化工基礎(chǔ)流體輸送和機(jī)械要求

1、化工基礎(chǔ)流體輸送和機(jī)械要求科學(xué)和化工、化學(xué)科學(xué)的十二大類： 哲學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、歷史學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、管理學(xué)、理學(xué)、工學(xué)、軍事學(xué)、法學(xué)、文學(xué)、教育學(xué)。化學(xué)工程與技術(shù)為隸屬工學(xué)的一級學(xué)科，包含五個(gè)二級學(xué)科： 化學(xué)工程、化學(xué)工藝、應(yīng)用化學(xué)、生物化工和工業(yè)催化化學(xué)為隸屬理學(xué)的一級學(xué)科，包含五個(gè)二級學(xué)科： 有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理（理論）化學(xué)和高分 子化學(xué)與物理 化學(xué)工程與技術(shù)研究以化學(xué)工業(yè)為代表的各類過程工業(yè)中有關(guān)化學(xué)過程與物理過程的基本規(guī)律和應(yīng)用技術(shù)的工程技術(shù)學(xué)科。本學(xué)科以過程工業(yè)為背景和研究對象，學(xué)科內(nèi)容體現(xiàn)基礎(chǔ)和應(yīng)用并重，包括基礎(chǔ)理論、基本方法和基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)，產(chǎn)品研制、工藝開發(fā)、過程設(shè)計(jì)、系

2、統(tǒng)模擬與優(yōu)化和操作控制等。過程工業(yè)與加工工業(yè)的區(qū)別比較項(xiàng)目過程工業(yè)加工工業(yè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和形態(tài)實(shí)現(xiàn)方法所依靠設(shè)備產(chǎn)品計(jì)量變化各種反應(yīng)及分離過程釜、罐、塔器、泵質(zhì)量或體積（千克、噸、升等不變化不同的加工工序適當(dāng)?shù)脑O(shè)備件數(shù)（片、支、粒等）化學(xué)工程與技術(shù)的五個(gè)二級學(xué)科化學(xué)工程：研究各類化學(xué)過程和物理過程的一般原理、共性規(guī)律、工程基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)；化學(xué)工藝：研究化學(xué)品的精化原理、生產(chǎn)原理、產(chǎn)品開發(fā)、工藝實(shí)施、過程設(shè)計(jì)和優(yōu)化；生物化工：研究有生物體或生物活性物質(zhì)參與的過程的基本原理和工程技術(shù)問題；應(yīng)用化學(xué)：研究精細(xì)化學(xué)品、專用化學(xué)品、功能材料及器件等的制備原理和工藝技術(shù)；工業(yè)催化：研究催化劑和催化反應(yīng)過程的理論

3、基礎(chǔ)及其設(shè)計(jì)、開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用?；瘜W(xué)工業(yè)的發(fā)展簡史1746年鉛室法制取硫酸，世界上第一個(gè)化工廠1791年路布蘭制堿法1861年索爾維制堿法1862年硝化甘油炸藥投入生產(chǎn)1905年哈伯合成氨法1929年青霉素被發(fā)現(xiàn)1934年高壓聚乙烯被制成1939年尼龍66工業(yè)化1941年侯氏聯(lián)合制堿法1957年聚四氟乙烯纖維的投產(chǎn)化學(xué)工業(yè)的特點(diǎn)化學(xué)工業(yè)與人類的生存與發(fā)展息息相關(guān)原料、工藝和產(chǎn)品的多樣性技術(shù)密集型能源密集型資金密集型化學(xué)工業(yè)的發(fā)展趨勢產(chǎn)品精細(xì)化化學(xué)工業(yè)和生物技術(shù)結(jié)合煤化工的興起新材料的研究與開發(fā)化學(xué)工業(yè)的分類（中國）化學(xué)礦無機(jī)鹽有機(jī)化工原料化學(xué)肥料化工農(nóng)藥合成纖維單體涂料、顏料染料及其中間體感光和

