化工單元操作

1、. 化工單元操作化工單元操作在生產(chǎn)中的應(yīng)用在生產(chǎn)中的應(yīng)用.緒 論.0.1 0.1 化工生產(chǎn)與單元操作n1. 化工生產(chǎn)過程原料預(yù)處理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物后處理物理過程單元操作化學(xué)反應(yīng)過程 反應(yīng)器物理過程單元操作.0.1 0.1 化工（制藥）生產(chǎn)與單元操作2 . 單元操作（單元操作（Unit Operation） 單元操作按其遵循的基本規(guī)律分類：（1）遵循流體動力學(xué)基本規(guī)律的單元操作：包括流體輸送、沉降、過濾、固體流態(tài)化等；（2）遵循熱量傳遞基本規(guī)律的單元操作：包括加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)等；（3）遵循質(zhì)量傳遞基本規(guī)律的單元操作：包括蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶、干燥、膜分離等；.0.1 0.1 化工（制藥）生產(chǎn)

2、與單元操作 單元操作的基本原理； 單元操作典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)； 單元操作設(shè)備選型設(shè)計計算。研究內(nèi)容 高效率、低能耗、環(huán)保； 開發(fā)新的單元操作 單元操作集成工藝與技術(shù)。研究方向3 單元操作的研究內(nèi)容與方向：單元操作的研究內(nèi)容與方向：.0.2 單位制與單位換算n一、基本單位與導(dǎo)出單位n基本單位：選擇幾個獨(dú)立的物理量，根據(jù)方便 原則規(guī)定單位；n導(dǎo)出單位：由有關(guān)基本單位組合而成。n單位制度的不同，在于所規(guī)定的基本單位及單位 大小不同。.0.2 單位制與單位換算基本單位：7個，化工中常用有5個，即長度（米），質(zhì)量（千克），時間（秒），溫度（K），物質(zhì)的量（摩爾）國際單位制 SI制基本單位：長度（厘米cm），

3、質(zhì)量（克g），時間（秒s）物理單位制 CGS制基本單位：長度（米），重量或力（千克力kgf），時間（秒）工程單位制我國法定單位制為國際單位制（即SI制）二、常用單位制二、常用單位制 .三、單位換算三、單位換算 物理量的單位換算換算因數(shù)：同一物理量，若單位不同其數(shù)值就不同，二者包括單位在內(nèi)的比值稱為換算因數(shù)（見附錄二中） 經(jīng)驗公式的單位換算經(jīng)驗公式是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)整理而成的，式中各符號只代表物理量的數(shù)字部分，其單位必須采用指定單位。0.2 單位制與單位換算 .0.3 0.3 物料衡算與能量衡算物料衡算與能量衡算 一、物料衡算一、物料衡算 1、畫出流程示意圖，標(biāo)出物料流向與流量、組成等； 物料衡算的

4、步驟2、用虛線劃出衡算范圍；3、定出衡算基準(zhǔn)；4、列出衡算式并求解。.二、能量衡算二、能量衡算 機(jī)械能、熱量、電能、磁能、化學(xué)能、原子能等統(tǒng)稱能量，化工生產(chǎn)中常以熱量為主，下面以熱量衡算為例說明能量衡算過程。) 10(LOIQQQ注意：作熱量衡算時，由于焓是相對值，與溫度基準(zhǔn)有關(guān)，故應(yīng)說明基準(zhǔn)溫度。習(xí)慣上選0為基溫，并規(guī)定0時液態(tài)的焓為零。0.3 0.3 物料衡算與能量衡算物料衡算與能量衡算 .0.4 0.4 化工原理課程的兩條主線化工原理課程的兩條主線 1、傳遞過程（從物理本質(zhì)上說又下列三種）(1)動量傳遞過程（單相或多相流動）；(2)熱量傳遞過程傳熱(3)質(zhì)量傳遞過程傳質(zhì) 上表所列各單元操

5、作皆歸屬傳遞過程，于是，傳遞過程成為統(tǒng)一的研究對象，也是聯(lián)系各單元操作的一條主線。三傳一反構(gòu)成各種工藝制造過程，三傳又有彼此類似的規(guī)律可以合在一起研究，形成傳遞過程這門學(xué)科，是單元操作在理論方面的深入發(fā)展.0.4 0.4 化工原理課程的兩條主線化工原理課程的兩條主線2、研究方法論 必要性 化工原理是一門工程學(xué)科，對一些過程作出如實的、逼真的數(shù)學(xué)描述幾乎是不可能的。采用直接的數(shù)學(xué)描述和方程求解的方法將是十分困難的。因此，探求合理的研究方法是發(fā)展這門工程學(xué)科的重要方面。 (1)試驗研究方法（經(jīng)驗方法） 優(yōu)點(diǎn)、不足(2)數(shù)學(xué)模型方法（半理論半經(jīng)驗方法） 必要性、廣泛被應(yīng)用.0.50.5 化工原理課程

6、所回答的問題化工原理課程所回答的問題n（1）如何根據(jù)各單元操作在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的特點(diǎn)，進(jìn)行“過程和設(shè)備”的選擇，以適應(yīng)指定物系的特征，經(jīng)濟(jì)而有效地滿足工藝要求 （2）如何進(jìn)行過程的計算和設(shè)備的設(shè)計。在缺乏數(shù)據(jù)的情況下，如何組織實驗以取得必要的設(shè)計數(shù)據(jù)。 （3）如何進(jìn)行操作和調(diào)節(jié)以適應(yīng)生產(chǎn)的不同要求。在操作發(fā)生故障時如何尋找故障的緣由。n當(dāng)然，當(dāng)生產(chǎn)提出新的要求而需要工程技術(shù)人員發(fā)展新的單元操作時，已有的單元操作發(fā)展的歷史將對如何根據(jù)一個物理或物理化學(xué)的原理發(fā)展一個有效的過程，如何調(diào)動有利的并克服不利的工程因素發(fā)展一種新設(shè)備，提供有用的借鑒。 .離心泵.換熱器.旋風(fēng)分離器.填料塔.板式塔.第一章

7、第一章 流體流動流體流動流體流動規(guī)律是化工原理課程的重要基礎(chǔ)，主要原因有以下三個方面：（1）流動阻力及流量計算（2）流動對傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的影響（3）流體的混合效果.1.1.1 重要概念n一一. 密度密度n定義: 單位體積流體的質(zhì)量稱為密度.公式: n式中 -流體的密度，kg/m3； n m -流體的質(zhì)量，kg； n V -流體的體積，m3。在研究流體流動時，若壓力與溫度變化不大時，則可認(rèn)為液體的密度為常數(shù)。密度為常數(shù)的流體稱為不可壓縮流體。 n 嚴(yán)格說來，真實流體都是可壓縮流體,不可壓縮流體只是在研究流體流動時，對于密度變化較小的真實流體的一種簡化。本章中如不加說明均指不可壓縮流體。.1

8、.1.1 重要概念n二二. 氣體密度氣體密度n 一般來說氣體是可壓縮的，稱為可壓縮流體。但是，在壓力和溫度變化率很小的情況下，也可將氣體當(dāng)作不可壓縮流體來處理。 n 當(dāng)氣體的壓力不太高，溫度又不太低時，可近似按理想氣體狀態(tài)方程來計算密度。由 計算n p - 氣體的絕對壓強(qiáng)，kPa或kN/m2； n M - 氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol； n T - 氣體的絕對溫度，K； n R - 氣體常數(shù)，8.314 kJ/(kmol K)。 .1.1.2 流體的靜壓強(qiáng) n一一. 靜壓強(qiáng)靜壓強(qiáng) n流體垂直作用于單位面積上的力，稱為壓強(qiáng)，或稱為靜壓強(qiáng)。其表達(dá)式為 n n n式中 p - 流體的靜壓強(qiáng)，Pa；

