第一章 流體流動與輸送

第一章流體流動與輸送化工生產(chǎn)中處理的原料、中間產(chǎn)物，產(chǎn)品，大多數(shù)是流體，涉及的過程大部分在流動條件下進行。流體的流動和輸送是必不可少的過程操作。①選擇輸送流體所需管徑尺寸。②確定輸送流體所需能量和設(shè)備。③流體性能參數(shù)的測量,控制。④研究流體的流動形態(tài)，為強化設(shè)備和操作提供理論依據(jù)。⑤了解輸送設(shè)備的工作原理和操作性能，正確地使用流體輸送設(shè)備。研究流體的流動和輸送主要是解決以下問題。第一章流體流動與輸送1.1流體流動、流量和流速1.2流體的流動阻力1.3流體輸送機械1.1流體流動、流量和流速1.1.1流體流動1.1.2流量1.1.3流速1.1.1流體流動流體是液體和氣體的總稱，其基本特征是具有流動性。所謂流動性就是在靜止時不能承受剪切力的作用，當(dāng)有剪切力作用于流體時，流體質(zhì)點間就會產(chǎn)生相對運動。氣體和液體既具有共性，也具有各自的特性，即氣體是可壓縮的，而液體則由于其壓縮性很小，工程上近似認為是不可壓縮的。所以在討論共性的同時，也要討論它們各自的特性及處理方法?；どa(chǎn)中所處理的物料，不論是原料、中間產(chǎn)品或者是產(chǎn)品，大部分是流體。在生產(chǎn)過程中，無論是化學(xué)處理或是物理處理過程，流體總是需要從一個設(shè)備流到另一個設(shè)備，從一個車間送到另一個車間，為了完成流體輸送任務(wù)，必須解決管路的配置，流量、壓強的測定，輸送流體所需要的能量的確定和輸送設(shè)備選用等技術(shù)問題。此外，設(shè)備中的傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)都是在流動的流體中進行，它們與流體流動形態(tài)密切相關(guān)。研究流體的流動形態(tài)和條件，可作為強化化工設(shè)備的依據(jù)。因此，流體流動與輸送是化工生產(chǎn)中必不可少的單元操作。3.1流體的基本性質(zhì)1．密度單位體積流體所具有的質(zhì)量稱為流體的密度，其表達式為：ρ——流體密度，kɡ·m-3;m——流體質(zhì)量，kg；V——流體體積，m3。氣體具有可壓縮性及熱膨脹性，其密度隨壓力和溫度有較大的變化。氣體密度可近似地用理想氣體狀態(tài)方程進行計算：

ρ=pM/RT

p—氣體壓力kN·m-2或kPa；T—氣體溫度K；M—氣體摩爾質(zhì)量g·mol-1；R—氣體常數(shù)J·mo1-1·K-1。ρ=m／V化工生產(chǎn)中所遇到的流體，往往是含有多個組分的混合物。對于液體混合物，各組分的濃度常用質(zhì)量分數(shù)表示。ρi—液體混合物中各純組分液體的密度，kg·m-3；wi—液體混合物中各組分液體的質(zhì)量分數(shù)。ρi—氣體混合物各純組分的密度，kg·m-3；

φi—氣體ρ混合物中各組分的體積分數(shù)。

對于氣體混合物:2．比體積

單位質(zhì)量流體所具有的體積稱為流體的比體積，以υ表示，它與流體的密度互為倒數(shù):υ一流體的比體積，m3·kg-1；ρ—流體的密度，kg·m-3。

υ=1/ρ3．壓力

流體垂直作用于單位面積上的力稱為壓力：p—流體的壓力，Pa；F—流體垂直作用于面積A上的力，N；A—作用面積，m2。壓力的單位Pa（Pascal，帕），即N·m-2。Latm=760mmHg=1.01325×105Pa=10.33mH2O=1.033kgf·㎝-2常用壓力單位與Pa之間的換算關(guān)系如下：P=F／A壓力有兩種表達方式。一是以絕對零壓為起點而計量的壓力；另一是以大氣壓力為基準(zhǔn)而計量的壓力，當(dāng)被測容器的壓力高于大氣壓時，所測壓力稱為表壓，當(dāng)測容器的壓力低于大氣壓時，所測壓力稱為真空度。

兩種表達壓力間的換算關(guān)系為

表壓=絕對壓力-大氣壓力真空度＝大氣壓力-絕對壓力用圖3—1來表示其關(guān)系流體壓力的重要特性:①流體壓力處處與它的作用面垂直,并且總是指向流體的作用面②流體中任一點壓力的大小與所選定的作用面在空間的方位無關(guān)1.1.2流量（1）體積流量（2）質(zhì)量流量流量