4、磁性材料化學(xué)試劑石油化工化學(xué)醫(yī)藥合成樹脂和塑料酸、堿合成橡膠催化劑、試劑和助劑煤化工橡膠制品化工機(jī)械化工新型材料化工生產(chǎn)過程將原料（Raw Materials） 通過物理或化學(xué)方法 轉(zhuǎn)變成 產(chǎn)品(Products)化學(xué)反應(yīng)：使物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成或性質(zhì)發(fā)生變化單元操作（Unit Operation)：只有物理性質(zhì)的變化，不涉及化學(xué)反應(yīng)常見的單元操作：流體輸送；物料的加熱和冷卻；蒸發(fā)；蒸餾；吸收；萃??；干燥、結(jié)晶等單元操作的理論基礎(chǔ)： “三傳”：動量(Momentum)、熱量(Heat)和質(zhì)量(Mass)傳遞(Transfer) 相平衡：Phase Equilibrium物料衡算、能量衡算和過程速率

5、物料衡算(Mass Balance)： 輸入物料量 = 輸出物料量 + 累積物料量 穩(wěn)態(tài)過程：輸入物料量 = 輸出物料量 能量衡算(Energy Balance)： 輸入能量 = 輸出能量 + 系統(tǒng)累積能量 穩(wěn)態(tài)過程：輸入能量 = 輸出能量 過程速率 = 過程推動力/過程阻力本課程的教學(xué)內(nèi)容單元操作 54學(xué)時(shí)化學(xué)反應(yīng)工程基礎(chǔ) 18學(xué)時(shí)化工熱力學(xué)基礎(chǔ) 18學(xué)時(shí)第一章 流體流動(Fluid Flow)流體輸送： 化工過程中最普遍的單元操作之一本章的研究內(nèi)容（對象）： 壓力、功率、流量等流體流動：內(nèi)部存在相對運(yùn)動；質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的總和 質(zhì)點(diǎn)：大量分子的聚集體剛體運(yùn)動：內(nèi)部不存在相對運(yùn)動第一節(jié) 流體靜止的基

6、本方程 （流體靜力學(xué)）流體的密度（density)、比重(specific gravity)和比容(specific volume) 密度：單位體積流體的質(zhì)量， 比重：某物質(zhì)的密度對水的密度之比 比容：單位質(zhì)量物質(zhì)的體積，壓力（壓強(qiáng)）表壓絕對壓力大氣壓真空度大氣壓絕對壓力流體靜力學(xué)基本方程式描述靜止流體內(nèi)部壓強(qiáng)隨位置高低變化的規(guī)律（數(shù)學(xué)表達(dá)式）在靜止的連續(xù)的同一流體內(nèi)等高處壓強(qiáng)相等流體靜力學(xué)基本方程式的應(yīng)用液柱壓差計(jì)U型壓差計(jì)雙液體U型壓差計(jì)傾斜U型壓差計(jì)串聯(lián)U型壓差計(jì)第二節(jié) 流體流動的基本方程流量與流速穩(wěn)定流動與非穩(wěn)定流動總質(zhì)量衡算連續(xù)性方程總能量衡算機(jī)械能衡算柏努利方程柏努利方程的應(yīng)用流量

7、與流速（Flux & Velocity）體積流量（Volume Flux）： Vs= V/ （單位時(shí)間流過管路任一截面的流體體積）質(zhì)量流量(Mass Flux)：ms=m/ (單位時(shí)間流過管路任一截面的流體質(zhì)量） 流速(Velocity)：u = Vs/A (體積流量除以管截面所得的平均速度） 質(zhì)量流速(Mass Velocity) ：G=ms/A (質(zhì)量流量與管截面的比值） 穩(wěn)定流動（Steady Flow） p、z等物理量不隨時(shí)間變化不穩(wěn)定流動（Unsteady Flow） p、z等物理量隨時(shí)間變化總質(zhì)量衡算(Mass Balance)連續(xù)性方程(Equation of Continuit

