化学工程流体的流动和输送省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第一篇第一篇 传递过程传递过程流体动力过程流体动力过程流体输送流体输送、压缩和减压、流速流速与流量与流量、过滤、沉降、离心分离、流态化热量传递过程热量传递过程加热加热、冷却、蒸发质量传递过程质量传递过程蒸馏与精馏蒸馏与精馏、吸收与解吸、萃取、离子交换、吸附、干燥、膜分离第1页流体流动基本规律是化工操作主要基础流体流动基本规律是化工操作主要基础。1.很多单元操作，都包括流体流动基本规律。2.流体流动与传热、传质乃至反应过程是不可分割。3.流体流动规律和传热、传质规律有类似性。本章着重讨论流体流动过程基本原理及流体在管内流动规律，并利用这些原理与规律去分析和计算流体输送问题。第二章第二章 流体流动和输送流体流动和输送 第2页在学习本章时，重点可围绕以下几个基本方程来进行。流体静力学方程流体静力学方程质量衡算和连续性方程质量衡算和连续性方程能量衡算和柏努利方程能量衡算和柏努利方程动量衡算和流体阻力计算关系式动量衡算和流体阻力计算关系式第3页第一节第一节 流体静力学流体静力学 流体性质密度、重度、比重、比容概念粘度概念流体在静止时压力分布静力学方程讨论和应用第4页流体性质1.流体是什么?流体是无数分子集团组成连连续续介质。气体和液体统称为流体。2.流体包含液体、气体、固体颗粒悬浮于液体或气体中。3.流体可分为：不可压缩流体（如液体）、可压缩流体（如气体）。流体体积假如不随压力及温度改变，不可压缩流体；假如随压力及温度改变，可压缩流体。气体密度随温度、压强改变较小，作为不可压缩流体。第5页流体静压强1.压强概念2.压强单位法定单位，N/m2，Pa。非法定单位：atm（标准大气压）、某流体在柱高度、bar（巴）或kgf/cm2等。1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.013105Pa第6页工程上：1at=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=0.9807bar=9.807104Pa1atm=1.033at第7页表压绝对压力大气压力真空度大气压力绝对压力第8页例2-1某台离心泵进、出口压力表读数分别为220mmHg（真空度）及1.7kgf/cm2（表压）。若当地大气压力为760mmHg，试求它们绝对压力各为若干（以法定单位表示）？第9页流体密度与比容流体密度与比容 一、密度一、密度生产中流体由若干组分所组成混合物。1.对于液体混合物，其组分浓度用质量百分数来表示。以1kg混合液体为基准，1）组分在混合前后其体积不变，即；式中-液体混合物中各纯组分密度，kg/m3；xwA、xwB、xw n-液体混合物中各组分质量分率。2）组分在混合前后其体积发生改变，参考化工热力学相关章节。第10页2.气体混合物组成通常以体积分率表示。各组分在混合前后其质量不变，则式中xVA、xVBxV n、-气体混合物中各组分体积分率。当气体混合物温度、压力靠近理想气体时，混合气体平均分子量MmMm MAyA+MByB+Mnyn式中MA、MB、Mn气体混合物各组分分子量；yA、yB、yn气体混合物各组分摩尔分率。第11页二、比容二、比容(课后了解课后了解)第12页液体静力学基本方程式液体静力学基本方程式 不可压缩流体：在垂直方向上作用于液柱力有：1.下底面：p2A；上底面：p1A；第13页1.压力相等水平面，称为等压面。(静止、连续、同一)2.当液面上方压力有改变时，必将引发液体内部各点压力发生一样大小改变。3.式可改写为第14页位压头（potentialhead）：为流体距基准面高度，静压头（static head）：，为单位重量流体静压能。