9、 n FV- 垂直作用于流體表面上的力，N； n A - 作用面的面積，m2。 .1.1.2 流體的靜壓強(qiáng)n二二. 靜壓強(qiáng)的單位靜壓強(qiáng)的單位n1 按壓強(qiáng)的定義，壓強(qiáng)是單位面積上的壓力，其單位應(yīng)為Pa，也稱為帕斯卡。n其105倍稱為巴（bar），n 即1bar = 105 Pa。常用單位有：Pa、 KPa、 Mpa。 n2 直接以液柱高表示：mH2O、cmCCl4、mmHg等。 n3. 以大氣壓強(qiáng)表示：atm（物理大氣壓）、at（工程大氣壓） n 1atm=1.013105 Pa=10.33 mH2O=760mmHg n 1at=9.81104 Pa=10 mH2O=735mmHg.1.1.2

10、流體的靜壓強(qiáng)三三. 靜壓強(qiáng)的表示方法靜壓強(qiáng)的表示方法絕對壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng)（ata）：以絕對真空為基準(zhǔn)量得的壓強(qiáng)； 表壓強(qiáng)表壓強(qiáng)（atg）：以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)量得的壓強(qiáng)。 真空度真空度 表壓強(qiáng)以大氣壓為起點(diǎn)計算，所以有正負(fù)，負(fù)表壓強(qiáng)就稱為真空度，其相互關(guān)系如下圖所示。注意符號: atm - 物理大氣壓； at - 工程大氣壓； ata - 絕對壓強(qiáng)； atg - 表壓強(qiáng)。.1.1.3 流體靜力學(xué)基本方程 n 流體靜力學(xué)基本方程是描述靜止流體內(nèi)部，流體在壓力和重力作用下的平衡規(guī)律。當(dāng)流體質(zhì)量一定時，其重力可認(rèn)為不變，而壓力會隨高度變化而變化。所以實質(zhì)上是描述靜止流體內(nèi)部壓強(qiáng)的變化規(guī)律。 np2= p1

11、+g(Z1 - Z2) (2)np = p0 + gh (3) .1.1.3 流體靜力學(xué)基本方程n重點(diǎn)討論：n1. 方程應(yīng)用條件：靜止，連續(xù)，同一流體。 n 靜止-受力平衡 n 連續(xù)-能夠積分 n 同一流體-密度一定 n2. 當(dāng)p0一定時，靜止流體中任一點(diǎn)的壓力與流體密度和所處高度h有關(guān)。所以同一高度處靜壓力相等。 n3. 當(dāng)表面壓強(qiáng)p0變化時，內(nèi)部壓強(qiáng)p也發(fā)生同樣大小的變化。 n4. 由p=p0+gh可得： h=P表/gn這就是用流體高度表示壓強(qiáng)單位的計量依據(jù)。 n從公式可知，密度會有影響，因此必須注明流體的名稱。n靜力學(xué)基本方程主要應(yīng)用于壓強(qiáng)，壓強(qiáng)差，液面等方面的測量。nU型測壓管 、U型

12、壓差計 、微差壓差計 、玻璃管液面計和液封高 度的確定均可以此計算。.1.2 流體在管內(nèi)的流動 n化工生產(chǎn)中的流體極大多數(shù)在密閉的管道或設(shè)備中流動，本節(jié)主要討論流體在管內(nèi)流動的規(guī)律，即討論流體在流動過程中，流體所具有的位能、靜壓能和動能是如何變化的規(guī)律。從而為解決流體流動這一單元操作中出現(xiàn)的工程問題打下基礎(chǔ)。 n流體流動應(yīng)服從一般的守恒原理：質(zhì)量守恒和能量守恒。從這些守恒原理可得到反映流體流動規(guī)律的基本方程式 n連續(xù)性方程式（質(zhì)量守恒） n柏努利方程式（能量守恒） n這是兩個非常重要的方程式，請大家注意。.1.2.1 流量n 單位時間內(nèi)流過管道任一截面的流體量稱為流量。若流體量用體積來計算，稱

13、為體積流量，以Vs表示，其單位為m3/s；若流體量用質(zhì)量來計算，則稱為質(zhì)量流量，以ws表示，其單位為kg/s。 n體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系為：ws = Vs n式中 - 流體的密度，kg/m3。 n注意，流量是一種瞬時的特性，不是一段時間的累計量。.1.2.2 1.2.2 流速流速n單位時間內(nèi)流體在流動方向上所流經(jīng)的距離稱為流速。以u表示，其單位為m/s。 n 流體流過管路時，在管路任一截面上各點(diǎn)的流速沿管徑而變n化，即在管截面中心處流速最大，越靠近管壁流速就越小，在管n壁處的流速為零。流體在管截面上各點(diǎn)的流速分布規(guī)律較為復(fù)n雜，在工程中為簡便起見，流速通常采用整個管截面上的平均流n速，即用流

14、量相等的原則來計算平均流速。其表達(dá)式為： n n式中 A - 與流動方向相垂直的管路截面積，m2 。 n 流量與流速的關(guān)系為：ws = Vs= uA n .1.2.2 1.2.2 流速流速n由于氣體的體積流量隨溫度和壓強(qiáng)而變化，因而氣體的流速亦隨之而變。因此采用質(zhì)量流速就較為方便。 n質(zhì)量流速即單位時間內(nèi)流體流過管路截面積的質(zhì)量，以G表示，其表達(dá)式為：n n式中G - 質(zhì)量流速，亦稱質(zhì)量通量；kg/m2 s 。.1.2.3 1.2.3 管路直徑的估算及選擇管路直徑的估算及選擇一般管路的截面均為圓形，若以d表示管路內(nèi)徑，則 于是 。 n所以流體輸送管路的直徑可根據(jù)流量及流速進(jìn)行計算，所以選擇的u

15、越小，則d越大，那么對于相同的流量，所用的材料就越多，所以材料費(fèi)、檢修費(fèi)等基建費(fèi)也會相應(yīng)增加。相反，選擇的u越大，則d就越小，材料費(fèi)等費(fèi)用會減少，但由于流體在管路中流動的阻力與u 成正比，所以阻力損失會增大，即操作費(fèi)用就會增加。所以應(yīng)綜合考慮，使兩項費(fèi)用之和最小。 n通常流體流動允許壓強(qiáng)降：水24.5kpa/100m管 n 空氣 5.1kpa/100m管 n可以此來衡量所選擇的管徑是否合適。對于長距離與大流量輸送流體，d應(yīng)按前述的經(jīng)濟(jì)核算原則進(jìn)行選擇；而對于車間內(nèi)部，通常管道較短，也不太粗，這時可根據(jù)經(jīng)驗來選擇d。n一般液體流速為0.53m/s，氣體為1030m/s，蒸汽為2050m/s。.某

