1、第一篇 傳遞過程流體動力過程流體輸送、壓縮和減壓、流速與流量、過濾、沉降、離心分離、流態化熱量傳遞過程加熱、冷卻、蒸發質量傳遞過程蒸餾與精餾、吸取與解吸、萃取、離子互換、吸附、干燥、膜分離第1頁第1頁流體流動基本規律是化工操作主要基礎。1. 諸多單元操作，都涉及流體流動基本規律。2. 流體流動與傳熱、傳質乃至反應過程是不可分割。3. 流體流動規律和傳熱、傳質規律有類似性。本章著重討論流體流動過程基本原理及流體在管內流動規律，并利用這些原理與規律去分析和計算流體輸送問題。 第二章 流體流動和輸送 第2頁第2頁在學習本章時，重點可圍繞下列幾種基本方程來進行。流體靜力學方程質量衡算和連續性方程能量衡

2、算和柏努利方程動量衡算和流體阻力計算關系式 第3頁第3頁第一節 流體靜力學 流體性質密度、重度、比重、比容概念粘度概念流體在靜止時壓力分布靜力學方程討論和應用 第4頁第4頁流體性質1. 流體是什么? 流體是無數分子集團構成連續介質。氣體和液體統稱為流體。2. 流體包括液體、氣體、固體顆粒懸浮于液體或氣體中。3. 流體可分為：不可壓縮流體（如液體）、可壓縮流體（如氣體）。流體體積假如不隨壓力及溫度改變，不可壓縮流體；假如隨壓力及溫度改變，可壓縮流體。氣體密度隨溫度、壓強改變較小，作為不可壓縮流體。第5頁第5頁流體靜壓強1. 壓強概念2. 壓強單位法定單位，N/m2，Pa。非法定單位：atm（原則

3、大氣壓）、某流體在柱高度、bar（巴）或kgf/cm2等。1 atm = 1.033 kgf/cm2 = 760mmHg = 10.33mH2O = 1.0133bar= 1.013105Pa第6頁第6頁工程上： 1 at = 1 kgf/cm2 = 735.6mmHg =10mH2O = 0.9807bar= 9.807104 Pa 1 atm = 1.033at第7頁第7頁表壓 絕對壓力 大氣壓力真空度 大氣壓力 絕對壓力 第8頁第8頁例2-1 某臺離心泵進、出口壓力表讀數分別為220mmHg（真空度）及1.7kgf/cm2（表壓）。若當地大氣壓力為760mmHg，試求它們絕對壓力各為若干

4、（以法定單位表示）？ 第9頁第9頁流體密度與比容 一、密度 生產中流體由若干組分所構成混合物。1. 對于液體混合物，其組分濃度用質量百分數來表示。以1kg混合液體為基準， 1） 組分在混合前后其體積不變，即； 式中 -液體混合物中各純組分密度，kg/m3；xwA、xwB、 xw n -液體混合物中各組分質量分率。 2）組分在混合前后其體積發生改變，參考化工熱力學相關章節。第10頁第10頁2. 氣體混合物構成通常以體積分率表示。各組分在混合前后其質量不變，則 式中xVA、xVBxV n、-氣體混合物中各組分體積分率。當氣體混合物溫度、壓力靠近抱負氣體時，混合氣體平均分子量MmMm MAyA +

5、MByB + + Mnyn式中 MA、MB、 Mn氣體混合物各組分分子量；yA、yB 、 yn氣體混合物各組分摩爾分率。 第11頁第11頁二、比容(課后理解) 第12頁第12頁液體靜力學基本方程式 不可壓縮流體： 在垂直方向上作用于液柱力有：1.下底面：p2A； 上底面：p1A； 第13頁第13頁1. 壓力相等水平面，稱為等壓面。 (靜止、連續、同一)2. 當液面上方壓力有改變時，必將引起液體內部各點壓力發生同樣大小改變。 3. 式 可改寫為第14頁第14頁位壓頭（potential head） ： 為流體距基準面高度，靜壓頭（static head）： ，為單位重量流體靜壓能。靜壓頭 位壓頭