静压头位压头常数第15页流体静力学基本方程式应用流体静力学基本方程式应用 一、压力测量一、压力测量 1.U型管液柱压差计pap1+（m+R）gpbp2+mg+R0g因为 papb 图2-4U管液柱压差计所以 p1+（m+R）gp2+mg+R0gp1p2R（0）g测量气体时，可简化为：p1p2R0g第16页2.微差压差计第17页例2-2P27第18页例2-3P28测量灵敏度第19页确定液封高度确定液封高度 如图所表示安全液封(或称为水封)装置。其作用是当设备内压力超出要求值时，气体就从液封管排出，以确保设备操作安全。若设备要求压力不超出P1（表压），按静力学基本方程式，求水封管插入液面下深度h。本题中要求乙炔发生炉内压强不超出10.7103Pa（表压）。第20页管内流体流动基本方程式管内流体流动基本方程式 流量和流速概念流量和流速概念稳定流动与不稳定流动稳定流动与不稳定流动流体流动物料衡算和连续性方程流体流动物料衡算和连续性方程流体流动能量衡算和流体流动能量衡算和Bernoulli方程方程Bernoulli方程讨论和应用方程讨论和应用第21页流量和流速概念一、流量-单位时间内流体流过管道任一截面流体量。1）体积流量，m3/s。2）质量流量，kg/s表示式为：二、流速单位时间内流体在流动方向上所流过距离，m/s。1.平均流速2.质量流速第22页例例题题某厂精馏塔进料量为50000kg/h，料液性质和水相近，密度为960kg/m3，请选择进料管管径。解：依据公式计算，1.选流速料液性质与水相近，查阅流体在管道中惯用流速范围表（0.53.0m/s）2.查阅管子规格3.重新核实流速第23页第24页稳定流动与不稳定流动稳定流动与不稳定流动 稳定流动：运动空间、各点状态参数（速度、压力、密度等）不随时间而变流动。不稳定流动：运动空间、各点状态参数（速度、压力、密度等）随时间而变流动。第25页连续性方程式连续性方程式（物料衡算）（物料衡算）第26页例例题题在定态流动系统中，水连续地从粗管流入细管。粗管、细管内径分别为d1，d2，求细管内水流速与粗管内水流速关系。解：结论：体积流量一定时，流速与管径平方成反比.第27页Bernoullis equation动量原理速度改变u，u+du动量改变速率为微元管段上所受作用力第28页物理意义第29页2.不可压缩非理想流体（有能量损失）实际流体含有粘性，流动必定有阻力，应加在下游如有外加机械功，应加在上游实际功率、有效功率第30页Bernoulli方程式应用方程式应用 类型：1.确定管道中流体流量2.确定容器间相对位置3.确定输送设备有效功率4.确定管路中流体压强5.非稳态流动系统流动第31页例1-9第32页解基准面：截面1-1，设截面2-2：蒸发器入口管口；在1-1与2-2截面间列方程式，即可认为u10，第33页注意以下事项：（1）作图与确定衡算范围依据题意画出流动系统示意图，并指明流体流动方向。（2）选取截面选取截面时应考虑到柏努利方程式是流体输送系统在连续、稳定范围内，对任意两截面列出能量衡算式，所以首先要正确选定。（3）确定基准面基准面是用以衡量位能大小基准。（4）压力同一基准（5）单位：SI单位制第34页例2-8实际流体流动产生涡流，阻力损失，对u校正，所用时间：第35页例2-9表压表压p1、p2皆用表压带入计算p2真空度=70.4kPa第36页2-2.4 流体流量测量流体流量测量 一、测速管一、测速管在内管2和外管1之间列方程z1 z2第37页测速管安装测速管安装1.必须确保测量点位于均匀流段，普通要求测量点上、下游直管长度最好大于50倍管内径，最少也应大于812倍。2.测速管管口截面必须垂直于流体流动方向，任何偏离都将造成负偏差。