16、些流體在管路中常用流速范圍某些流體在管路中常用流速范圍 .1.2.4 1.2.4 連續(xù)性方程連續(xù)性方程nn 設(shè)流體在管道中作連續(xù)穩(wěn)定流動，從截面2 - 2流出，若在管道兩截面之間流體無漏損，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，從截面1 - 1進(jìn)入的流體質(zhì)量流量ws1應(yīng)等于從2 - 2截面流出的流體質(zhì)量流量ws2，即 ws1= ws2 n 因為ws= uA，所以 u1A11 = u2A22 n此關(guān)系可推廣到管道的任一截面，即 n ws= u1A11 =u2A22 = uA= 常數(shù) n 上式稱為 連續(xù)性方程連續(xù)性方程。若流體不可壓縮，= 常數(shù)，則上式可簡化為 n Vs = u1A1 = u2A2=uA= 常數(shù) n

17、.1.2.4 1.2.4 連續(xù)性方程連續(xù)性方程n由此可知，在連續(xù)穩(wěn)定的不可壓縮流體的流動中，流體流速與管道的截面積成反比，截面積越大流速越小，反之亦然。 n 管道截面大多為圓形，故連續(xù)性方程又可改寫為:n n由上式可知，管內(nèi)不同截面流速之比與其相應(yīng)管徑的平方成反比。.1.2.5 1.2.5 柏努利方程柏努利方程 n在上圖圖所示的穩(wěn)定流動系統(tǒng)中，流體從1 - 1截面流入，從2 - 2截面流出。 流體本身所具有的能量有以下幾種形式：n1. 位能 相當(dāng)于質(zhì)量為m的流體自基準(zhǔn)水平面升舉到某高度Z所作的功，即位能 = mgZ n位能的單位n mgZ = kg m = Nm = J n 2動能 質(zhì)量為m、

18、流速為u的流體所具有的動能為 n動能= n動能的單位 .1.2.5 1.2.5 柏努利方程柏努利方程n3靜壓能 設(shè)質(zhì)量為m、體積為V1的流體通過如圖所示的1-1截面時，把該流體推進(jìn)此截面所流經(jīng)的距離為V1/A1，則流體帶進(jìn)系統(tǒng)的靜壓能為：輸入靜壓能=p1A1V1/A1= p1V1 n靜壓能的單位n n4內(nèi)能 單位質(zhì)量流體的內(nèi)能以U表示，質(zhì)量為m的流體所具有的內(nèi)能為：內(nèi)能=mU n 內(nèi)能的單位 n除此之外，能量也可以其它途徑進(jìn)入流體，它們是： n（1）熱 單位質(zhì)量流體通過時吸熱或放熱，以Qe表示，質(zhì)量為m的流體吸收或放出的熱量為： n 熱量=mQe n 熱量的單位 n（2）功 單位質(zhì)量流體獲得的

19、能量以We表示，質(zhì)量為m的流體接受的功為：功 = mWe n 功的單位 n 流體接受外功為正，向外界作功則為負(fù)。 .1.2.5 1.2.5 柏努利方程柏努利方程n流體通過截面1 - 1輸入的總能量用下標(biāo)1標(biāo)明，經(jīng)過截面2 - 2輸出的總能量用下標(biāo)2標(biāo)明，則對此流動系統(tǒng)的總能量衡算為： n設(shè)單位質(zhì)量流體在流動時因克服流動阻力而損失的能量為hf，其單位為J/kg。于是上式成為 .1.2.5 1.2.5 柏努利方程柏努利方程n若流體流動時不產(chǎn)生流動阻力，則流體的能量損失hf = 0，這種流體稱為理想流體。實際上這種流體并不存在。但這種設(shè)想可以使流體流動問題的處理變得簡單，對于理想流體流動，又沒有外功

20、加入，即hf =0，We = 0時，上式可簡化為：n此式即為柏努利方程。 .1.3 流體在管內(nèi)的流動阻力n流體流動中的作用力n（1）體積力（質(zhì)量力）n與流體的質(zhì)量成正比，對于均質(zhì)的流體也與流體的體積成正比。如流體在重力場中運(yùn)動時受到的重力就是一種體積力，F(xiàn)mg。n（2）表面力n與流體的表面積成正比。若取流體中任一微小的平面，作用于其上的表面力可分為： 垂直與表面的力P，稱為壓力。單位面積上所受的壓力稱為壓強(qiáng)p。平行于表面的力F，稱為剪力（切力）。單位面積上所受的剪力稱為應(yīng)力。.1.3.1 牛頓粘性定律式中：流體的粘度，Pa.s（N.s/m2）; 法向速度梯度，1/s。根據(jù)牛頓粘性定律，對一定，

21、 ;， 流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱為粘性。流體粘性越大，其流動性就越小。 ddFuAydduydduydduy.1.3.1 牛頓粘性定律n流動的流體內(nèi)部相鄰的速度不同的兩流體層間存在相互作用力，即速度快的流體層有著拖動與之相鄰的速度慢的流體層向前運(yùn)動的力，而同時速度慢的流體層有著阻礙與之相鄰的速度快的流體層向前運(yùn)動的力n流體內(nèi)部速度不同的相鄰兩流體層之間的這種相互作用力就稱為流體的內(nèi)摩擦力或粘性力F，單位面積上的F即為nSI制：Pa.s CGS制：cP（厘泊）n1Pa.S=10P=1000cPn運(yùn)動粘度 SI制的單位為m2/sn粘度又稱為動力粘度。.的變化規(guī)律的變化規(guī)律n液體：f（t），

22、與壓強(qiáng)p無關(guān)，溫度t， n氣體：p40atm時f（t）與p無關(guān)，溫度t，n0，流體無粘性（理想流體，圖1-5，實際不存在）.的變化規(guī)律的變化規(guī)律n服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體（大多數(shù)如水、空氣），本章主要研究牛頓型流體的流動規(guī)律，.1.3.21.3.2 流動類型與雷諾數(shù)流動類型與雷諾數(shù) n雷諾實驗 n流體流動存在著兩種截然不同的流型。在前一種流型中，流體質(zhì)點(diǎn)作直線運(yùn)動，即流體分層運(yùn)動，層次分明，彼此互不混雜，故才能使著色線流保持著線形。這種流型被稱為層流或滯流。在后一種流型中流體在總體上沿管道向前運(yùn)動，同時還在各個方向作隨機(jī)的脈動，正是這種混亂運(yùn)動使著色線抖動、彎曲以至斷裂沖散。這種流

23、型稱為湍流或紊流。 n不同的流型對流體中的質(zhì)量、熱量傳遞將產(chǎn)生不同的影響。為此，工程設(shè)計上需事先判定流型。對管內(nèi)流動而言，實驗表明流動的幾何尺寸（管徑d）、流動的平均速度u以及流體性質(zhì)（密度和粘度）對流型的轉(zhuǎn)變有影響。雷諾發(fā)現(xiàn)，可以將這些影響因素綜合成一個無因次數(shù)群 du/作為流型的判據(jù)，此數(shù)群被稱為雷諾數(shù)，以符號Re表示。 .1.3.2 1.3.2 流動類型與雷諾數(shù)流動類型與雷諾數(shù)n雷諾指出： n（1）當(dāng)Re 2000時，必定出現(xiàn)層流，此為層流區(qū)； n（2）當(dāng)2000 Re 4000時，有時出現(xiàn)層流，有時出現(xiàn)湍流，依賴于環(huán)境。此為過渡區(qū)； n（3）當(dāng)Re 4000時，一般都出現(xiàn)湍流，此為湍流