6、 常數 第15頁第15頁流體靜力學基本方程式應用 一、壓力測量 1. U型管液柱壓差計 pap1+（m+R）gpbp2+mg+R0g由于 papb 圖2-4 U管液柱壓差計因此 p1+（m+R）gp2+mg+R0gp1p2R（0）g測量氣體時，可簡化為：p1p2R0g第16頁第16頁2. 微差壓差計 第17頁第17頁例2-2 P27第18頁第18頁例2-3 P28測量靈敏度第19頁第19頁擬定液封高度 如圖所表示安全液封(或稱為水封)裝置。其作用是當設備內壓力超出要求值時，氣體就從液封管排出，以確保設備操作安全。若設備要求壓力不超出P1（表壓），按靜力學基本方程式，求水封管插入液面下深度h。本

7、題中要求乙炔發生爐內壓強不超出10.7103Pa（表壓）。第20頁第20頁管內流體流動基本方程式 流量和流速概念穩定流動與不穩定流動流體流動物料衡算和連續性方程流體流動能量衡算和Bernoulli方程Bernoulli方程討論和應用 第21頁第21頁流量和流速概念一、流量-單位時間內流體流過管道任一截面流體量。1）體積流量 ，m3/s。2）質量流量 ，kg/s表示式為： 二、 流速 單位時間內流體在流動方向上所流過距離，m/s。 1. 平均流速 2.質量流速第22頁第22頁例題 某廠精餾塔進料量為50000kg/h，料液性質和水相近，密度為960kg/m3，請選擇進料管管徑。解：依據公式 計算

8、， 1. 選流速料液性質與水相近，查閱流體在管道中慣用流速范圍表（0.53.0m/s）2. 查閱管子規格3.重新核實流速第23頁第23頁第24頁第24頁穩定流動與不穩定流動 穩定流動：運動空間、各點狀態參數（速度、壓力、密度等）不隨時間而變流動。不穩定流動：運動空間、各點狀態參數（速度、壓力、密度等）隨時間而變流動。第25頁第25頁連續性方程式 （物料衡算）第26頁第26頁例題 在定態流動系統中，水連續地從粗管流入細管。粗管、細管內徑分別為d1，d2，求細管內水流速與粗管內水流速關系。解： 結論：體積流量一定期，流速與管徑平方成反比.第27頁第27頁Bernoullis equation動量原

9、理 速度改變u，u+du動量改變速率為 微元管段上所受作用力第28頁第28頁物理意義第29頁第29頁2. 不可壓縮非抱負流體（有能量損失） 實際流體含有粘性，流動必定有阻力，應加在下游 如有外加機械功，應加在上游 實際功率、有效功率第30頁第30頁Bernoulli方程式應用 類型：1. 擬定管道中流體流量2. 擬定容器間相對位置3. 擬定輸送設備有效功率4. 擬定管路中流體壓強5. 非穩態流動系統流動 第31頁第31頁例1-9 第32頁第32頁解 基準面：截面1-1，設截面2-2：蒸發器入口管口；在1-1與2-2截面間列方程式，即 可認為 u1 0， 第33頁第33頁注意下列事項：（1）作圖

10、與擬定衡算范圍 依據題意畫出流動系統示意圖，并指明流體流動方向。（2）選取截面 選取截面時應考慮到柏努利方程式是流體輸送系統在連續、穩定范圍內，對任意兩截面列出能量衡算式，因此首先要正確選定。（3）擬定基準面 基準面是用以衡量位能大小基準。（4）壓力 同一基準（5）單位：SI單位制第34頁第34頁例2-8實際流體流動產生渦流，阻力損失，對u校正，所用時間：第35頁第35頁例2-9表壓p1、p2皆用表壓帶入計算p2真空度=70.4kPa第36頁第36頁2-2.4 流體流量測量 一、測速管在內管2和外管1之間列方程 z1 z2第37頁第37頁測速管安裝1.必須確保測量點位于均勻流段，普通要求測量點