第38页二、孔板流量计二、孔板流量计引进一校正系数C，令：令：第39页第40页二、孔板流量计二、孔板流量计引进一校正系数c0，令：第41页例题2-10 P37第42页三、文丘里（三、文丘里（Venturi）流量计）流量计第43页四、转子流量计四、转子流量计 u00101第44页（二）（二）转子流量计校核转子流量计校核下标1表示出厂标定所用液体；下标2表示实际工作时液体：表示实际工作时气体密度（三）（三）安装转子流量计时应注意几点安装转子流量计时应注意几点转子流量计必须垂直安装，若倾斜度1度将造成0.8误差。转子流量计必须安装在垂直管路，而且流体流动方向必须是由下往上。第45页孔板流量计与转子流量计区分孔板流量计与转子流量计区分区分点孔板流量计孔板流量计转子流量计转子流量计流通截面形状圆孔，大小不变环形，改变经过流通截面流速u随流量qv改变u不随qv变经过流通截面压强差改变不变因为转子流量计因为转子流量计u u不随不随qv而变，只改变转子所处截面位置，所以而变，只改变转子所处截面位置，所以又叫又叫截面流量计截面流量计。经过环隙压强差（经过环隙压强差（p1-p2）不变，所以又叫）不变，所以又叫恒压差流量计恒压差流量计。第46页2-3 实际流体流动实际流体流动 粘度概念粘度概念 流体流动类型和雷诺准数流体流动类型和雷诺准数第47页牛顿粘性定律与流体粘度牛顿粘性定律与流体粘度 牛顿粘性定律牛顿粘性定律为百分比系数，称为粘性系数，或动力粘度（viscosity）。粘度只有在流体流动时才表现出来。粘度只有在流体流动时才表现出来。第48页第49页粘度单位在SI中，（基本单位：kgm-1s-1)在CGS中，=P（泊）=100cp（厘泊）第50页对于液体：温度增加，粘度下降；为何？对于气体：温度增加，粘度上升；为何？第51页运动粘度流体粘性还可用粘度与密度比值来表示。SI单位制CGS中单位，称为斯托克斯，简称为沲第52页流体中动量传递流体中动量传递 动量梯度剪应力可看作单位时间单位面积动量，称为动量传递速率第53页非牛顿型流体非牛顿型流体不服从牛顿粘性定律流体，如泥浆、一些高分子溶液、悬不服从牛顿粘性定律流体，如泥浆、一些高分子溶液、悬浮液等。浮液等。第54页非牛顿型流体非牛顿型流体对于非牛顿型液体流动研究，属于流变学范围。对于非牛顿型液体流动研究，属于流变学范围。1、宾汉型流体、宾汉型流体 宾汉型流体与牛顿型流体唯一差异是：宾汉型流体与牛顿型流体唯一差异是：为使该类流体流动需加入一个额外剪应力为使该类流体流动需加入一个额外剪应力:实际中实际中宾汉塑性流体有宾汉塑性流体有:干酪、巧克力浆、肥皂、纸浆、泥浆等干酪、巧克力浆、肥皂、纸浆、泥浆等第55页2、胀流型流体这类流体不普遍，其运动特征是表观粘度随这类流体不普遍，其运动特征是表观粘度随剪切速率增加而更加快增大剪切速率增加而更加快增大实际中实际中胀流型流体有胀流型流体有:淀粉溶液、蜂蜜、湿沙等淀粉溶液、蜂蜜、湿沙等n1第56页3、假塑性流体大多数非牛顿型流体属于假塑性流体，这类流体流动特征大多数非牛顿型流体属于假塑性流体，这类流体流动特征是其表观粘度随剪切速率增大而增加较少是其表观粘度随剪切速率增大而增加较少实际中实际中假塑性流体有假塑性流体有:蛋黄酱、血液、番茄酱、果酱、高分子溶液等蛋黄酱、血液、番茄酱、果酱、高分子溶液等n1第57页2-3.2 流体流动形态流体流动形态雷诺试验试验结果：流体在管内流动分层流、湍流两种类型流体在管内流动类型，由流体临界速度决定。临界速度大小受粘度、密度、管径影响。u、d、。第58页Re反应了流体流动中惯性力与粘性力对比关系，标志流体流动湍动程度。Re时，流动类型为层流；Re4000时，流动类型为湍流；Re4000，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或是二者交替出现。