8、y)ms1=ms2u1A11=u2A22或uA常數(shù)若為常數(shù)，則u1A1 u2A2=常數(shù)總能量衡算(Energy Balance)H1 + gz1 + u12/2 + qe + we = H2 + gz2 + u22/2H+ g z+ (u2)/2= qe + we機(jī)械能衡算（Mechanical Energy Balance）柏努利方程(Bernoulli Equation)三個(gè)假定： 1.流體不可壓縮 v1=v2=v=1/； 2.無熱交換 qe=0； 3.流體溫度不變 U1=U2gz1+u12/2+p1/ + we = gz2+u22/2+p2/ + wf z1+u12/2g+p1/ g +

9、 he = z2+u22/2g+p2/ g + hfh= he hf (h=z+u2/2g+p/ g) z+ (u2)/2 + p/ g = 0 或 h= 0 (we = 0 ; wf=0) 理想流體 Bernoulli Eq.的應(yīng)用流體流動中，各種形式的機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)化，流體接受外功(he) 可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，而部分機(jī)械能因克服阻力而被消耗（hf）；機(jī)械能可以用壓頭m表示；h=h2-h1=he-hf靜止流體，u1=u2=0 he=0 hf=0 則 z1+p1/ g = z2+p2/ g (流體靜力學(xué)方程)第三節(jié) 流體流動現(xiàn)象粘度流動型態(tài)管內(nèi)流動的速度分布邊界層簡介第四節(jié) 管內(nèi)流動的阻力損失

10、阻力損失的直觀表現(xiàn)壓力降因次分析法流體流動阻力損失中的無因次數(shù)群（準(zhǔn)數(shù)）范寧公式摩擦因數(shù)非圓形管的摩擦損失局部阻力損失阻力損失的直觀表現(xiàn)壓力降滿足以下條件： z1=z2(水平）；u1=u2（等徑）；we=0（無外功）pf=p1-p2=wf=ghf (p1p2) pf： 壓力損失； hf：壓頭損失； wf：單位質(zhì)量流體的機(jī)械能損失因次分析法因次一致性原則： 凡是根據(jù)基本物理規(guī)律導(dǎo)出的物理量方程，其中各項(xiàng)的因次必然相同。定理（Buckingham定理）： 某一物理現(xiàn)象中存在n個(gè)物理量，這些物理量涉及有m個(gè)基本單位，那么，這一物理現(xiàn)象可由n-m個(gè)無因次數(shù)群1, 2, ., n-m所組成的函數(shù)關(guān)系式表

11、示，即 F(1, 2, ., n-m)=0流體流動阻力損失中的無因次數(shù)群（準(zhǔn)數(shù)）阻力損失pf與以下物理量有關(guān)： d、l、u、e（粗糙度）共有7個(gè)物理量：pf 、 d、l、u、e基本單位有3個(gè)：kg、m、s根據(jù)定理，存在7-3=4個(gè)無因次數(shù)群: Eu= pf /( u2) 表征壓力與慣性力之比 l/d 反映管子的幾何特性 Re= d u / 反映流體的湍動程度 e/d 相對粗糙度， 反映管壁的幾何特性范寧（Fanning）公式摩擦因數(shù)層流：湍流：非圓形管的摩擦損失當(dāng)量直徑： 局部阻力損失局部阻力損失計(jì)算式：局部阻力系數(shù)：總阻力（直管損失+局部損失）第五節(jié) 管路計(jì)算依據(jù)： 連續(xù)性方程： ms1=m

12、s2 i.e. u1A11=u2A22 Bernoulli Eq.: gz1+u12/2+p1/ + we = gz2+u22/2+p2/ + wf i.e. z1+u12/2g+p1/ g+ he = z2+u22/2g+p2/ g+ hf 阻力計(jì)算式： 直管：wf=(l/d)(u2/2) i.e. hf=(l/d)(u2/2g) 局部：wf=(u2/2) i.e. hf=(u2/2g) 總： wf= (l/d)+)(u2/2) = (l+le)/d(u2/2) i.e. hf=(l/d)(u2/2g) = (l+le)/d(u2/2g) 簡單管路沒有分支或匯合特點(diǎn)： 質(zhì)量流量保持不變； 總

