流體流動基本概念與基本原理.

1、流體流動-基本概念與基本原理一、流體靜力學(xué)基本方程式或P2 = pi呵（乙-Z2）注意：1、應(yīng)用條件：靜止的連通著的同一種連續(xù)的流體。2、 壓強(qiáng)的表示方法：絕壓一大氣壓=表壓表壓常由壓強(qiáng)表來測量；大氣壓一絕壓=真空度 真空度常由真空表來測量。3、壓強(qiáng)單位的換算：21atm=760mmHg=10.33mH 20=101.33kPa=1.033kgf/cm =1.033at4、 應(yīng)用：水平管路上兩點(diǎn)間壓強(qiáng)差與U型管壓差計(jì)讀數(shù) R的關(guān)系：P1 - P2 =(Pa - P)gR處于同一水平面的液體，維持等壓面的條件必須時(shí)靜止、定態(tài)流動系統(tǒng)的連續(xù)性方程式-物料衡算式Pa鼻常數(shù)，Ws =比A E =u2

2、4卩2三 =uM =常數(shù)2常數(shù)，Vsu1 A1u2AuA 常數(shù)沐二常數(shù),圓形管中流動2 2Ui /U2 = Aq / A = d2 /d定態(tài)流動的柏努利方程式-能量衡算式P u1P2 u21kg 流體:gZ1 石 We = gZ2 石 2hf J/kg討論點(diǎn)：1、流2、理想流體，無外功輸入時(shí)，機(jī)械能守恒式:3、可壓縮流體，當(dāng) p/p14000; 2000Re4000為不穩(wěn)定過渡區(qū)。2、牛頓粘性定律 t =卩（du/dy）氣體的粘度隨溫度升高而增加體的粘度隨溫度升高而降低。3、流型的比較：質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方式； 速度分布，層流：拋物線型，平均速度為最大速度的0.5倍；湍流：碰撞和混和使速度平均化。 阻

3、力，層流：粘度內(nèi)摩擦力， 湍流：粘度內(nèi)摩擦力+湍流切應(yīng)力。II 流體在管內(nèi)流動時(shí)的阻力損失Zhf 二 hf hf J/kgl u2Apf1、直管阻力損失hf hf-范寧公式（層流、湍流均適用）.d 2 P層流：，= f（Re）即，=或hf=2哈根泊稷葉公式。RefPd2湍流區(qū)（非阻力平方區(qū)）：二f（Re,）；高度湍流區(qū)（阻力平方區(qū)）：二f（）,dd具體的定性關(guān)系參見摩擦因數(shù)圖，并定量分析hf與u之間的關(guān)系。推廣到非圓型管d二de =4rH4流通截面積潤濕周邊長2 u hf2u2注：不能用de來計(jì)算截面積、流速等物理量。2、局部阻力損失hf 阻力系數(shù)法，當(dāng)量長度法，hf注意：截面取管出口內(nèi)外側(cè)，

4、對動能項(xiàng)及出口阻力損失項(xiàng)的計(jì)算有所不同。當(dāng)管徑不變時(shí)，2hf =（ 蘭1 ）ud2流體在變徑管中作穩(wěn)定流動，在管徑縮小的地方其靜壓能減小。流體在等徑管中作穩(wěn) 定流動流體由于流動而有摩擦阻力損失，流體的流速沿管長不變。流體流動時(shí)的摩擦阻力 損失hf所損失的是機(jī)械能中的靜壓能項(xiàng)。完全湍流（阻力平方區(qū)）時(shí)，粗糙管的摩擦系數(shù) 數(shù)值只取決于相對粗糙度。水由敞口恒液位的高位槽通過一管道流向壓力恒定的反應(yīng)器，當(dāng)管道上的閥門開度減 小時(shí)，水流量將減小，摩擦系數(shù)增大，管道總阻力不變。 五、管路計(jì)算I. 并聯(lián)管路：1、V =V1 V2 V32、3hf二3hf1 = 1hf2二3hf3 各支路阻力損失相等。即管段的

5、壓強(qiáng)降相等；（2）主管流量等于并聯(lián)的各管段流量之和;（3）并聯(lián)各管段中管子長、直徑小的管段通過的流量小 II 分支管路：1、V =V1 V2 V3 2、分支點(diǎn)處至各支管終了時(shí)的總機(jī)械能和能量損失之和相等。六、柏式在流量測量中的運(yùn)用1、畢托管用來測量管道中流體的點(diǎn)速度。2、 孔板流量計(jì)為定截面變壓差流量計(jì)，用來測量管道中流體的流量。隨著Re增大其孔流系數(shù) Co先減小，后保持為定值。3、轉(zhuǎn)子流量計(jì)為定壓差變截面流量計(jì)。注意：轉(zhuǎn)子流量計(jì)的校正。測流體流量時(shí)，隨流量增加孔板流量計(jì)兩側(cè)壓差值將增加，若改用轉(zhuǎn)子流量計(jì)，隨流 量增加轉(zhuǎn)子兩側(cè)壓差值將不變。離心泵基本概念與基本原理一、工作原理 基本部件：葉輪（