注：在生产操作条件下，Re3000情况按湍流考虑。第59页圆管中平均流速与最大流速比随Re改变第60页非圆形管当量直径非圆形管当量直径 套管环隙，当内管外径为d1，外管内径为d2时边长分别为a、b矩形管层流情况下，当采取当量直径计算阻力时，还应对式进行修正第61页边界层边界层边界层区（边界层内）：沿板面法向速度梯度很大，需考虑粘度影响，剪应力不可忽略。主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力能够忽略，可视为理想流体。边界层内流型改变。第62页稳定段进口段长度稳定段进口段长度进口段长度：层流：湍流：第63页层流内层即使很薄，但却对传热和传质过程都有较大影响。边界层分离边界层分离（课后阅读）（课后阅读）第64页2-4 管内流体流动阻力计算管内流体流动阻力计算一、流体在圆管内速度分布一、流体在圆管内速度分布第65页（一）流体在圆管中层流时速度分布层流流动特点：稳态流动时，管内各点速度沿直径存在一定分布，如图所表示；流体质点只有轴向运动而无径向运动。第66页层流时速度分布理论推导层流时速度分布理论推导 压差产生推力流体层间内摩擦力第67页阻力损失阻力损失表现形式阻力损失表现形式直径相同水平管倾斜管结论：流体流动阻力损失均表现为静压能降低第68页层流时流速分布层流时流速分布压差产生推力流体层间内摩擦力管中心流速为最大第69页层流时平均流速层流时平均流速取半径为处厚度为dr一个微小环行面积，经过此环形截面积流量第70页流体在圆管中湍流时速度分布流体在圆管中湍流时速度分布：湍流粘度第71页2-4.2 湍流时流动阻力湍流时流动阻力直管阻力：直管阻力：流体流经一定直径直管时因为内摩擦而产生阻力；局部阻力：局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方因为流速大小及方向改变而引发阻力。第72页管道壁面凸出部分平均高度，称为绝对粗糙度，以管道壁面凸出部分平均高度，称为绝对粗糙度，以 表示。表示。绝对粗糙度与管径比值即绝对粗糙度与管径比值即 ，称为相对粗糙度。，称为相对粗糙度。第73页表2-4一些工业管绝对粗糙度金属管管道类别绝 对 粗 糙度/mm非金属管管道类别绝 对 粗 糙 度 /mm无缝黄铜管、铜管及铝管0.010.05洁净玻璃管0.00150.01新无缝钢管或镀锌铁管0.10.2橡皮软管0.010.03新铸铁管0.3木管道0.251.25只有轻度腐蚀无缝钢管0.20.3陶土排水管0.456.0只有显著腐蚀无缝钢管0.5以上很好整平水泥管0.33旧铸铁管0.85以上石棉水泥管0.030.8第74页（1）层流区（Re），此时，即hf与u一次方成正比。（2）过渡区（Re10 Re105 5第76页同时，因强烈湍流，可近似设同时，因强烈湍流，可近似设 改变不大改变不大流量与流速关系为：流量与流速关系为：则则例：例：含有一定静压头水经过一定长度光滑水平管道流出，其流量含有一定静压头水经过一定长度光滑水平管道流出，其流量 为为qv；若压头不变，管长不变，而管径加倍，流动形态前后均为；若压头不变，管长不变，而管径加倍，流动形态前后均为 强烈湍流，试近有似计算管径加倍后流量。强烈湍流，试近有似计算管径加倍后流量。解：因是水平管道，静压头转化成流体动压头和摩擦损耗：流量增加并非（流量增加并非（d2/d1)2=22=4倍。倍。流道截面积增加，阻力减小，流速增加。流道截面积增加，阻力减小，流速增加。第77页2-4.3 局部摩擦阻力损失局部摩擦阻力损失流体流经管件时，其速度大小、方向等发生改变，出现漩涡，内摩擦力增大，形成局部阻力。