單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管道任一截面的流體量，稱為流體的流量。若流體量用體積來計量，稱為體積流量，以符號qv表示，單位為m3·s-1；若流體量用質(zhì)量來計量，則稱為質(zhì)量流量，以符號qm表示，其單位為kg·s-1。qm=ρqV

體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系為：（2）質(zhì)量流量

單位時間內(nèi)，流體在管道內(nèi)沿流動方向所流過的距離，稱為流體的流速，以u表示，單位為m·s-1。u=qV/S

S——與流體流動方向相垂直的管道截面積，m2管道中心的流速最大，離管中心距離越遠，流速越小，而在緊靠管壁處，流速為零。通常所說的流速是指流道整個截面上的平均流速，以流體的體積流量除以管路的截面積所得的值來表示：1.1.3流速

質(zhì)量流速的定義是單位時間內(nèi)流體流經(jīng)管路單位截面積的質(zhì)量，以w表示，單位為kg·s-1·m-2，表達式為：w=qm／S

流速和質(zhì)量流速兩者之間的關(guān)系：液體1.5～3.0m·s-1，高粘度液體0.5～1.0m·s-1；氣體102～0m·s-1，高壓氣體15～25m·s-1；過熱水蒸氣30～50m·s-1。

w=ρu工業(yè)上用的流速范圍大致為：1.1.3流速補充：粘度

粘性是流體內(nèi)部摩擦力的表現(xiàn)，粘度是衡量流體粘性大小的物理量，是流體的重要參數(shù)之一。流體的粘度越大，其流動性就越小。流體在圓管內(nèi)的流動，可以看成分割成無數(shù)極薄的圓筒層，其中一層套著一層，各層以不同的速度向前流動，如圖3-2所示。1.2流體的流動阻力1.2.1流體在管內(nèi)流動阻力的計算1.2.2流體的兩種流動型態(tài)--層流和湍流1.2.3直管阻力的計算1.2.4局部阻力的計算1.2.5減小流動阻力的途徑流體本身具有粘性，流體流動時因產(chǎn)生內(nèi)摩擦力而消耗能量，是流體阻力損失產(chǎn)生的根本原因。管道大小、內(nèi)壁形狀、粗糙度等影響著流體流動狀況，是流體產(chǎn)生阻力的外部條件。本節(jié)介紹管路與系統(tǒng)的管、管件、閥門，并討論流體的流動形態(tài)和管內(nèi)流體流動阻力的定量計算。1.2.1流體在管內(nèi)流動阻力的計算

常把玻璃管、銅管、鉛管及塑料管等稱為光滑管；舊鋼管和鑄鐵管稱為粗糙管.鋼管分有縫鋼管和無縫鋼管,管子按照管材的性質(zhì)，可分為光滑管和粗糙管。

管壁粗糙面凸出部分的平均高度，稱為絕對粗糙度，以ε表示。絕對粗糙度ε與管內(nèi)徑d的比值，稱為相對粗糙度。表3-1列出了部分管道的絕對粗糙度。管子種類繁多。有鑄鐵管、鋼管、特殊鋼管、有色金屬管、塑料管及橡膠管等。

(1)管

1.管、管件及閥門簡介

（3）閥門閥門在管道中用以切斷流動或調(diào)節(jié)流量。常用的閥門有截止閥、閘閥和止逆閥等。

（2）管件用來改變管道方向、連接支管、改變管徑及堵塞管道等。

1.2.2流體的兩種流動型態(tài)--層流和湍流為了解流體在管內(nèi)流動狀況及影響因素，雷諾設(shè)計的實驗可直接觀察到不同的流動形態(tài)。實驗裝置如圖所示。

（1）兩種流動形態(tài)流速不大時墨水呈一條直線，平穩(wěn)流過管，質(zhì)點彼此平行的沿著管軸的方向作直線運動，質(zhì)點與質(zhì)點之間互不混合。這種流動形態(tài)稱為滯流或?qū)恿?。開大閥門時，墨水線開始出現(xiàn)波動。流速繼續(xù)增大，細線消失，墨水與水完全混合。表明水的質(zhì)點除了沿著管道向前流動以外，各質(zhì)點還作不規(guī)則的紊亂運動，且彼此相互碰撞，互相混合，水流質(zhì)點除了沿管軸方向流動外，還有徑向的復(fù)雜運動，這種流動形態(tài)稱為湍流或紊流。