6、612片后彎葉片）;泵殼（蝸殼）（集液和能量轉(zhuǎn)換裝置）；軸封裝置（填料函、機(jī)械端面密封）。原理：借助高速旋轉(zhuǎn)的葉輪不斷吸入、排出液體。注意：離心泵無自吸能力，因此在啟動前必須先灌泵，且吸入管路必須有底閥，否則將發(fā)生“氣縛”現(xiàn)象。某離心泵運(yùn)行一年后如發(fā)現(xiàn)有氣縛現(xiàn)象，則應(yīng)檢查進(jìn)口管路是否有泄漏現(xiàn)象。二、性能參數(shù)及特性曲線也P1、壓頭H，又稱揚(yáng)程 H = ZH fPgHQ p2、 有效功率Ne二HgQ T 軸功率N（kw）102*13、 離心泵的特性曲線通常包括 H-Q,N-Q, -Q曲線，這些曲線表示在一定轉(zhuǎn) 下輸送某種特定的液體時(shí)泵的性能。由 N -Q線上可看出：Q 0時(shí)，N Nmin，所以啟

7、動泵和停泵都應(yīng)關(guān)閉泵的出口閥。動后出水管不出水，而泵進(jìn)口處真空表指示真空度很 高，可能出現(xiàn)的故障原因是吸入管路堵塞。若被輸送的流體粘度增高，則離心泵的壓頭減小，流量減小，效率減小，軸功率增大。 三、離心泵的工作點(diǎn)1、 泵在管路中的工作點(diǎn)為離心泵特性曲線（ H -Q）與管路特性曲線（He -Qe ）的 交點(diǎn)。管路特性曲線為：He =K BQ2。2、 工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)：既可改變 H - Q來實(shí)現(xiàn)，又可通過改變 He - Qe來實(shí)現(xiàn)。具體措施 有改變閥門的開度，改變泵的轉(zhuǎn)速，葉輪的直徑及泵的串、并聯(lián)操作。離心泵的流量調(diào)節(jié)閥安裝在離心泵的出口管路上，開大該閥門后，真空表讀數(shù)增大，_壓力表讀數(shù)減小，泵的揚(yáng)程

8、將減小，軸功率將增大。兩臺同樣的離心泵并聯(lián)壓頭不變而流量加倍，串聯(lián)則流量不變壓頭加倍。四、離心泵的安裝高度 Hg為避免氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，離心泵的安裝高度wHg，注意氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。21. Hg =H -也-H f04Hs為操作條件下的允許吸上真空度，m2gH f04為吸入管路的壓頭損失，m。2. Hg二叢斗=h允許氣蝕余量，mfgPa液面上方壓強(qiáng)，Pa;Pv操作溫度下的液體飽和蒸汽壓，Pa。離心泵的安裝高度超過允許安裝高度時(shí)會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。傳熱-基本概念和基本理論傳熱是由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，又稱熱傳遞。由熱力學(xué)第二定律可知，凡是有溫 度差存在時(shí)，就必然發(fā)生熱從高溫處傳遞到低溫處。根據(jù)傳熱

9、機(jī)理的不同，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）、熱對流（對流）和熱輻射。熱傳導(dǎo)是物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子 的熱運(yùn)動而引起的熱量傳遞；熱對流是流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程（包括由流體中各處的溫度不同引起的自然對流和由外力所致的質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)制運(yùn)動引起的強(qiáng) 制對流），流體流過固體表面時(shí)發(fā)生的對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程稱為對流傳熱（給 熱）；熱輻射是因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞。任何物體只要在絕對零度以上， 都能發(fā)射輻射能，只是在高溫時(shí)，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。傳熱可依靠其中的一 種方式或幾種方式同時(shí)進(jìn)行。傳熱速率Q是指單位時(shí)間通