1、产生、产生管件：阀门、弯头、三通、流量计等管件：阀门、弯头、三通、流量计等流动发生改变处：流道突然扩大、收缩、小孔流出、流动发生改变处：流道突然扩大、收缩、小孔流出、管道流入容器等管道流入容器等2、原因、原因流动状态改变使流体质点产生扰动、涡流。从而产生流动状态改变使流体质点产生扰动、涡流。从而产生摩擦阻力。摩擦阻力。3、特点、特点流动改变越猛烈、越突然，局部阻力就越大流动改变越猛烈、越突然，局部阻力就越大第78页局部阻力计算：从当量长度共线图，查出局部阻力当量长度le进行计算。或以局部阻力系数计算：为局部阻力系数。第79页局部阻力计算阻力系数、当量长度与管径之比阻力系数、当量长度与管径之比第80页局部摩擦阻力损失局部摩擦阻力损失2.阻力系数法阻力系数法突然扩大和突然缩小（突然扩大和突然缩小（A1、A2按流动方向排）按流动方向排）突然扩大突然扩大 突然缩小突然缩小第81页流体在管路中总阻力流体在管路中总阻力 第82页2-4.4 管路计算管路计算计算管路系统阻力损失、外加能量等。计算管路系统阻力损失、外加能量等。依据管路允许阻力损失，计算流速、流量等。依据管路允许阻力损失，计算流速、流量等。依据所需流量、允许阻力损失，计算管径等。依据所需流量、允许阻力损失，计算管径等。第83页 从水塔管道输送水，水塔水面距出水口垂直距离为从水塔管道输送水，水塔水面距出水口垂直距离为从水塔管道输送水，水塔水面距出水口垂直距离为从水塔管道输送水，水塔水面距出水口垂直距离为10m,10m,新管道全长新管道全长新管道全长新管道全长 500m500m，管件局部阻力可近似地认为等于管子全长，管件局部阻力可近似地认为等于管子全长，管件局部阻力可近似地认为等于管子全长，管件局部阻力可近似地认为等于管子全长50%50%。水温为。水温为。水温为。水温为 2020，输水量，输水量，输水量，输水量10m10m3 3.h.h-1-1。试求管道最小直径。试求管道最小直径。试求管道最小直径。试求管道最小直径。解解 生产中输送水常在湍流条件下进行。按湍流计算公式：生产中输送水常在湍流条件下进行。按湍流计算公式：因因Z=10mZ=10m，=1000kg.m-3，qv=10/3600m3s-1，=1.00510-3Pa.s第84页选择选择Dg70水管，其内径为水管，其内径为68mm进行验算：进行验算：新水管管壁粗糙度按普通情况为0.15mm，/d=0.002查图得：查图得：=0.0265，满足允许阻力损失为满足允许阻力损失为10m条件。条件。第85页例2-17高位槽20苯经322.5mm新无缝钢管输送如常压反应器，槽中液面至输送管出口垂直距离为4m,管道及管件（包含进出口）阻力可折算成相当于30m管长，试求本最大流量。试差法试差法：设定，求出uRe，图2-28 查，与设定值比较核实核实第86页第87页复杂管路（一）并联管路（一）并联管路1.并联管路主管中流量等于各支管流量之和，即2.对于并联管路而言，单位质量流体不论经过哪一根支路能量损失都相等。3.总管路阻力计算只计其中任意一分支阻力损失。第88页（二）分支管路第89页复杂管路计算（补充）第90页2-5 流体输送机械流体输送机械 为液体提供能量输送设备称为泵为气体提供能量输送设备称为风机及压缩机。介质：液体泵气体风机、压缩机第91页2-5.1 离心泵离心泵离心泵工作原理和主要部件离心泵工作原理和主要部件离心泵特征曲线离心泵特征曲线 离心泵性能改变和换算离心泵性能改变和换算 离心泵安装高度和气蚀现象离心泵安装高度和气蚀现象 离心泵工作点和流量调整离心泵工作点和流量调整 离心泵类型与选型离心泵类型与选型第92页一一、离心泵主要部件、离心泵主要部件叶轮：叶轮是泵关键部件 有没有盖板分为开式、闭式 半开式 吸入方式分：单吸式 双吸式第93页叶轮外周安装导轮：提升泵内液体能量转换效率。