化工基础-流体输送及机械

化工基础化工基础(上上)Fundamentals of Chemical Engineering吴卫生吴卫生 博士、副教授博士、副教授上海交通大学化工系（化学楼上海交通大学化工系（化学楼218室）室）Tel:021-54747454E-mail:科学和化工、化学科学和化工、化学v科学的十二大类：哲学、经济学、历史学、农学、医学、管理学、理学、工学、军事学、法学、文学、教育学。v化学工程与技术为隶属工学的一级学科，包含五个二级学科：化学工程、化学工艺、应用化学、生物化工和工业催化v化学为隶属理学的一级学科，包含五个二级学科：有机化学、无机化学、分析化学、物理（理论）化学和高分 子化学与物理 化学工程与技术化学工程与技术v研究以化学工业为代表的各类过程工业中有关化学过程与物理过程的基本规律和应用技术的工程技术学科。v本学科以过程工业为背景和研究对象，学科内容体现基础和应用并重，包括基础理论、基本方法和基本实验技术，产品研制、工艺开发、过程设计、系统模拟与优化和操作控制等。过程工业与加工工业的过程工业与加工工业的区别区别比较项目比较项目过程工业过程工业加工工业加工工业物质结构和形态实现方法所依靠设备产品计量变化各种反应及分离过程釜、罐、塔器、泵质量或体积（千克、吨、升等不变化不同的加工工序适当的设备件数（片、支、粒等）化学工程与技术的化学工程与技术的五个二级学科五个二级学科v化学工程化学工程：研究各类化学过程和物理过程的一般原理、共性规律、工程基础和应用技术；v化学工艺化学工艺：研究化学品的精化原理、生产原理、产品开发、工艺实施、过程设计和优化；v生物化工生物化工：研究有生物体或生物活性物质参与的过程的基本原理和工程技术问题；v应用化学应用化学：研究精细化学品、专用化学品、功能材料及器件等的制备原理和工艺技术；v工业催化工业催化：研究催化剂和催化反应过程的理论基础及其设计、开发和工业应用。化学工业的化学工业的发展简史发展简史1746年年铅室法制取硫酸，世界上第一个化工厂铅室法制取硫酸，世界上第一个化工厂1791年年路布兰制碱法路布兰制碱法1861年年索尔维制碱法索尔维制碱法1862年年硝化甘油炸药投入生产硝化甘油炸药投入生产1905年年哈伯合成氨法哈伯合成氨法1929年年青霉素被发现青霉素被发现1934年年高压聚乙烯被制成高压聚乙烯被制成1939年年尼龙尼龙66工业化工业化1941年年侯氏联合制碱法侯氏联合制碱法1957年年聚四氟乙烯纤维的投产聚四氟乙烯纤维的投产化学工业的化学工业的特点特点v化学工业与人类的生存与发展息息相关v原料、工艺和产品的多样性v技术密集型v能源密集型v资金密集型化学工业的化学工业的发展趋势发展趋势v产品精细化v化学工业和生物技术结合v煤化工的兴起v新材料的研究与开发化学工业的分类（中国）化学矿无机盐有机化工原料化学肥料化工农药合成纤维单体涂料、颜料染料及其中间体感光和磁性材料化学试剂石油化工化学医药合成树脂和塑料酸、碱合成橡胶催化剂、试剂和助剂煤化工橡胶制品化工机械化工新型材料化工生产过程化工生产过程将原料原料（Raw Materials）通过物理或化学方法 转变成 产品产品(Products)v化学反应：使物质的结构、组成或性质发生变化v单元操作（Unit Operation)：只有物理性质的变化，不涉及化学反应v常见的单元操作：流体输送；物料的加热和冷却；蒸发；蒸馏；吸收；萃取；干燥、结晶等v单元操作的理论基础：“三传三传”：动量(Momentum)、热量(Heat)和质量(Mass)传递(Transfer)相平衡相平衡：Phase Equilibrium物料衡算物料衡算、能量衡算能量衡算和和过程速率过程速率v物料衡算物料衡算(Mass Balance)：输入物料量输入物料量=输出物料量输出物料量+累积物料量累积物料量 稳态过程稳态过程：输入物料量输入物料量=输出物料量输出物料量 v能量衡算能量衡算(Energy Balance)：输入能量输入能量=输出能量输出能量+系统累积能量系统累积能量 稳态过程稳态过程：输入能量输入能量=输出能量输出能量 v过程速率过程速率=过程推动力过程推动力/过程阻力过程阻力本课程的本课程的教学内容教学内容v单元操作 54学时v化学反应工程基础 18学时v化工热力学基础 18学时第一章第一章 流体流动流体流动(Fluid Flow)v流体输送：化工过程中最普遍的单元操作之一v本章的研究内容（对象）：压力、功率、流量等v流体流动：内部存在相对运动；质点运动的总和 