24、區(qū)。 n 當(dāng)Re 4000時，則微小的擾動就可以觸發(fā)流型的轉(zhuǎn)變，因而一般情況下總出現(xiàn)湍流。 n根據(jù)Re的數(shù)值將流動劃為三個區(qū)：層流區(qū)、過渡區(qū)及湍流區(qū)，但只有兩種流型。過渡區(qū)不是一種過渡的流型，它只表示在此區(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)層流也可能出現(xiàn)湍流，需視外界擾動而定。 .流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布 n理論分析和實驗都已證明，層流時的速度沿管徑按拋物線規(guī)律分布，如圖圖所示，截面上各點(diǎn)速度的平均值u等于管中心處最大速度umax的0.5倍。 .流體在圓管內(nèi)的速度分布流體在圓管內(nèi)的速度分布n 湍流時的速度分布目前還不能完全利用理論推導(dǎo)求得。經(jīng)實驗方法得出湍流時圓管內(nèi)速度分布曲線如圖圖所示。此時速度

25、分布曲線不再是嚴(yán)格的拋物線，曲線頂部區(qū)域比較平坦，Re數(shù)值越大，曲線頂部的區(qū)域就越廣闊平坦，但靠管壁處的速度驟然下降，曲線較陡。截面上各點(diǎn)速度的平均值u近似等于0.82umax。n即使湍流時，管壁處的流體速度也等于零，而靠近管壁的流體仍作層流流動，這一流體薄層稱層流底層。管內(nèi)流速越大，層流底層就越薄，流體粘度越大，層流底層就越厚。 n 湍流主體與層流底層之間存在著過渡層。 .1.3.3 1.3.3 流體流動的阻力損失流體流動的阻力損失 n管路系統(tǒng)主要由直管和管件組成，無論直管或管件都對流動有一定的阻力，消耗一定的機(jī)械能。直管造成的機(jī)械能損失稱為直管阻力損失，管件造成的機(jī)械能損失稱為局部阻力損失

26、。在運(yùn)用柏努利方程時，先分別計算直管阻力與局部阻力損失的數(shù)值，然后進(jìn)行加和。 .層流時直管阻力損失計算層流時直管阻力損失計算 n流體在均勻直管中作穩(wěn)定流動時，由柏努利方程可n知，流體的能量損失為： n對于均勻直管u1 = u2，水平管路Z1 = Z2，故只要測出兩截面上的靜壓能，就可以知道兩截面間的能量損失。而層流時的能量損失可從理論推導(dǎo)得出：.層流時直管阻力損失計算層流時直管阻力損失計算n哈根 泊謖葉公式n則能量損失為：n將上式改寫為直管能量損失計算的一般方程式：n上式即為層流直管阻力損失計算的公式。其中稱為摩擦系數(shù)，層流時= 64 / Re 。 令 則 .湍流時直管阻力計算 n而湍流時，引

27、起阻力的原因不只是內(nèi)摩擦力，所以不再服從牛頓粘性定律。因而湍流時直管阻力損失計算公式不能用理論推導(dǎo)得到，要用實驗方法得到。對均勻直管：上式即為層流時直管阻力損失計算公式，對于湍流其中/d稱為相對粗糙度。實驗結(jié)果可表示為與Re和/d的關(guān)系如下圖所示。對光滑管及無嚴(yán)重腐蝕的工業(yè)管道，該圖誤差范圍約在10%。 .摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)與與ReRe及相對粗糙度的關(guān)系及相對粗糙度的關(guān)系 .1 1）摩擦系數(shù)）摩擦系數(shù)與與ReRe的關(guān)系的關(guān)系n 在圖上有四個不同的區(qū)域： n（1）層流區(qū) n Re2000, 與管壁粗糙度無關(guān),和Re準(zhǔn)數(shù)呈直線下降關(guān)系。其表達(dá)式為=64/Re。 n（2）過渡區(qū) n 2000Re400

28、0，在此區(qū)域內(nèi)層流和湍流的-Re曲線都可應(yīng)用，但為安全計，一般將湍流時的曲線延伸來查取 。 n（3）湍流區(qū) n Re4000及虛線以上的區(qū)域。這個區(qū)的特點(diǎn)是與Re及/d都有關(guān)。當(dāng)/d一定時，隨Re的增大而減小，Re增至某一數(shù)值后值下降緩慢，當(dāng)Re一定時，隨/d增大而增大。 n（4）完全湍流區(qū) n 圖中虛線以上區(qū)域。此區(qū)內(nèi)各-Re曲線趨于水平，即只與/d有關(guān)，而與Re無關(guān)。在一定的管路中，由于、/d均為常數(shù)，當(dāng)l/d一定時，hf與u2成正比，所以此區(qū)又稱阻力平方區(qū)。 .2 2）管壁粗糙度對）管壁粗糙度對的影響的影響n 管壁粗糙面凸出部分的平均高度，稱絕對粗糙度，以表示。絕對粗糙度與管內(nèi)徑d之比值

29、/d稱相對粗糙度。 n 層流時，流體層平行于管道軸線，流速較慢，對管壁凸出部分沒有什么碰撞作用，所以粗糙度對值無影響。 n 湍流時，若層流底層的厚度大于壁面的絕對粗糙度，則管壁粗糙度對值的影響與層流相近。隨著Re值增加，層流底層的厚度變薄，當(dāng)管壁凸出處部分地暴露在層流底層之外的湍流區(qū)域時，流動的流體沖過凸起處時會引起旋渦，使能量損失增大。在Re數(shù)一定時，管壁粗糙度越大，能量損失也越大。 .1.3.4 1.3.4 局部阻力損失局部阻力損失 n化工管路中使用的管件種類繁多，各種管件都會產(chǎn)生阻力損失。和直管阻力的沿程均勻分布不同，這種阻力損失集中在管件所在處，因而稱為局部阻力損失。n其它管件，如各種

30、閥門都會由于流道的急劇改變而發(fā)生類似的現(xiàn)象，造成局部阻力損失。n局部阻力損失的計算有兩種近似的方法：阻力系數(shù)法及當(dāng)量長度法。 .局部阻力損失的計算局部阻力損失的計算 n一、阻力系數(shù)法一、阻力系數(shù)法 n 近似認(rèn)為局部阻力損失服從平方定律，即：n式中常用管件的值可從一些資料中查得。 n二、當(dāng)量長度法二、當(dāng)量長度法 n 近似認(rèn)為局部阻力損失可以相當(dāng)于某個長度的直管的損失，即 ：n式中l(wèi)e為管件及閥件的當(dāng)量長度，由實驗測得。 n必須注意，對于擴(kuò)大和縮小，以上兩式中的u是用小管截面的平均速度。n實際應(yīng)用時，長距離輸送以直管阻力損失為主，車間管路則往往以局部阻力為主。 .第二章第二章 流體輸送機(jī)械流體輸送

31、機(jī)械n一、制藥生產(chǎn)過程中為什么要流體輸送機(jī)械？一、制藥生產(chǎn)過程中為什么要流體輸送機(jī)械？n n化工生產(chǎn)中大都是連續(xù)流動的各種物料或產(chǎn)品。由于工藝需要常需將流體由低處送至高處；由低壓設(shè)備送至高壓設(shè)備；或者克服管道阻力由一車間（某地）水平地送至另一車間（另一地）。為了達(dá)到這些目的，必須對流體作功以提高流體能量，完成輸送任務(wù)。這就需要流體輸送機(jī)械。 .二、為什么要用不同結(jié)構(gòu)和特性的輸送機(jī)械？二、為什么要用不同結(jié)構(gòu)和特性的輸送機(jī)械？ n這是因為化工廠中輸送的流體種類繁多： n 1、流體種類有強(qiáng)腐蝕性的、高粘度的、含有固體懸浮物的、易揮發(fā)的、n易燃易爆的以及有毒的等等； n 2、溫度和壓強(qiáng)又有高低之分；

