏性流：有粘性的流体。 1.2流体静力学、1.2.1静压特性、1.2.2流体静力学基本方程、1.2流体静力学、流体压力与作用面垂直，并且作用于指向该作用面的任意界面两侧的压力大小相等，方向

14、相反的任意点的不同方向的压力在数值上相同。 1.2.1静压特性，一、用静力学基本方程、重力场对液柱进行受力分析：(1)上端面承受的总压力，(2)下端面承受的总压力，(3)液柱的重力，流体不能压缩， (2)物理意义：每质量流体具有的势能，J/kg； 每单位质量的流体所具有的静压能量，J/kg。 在同一静止流体中，处于不同位置的流体的势能和静压能各不相同，但两者可以变换，其总和不变。 (3)在静止的连续同种流体内，处于同一水平面上的各点的压力在任何地方都相等。 压力相等的一面叫做等压面。(4)压力具有传递性：液面上方的压力变化时，液体内部各点的压力也随之变化。 二、静力学基本方程的应用，1 .压力

15、和压力差的测定，(1)U形差压改正，指示液的密度，作为被测定流体的密度。 a面和a面是等压面，因此，如果被测定流体是气体，则有，如果0=，则进行整理吗？ 研究： (1)U字差压校正测定系统内2点的压力差，将u字管的一端与被测定点连接，另一端与大气连通时，也能够测定流体的男同性恋压力或真空度，男同性恋压力、真空度，(2)指示液的选定：指示液和被测定流体相互不溶解，不发生化学反应，其密度比被测定流体的密度大请根据被测量流体的种类及差压的大小选择指示液。 思考一下： u字压差校正安装在倾斜管路上时，此时的读数r反映了什么？密度接近但互不溶解的2种指示液a和c； (2)二液u管差压修正，扩大室内径和u

16、管内径之比必须大于10。 适用于压差小的情况。 (3)倒u字差压修正、指示剂密度比被测定流体密度小，例如以空气为指示剂，(5)复式差压修正、(4)倾斜式差压修正适用于差压小的情况。 适用于压差大的情况。 如例1-1图所示，水在水平配管内流动。 为了测量某断面上的流体压力，在此直接连接u字压差校正，指示液为水银，读数为R250mm、m900mm。 已知当地的大气压强为101.3kPa，水的密度为1000kg/m3，水银的密度为13600kg/m3。 我试着修正一下这个截面上的压力。 例1-2如图所示，用复式u字差压修正来测定某流体在管路a、b中流动的2点的压力差。 已知流体的密度是指示液的密度为

17、0，两u字管指示液间的流体与管内流体相同。 已知2个，u字差压修正的读取值分别为R1、R2，尝试导出a、b 2点的压力差的修正公式时，得到怎样的结论，从左到右推一推、等压面上、左px、右px、2 .液位测定，(1)近距离液位测定装置、差压修正读取值r在容器内液面越高，h越小，差压修正的读取值r越小。液面最高时，h为零，r也为零。 (2)由于配管中充满氮瓦斯气体，其密度小，是可以近似考虑的远距离液位测量装置，因此，3 .液封高度的补正，液封作用：确保设备的安全：当设备内压力超过规定值时，防止气体从液封管排出，防止储气罐内的瓦斯气体泄漏。 液封高度： 1.3流体动力学，1.3.1流体的产水量和流速1.3.2稳态流动和非稳态流动1.3.3稳态流动系统的质量平衡修正连续性方程式1.3.4稳态流动系统的机械能平衡修正巴努利方程式，1.3流体动力学，1.3流体动力学Vsm3/s或m3/h 2.在质量流率单位时间内对管路的毫克/秒或千克/小时。 二者的关系：一、产水量、一.三. 1流体的产水量和流速、二、流速、二.质量流速单位时间内流过管路单位截面积的流体质量。 流速(平均流速)每单位时间的流体质点沿流动方向流动的距离。 kg/(m2s )、产水量与流速的关