13、阻力損失為各段損失之和。復(fù)雜管路存在分支或匯合 分支管路 匯合管路 并聯(lián)管路特點(diǎn)： 總管流量等于各分支管流量之和； 對任一支管而言，分支前及匯合后的總壓頭皆相等。可壓縮流體的管路計(jì)算（簡單了解）簡化計(jì)算法第六節(jié) 流量測定（Flux Measurement)流量計(jì)：差壓流量計(jì)、截面流量計(jì)差壓流量計(jì)：皮托管、孔板、文丘里 截面流量計(jì)：轉(zhuǎn)子流量計(jì)差壓流量計(jì)：等截面、變壓差 節(jié)流口面積不變，流體流經(jīng)節(jié)流口所產(chǎn)生的p隨V而變，通過測定p間接測定流量V 。轉(zhuǎn)子流量計(jì)：變截面、等壓差 流體流經(jīng)節(jié)流口（環(huán)隙）的p恒定，而節(jié)流口的面積不斷變化。皮托管（Pitot Tube)測定管道截面上某一點(diǎn)的速度孔板(Ori

14、fice Plate)測定平均速度和流量文丘里(Venturi Tube)孔板的改進(jìn)型轉(zhuǎn)子流量計(jì)(Rotameter)收縮口面積可變的孔板第二章 流體輸送機(jī)械流體輸送機(jī)械： 向流體作功，提高機(jī)械能 能量轉(zhuǎn)換裝置 主要是流體靜壓頭的增加，還有動壓頭的增加等流體輸送機(jī)械（分類）： 泵：輸送液體 風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)：輸送氣體本章的研究內(nèi)容： 各種流體輸送機(jī)械（主要是離心泵）的操作原理、基本構(gòu)造與性能、選型等第一節(jié) 離心泵操作原理、構(gòu)造和類型理論壓頭與實(shí)際壓頭有效功率、軸功率和效率特性曲線工作點(diǎn)和流量調(diào)節(jié)安裝高度選用、安裝與調(diào)節(jié)操作原理、構(gòu)造和類型基本工作原理：利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生離心力，不斷吸入和排出液

15、體氣縛：泵殼內(nèi)存在氣體，真空度不夠，吸不上液吸入管路安裝止逆閥，保證啟動前泵內(nèi)充滿液體離心泵的主要構(gòu)件：葉輪和泵殼葉輪：產(chǎn)生離心力，將機(jī)械能傳遞給液體，增加液體的靜壓頭泵殼：匯集液體，將一部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能操作原理、構(gòu)造和類型（續(xù)）離心泵的類型按葉輪數(shù)目劃分： 單級泵：葉輪只有一個(gè) 多級泵：葉輪有n個(gè)按輸送液體的不同劃分： 水泵 油泵 耐腐蝕泵 雜質(zhì)泵離心泵的理論壓頭與實(shí)際壓頭理想狀況： 葉輪內(nèi)葉片數(shù)目無窮多，液體沿葉片彎曲表面流動，且無倒流 液體粘度為零，即沒有阻力損失離心泵基本方程：離心泵的理論壓頭與流量、轉(zhuǎn)速間的關(guān)系式：離心泵的理論壓頭與實(shí)際壓頭(續(xù)）壓頭損失(Hl)： 渦流損失 阻力損失 沖擊損失實(shí)際壓頭(H)=理論壓頭(H) 壓頭損失(Hl)離心泵的有效功率、軸功率和效率有效功率：軸功率：離心泵的特性曲線固定轉(zhuǎn)速、清水條件下，H、N、與Q的關(guān)系共同特點(diǎn)： 壓頭隨流量的增大而下降 功率隨流量增大而上升（離心泵啟動時(shí)應(yīng)關(guān)閉出口閥） 效率隨流量的