32、n 3、不同生產(chǎn)過程所需提供的流量和壓頭又各異。 n 所以需要有各種結(jié)構(gòu)和特性的輸送機(jī)械。 n三、化工流體輸送機(jī)械分類三、化工流體輸送機(jī)械分類n 一般可分為四類：即離心式、往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和流體動力作用式。這四種類型機(jī)械均有國產(chǎn)產(chǎn)品，且大多數(shù)已成為系列化產(chǎn)品。 .2-1-1 2-1-1 離心泵的工作原理離心泵的工作原理n 離心泵的種類很多，但工作原理相同，構(gòu)造大同小異。其主要工作部件是旋轉(zhuǎn)葉輪和固定的泵殼（如圖圖所示）。葉輪是離心泵直接對液體作功的部件，其上通常有6到12片后彎葉片（即葉片彎曲方向與旋轉(zhuǎn)方向相反）。離心泵工作時，葉輪由電機(jī)驅(qū)動作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，迫使葉片間的液體也隨之作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。同時

33、因離心力的作用，使液體由葉輪中心向外緣作徑向運(yùn)動。液體在流經(jīng)葉輪的運(yùn)動過程中獲得能量，并以高速離開葉輪外緣進(jìn)入蝸形泵殼。在泵殼內(nèi)，由于流道的逐漸擴(kuò)大而減速，又將部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，達(dá)到較高的壓強(qiáng)，最后沿切向流入壓出管道。 .2-1-1 2-1-1 離心泵的工作原理離心泵的工作原理n在液體受迫由葉輪中心流向外緣的同時，在葉輪中心處形成真空。泵的吸入管路一端與葉輪中心處相通，另一端則浸沒在輸送的液體內(nèi)，在液面壓力（常為大氣壓）與泵內(nèi)壓力（負(fù)壓）的壓差作用下，液體經(jīng)吸入管路進(jìn)入泵內(nèi)，只要葉輪的轉(zhuǎn)動不停，離心泵便不斷地吸入和排出液體。由此可見離心泵主要是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪所產(chǎn)生的離心力來輸送液體，故

34、名離心泵。 .2-1-1 2-1-1 離心泵的工作原理離心泵的工作原理n離心泵若在啟動前未充滿液體，則泵內(nèi)存在空氣，由于空氣密度很小，所產(chǎn)生的離心力也很小。吸入口處所形成的真空不足以將液體吸入泵內(nèi)，雖啟動離心泵，但不能輸送液體，這種現(xiàn)象就稱為“氣縛”。所以離心泵啟動前必須向殼體內(nèi)灌滿液體，在吸入管底部安裝帶濾網(wǎng)的底閥。底閥為止逆閥，防止啟動前灌入的液體從泵內(nèi)漏失。濾網(wǎng)防止固體物質(zhì)進(jìn)入泵內(nèi)?？拷贸隹谔幍膲撼龉艿郎涎b有調(diào)節(jié)閥，供調(diào)節(jié)流量時使用。 .離心泵的主要性能參數(shù)離心泵的主要性能參數(shù)n1. 離心泵的理論壓頭離心泵的理論壓頭n此式即為離心泵基本方程式。表示離心泵的理論壓頭與流量、葉輪的轉(zhuǎn)速和直

35、徑、葉片的幾何形狀之間的關(guān)系。 n由式（2-11）可看出，當(dāng)葉片幾何尺寸（b，）與流量一定時，離心泵的理論壓頭隨葉輪的轉(zhuǎn)速或直徑的增加而加大。 .離心泵的主要性能參數(shù)離心泵的主要性能參數(shù)2. 離心泵的功率與效率離心泵的功率與效率2.1 泵的有效功率與效率泵的有效功率與效率 n泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于存在種種損失，使泵的實際（有效）壓頭和流量均較理論值為低，而輸入泵的功率較理論值為高，設(shè) nH 泵的有效壓頭，即單位量液體在重力場中從泵獲得的能量，m； nQ泵的實際流量，m3/s； n 液體密度，kg/ m3； nNe泵的有效功率，即單位時間內(nèi)液體從泵處獲得的機(jī)械能，W。 n有效功率可寫成 Ne = Q

36、Hg n由電機(jī)輸入離心泵的功率稱為泵的軸功率，以N表示。有效功率 與軸功率之比定義為泵的總效率，即 2.2 泵內(nèi)損失泵內(nèi)損失 （1）容積損失v （2）水力損失h （3）機(jī)械損失 M n離心泵的總效率即包括上述三部分： =vhM .離心泵的特性曲線離心泵的特性曲線 n離心泵的性能參數(shù)H、Q、及N之間并非孤立的，而是相互聯(lián)系相互制約的。其具體定量關(guān)系由實驗測定，并將測定結(jié)果用曲線形式表示，即為特性曲線。 n左圖左圖即為4B20型清水泵在轉(zhuǎn)速n = 2900轉(zhuǎn)/分鐘條件下測得的特性曲線。 .離心泵的特性曲線離心泵的特性曲線n關(guān)于特性曲線 ，由此圖可見： n（1）離心泵的壓頭H隨流量Q的增加而降低 ；

37、 n（2）離心泵的軸功率N隨著流量Q的增大而上升，流量為零時軸功率最小。所以離心泵n啟動時，應(yīng)關(guān)閉泵的出口閥門，使啟動電流減小，保護(hù)電機(jī)； n（3）隨著流量Q的增大，泵的效率也隨之上升，并達(dá)到一最大值。以后流量再增大，效率就下降。這說明離心泵在一定轉(zhuǎn)速下有一最高效率點(diǎn)，稱為設(shè)計點(diǎn)。與最高效率點(diǎn)對應(yīng)的Q、H、P值稱為最佳工況參數(shù)。根據(jù)輸送條件的要求，離心泵往往不可能正好在最佳工況點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此一般只能規(guī)定一個工作范圍，稱為泵的高效率區(qū)，通常為最高效率的92%左右。 .離心泵的轉(zhuǎn)數(shù)和葉輪直徑對特性曲線的影響離心泵的轉(zhuǎn)數(shù)和葉輪直徑對特性曲線的影響 n離心泵的特性曲線是在一定轉(zhuǎn)速下測定的，當(dāng)轉(zhuǎn)速由n1改

38、變?yōu)閚2時，與流量、壓頭及功率的近似關(guān)系為：n當(dāng)轉(zhuǎn)速變化小于20%時，可認(rèn)為效率不變，用上式計算誤差不大。n當(dāng)葉輪直徑變化不大，轉(zhuǎn)速不變時，葉輪直徑與流量、壓頭及功率之間的近似關(guān)系為.液體物理性質(zhì)對離心泵特性的影響液體物理性質(zhì)對離心泵特性的影響 n（1）密度的影響 n 由離心泵的基本方程式可知，離心泵的壓頭、流量均與液體的密度無關(guān)，所以效率也不隨液體的密度而改變，但軸功率會隨著液體密度而變化。 n（2）粘度的影響 n 所輸送的液體粘度越大，泵內(nèi)能量損失越多，泵的壓頭、流量都要減小，效率下降，而軸功率則要增大。.離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié) n一、工作點(diǎn)一、工作點(diǎn) n 離心泵