11、上、下游直管長度最好不小于50倍管內徑，至少也應不小于812倍。2.測速管管口截面必須垂直于流體流動方向，任何偏離都將造成負偏差。第38頁第38頁二、孔板流量計引進一校正系數C，令： 令： 第39頁第39頁第40頁第40頁二、孔板流量計引進一校正系數c0，令： 第41頁第41頁例題2-10 P37第42頁第42頁三、文丘里（Venturi）流量計第43頁第43頁四、轉子流量計 u00101第44頁第44頁（二） 轉子流量計校核 下標1表示出廠標定所用液體； 下標2表示實際工作時液體 ：表示實際工作時氣體密度 （三） 安裝轉子流量計時應注意幾點轉子流量計必須垂直安裝，若傾斜度1度將造成0.8誤差

12、。轉子流量計必須安裝在垂直管路，并且流體流動方向必須是由下往上。第45頁第45頁孔板流量計與轉子流量計區別區別點孔板流量計轉子流量計流通截面形狀圓孔，大小不變環形，改變通過流通截面流速u隨流量qv改變u不隨qv變通過流通截面壓強差改變不變由于轉子流量計u不隨qv而變，只改變轉子所處截面位置，因此又叫截面流量計。通過環隙壓強差（p1-p2）不變，因此又叫恒壓差流量計。第46頁第46頁2-3 實際流體流動 粘度概念 流體流動類型和雷諾準數第47頁第47頁牛頓粘性定律與流體粘度 牛頓粘性定律為百分比系數，稱為粘性系數，或動力粘度（viscosity）。粘度只有在流體流動時才表現出來。第48頁第48頁

13、第49頁第49頁粘度單位在SI中， （基本單位：kgm-1s-1)在CGS中， = P（泊）= 100cp（厘泊）第50頁第50頁對于液體：溫度增長，粘度下降；為何？對于氣體：溫度增長，粘度上升；為何？第51頁第51頁運動粘度流體粘性還可用粘度與密度比值來表示。SI單位制CGS中單位，稱為斯托克斯，簡稱為沲第52頁第52頁流體中動量傳遞 動量梯度剪應力可看作單位時間單位面積動量，稱為動量傳遞速率 第53頁第53頁非牛頓型流體不服從牛頓粘性定律流體，如泥漿、一些高分子溶液、懸浮液等。第54頁第54頁非牛頓型流體對于非牛頓型液體流動研究，屬于流變學范圍。1、賓漢型流體 賓漢型流體與牛頓型流體唯一差

14、別是：為使該類流體流動需加入一個額外剪應力:實際中賓漢塑性流體有:干酪、巧克力漿、肥皂、紙漿、泥漿等第55頁第55頁2、脹流型流體這類流體不普遍，其運動特性是表觀粘度隨剪切速率增長而更快增大實際中脹流型流體有:淀粉溶液、蜂蜜、濕沙等n1第56頁第56頁3、假塑性流體大多數非牛頓型流體屬于假塑性流體，這類流體流動特性是其表觀粘度隨剪切速率增大而增長較少實際中假塑性流體有:蛋黃醬、血液、番茄醬、果醬、高分子溶液等n1第57頁第57頁2-3.2 流體流動形態雷諾試驗試驗結果：流體在管內流動分層流、湍流兩種類型流體在管內流動類型，由流體臨界速度決定。臨界速度大小受粘度、 密度、管徑影響。u、d、。第5

15、8頁第58頁Re反應了流體流動中慣性力與粘性力對比關系，標志流體流動湍動程度。Re時，流動類型為層流；Re4000時，流動類型為湍流；Re4000，流動類型不穩定，也許是層流，也也許是湍流，或是兩者交替出現。注：在生產操作條件下，Re3000情況按湍流考慮。第59頁第59頁圓管中平均流速與最大流速比隨Re改變第60頁第60頁非圓形管當量直徑 套管環隙，當內管外徑為d1，外管內徑為d2時 邊長分別為a、b矩形管層流情況下，當采用當量直徑計算阻力時，還應對式進行修正 第61頁第61頁邊界層邊界層區（邊界層內）：沿板面法向速度梯度很大，需考慮粘度影響，剪應力不可忽略。主流區（邊界層外）：速度梯度很小