10、過傳熱面的熱量（W）；熱通量q是指每單位面積的傳熱速率（W/m2）。一、熱傳導(dǎo)1 導(dǎo)熱基本方程-傅立葉定律dQ - - d1 cn單位為W/（mC）。R）成反比。入-導(dǎo)熱系數(shù)，表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小， 是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一， 純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度升高而降低，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大。 式中負(fù)號表示熱流方向總是和溫度剃度的方向相反。2 平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層平壁：多層（n層）平壁:Qnn 1biiS公式表明導(dǎo)熱速率與導(dǎo)熱推動力（溫度差）成正比，與導(dǎo)熱熱阻/由多層等厚平壁構(gòu)成的導(dǎo)熱壁面中所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)愈大，則該壁面的熱阻愈小, 其兩側(cè)的溫差愈小，但導(dǎo)熱速率相同_2 圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

11、 單層圓筒壁：Qf (tori當(dāng)S2/S1 2時(shí)，用對數(shù)平均值，即:S2InS2SiSm= ( S什S2)/2當(dāng)S2/Si吃時(shí)，用算術(shù)平均值，即:多層（n層）圓筒壁：t1 - tn 1biq _ 21 (t1 tn 1)Z 1 Iniri 1ri一包有石棉泥保溫層的蒸汽管道，當(dāng)石棉泥受潮后，其保溫效果應(yīng)降低，主要原因是 因水的導(dǎo)熱系數(shù)大于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，受潮后，使保溫層材料導(dǎo)熱系數(shù)增大，保溫效 果降低。在包有兩層相同厚度保溫材料的圓形管道上，應(yīng)該將導(dǎo)熱系數(shù)小的材料包在內(nèi)層，其 原因是為了減少熱損失，降低壁面溫度。、對流傳熱1 對流傳熱基本方程 -牛頓冷卻定律Q =0ta對流傳熱系數(shù)，單位為

12、： W/ （ m2C）,在換熱器中與傳熱面積和溫度差相對應(yīng)。2 與對流傳熱有關(guān)的無因次數(shù)群（或準(zhǔn)數(shù)） 表1準(zhǔn)數(shù)的符號和意義準(zhǔn)數(shù)名稱努塞爾特準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)a LNu=入Lu pRe=aCp a Pr= 一入323 g t l pGr=a含有特定的傳熱膜系數(shù) a，表示對流傳熱的強(qiáng)度 反映流體的流動狀態(tài)反映流體物性對傳熱的影響反映因密度差而引起自然對流狀態(tài)3 流體在圓形直管中作強(qiáng)制湍流流動時(shí)的傳熱膜系數(shù) 對氣體或低粘度的液體或0.8 CP 卩n=0.3 。Nu=0.023Re0.8Prn入Lu pa =0.023 L卩流體被加熱時(shí)，n=0.4 ;液體被冷卻時(shí)， 定型幾何尺寸為管

13、子內(nèi)徑 a。 定性溫度取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。應(yīng)用范圍為 Re .10000, Pr=0.7160, (l/d) 60。對流過程是流體和壁面之間的傳熱過程，定性溫度是指確定準(zhǔn)數(shù)中各物性參數(shù)的溫度。沸騰傳熱可分為三個(gè)區(qū)域，它們是自然對流區(qū)、泡狀沸騰區(qū)和膜狀沸騰區(qū)，生產(chǎn)中的 沸騰傳熱過程應(yīng)維持在泡壯沸騰區(qū)操作。無相變的對流傳熱過程中，熱阻主要集中在傳熱邊界層或滯流層內(nèi)，減少熱阻的最有 效的措施是提高流體湍動程度。引起自然對流傳熱的原因是系統(tǒng)內(nèi)部的溫度差，使各部分流體密度不同而引起上升、 下降的流動。用無因次準(zhǔn)數(shù)方程形式表示下列各種傳熱情況下諸有關(guān)參數(shù)的關(guān)系：(1) 無相變對流傳熱 Nu=f

14、 ( Re，Pr，Gr)(2) 自然對流傳熱Nu=f (Gr，Pr)(3) 強(qiáng)制對流傳熱Nu=f ( Re，Pr)在兩流體的間壁換熱過程中，計(jì)算式Q=KS t，式中 q表示為兩流體溫度差的平均值；S表示為泛指傳熱面，與 K相對應(yīng)。在兩流體的間壁換熱過程中，計(jì)算式Q=otSA t，式中 t=tw-tm或Tm-T_w； S表示為一側(cè)的傳熱壁面。滴狀冷凝的膜系數(shù)大于膜狀冷凝膜系數(shù)。水在管內(nèi)作湍流流動時(shí)，若使流速提高至原來的2倍，則其對流傳熱系數(shù)約為原來的20.8倍。若管徑改為原來的1/2而流量相同，則其對流傳熱系數(shù)約為原來的40.8X 20.2倍。(設(shè)條件改變后，仍在湍流范圍)、間壁兩側(cè)流體的熱交換

