流体流动与输送8讲解

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1、化工原理 化学工业-生产化学品的工业 无机化工 酸、碱、盐、化肥、电化学等工业。 基本有机化工-是基础 以石油、煤、天然气等为基础原料，经化学加工生产各种有机产 品（如烃、醇、醛、酮、羧酸、酯等）的工业。 精细化工-包括化学制药 经深加工得小批量、多品种、具有特定功能高附加值的化学品 （表面活性剂、化妆品、涂料、食品添加剂等）的工业。 高分子化工 由小分子物质合成大分子量有机物（聚合物，如：三大合成材料 等）的工业。 化学工业分类 预处理 反应分离 粗产品精制 产 品 分离技术三废处理 核心反应控制 化工工艺 学 化工产品生产过程 原 料 化工产品生产过程一般包括： 1.原料预处理 2.化学反

2、应（选用合适反应器、确定最佳操作条件 、使反应向预期的方向进行） 3.产物分离与精制 除化学反应外，原料预处理和产物提纯可归纳为若干 种基本的物理过程，如流体流动与输送、传热、蒸发 、精馏、结晶、吸收、过滤等多种单元操作。 化工原理 学习内容： 化工生产中常用单元操作（流体流动、 传热、精馏等）原理、设备结构及简单计算。 “三传一反” 动量传递（流体流动、过滤等） 热量传递（传热-推动力：温度差） 质量传递（传质精馏、萃取等,推动力：浓度差） 化学反应过程 第一章 流体流动与输送 第二章 传热 第三章 精馏 第四章 萃取（抽提） 第五章 吸收与解吸 化工单元操作 前 言 流体流动是化工生产的最

3、基本单元操作。 流体流动其它单元操作的基础。 流体流动应用： v压力测量 v液位测量 v流量测量 v流体输送设备选型 流体静力学 流体动力学 流体的阻力 管道布置 流体输送及设备 第一章. 流体流动与输送 1.1 流体静力学 一、流体 指具有流动性的物体，包括液体和气体。 流体的分类：不可压缩流体-液体 可压缩流体-气体 化工生产中所处理的原料及产品，大多是流体。 生产时，往往把流体依次输送到各设备内，进行化 学反应或物理变化等，故动力消耗及设备的投资都 与流体的流动状态密切相关。 流体流动与输送是化工生产中的一个基本单元操作 1. 流体密度与相对密度 1) 密度-单位体积流体所具有的质量。

4、表达式为 国际单位（SI制） kg/m3 二、流体主要物理量 2）相对密度 为流体密度与4时水的密度之比，习惯称比重 。 v 相对密度无单位 v 流体在t时的密度 v 水水在4时的密度，为1000kg/m3 液体密度 不可压缩流体，压力变化对其影响不大，可用比重 计测定。 气体密度（与温度、压力密切相关） 低压气体可用公式计算： 气体密度与温度、压力有关，温度越高、压力越低，密度越 小 同温同压下，分子量M越大，气体密度越大。如氯气密度高 于氮气、空气。 2压压强（压压力） 定义义：流体垂直作用于单单位面积积上的力，简简称压压 强（习惯习惯 称压压力）。用 符号表示 -面积， m2 - 为流体

5、垂直作用于A面积上的力， N - 作用在该表面 上的压力，N/m2，即Pa 压强的单位 v国际单位（SI制）N/m2，称帕斯卡，代号Pa 0.1MPa = 100 kPa 1atm v其它单位：大气压（代号atm） 毫米汞柱（mmHg） 米水柱 （mH2O） 单位换算：1atm=760mmHg=101.3kPa=10.33mH2O 压力的表达方式 在生产中压力有三种方式：绝压、表压和真空度。 绝对压强（绝压）-指流体的真实压强，非仪表读数 。 相对压强-以当地大气压为基准测得，即：生产中所用 压力仪表显示的数值 表压-若所测设备内压力高于大气压。所用仪表称压 力表，仪表读数为表压。 表压 =