39、的特性曲線是泵本身固有的特性，它與外界使用情況無關(guān)。但是，一旦泵被安排在一定的管路系統(tǒng)中工作時，其實際工作情況就不僅與離心泵本身的特性有關(guān)，而且還取決于管路的工作特性。所以，要選好和用好離心泵，就還要同時考慮到管路的特性。 n 在特定管路中輸送液體時，管路所需壓頭He隨著流量Qe的平方而變化。將此關(guān)系繪在坐標(biāo)紙上即為相應(yīng)管路特性曲線。 .離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)若將離心泵的特性曲線與其所在管路特性曲線繪于同一坐標(biāo)紙上，如上圖上圖所示，此兩線交點(diǎn)M稱為泵的工作點(diǎn)工作點(diǎn)。選泵時，要求工作點(diǎn)所對應(yīng)的流量和壓頭既能滿足管路系統(tǒng)的要求，又正好是離心泵所提供的，即Q = Qe，H

40、= He。 .離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)n二、流量調(diào)節(jié)二、流量調(diào)節(jié) n1）改變閥門的開度 n 改變離心泵出口管線上的閥門開關(guān)，其實質(zhì)是改變管路特性曲線。如圖圖所示，當(dāng)閥門關(guān)小時，管路的局部阻力加大，管路特性曲線變陡，工作點(diǎn)由M移至M1，流量由QM減小到QM1。當(dāng)閥門開大時，管路阻力減小，管路特性曲線變得平坦一些，工作點(diǎn)移至M2，流量加大到QM2。n用閥門調(diào)節(jié)流量迅速方便，且流量可以連續(xù)變化，適合化工連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)。所以應(yīng)用十分廣泛。缺點(diǎn)是閥門關(guān)小時，阻力損失加大，能量消耗增多，不很經(jīng)濟(jì)。 .離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)n2）改變泵的轉(zhuǎn)速 n改變泵的轉(zhuǎn)速

41、實質(zhì)上是改變泵的特性曲線。泵原來轉(zhuǎn)速為n，工作點(diǎn)為M，如下圖圖所示，若把泵的轉(zhuǎn)速提高到n1，泵的特性曲線 HQ往上移，工作點(diǎn)由M移至M1，流量由QM加大到QM1。若把泵的轉(zhuǎn)速降至n2，工作點(diǎn)移至M2，流量降至QM2。 n這種調(diào)節(jié)方法需要變速裝置或價格昂貴的變速原動機(jī)，且難以做到連續(xù)調(diào)節(jié)流量，故化工生產(chǎn)中很少采用。.離心泵的安裝高度離心泵的安裝高度 n一、汽蝕現(xiàn)象一、汽蝕現(xiàn)象 n在如圖所示的管路中，在液面00與泵進(jìn)口附近截面11之間無外加能量，液體靠壓強(qiáng)差流動。因此，提高泵的安裝位置，葉輪進(jìn)口處的壓強(qiáng)可能降至被輸送液體的飽和蒸汽壓，引起液體部分汽化。.汽蝕現(xiàn)象汽蝕現(xiàn)象n實際上，泵中壓強(qiáng)最低處位于

42、葉輪內(nèi)緣葉片的背面，當(dāng)泵的安裝位置高至一定距離，首先在該處發(fā)生汽化并產(chǎn)生汽泡。含汽泡的液體進(jìn)入葉輪后，因壓強(qiáng)升高，汽泡立即凝聚，汽泡的消失產(chǎn)生局部真空，周圍液體以高速涌向汽泡中心，造成沖擊和振動。尤其是當(dāng)汽泡的凝聚發(fā)生在葉片表面附近時，眾多液體質(zhì)點(diǎn)猶如細(xì)小的高頻水錘撞擊著葉片；另外汽泡中還可能帶有氧氣等對金屬材料發(fā)生化學(xué)腐蝕作用。泵在這種狀態(tài)下長期運(yùn)轉(zhuǎn)，將會導(dǎo)致葉片的過早損壞，這種現(xiàn)象稱為泵的汽蝕。 n離心泵在產(chǎn)生汽蝕條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，泵體振動并發(fā)出噪音，流量、揚(yáng)程和效率都明顯下降，嚴(yán)重時甚至吸不上液體。為了避免汽蝕現(xiàn)象，泵的安裝位置不能太高，以保證葉輪中各處的壓強(qiáng)高于液體的飽和蒸汽壓。 .離心泵的

43、安裝高度離心泵的安裝高度 n一般采用兩種指標(biāo)對泵的安裝高度加以限制，以免發(fā)生汽蝕，現(xiàn)將這兩種指標(biāo)介紹如下： n（1）允許吸上真空高度 n允許吸上真空高度Hs是指泵入口出壓力p1可允許達(dá)到的最高真空度，其表達(dá)式為：n式中Hs離心泵的允許吸上真空高度，m 液柱； n pa大氣壓強(qiáng)，Pa； n 被輸送液體的密度，kg/m3。.離心泵的安裝高度離心泵的安裝高度n在前圖所示的截面00與泵進(jìn)口附近截面11間列柏努利方程：n式中 Hg離心泵的允許安裝高度，m；nHf0-1液體從截面00到11的壓頭損失，m。 n由于貯槽是敞口的，p0為大氣壓pa，上式可寫為 n n所以 n n此式可用于計算泵的安裝高度。 .

44、離心泵的安裝高度離心泵的安裝高度n由上式可知，為了提高泵的允許安裝高度，應(yīng)該盡量減小u12/2g和Hf0-1。為了減小u12/2g，在同一流量下應(yīng)選用直徑稍大的吸入管路；為了減小Hf0-1，應(yīng)盡量減少阻力元件如彎頭、截止閥等，吸入管路也盡可能地短。 n注意，工廠在泵出廠時給出的Hs是在介質(zhì)為清水，20，大氣壓為10mH2O時的值。若使用介質(zhì)條件變化，要對Hs作適當(dāng)修正。 .離心泵的安裝高度離心泵的安裝高度n（2）汽蝕余量 n汽蝕余量h是指離心泵入口處，液體的靜壓頭p1/g與動壓頭nu12/2g之和大于液體在操作溫度下的飽和蒸汽壓頭pv/g的某一最n小指定值，即 n因為 n將以上兩式合并，可得出

45、汽蝕余量與允許安裝高度之間的關(guān)系 n n式中p0液面上方的壓強(qiáng)，若液位槽為敞口，則p0 = pa。 n應(yīng)當(dāng)注意，泵產(chǎn)品樣本上的h值也是按輸送20水而規(guī)定的。n當(dāng)輸送其他液體時，需進(jìn)行校正。 .離心泵的類型與選用離心泵的類型與選用 n一、類型一、類型 n離心泵的種類很多，化工生產(chǎn)中常用的離心泵有清水泵、耐腐蝕泵、油泵、液下泵、屏蔽泵、雜質(zhì)泵、管道泵和低溫用泵等。n在化工生產(chǎn)中除了離心泵之外，還會用到其它一些種類的泵，包括往復(fù)泵、計量泵、旋轉(zhuǎn)泵以及旋渦泵等等。 n二、選用二、選用 n離心泵的選用原則上可分為兩步： n（1）根據(jù)被輸送液體的性質(zhì)和操作條件，確定泵的類型； n（2）根據(jù)具體管路布置情況