导轮是位于叶轮外周固定带叶片环。这此叶片弯曲方向与叶轮叶片弯曲方向相反，其弯曲角度恰好与液体从叶轮番出方向相适应，引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向，使能量损耗最小，动压能转换为静压能效率高。第94页二、离心泵工作原理二、离心泵工作原理 第95页（1）叶轮被泵轴带动旋转。（2）泵壳聚集从各叶片间被抛出液体，泵壳作用:在于聚集液体，是一个能量转换装置。（3）液体吸上原理（4）叶轮外周安装导轮，使泵内液体能量转换效率高。（5）后盖板上平衡孔消除轴向推力。第96页气缚现象：假如离心泵在开启前壳内充满是气体，则开启后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大真空度，这么槽内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚。预防气缚现象发生：灌泵。第97页泵壳 第98页三、离心泵主要性能参数三、离心泵主要性能参数（一）流量（二）扬程（三）功率与效率 1.轴功率 与有效功率泵轴功率是指泵所需功率。泵有效功率：单位时间内液体从泵中叶轮取得能量 第99页四、离心泵特征曲线四、离心泵特征曲线（一）离心泵特征曲线压头受水力损失影响复杂性，这些关系普通都经过试验来测定 H 曲线、P 曲线和 曲线 4B20型离心泵在2900r/min时特征曲线第100页（二）离心泵转速对特征曲线影响称为百分比定律，当转速改变小于20%，误差不大。，误差不大。条件：同一型号泵、同一液体，当液体粘度不大、且假设泵效率不变时 第101页五、离心泵工作点与流量调整1.离心泵工作点与流量调整离心泵工作点与流量调整第102页2.管路特征曲线（二）泵工作点第103页3.并联与串联操作第104页六、六、离心泵汽蚀现象与安装高度离心泵汽蚀现象与安装高度（一）汽蚀现象液体发生气化并产生气泡，随同液体从低压区流向高压区，气泡在高压作用下，快速凝结或破裂，瞬间内周围液体即以极高速度冲向原气泡所占据空间，在冲击点处形成几万kPa压强，冲击频率可高达几万次之多。第105页（二）汽蚀余量1.有效汽蚀余量 ：2.必需汽蚀余量 是液体从泵入口流到叶轮内最低压力点处全部压头损失。越小，泵越不易发生汽蚀。不气蚀 =开始发生气蚀 严重气蚀第106页（三）离心泵最大安装高度第107页（三）离心泵最大安装高度 H0-当地大气压，以m水柱表示。Hv-输送液蒸气压，以m水柱表示。Hf-吸入管路压头损耗，以m水柱表示。Hs-泵允许吸上(真空)高度，以m水柱表示。u2/2g-吸入管路液体动压头，普通可忽略。第108页应减小 ，方法有：选取直径稍大入口管应减小 ，方法有：吸入管尽可能短；降低弯头等管件及不装截止阀。讨论：为提升泵安装高度，可选取方法？第109页七、离心泵类型与选择七、离心泵类型与选择1 离心泵类型：（1）清水泵：IS100-80-125（2）耐腐蚀泵：（3）油泵Y（4）杂质泵：输送含固体颗粒液体、稠厚浆液，叶轮番道宽，叶片数少。第110页2.离心泵安装与操作（1）安装：安装高度不能太高，应小于允许安装高度。设法尽可能降低吸入管路阻力，以降低发生汽蚀可能性。主要考虑：吸入管路应短而直；吸入管路直径能够稍大；吸入管路降低无须要管件；调整阀应装于出口管路。（2）操作：开启前应灌泵，并排气。应在出口阀关闭情况下开启泵停泵前先关闭出口阀，以免损坏叶轮经常检验轴封情况第111页因次分析法因次分析法采取化工中惯用工程研究方法因次分析法，可将几个变量组合成一个无因次数群，用无因次数群代替个别变量进行试验。依据量纲一致标准对于M：对于：对于：第112页第113页