化工基礎流體輸送及機械

化工基礎流體輸送及機械第1頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月科學和化工、化學科學的十二大類：哲學、經(jīng)濟學、歷史學、農(nóng)學、醫(yī)學、管理學、理學、工學、軍事學、法學、文學、教育學?；瘜W工程與技術為隸屬工學的一級學科，包含五個二級學科：化學工程、化學工藝、應用化學、生物化工和工業(yè)催化化學為隸屬理學的一級學科，包含五個二級學科：有機化學、無機化學、分析化學、物理（理論）化學和高分子化學與物理

第2頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月化學工程與技術研究以化學工業(yè)為代表的各類過程工業(yè)中有關化學過程與物理過程的基本規(guī)律和應用技術的工程技術學科。本學科以過程工業(yè)為背景和研究對象，學科內(nèi)容體現(xiàn)基礎和應用并重，包括基礎理論、基本方法和基本實驗技術，產(chǎn)品研制、工藝開發(fā)、過程設計、系統(tǒng)模擬與優(yōu)化和操作控制等。第3頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月過程工業(yè)與加工工業(yè)的區(qū)別比較項目過程工業(yè)加工工業(yè)物質(zhì)結構和形態(tài)實現(xiàn)方法所依靠設備產(chǎn)品計量變化各種反應及分離過程釜、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?shù)脑O備件數(shù)（片、支、粒等）第4頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月化學工程與技術的五個二級學科化學工程：研究各類化學過程和物理過程的一般原理、共性規(guī)律、工程基礎和應用技術；化學工藝：研究化學品的精化原理、生產(chǎn)原理、產(chǎn)品開發(fā)、工藝實施、過程設計和優(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問題；應用化學：研究精細化學品、專用化學品、功能材料及器件等的制備原理和工藝技術；工業(yè)催化：研究催化劑和催化反應過程的理論基礎及其設計、開發(fā)和工業(yè)應用。第5頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月化學工業(yè)的發(fā)展簡史

1746年鉛室法制取硫酸，世界上第一個化工廠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)第6頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月化學工業(yè)的特點化學工業(yè)與人類的生存與發(fā)展息息相關原料、工藝和產(chǎn)品的多樣性技術密集型能源密集型資金密集型第7頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月化學工業(yè)的發(fā)展趨勢產(chǎn)品精細化化學工業(yè)和生物技術結合煤化工的興起新材料的研究與開發(fā)第8頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月化學工業(yè)的分類（中國）

化學礦無機鹽有機化工原料化學肥料化工農(nóng)藥合成纖維單體涂料、顏料染料及其中間體感光和磁性材料化學試劑石油化工化學醫(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械化工新型材料第9頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月化工生產(chǎn)過程

將原料（RawMaterials）

通過物理或化學方法

轉變成

產(chǎn)品(Products)化學反應：使物質(zhì)的結構、組成或性質(zhì)發(fā)生變化單元操作（UnitOperation)：只有物理性質(zhì)的變化，不涉及化學反應常見的單元操作：流體輸送；物料的加熱和冷卻；蒸發(fā)；蒸餾；吸收；萃?。桓稍?、結晶等單元操作的理論基礎：

“三傳”：動量(Momentum)、熱量(Heat)和質(zhì)量(Mass)傳遞(Transfer)

相平衡：PhaseEquilibrium第10頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月物料衡算、能量衡算和過程速率物料衡算(MassBalance)：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(EnergyBalance)：

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/過程阻力第11頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月本課程的教學內(nèi)容單元操作54學時化學反應工程基礎18學時化工熱力學基礎18學時第12頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第一章流體流動(FluidFlow)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)部存在相對運動；質(zhì)點運動的總和質(zhì)點：大量分子的聚集體剛體運動：內(nèi)部不存在相對運動第13頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)流體靜止的基本方程

（流體靜力學）流體的密度（density)、比重(specificgravity)和比容(specificvolume)

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，第14頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月壓力（壓強）

表壓＝絕對壓力－大氣壓真空度＝大氣壓－絕對壓力第15頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月流體靜力學基本方程式描述靜止流體內(nèi)部壓強隨位置高低變化的規(guī)律（數(shù)學表達式）在靜止的連續(xù)的同一流體內(nèi)等高處壓強相等第16頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月流體靜力學基本方程式的應用

——液柱壓差計U型壓差計雙液體U型壓差計傾斜U型壓差計串聯(lián)U型壓差計第17頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(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械能衡算—柏努利方程柏努利方程的應用第18頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月流量與流速（Flux&Velocity）體積流量（VolumeFlux）：Vs=V/θ

（單位時間流過管路任一截面的流體體積）質(zhì)量流量(MassFlux)：ms=m/θ(單位時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(MassVelocity)：G=ms/A(質(zhì)量流量與管截面的比值）

第19頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)定流動（SteadyFlow）—p、ρ、z等物理量不隨時間θ變化不穩(wěn)定流動（UnsteadyFlow）—p、ρ、z等物理量隨時間θ變化第20頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月總質(zhì)量衡算(MassBalance)

—連續(xù)性方程(EquationofContinuity)ms1=ms2u1A1ρ1=u2A2ρ2或uAρ＝常數(shù)若ρ為常數(shù)，則u1A1＝u2A2=常數(shù)第21頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月總能量衡算

(EnergyBalance)H1+gz1+u12/2+qe+we=H2+gz2+u22/2△H+g△z+△(u2)/2=qe+we第22頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月機械能衡算（MechanicalEnergyBalance）