15、間壁兩側(cè)流體熱交換的傳熱速率方程式Q=KS tm式中K為總傳熱系數(shù)，單位為： W/ ( m2 ：C) ； tm為兩流體的平均溫度差，對兩流體 作并流或逆流時(shí)的換熱器而言，%ln（ / ：t2）當(dāng)厶t1/ t2110100對于飽和液體、氣液混合物和飽和蒸汽進(jìn)料而言，q值等于進(jìn)料中的液相分率。L=L+qFV=V ( q 1) Fq 線方程(進(jìn)料方程)為： y=q/ (q 1) xxf/ (q 1) 上式表示兩操作線交點(diǎn)的軌跡方程。塔底再沸器相當(dāng)于一層理論板(氣液兩相平衡),塔頂采用分凝器時(shí)，分凝器相當(dāng)于一層理論板。由于冷液進(jìn)料時(shí)提餾段內(nèi)循環(huán)量增大，分離程度提高，冷液進(jìn)料較氣液混合物 進(jìn)料所需理論板

16、數(shù)為少。五、回流比及其選擇(1) 全回流r=l/d= R,操作線與對角線重合，操作線方程vn=xni，達(dá)到給定分離程度所需理論板層數(shù)最少為 N min。(2) 最小回流比當(dāng)回流比逐漸減小時(shí)，精餾段操作線截距隨之逐漸增大，兩操作線位置將向平衡線靠近，為達(dá)到相同分離程度所需理論板層數(shù)亦逐漸增多。埜到恒濃區(qū)(夾緊區(qū))回流比最小, 所需理論板無窮多。I.正常平衡線Rmin= ( XD q) / ( YqXq)飽和液體進(jìn)料時(shí)：Xq=XF飽和蒸汽進(jìn)料時(shí)：yq=yFII .不正常平衡線由a ( Xd , yD )或c ( Xw , yw)點(diǎn)向平衡線作切線，由切線斜率或截距求Rmin。(3) 適宜回流比R=

17、( 1.12) Rmin精餾設(shè)計(jì)中，當(dāng)回流比增大時(shí)所需理論板數(shù)減少,迥時(shí)蒸餾釜中所需加熱蒸汽消耗量 增加，塔頂冷凝器中冷卻介質(zhì)消耗量增加，操作費(fèi)用相應(yīng)增加，所需塔徑增大。 _精餾操作時(shí)，若F、D、Xf、q、R、加料板位置都不變，將塔頂泡點(diǎn)回流改為冷回流， 則塔頂產(chǎn)品組成Xd變大。精餾設(shè)計(jì)中，回流比愈大，操作能耗愈大，隨著回流比逐漸增大，操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)的 總和將呈現(xiàn)先減小后增大的過程。六、板效率和實(shí)際塔板數(shù)1 .單板效率(默弗里效率)*EmV= ( yn yn+1)/ ( Yn Yn+1) EmL= ( Xn-1 Xn) / (Xn-1_ Xn )2 .全塔效率E= (N t/N p) x100

18、%精餾塔中第n-1, n,n+1塊理論板，yn+1yn，1Xn-1。 精餾塔中第n-1,n,n+1塊實(shí)際板，Xn*y n如板式塔設(shè)計(jì)不合理或操作不當(dāng)，可能產(chǎn)生液泛、漏液、及霧沫夾帶等不正?，F(xiàn)象， 使塔無法正常工作。負(fù)荷性能圖有五條線，分別是霧沫夾帶、液泛、漏液、液相負(fù)荷上限和液相負(fù)荷下限。吸 收-基本概念和基本原理利用各組分溶解度丕同而分離氣體混合物的單元操作稱為吸收?；旌蠚怏w中能夠溶解 的組分稱為吸收質(zhì)或溶質(zhì)(A)；不被吸收的組分稱為惰性組分或載體(B)；吸收操作所用的溶劑稱為吸收劑(S);吸收所得溶液為吸收液(S+A)；吸收塔排出的氣體為吸收尾氣。當(dāng)氣相中溶質(zhì)的的實(shí)際分壓高于與液相成平衡的