DBAC墨水流線玻璃管1883年,英國物理學(xué)家OsboneReynolds作了如下實驗。（2）雷諾實驗現(xiàn)象兩種穩(wěn)定的流動狀態(tài)：層流、湍流。用紅墨水觀察管中水的流動狀態(tài)(a)層流(b)過渡流(c)湍流湍流：主體做軸向運動，同時有徑向脈動；特征：流體質(zhì)點的脈動。層流：*流體質(zhì)點做直線運動；*流體分層流動，層間不相混合、不碰撞；*流動阻力來源于層間粘性摩擦力。

過渡流：不是獨立流型（層流+湍流），流體處于不穩(wěn)定狀態(tài)（易發(fā)生流型轉(zhuǎn)變）。1.2.2流體的兩種流動型態(tài)--層流和湍流流動形態(tài)的判據(jù)影響流體流動的因素除流速u外，還有流體流過的通道管徑d的大小，及流體的物理性質(zhì)如粘度μ和密度ρ。稱為雷諾數(shù)，以符號Re表示：流體在圓形直管中流動時，當(dāng)Re≤2000，流體流動形態(tài)為滯流；當(dāng)Re≥4000時，流體流動形態(tài)為湍流；而當(dāng)2000<Re<4000時，流體的流動則認為處于一種過渡狀態(tài)，可以是滯流，也可以是湍流。Re＝duρ/μ若將各物理量的量綱代入，則有：[Re]=L·LT-1·ML-3/ML-1·T-1實驗分析①影響狀態(tài)的因素：Re是量綱為一數(shù)群

②圓形直管中

Re≤2000穩(wěn)定的層流

Re≥4000穩(wěn)定的湍流2000＜Re＜4000不穩(wěn)定的過渡流試題：某油的黏度為70mPa.s，密度為1050kg/m3,在管徑為φ114mm*4mm的管路中流動。若油的流量為30m3/h,試確定管內(nèi)油的流動形態(tài)。1.2.3直管阻力的計算1.2.3直管阻力的計算1.2.3直管阻力的計算1.2.4局部阻力的計算①阻力系數(shù)法②當(dāng)量長度法①阻力系數(shù)法表1-1常見管件和閥門的局部阻力系數(shù)及以管徑計的當(dāng)量長度②當(dāng)量長度法1.2.5減小流動阻力的途徑（1）減小直管阻力的途徑（2）減小局部阻力的途徑（1）減小直管阻力的途徑（1）減小直管阻力的途徑（2）減小局部阻力的途徑1.3流體輸送機械1.3.1液體輸送機械1.3.2氣體輸送機械與壓送機械1.3.1液體輸送機械1、離心泵的結(jié)構(gòu)和工作原理2、離心泵的主要部件3、其它類型的泵1、離心泵的結(jié)構(gòu)和工作原理離心泵是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生的離心力來輸送液體的機械。離心力的作用，可以從日常生活中的實例來說明。如雨天，雨傘上的水滴人們習(xí)慣用旋轉(zhuǎn)雨傘的辦法，將其甩掉。當(dāng)雨傘旋轉(zhuǎn)時，就產(chǎn)生了離心力，傘布上的水滴在離心力的作用下，被拋向傘邊緣，并從傘邊緣沿切線方向脫離傘布。生產(chǎn)中的離心泵如圖1-3所示。它的主要部件是一個蝸殼形的泵殼和一個固定在泵軸上的葉輪。葉輪上有6～12片向后彎曲的葉片。泵殼上有兩個接口，一個在泵殼中央為吸入口，與吸入導(dǎo)管相連，導(dǎo)管末端裝有單向底閥；另一個接口是在泵殼旁側(cè)切線方向，為壓出口，與壓出導(dǎo)管相連。1、離心泵的結(jié)構(gòu)和工作原理離心泵一般由電動機帶動。在開泵前，泵內(nèi)充滿了液體。當(dāng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)時，帶動葉片間的液體一道旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用，液體從葉輪中心被甩向葉輪邊緣，流速可增大至15～25m/s，動能增加。當(dāng)液體進入泵殼之后，由于蝸殼形泵殼中的流道逐漸擴大，流速逐漸降低，一部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，于是液體以較高的壓強壓出。與此同時，葉輪中心處由于液體被甩出而形成了一定的真空，而液面處的壓強比葉輪中心的要高，因此吸入管處的液體在壓差作用下進入泵內(nèi)。只要葉輪的旋轉(zhuǎn)不停止，液體就連續(xù)不斷地吸入和壓出。離心泵運轉(zhuǎn)時，如果泵內(nèi)沒有充滿液體，或者