—柏努利方程(BernoulliEquation)三個假定：

1.流體不可壓縮v1=v2=v=1/ρ；

2.無熱交換qe=0；

3.流體溫度不變U1=U2gz1+u12/2+p1/ρ+we=gz2+u22/2+p2/ρ+wf

z1+u12/2g+p1/ρg+he=z2+u22/2g+p2/ρg+hf△h=he–hf(h=z+u2/2g+p/ρg)△z+△(u2)/2+△p/ρg=0或△h=0(we=0;wf=0)

理想流體

第23頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月BernoulliEq.的應用流體流動中，各種形式的機械能可以相互轉化，流體接受外功(he)可以轉變?yōu)闄C械能，而部分機械能因克服阻力而被消耗（hf）；機械能可以用壓頭[m]表示；△h=h2-h1=he-hf靜止流體，u1=u2=0he=0hf=0則z1+p1/ρg=z2+p2/ρg(流體靜力學方程)第24頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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25頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)

管內(nèi)流動的阻力損失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第26頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月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=ρwf=ρghf

(p1>p2)

△pf：

壓力損失；hf：壓頭損失；wf：單位質(zhì)量流體的機械能損失第27頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月因次分析法因次一致性原則：凡是根據(jù)基本物理規(guī)律導出的物理量方程，其中各項的因次必然相同。π定理（Buckingham定理）：某一物理現(xiàn)象中存在n個物理量，這些物理量涉及有m個基本單位，那么，這一物理現(xiàn)象可由n-m個無因次數(shù)群π1,π2,...,πn-m所組成的函數(shù)關系式表示，即F(π1,π2,...,πn-m)=0第28頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月流體流動阻力損失中的無因次數(shù)群（準數(shù)）阻力損失△pf與以下物理量有關：d、l、u、ρ、μ、e（粗糙度）共有7個物理量：△pf

、d、l、u、ρ、μ、e基本單位有3個：kg、m、s根據(jù)π定理，存在7-3=4個無因次數(shù)群:

Eu=△pf

/(ρu2)

表征壓力與慣性力之比

l/d

反映管子的幾何特性

Re=duρ/μ

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第29頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月范寧（Fanning）公式第30頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月摩擦因數(shù)λ層流：湍流：第31頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月非圓形管的摩擦損失當量直徑：

第32頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月局部阻力損失局部阻力損失計算式：局部阻力系數(shù)：第33頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月總阻力（直管損失+局部損失）第34頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)管路計算依據(jù)：

<1>連續(xù)性方程：

ms1=ms2i.e.u1A1ρ1=u2A2ρ2

<2>BernoulliEq.:gz1+u12/2+p1/ρ+we=gz2+u22/2+p2/ρ+wfi.e.z1+u12/2g+p1/ρg+he=z2+u22/2g+p2/ρg+hf<3>阻力計算式：直管：wf=λ(l/d)(u2/2)i.e.hf=λ(l/d)(u2/2g)

局部：wf=ζ(u2/2)i.e.hf=ζ(u2/2g)

總：Σwf=(λ(l/d)+Σζ)(u2/2)=λ(l+Σle)/d(u2/2)i.e.Σhf=λ(l/d)(u2/2g)=λ(l+Σle)/d(u2/2g)第35頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單管路沒有分支或匯合特點：

質(zhì)量流量保持不變；總阻力損失為各段損失之和。第36頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月復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：

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。第37頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月可壓縮流體的管路計算（簡單了解）簡化計算法第38頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)流量測定

（FluxMeasurement)流量計：差壓流量計、截面流量計差壓流量計：皮托管、孔板、文丘里截面流量計：轉子流量計差壓流量計：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。轉子流量計：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。第39頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月皮托管（PitotTube)測定管道截面上某一點的速度第40頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月孔板(OrificePlate)測定平均速度和流量第41頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月文丘里(VenturiTube)孔板的改進型第42頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月轉子流量計(Rotameter)收縮口面積可變的孔板第43頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章流體輸送機械流體輸送機械：向流體作功，提高機械能能量轉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械（分類）：泵：輸送液體風機、壓縮機：輸送氣體本章的研究內(nèi)容：各種流體輸送機械（主要是離心泵）的操作原理、基本構造與性能、選型等第44頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)離心泵操作原理、構造和類型理論壓頭與實際壓頭有效功率、軸功率和效率特性曲線工作點和流量調(diào)節(jié)安裝高度選用、安裝與調(diào)節(jié)第45頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月操作原理、構造和類型基本工作原理：利用高速旋轉的葉輪產(chǎn)生離心力，不斷吸入和排出液體氣縛：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件：葉輪和泵殼葉輪：產(chǎn)生離心力，將機械能傳遞給液體，增加液體的靜壓頭泵殼：匯集液體，將一部分動能轉變?yōu)殪o壓能第46頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月操作原理、構造和類型（續(xù)）離心泵的類型按葉輪數(shù)目劃分：單級泵：葉輪只有一個多級泵：葉輪有n個按輸送液體的不同劃分：水泵油泵耐腐蝕泵雜質(zhì)泵第47頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月離心泵的理論壓頭與實際壓頭理想狀況：

<1>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

<2>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、轉速間的關系式：第48頁，課件共56頁，創(chuàng)作于2023年2月離心泵的理論壓頭與實際壓頭(續(xù)）壓頭損失(Hl)：