6、绝对压强 大气压强 精馏原理 真空度 当被测流体的压力小于大气压时，所用测压表 称真空表，仪表读数称为真空度。即 真空度 = 大气压强 绝对压强 真空度数值越大，绝压越小。 u由压力表或真空表上得出的读数必须根据当时、当地的 大气压强进行校正，才能得到测点的绝对压强。 u绝压的计算公式： 绝压 = 大气压 + 表压 低 于 大 气 压 高 于 大 气 压 图1-1 绝对压强、表压和真空度的关系 A B 绝压 = 大气压真空度 计算 1.某反应器测得表压是8atm，外界压力为1atm。绝压？ 2.兰州石化某精馏塔塔顶真空度为620mmHg,当地大气压 为85.3kPa，绝压？（2.7kPa） 三

7、、 流体静力学方程 为解决流体输送过程中遇到的问题，必须了解 流体流动的基本规律，处于静止状态的液体，流 速为零，这是流体流动最简单情况。 流体密度为 ，静止流体内部某处压强 为 ： 其中 -液面上方压强 -液体内部某处距离液面的高度 流体静力学基本结论 1.静止液体内部压强与液体密度和深度有关 2.静止液体内部压强与液体上方压强p0有关 3.静止液体内部相连通的同一水平面处压强相等，称等 压面。 四、流体静力学方程应用 1.测量压力或压差 测量表压 测量真空度 系统压力高于大气压系统压力低于大气压 流体静力学方程 图1-5 玻璃液位计 2. 测量液位 要了解容器内液面或控制一定液面，都 需要

8、进行液位测量。 相连通的静止液体内部，同 一水平面处压强相等 即：内部连通的静止液体， 其液位相等 3.远距离测量液面（所测气体与槽内液体不溶） 4.液封高度确定 要保证乙炔发生炉内压力维持在10kPa，确定水封高度h； 压力超过10kPa气体就从水封管排出 1.2 流体动力学 一、流量与流速 流量-单位时间流过管路任意截面的流体量，包括 ： 体积流量（用符号 表示，单位m3/s或m3/h ） 质量流量（用符号 表示，单位kg/s或kg/h） 质质量流量与体积积流量的关系为为： 流速 -单位时间内流体在流动方向流过的距离 。工程上多用平均流速u表示，m/s。 体积流量 与流速u关系： 若圆管管

9、道直径为d，则 u流量一定时，流速高需管径小，但阻力大、能耗高 、管道震动；u低需d大，固定投资高。 u适宜流速由权权衡操作费费用和投资资费费用来决定。 通常，液体的流速取0.53m/s，气体则为则为 1030m/s 。每种流体的适宜流速范围围，可从手册中查查取。 钢管规格以外径和壁厚来表示，表以外径壁厚 二、稳稳定流动动与不稳稳定流动动 图图1-6 稳稳定流动动 1稳稳定流动动 流体在流动时动时 ，任一截面处处流体的流速、压压力、密 度等有关物理量仅仅随位置而改变变，不随时间时间 而变变 稳稳定流动时动时 ，根据质质量守恒定律，通过过管路任一截面 的流体质质量流量应应相等。 流体的稳定流动

10、圆管中，流速与截面积成反比 与管径的平方成反比 液体，不可压缩压缩 ，则则 ： 图图1-7 不稳稳定流动动 2不稳稳定流动动 流体在流动时动时 ，任一截面处处流体的流速、压压力、密 度等有关物理量随时间时间 而变变。如下图图所示。 在化工生产产中，流体输输送操作多属于稳稳定流动动。不 稳稳定流动仅动仅 在开停车时发车时发 生。 三、稳定流动时流体能量的变化规律柏努利方程 流动流体的总机械能： v位能：流体位置的高低而决定的能量。 v动能：流体有流动速度而具有的能量。 v静压能：流体有静压力而具有的能量。 1.流动流体时具有的机械能(质量为 mkg) 2. 理想流体的流动 理想流体-流体无粘性、

11、无摩擦力： 当理想流体在一密闭管路中作稳定流动时，由能量 守恒定律知，在管路任一截面的流体总机械能是一常 数。即 各种形式的机械能可相互转换 单位质量流体 管径减小、流速增大，静压强减小 稳定流动时，机械能守恒，即动能增大则静压能减小 3. 实际流体稳定流动时的能量衡算 流动过程中，会损失能量(J/kg) 原因：分子间摩擦、流体与管壁摩擦等产生阻力。 外加能量 流体从输送设备（泵）处获得能量 (J/kg)，以 克服阻力 能量守恒定律 实际流体稳定流动时，任意两截面处 柏努利方程 柏努利方程其他写法 v损失能量：流动阻力导致总系统能量损失。以hf 表示，单位m v外加能量：输送机械对流体做功，系