19、溶質(zhì)分壓時(shí)，溶質(zhì)從氣相向液相轉(zhuǎn) 移，發(fā)生吸收過程；反之當(dāng)氣相中溶質(zhì)的的實(shí)際分壓低于與液相成平衡的溶質(zhì)分壓時(shí)，溶 質(zhì)從液相向氣相轉(zhuǎn)移，發(fā)生脫吸(解吸)過程。一、氣 -液相平衡傳質(zhì)方向與傳質(zhì)極限平衡狀態(tài)下氣相中溶質(zhì)分壓稱為平衡分壓或飽和分壓，液相中的溶質(zhì)濃度稱為平衡濃 度或飽和濃度溶解度。對于同一種溶質(zhì)，溶解度隨溫度的升高而減小，加壓和降溫對吸收操作有利，升溫和 減壓有利于脫吸操作。亨利定律：p*=Ex -為亨利系數(shù)，單位為壓強(qiáng)單位，隨溫度升高而增大，難溶氣體(稀溶液)E很大，易溶氣體 E很小。對理想溶液 E為吸收質(zhì)的飽和蒸氣壓。p*=c/H - -H為溶解度系數(shù)，單位：kmol/(kN m)，H

20、= p /(EM s)，隨溫度升高 而減小，難溶氣體 H很小，易溶氣體 H很大。y*=mx m 相平衡常數(shù)，無因次， m=E/P，m 值愈大，氣體溶解度愈?。?m隨溫度升高而增加，隨壓力增加而減小。Y*=mX -當(dāng)溶液濃度很低時(shí)大多采用該式計(jì)算。X=x/(1-x);Y=y/(1-y); x,y -摩爾分率， X,Y -摩爾比濃度二、傳質(zhì)理論-傳質(zhì)速率分子擴(kuò)散-憑借流體分子無規(guī)則熱運(yùn)動傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象。推動力為濃度差，由菲克定律描述：Ja= - DAB(dCA)/(dz)Ja -擴(kuò)散通量，kmol/(m 2 s) Dab -擴(kuò)散系數(shù)等分子反向擴(kuò)散傳質(zhì)速率：氣相內(nèi)液相內(nèi)單相擴(kuò)散傳質(zhì)速率：氣相內(nèi)渦流擴(kuò)

21、散-憑借流體質(zhì)點(diǎn)的湍動和旋渦傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象。na = D(p A1 PA2)/RTzNa = D Ac -CA2)/zNa = Ja+Nca/C=D (p a -pAi)/ RTz (P/pBm)=kG(pA -pAi)液相內(nèi)Na = D Ac Pa)/z (C/csm)=k L(cAi Pa)其中 P/pBm 1為漂流因數(shù)，反映總體流動對傳質(zhì)速率的影響。pBm=(pB2 -pB1)/ln(p B2/pB1)一般而言，雙組分等分子反向擴(kuò)散體現(xiàn)在精餾單元操作中，而一組分通過另一組分的單相擴(kuò)散體現(xiàn)在吸收單元操作中。氣相中，溫度升高物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)增大，壓強(qiáng)升高則擴(kuò)散系數(shù)降低：液相中粘度增加 擴(kuò)散系數(shù)

22、降低。在傳質(zhì)理論中有代表性的三個(gè)模型分別為雙膜理論、溶質(zhì)滲透理論和表面更新理論。傳質(zhì)速率方程傳質(zhì)速率=傳質(zhì)推動力/傳質(zhì)阻力N=kG(p -pi)=kL(Ci c)=ky(y-y i)=kx(Xi 之)N=K G(p p*)=Kl(c* -c)=Ky(Y-Y*)=K x(X* -X)注意傳質(zhì)系數(shù)與推動力相對應(yīng)，即傳質(zhì)系數(shù)與推動力的范圍一致，傳質(zhì)系數(shù)的單位與 推動力的單位一致。吸收系數(shù)之間的關(guān)系：1/KG=1/kG+1/HkL1/KL=1/kL+H/kG1/KY=1/ky+m/k x1/Kx=1/kx+1/mkyky=PkGkx=CkLKy PKgKx CKl氣膜控制與液膜控制的概念對于易溶氣體,H很大，傳質(zhì)阻力絕大部分存在于氣膜之中，液膜阻力可以忽略，此 時(shí)KGkg,這種情況稱為“氣膜控制”;反之，對于難溶氣體，H很小，傳質(zhì)阻力絕大部分 存在于液膜之中，氣膜阻力可以忽略，此時(shí)Kll ,這種情況稱為“液膜控制”。三、物料衡算-操作線方程與液氣比-一全塔物料衡算：V（Y !訐2）=L（X 1咲2）逆流操作吸收操作線方程：Y=LX/V+（Y i -LX i/V）1 -塔底，2 -塔頂吸收操作時(shí)塔內(nèi)任一截面上溶質(zhì)在氣相中的實(shí)際分壓總是高于與其接