16、，剪應力能夠忽略，可視為抱負流體。 邊界層內流型改變。第62頁第62頁穩定段進口段長度進口段長度：層流：湍流：第63頁第63頁層流內層即使很薄，但卻對傳熱和傳質過程都有較大影響。 邊界層分離 （課后閱讀）第64頁第64頁2-4 管內流體流動阻力計算一、流體在圓管內速度分布第65頁第65頁（一）流體在圓管中層流時速度分布層流流動特點：穩態流動時，管內各點速度沿直徑存在一定分布，如圖所表示；流體質點只有軸向運動而無徑向運動。第66頁第66頁層流時速度分布理論推導 壓差產生推力流體層間內摩擦力第67頁第67頁阻力損失阻力損失表現形式 直徑相同水平管 傾斜管結論：流體流動阻力損失均表現為靜壓能減少 第

17、68頁第68頁層流時流速分布壓差產生推力流體層間內摩擦力管中心流速為最大 第69頁第69頁層流時平均流速取半徑為處厚度為dr一個微小環行面積，通過此環形截面積流量 第70頁第70頁流體在圓管中湍流時速度分布 ：湍流粘度第71頁第71頁2-4.2 湍流時流動阻力直管阻力：流體流經一定直徑直管時由于內摩擦而產生阻力； 局部阻力：流體流經管件、閥門等局部地方由于流速大小及方向改變而引起阻力。第72頁第72頁管道壁面凸出部分平均高度，稱為絕對粗糙度，以 表示。絕對粗糙度與管徑比值即 ，稱為相對粗糙度。 第73頁第73頁表2-4 一些工業管絕對粗糙度 金屬管管道類別絕對粗糙度/mm非金屬管管道類別絕對粗

18、糙度 /mm無縫黃銅管、銅管及鋁管0.010.05潔凈玻璃管0.00150.01新無縫鋼管或鍍鋅鐵管0.10.2橡皮軟管0.010.03新鑄鐵管0.3木管道0.251.25只有輕度腐蝕無縫鋼管0.20.3陶土排水管0.456.0只有明顯腐蝕無縫鋼管0.5以上較好整平水泥管0.33舊鑄鐵管0.85以上石棉水泥管0.030.8第74頁第74頁（1）層流區 （Re），此時，即hf與u一次方成正比。（2）過渡區（Re105第76頁第76頁同時，因強烈湍流，可近似設改變不大流量與流速關系為： 則例：含有一定靜壓頭水通過一定長度光滑水平管道流出，其流量 為qv；若壓頭不變，管長不變，而管徑加倍，流動形態前

19、后均為 強烈湍流，試近有似計算管徑加倍后流量。解：因是水平管道，靜壓頭轉化成流體動壓頭和摩擦損耗：流量增長并非（d2/d1)2=22=4倍。流道截面積增長，阻力減小，流速增長。第77頁第77頁2-4.3 局部摩擦阻力損失流體流經管件時，其速度大小、方向等發生改變，出現漩渦，內摩擦力增大，形成局部阻力。1、產生管件：閥門、彎頭、三通、流量計等流動發生改變處：流道忽然擴大、收縮、小孔流出、 管道流入容器等2、原因流動狀態改變使流體質點產生擾動、渦流。從而產生摩擦阻力。3、特點流動改變越猛烈、越忽然，局部阻力就越大第78頁第78頁局部阻力計算：從當量長度共線圖，查出局部阻力當量長度le進行計算。或以

20、局部阻力系數計算：為局部阻力系數。第79頁第79頁局部阻力計算阻力系數、當量長度與管徑之比第80頁第80頁局部摩擦阻力損失2.阻力系數法忽然擴大和忽然縮小（A1、A2按流動方向排） 忽然擴大 忽然縮小 第81頁第81頁流體在管路中總阻力 第82頁第82頁2-4.4 管路計算計算管路系統阻力損失、外加能量等。依據管路允許阻力損失，計算流速、流量等。依據所需流量、允許阻力損失，計算管徑等。第83頁第83頁 從水塔管道輸送水，水塔水面距出水口垂直距離為10m,新管道全長 500m，管件局部阻力可近似地認為等于管子全長50%。水溫為 20，輸水量10m3.h-1。試求管道最小直徑。解 生產中輸送水常在