12、统能量增加 。以He表示，单位m v1牛顿流体具有的总机械能(总压头) 柏努利方程讨论 v方程说明流体流动实质是能量转化过程。 v没有外加功，流体流动的动力是位差和压强差，即从 高压头处自动向低压头处流动。或者说，要使流体从 低压头处流向高压头处，必须增加能量,即机械设备 做功。 v没有外功，忽略损失压头，流体在粗细不等的水平管 中流动，管道细处：流速高、压强小。 v流体静止时，柏努利方程即变为静力学方程 4.柏努利方程应用 v 计算流体的流速和流量 例： 高位槽水面保持稳定，水 面距水管出口为5m，所用 管路为108 4 mm钢管， 若管路损失压头为4.5m水 柱，求该系统每小时的送 水量。

13、 4.柏努利方程应用 v 确定流体输送设备提供的压头扬程 v 用于测量流量-孔板流量计 v 节流件-小孔 当流体流经管道内的节流装置时，流束将在节流件处形成局 部收缩，从而使流速增加，静压力低，于是在节流件前后便 产生了压力降，即压差，介质流动的流量越大，在节流件前 后产生的压差就越大，所以孔板流量计可以通过测量压差来 衡量流体流量的大小。 1.4 流体阻力 流体流动时会遇到阻力，简称流体阻力，阻力的大小与流体黏 度、流动类型等有关。 分两类 直管阻力：流经直管、由于流体内摩擦产生的阻力。 局部阻力：经阀门、管件，因流动方向和流速改变而产生阻力 流体阻力的观察 流体阻力 一、流体的黏度 流体具

14、有内摩擦力是产生流体阻力的内因。 外因：流动速度、管壁粗糙程度、管长、管径等。 流体流动时流层之间产生内摩擦力的这种特性，称为黏性。黏 性大的流体不易流动 。 黏度-衡量流体黏性大小的物理量，用符号 表示。单位 ：泊，用符号P表示。一般常用厘泊（cP）。 1P100cP 液体的黏度随温度的升高而降低；气体则相反，黏度随温度的 升高而增大。 二、流体流动类型 1）向水箱充水，保持水箱溢流。 2）微开泄水阀及有色液体出水阀A，有色液体流入管中。调节泄水阀，使水 平管中的有色液体呈一条直线，此时水流为层流，如a图。 3）慢慢开大泄水阀，发现在某一开度时，有色液体变成波状形，如b图。 4、继续开大泄水

15、阀，发现有色液体遍布管内，此时为湍流，如c图。 层流 湍流 1.雷诺实验 A 过渡 溢 流 泄水阀 2. 流动类型 层流（滞流）-流速较小时，流体质点沿管轴做规则的平行 直线运动，与其周围的流体质点间互不干扰，形象地看成一 层一层的流动。 v 流体的相对运动，慢层对快层产生阻碍力 湍流（紊流）-流速增大到某一值时，流体质点互相混杂，形 成大小不等的涡体，即不规则脉动并彼此混合。 3. 流动类型判定-雷诺数 当Re2000时，属于层流，称层流区； 当Re4000时，属于湍流，称湍流区； 在实际生产中，流体的流动类型多属于湍流 三、圆管内流体的速度分布 流体流动时，流体质点之间、流体与管壁之间都有摩擦阻力 。因此，靠近管壁附近处的流速较小，附在管壁上的流速为零 ，离管壁越远流速越大，管中心线上流速最大。一般流速指平 均流速。下图是层流与湍流时管道截面上的流速分布。 a层流 b湍流 速度分布曲线 流体边界层-湍流流动时，有利于传质、传热， 无论湍动程度如何剧烈，在靠近管壁处总粘附着一 层作层流流动的流体薄层。 厚度虽很小，但对流体传热、传质等不利。其厚 度与Re成反比。 应尽量减小边界层厚度。 四、