46、對泵提出的流量、壓頭要求，確定泵的型號。 .離心泵的類型與選用離心泵的類型與選用n在泵樣本中，各種類型的離心泵都附有系列特性曲線，以便于泵的選用。每一種型號的泵都有其最佳的工作范圍，有時會有幾種型號的泵同時在最佳工作范圍內(nèi)滿足流量Q及壓頭H的要求，這時可分別確定各泵的工作點(diǎn)，比較各泵在工作點(diǎn)的效率。一般總是選擇其中效率最高的一種，但同時也應(yīng)考慮泵的價格。 .2-2-1 2-2-1 往復(fù)泵的構(gòu)造及操作原理往復(fù)泵的構(gòu)造及操作原理 n往復(fù)泵裝置如圖圖所示。n 往復(fù)泵是利用活塞的往復(fù)運(yùn)動，將能量傳遞給液體，以完成液體輸送任務(wù)，往復(fù)泵輸送液體的流量只與活塞的位移有關(guān)，而與管路情況無關(guān)，但往復(fù)泵的壓頭只與

47、管路情況有關(guān)。這種特性稱為正位移特性，具有這種特性的泵稱為正位移泵。 .2-2-1 2-2-1 往復(fù)泵的構(gòu)造及操作原理往復(fù)泵的構(gòu)造及操作原理n往復(fù)泵的構(gòu)造、操作原理往復(fù)泵的構(gòu)造、操作原理n與離心泵一樣，往復(fù)泵也是借助泵體內(nèi)減壓而吸入液體，所以吸入高度也有一定的限制。往復(fù)泵的低壓是靠泵體內(nèi)活塞移動使空間擴(kuò)大而形成的。往復(fù)泵在開動之前，沒有充滿液體也能吸液，故具有自吸能力。n往復(fù)泵的構(gòu)造、操作原理往復(fù)泵的構(gòu)造、操作原理n離心泵可以用出口閥門來調(diào)節(jié)流量，但對往復(fù)泵此法卻不能采用。因為往復(fù)泵屬正位移泵，其流量只與泵的幾何尺寸和泵的往復(fù)次數(shù)有關(guān)，而與管路特性無關(guān)。安裝調(diào)節(jié)閥非但不能改變流量，而且還會造成

48、危險。一旦出口閥完全關(guān)閉，泵缸內(nèi)的壓強(qiáng)將會急劇上升，導(dǎo)致機(jī)件破損或電機(jī)燒毀，根據(jù)往復(fù)泵的特點(diǎn)，其流量調(diào)節(jié)的方法是： .2-2-2 2-2-2 往復(fù)泵的流量調(diào)節(jié)往復(fù)泵的流量調(diào)節(jié)n（1）旁路調(diào)節(jié) n 如上圖上圖所示，在往復(fù)泵出口處裝上旁路，使一部分液體返回進(jìn)口處。在旁路上裝調(diào)節(jié)閥，通過閥門調(diào)節(jié)旁路流量，可以達(dá)到調(diào)節(jié)主管流量的目的。這種方法簡單方便，但很不經(jīng)濟(jì)，只適用于變化幅度較小的經(jīng)常性調(diào)節(jié)。n（2）改變原動機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)活塞往復(fù)次數(shù) n改變原動機(jī)的轉(zhuǎn)速和活塞的行程，可以改變泵的流量。因電動機(jī)是通過減速裝置與往復(fù)泵相連接的，改變減速裝置的傳動比可以方便地改變轉(zhuǎn)速，達(dá)到流量調(diào)節(jié)的目的。因此改變轉(zhuǎn)速調(diào)

49、節(jié)法是最常用的經(jīng)濟(jì)方法。 n此外，對輸送易燃、易爆液體的蒸汽推動往復(fù)泵，可改變蒸汽進(jìn)入量使活塞往復(fù)次數(shù)改變，從而實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。 .2-3 氣體輸送機(jī)械 n氣體輸送機(jī)械的結(jié)構(gòu)和原理與液體輸送機(jī)械大體相同。但是氣體具有可壓縮性和比液體小得多的密度（約為液體密度的千分之一左右），從而使氣體輸送具有某些不同于液體輸送的特點(diǎn)。 n氣體輸送機(jī)械根據(jù)它所能產(chǎn)生的進(jìn)、出口壓強(qiáng)差或壓強(qiáng)比（稱為壓縮比）進(jìn)行如下分類： 1）通風(fēng)機(jī)：出口壓強(qiáng)不大于1.47104Pa（表壓），壓縮比為 11.15； 2）鼓風(fēng)機(jī)：出口壓強(qiáng)為（1.4729.4）104Pa（表壓），壓縮比小于4； n（3）壓縮機(jī)：出口壓強(qiáng)為29.4104

50、Pa（表壓）以上，壓縮比大于4； n（4）真空泵：用于減壓，出口壓力為1大氣壓，其壓縮比由真空度決定。 n 此外，氣體輸送機(jī)械按其機(jī)構(gòu)與工作原理又可分為離心式、往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和流體作用式。 . 第三章第三章 機(jī)械分離和固體流態(tài)化機(jī)械分離和固體流態(tài)化 .3.13.1概述概述n混合物可以分為兩大類。凡物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻，且不存在相界面者，稱為均相混合物。凡物系內(nèi)部有隔開兩相的界面存在，且界面兩側(cè)物料性質(zhì)截然不同者，稱為非均相混合物或非均相物系。n非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)，如懸浮液中的固體顆粒、乳濁液中的液滴、泡沫液中的氣泡，稱為分散相或分散物質(zhì)；包圍著分散物質(zhì)的流體，則稱為連續(xù)相或分

51、散介質(zhì)。n由于非均相物系中分散相和連續(xù)相具有不同的物理性質(zhì)，工業(yè)上一般采用機(jī)械方法將兩相進(jìn)行分離。工業(yè)上分離非均相混合物的目的是：.3.1 3.1 概述概述1）回收有價值的分散物質(zhì) 例如從某些類型干燥器出來的氣體及從結(jié)晶機(jī)出來的晶漿中都帶有一定量的固體顆粒，必須回收這些懸浮的顆粒作為產(chǎn)品。2）凈化分散介質(zhì)以滿足后繼生產(chǎn)工藝的要求 例如某些催化反應(yīng)的原料氣中夾帶有會影響催化劑活性的雜質(zhì)，因此，在氣體進(jìn)入反應(yīng)器之前，必須除去其中塵粒狀的雜質(zhì)。3）環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn) 為了保護(hù)人類生態(tài)環(huán)境，要求排放的廢氣或廢液濃度達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；很多含碳物質(zhì)及金屬細(xì)粉與空氣形成爆炸物，必須除去這些物質(zhì)以消除隱患。.3.

52、2 3.2 離心沉降離心沉降 n重力沉降速度utn離心沉降速度urn依靠慣性離心力的作用而實現(xiàn)的沉降過程叫作離心沉降。流體帶著密度大于流體的顆粒旋轉(zhuǎn)時，受到慣性離心力、向心力和阻力的作用，當(dāng)三力達(dá)到平衡時，顆粒在徑向相對于流體的速度ur即為顆粒在此位置的離心沉降速度。n 式中：d 粒徑，mm 流體粘度，PaSn S 顆粒密度，Kg/m3 顆粒密度，Kg/m3 n 曳力系數(shù)2134stgdu21234RuduTsr.3.2 3.2 離心沉降離心沉降n離心沉降與重力沉降的比較：1） 離心沉降速度ur計算公式中將重力沉降速度計算公式中的加速度g改為離心加速度 ；2） 離心沉降方向不是向下而是向外；3