21、湍流條件下進行。按湍流計算公式：因Z=10m，=1000kg.m-3，qv=10/3600m3s-1，=1.00510-3 Pa.s第84頁第84頁選擇Dg70水管，其內徑為68mm進行驗算：新水管管壁粗糙度按普通情況為0.15 mm，/d=0.002查圖得：=0.0265，滿足允許阻力損失為10m條件。第85頁第85頁例2-17 高位槽20苯經 322.5mm新無縫鋼管輸送如常壓反應器，槽中液面至輸送管出口垂直距離為4m,管道及管件（包括進出口）阻力可折算成相稱于30m管長，試求本最大流量。 試差法 ：設定 ，求出uRe， 圖2-28 查， 與設定值比較 核實第86頁第86頁第87頁第87頁

22、復雜管路（一）并聯管路1. 并聯管路主管中流量等于各支管流量之和，即2.對于并聯管路而言，單位質量流體無論通過哪一根支路能量損失都相等。3. 總管路阻力計算只計其中任意一分支阻力損失。第88頁第88頁（二） 分支管路 第89頁第89頁復雜管路計算（補充）第90頁第90頁2-5 流體輸送機械 為液體提供能量輸送設備稱為泵為氣體提供能量輸送設備稱為風機及壓縮機。介質：液體泵氣體風機、壓縮機第91頁第91頁2-5.1 離心泵離心泵工作原理和主要部件離心泵特性曲線 離心泵性能改變和換算 離心泵安裝高度和氣蝕現象 離心泵工作點和流量調整 離心泵類型與選型第92頁第92頁一 、離心泵主要部件葉輪：葉輪是泵

23、關鍵部件 有無蓋板分為開式、 閉式 半開式 吸入方式分：單吸式 雙吸式第93頁第93頁葉輪外周安裝導輪 ：提升泵內液體能量轉換效率。導輪是位于葉輪外周固定帶葉片環。這此葉片彎曲方向與葉輪葉片彎曲方向相反，其彎曲角度正好與液體從葉輪流出方向相適應，引導液體在泵殼通道內平穩地改變方向，使能量損耗最小，動壓能轉換為靜壓能效率高。 第94頁第94頁二、離心泵工作原理 第95頁第95頁（1）葉輪被泵軸帶動旋轉。（2）泵殼匯集從各葉片間被拋出液體，泵殼作用:在于匯集液體，是一個能量轉換裝置。（3）液體吸上原理（4）葉輪外周安裝導輪，使泵內液體能量轉換效率高。（5）后蓋板上平衡孔消除軸向推力。第96頁第96

24、頁氣縛現象：假如離心泵在啟動前殼內充斥是氣體，則啟動后葉輪中心氣體被拋時不能在該處形成足夠大真空度，這樣槽內液體便不能被吸上。這一現象稱為氣縛。 預防氣縛現象發生 ：灌泵 。第97頁第97頁泵殼 第98頁第98頁三、離心泵主要性能參數 （一）流量 （二）揚程 （三）功率與效率 1. 軸功率 與有效功率泵軸功率是指泵所需功率。泵有效功率：單位時間內液體從泵中葉輪取得能量 第99頁第99頁四、離心泵特性曲線 （一） 離心泵特性曲線壓頭受水力損失影響復雜性，這些關系普通都通過試驗來測定 H 曲線、P 曲線和 曲線 4B20型離心泵在2900r/min時特性曲線第100頁第100頁（二）離心泵轉速對特性曲線影響稱為百分比定律，當轉速改變小于20%，誤差不大。條件：同一型號泵、同一液體，當液體粘度不大、且假設泵效率不變時 第101頁第101頁五、離心泵工作點與流量調整1. 離心泵工作點與流量調整第102頁第102頁2. 管路特性曲線（二） 泵工作點第103頁第103頁3. 并聯與串聯操作第104頁