53、）離心力隨旋轉(zhuǎn)半徑而變，離心沉降速度ur也隨顆粒的位置而變。n同一顆粒在同種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速度的比值比值Kc稱為分離因數(shù)：n （3-15）nKc是顆粒所在位置上的慣性離心力場強(qiáng)度與重力場強(qiáng)度之比。分離因數(shù)是離心分離設(shè)備的重要性能指標(biāo)。 RuT/2cTtrKgRuuu2.3.2.1 3.2.1 離心分離設(shè)備 .3.3 3.3 流體通過顆粒床層的流動流體通過顆粒床層的流動 n3.3.1 顆粒床層的特性顆粒床層的特性n一、床層空隙率一、床層空隙率n 影響空隙率值的因素有顆粒的大小、形狀、粒度分布與充填方式等。一般亂堆床層的空隙率大致在0.470.70之間。n二、床層的比表面積abn單

54、位床層體積具有的顆粒表面積稱為床層的比表面積ab。若忽略顆粒之間接觸面積的影響，則n ab=（1）a （3-16）n式中 ab 床層比表面積，m2/m3；n a 顆粒的比表面積，m2/m3；n 床層空隙率。.3.3 3.3 流體通過顆粒床層的流動流體通過顆粒床層的流動n3.3.2 過濾及過濾基本方程過濾及過濾基本方程n一、概述過濾操作如圖所示。實現(xiàn)過濾操作的外力可以是重力、壓強(qiáng)差或慣性離心力。n1過濾方式n工業(yè)上過濾基本方式有兩種：深層過濾和濾餅過濾。n在深層過濾操作中，顆粒尺寸比過濾介質(zhì)孔徑小，顆粒附著在孔道壁面上，過濾在過濾介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行。濾餅過濾中，固體顆粒被截留在過濾介質(zhì)表面上，形成一顆

55、粒層，稱為濾餅。.3.3.2 3.3.2 過濾及過濾基本方程過濾及過濾基本方程n2濾餅的壓縮性n當(dāng)濾餅兩側(cè)的壓強(qiáng)差增大時，顆粒的形狀和顆粒間的空隙都不發(fā)生明顯變化，單位厚度床層的流動阻力可視作恒定，這類濾餅稱為不可壓縮濾餅，反之稱為可壓縮濾餅。n二、過濾基本方程二、過濾基本方程n 1過濾速度與過濾速率n單位時間獲得的濾液體積稱為過濾速率，單位為m3/s。單位過濾面積上的過濾速率稱為過濾速度，單位為m/s。任一瞬間的過濾速度u、過濾速率分別為：n n n （3-21b） （3-21c）n式中 V濾液量，m3；n 過濾時間，s；n A過濾面積，m2。LpaAddVuc22315LpAaddVc22

56、315.3.3.3 3.3.3 過濾設(shè)備過濾設(shè)備 n1板框壓濾機(jī) .3.3.3 3.3.3 過濾設(shè)備過濾設(shè)備n2葉濾機(jī) .3.3.3 3.3.3 過濾設(shè)備過濾設(shè)備n3回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī) .3.3.43.3.4 過濾機(jī)的生產(chǎn)能力n過濾機(jī)的生產(chǎn)能力通常是指單位時間獲得的濾液體積。n1間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)能力n間歇過濾機(jī)的整個操作周期T為nT=+W+Dn式中 一個操作循環(huán)內(nèi)的過濾時間，s；n W 一個操作循環(huán)內(nèi)的洗滌時間，s；n D 一個操作循環(huán)內(nèi)輔助操作所需時間，s。n生產(chǎn)能力Q的計算式為n （3-42）DWVTVQ36003600.3.3.43.3.4 過濾機(jī)的生產(chǎn)能力n2.連續(xù)過濾機(jī)的生產(chǎn)能力連續(xù)過濾

57、機(jī)的生產(chǎn)能力n以轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)為例。轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分?jǐn)?shù)為浸沒度：n （3-43）n轉(zhuǎn)筒回轉(zhuǎn)一周所用時間T，在此周期內(nèi)過濾時間為n n （3-44）nN 轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速，r/min K 過濾常數(shù)n轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)一周所得的濾液體積為n n （3-45）360浸沒角度nT60eeeeVnKAVKAV60)(22.3.3.43.3.4 過濾機(jī)的生產(chǎn)能力n生產(chǎn)能力為n （3-46） n n當(dāng)濾布阻力可以忽略時，e=0、Ve=0，則上式簡化為n （3-46a）nVnnKAnVQee)60(606022KnAnKAnQ46560602.第四章 傳熱.4.1 4.1 概述概述n傳熱是由于溫度差引起的能量的轉(zhuǎn)移，又稱

58、熱量傳遞過程。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，凡是存在溫度差就必然導(dǎo)致熱量自發(fā)的從高溫處向低溫處傳遞，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中普遍存在的一種傳遞現(xiàn)象。在化工生產(chǎn)中，傳遞過程的應(yīng)用更是十分廣泛。在化學(xué)工業(yè)中幾乎所有的化工生產(chǎn)過程均伴有傳熱操作。n化工生產(chǎn)中對傳熱的要求通常有以下兩種情況：一種是強(qiáng)化傳熱，比如各種換熱設(shè)備中的傳熱；另一種是削弱傳熱過程，如設(shè)備和管道的保溫。n學(xué)習(xí)傳熱的目的主要是能夠分析影響傳熱速率的因素，掌握控制熱量傳遞速率的一般規(guī)律，以便根據(jù)生產(chǎn)要求來強(qiáng)化或削弱熱量的傳遞，正確地計算和選擇適宜的傳熱設(shè)備和保溫措施。.4.1.1 4.1.1 傳熱過程傳熱過程 及其基本方式n熱的傳遞是由

59、于物體內(nèi)或系統(tǒng)內(nèi)的兩部分間有溫度差存在而引起的，凈的熱流是由高溫處流向低溫處, 顯然傳遞的推動力是溫度差，其極限是溫度平衡.n根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱的傳遞有三種基本方式：導(dǎo)熱、對流傳熱和輻射傳熱。 n1.導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）：因為分子的微觀振動，熱量從高溫物體流向與之接觸的低溫物體，或同物體內(nèi)高溫部分向低溫部分進(jìn)行的熱量傳遞過程稱為導(dǎo)熱，也稱為熱傳導(dǎo)。n2.對流傳熱（熱對流）: 對流傳熱是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對位移而引起的熱交換。對流傳熱僅僅發(fā)生在流體中。但要注意，在對流傳熱時，必然伴隨著流體質(zhì)點(diǎn)間的熱傳導(dǎo)。若將兩者合并處理時，一般也稱為對流傳熱，也可稱為熱對流或給熱。.4.1.1 4.1.1 傳熱過

60、程傳熱過程 及其基本方式n3.輻射傳熱(熱輻射): 高溫物體因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間傳遞而被低溫物體所吸收并轉(zhuǎn)化為熱能的過程稱為輻射傳熱.輻射傳熱不僅有熱量的轉(zhuǎn)移,而且還伴有能量的轉(zhuǎn)換.n4.1.2 傳熱速率傳熱速率 n傳熱速率有兩種表示方法:n1.熱流量Q: 單位時間內(nèi)在整個傳熱面積上由熱流體傳給冷流體的熱量。n2.熱通量q: 單位傳熱面積上通過的熱流量。 .4.2 4.2 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)n一.傅立葉定律nQ-S(dt/dn)n qQ/S-(dt/dn)n導(dǎo)熱系數(shù)W/(mk)ndt/dn溫度梯度 k/m （指向溫度增加的方向）n傅立葉定律表明:在熱傳導(dǎo)時,其傳熱速率與溫度梯度及傳熱面積成