质点：大量分子的聚集体v刚体运动：内部不存在相对运动第一节第一节 流体静止的基本方程流体静止的基本方程 （流体静力学）（流体静力学）v流体的密度（density)、比重(specific gravity)和比容(specific volume)密度密度：单位体积流体的质量，比重比重：某物质的密度对水的密度之比 比容比容：单位质量物质的体积，mV3/kg m(,)f T P3/mkg压力（压强）压力（压强）2211013251.033/76010.33atmPakgfcmmmHgmH O21/1kgfcmata（工程大气压）表压绝对压力大气压真空度大气压绝对压力65110110MPaPabarPa流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式v描述静止流体内部压强随位置高低变化的规律（数学表达式）v在静止的连续的同一流体内等高处在静止的连续的同一流体内等高处压强相等压强相等1221ppzzg流体静力学基本方程式的应用流体静力学基本方程式的应用液柱压差计液柱压差计vU型压差计v双液体U型压差计v倾斜U型压差计v串联U型压差计第二节第二节 流体流动的基本方程流体流动的基本方程v流量与流速流量与流速v稳定流动与非稳定流动稳定流动与非稳定流动v总质量衡算总质量衡算连续性方程连续性方程v总能量衡算总能量衡算v机械能衡算机械能衡算柏努利方程柏努利方程v柏努利方程的应用柏努利方程的应用流量与流速（流量与流速（Flux&Velocity）v体积流量体积流量（Volume Flux）：Vs=V/（单位单位时间流过管路任一截面的流体体积时间流过管路任一截面的流体体积）v质量流量质量流量(Mass Flux)：ms=m/(单位时间流过单位时间流过管路任一截面的流体质量）管路任一截面的流体质量）v流速流速(Velocity)：u=Vs/A (体积流量除以管截体积流量除以管截面所得的平均速度面所得的平均速度）v质量流速质量流速(Mass Velocity)：G=ms/A (质量流量质量流量与管截面的比值）与管截面的比值）v稳定流动（Steady Flow）p、z等物理量不随时间变化v不稳定流动（Unsteady Flow）p、z等物理量随时间变化总质量衡算总质量衡算(Mass Balance)连续性方程连续性方程(Equation of Continuity)ms1=ms2u1A11=u2A22或或uA常数常数若若为常数，则为常数，则u1A1 u2A2=常数常数总能量衡算总能量衡算(Energy Balance)vH1+gz1+u12/2+qe+we=H2+gz2+u22/2vH+g z+(u2)/2=qe+we机械能衡算（机械能衡算（Mechanical Energy Balance）柏努利方程柏努利方程(Bernoulli Equation)v三个假定三个假定：1.流体不可压缩 v1=v2=v=1/；2.无热交换 qe=0；3.流体温度不变 U1=U2vgz1+u12/2+p1/+we=gz2+u22/2+p2/+wf vz1+u12/2g+p1/g+he=z2+u22/2g+p2/g+hfvh=he hf (h=z+u2/2g+p/g)v z+(u2)/2+p/g =0 或或 h=0 (we=0;wf=0)理想流体理想流体 Bernoulli Eq.的的应用应用v流体流动中，各种形式的机械能可以相互转化，流体接受外功(he)可以转变为机械能，而部分机械能因克服阻力而被消耗（hf）；v机械能可以用压头m表示；vh=h2-h1=he-hfv静止流体，u1=u2=0 he=0 hf=0 则 z1+p1/g=z2+p2/g (流体静力学方程流体静力学方程)第三节第三节 流体流动现象流体流动现象v粘度粘度v流动型态流动型态v管内流动的速度分布管内流动的速度分布v边界层简介边界层简介第四节第四节 管内流动的阻力损失管内流动的阻力损失v阻力损失的直观表现阻力损失的直观表现压力降压力降v因次分析法因次分析法v流体流动阻力损失中的无因次数群（准数）流体流动阻力损失中的无因次数群（准数）v范宁公式范宁公式v摩擦因数摩擦因数v非圆形管的摩擦损失非圆形管的摩擦损失v局部阻力损失局部阻力损失阻力损失的直观表现阻力损失的直观表现压力降压力降v满足以下条件：z1=z2(水平）；u1=u2（等径）；we=0（无外功）vpf=p1-p2=wf=ghf (p1p2)vpf：压力损失；hf：压头损失；wf：单位质量流体的机械能损失因次分析法因次分析法v因次一致性原则因次一致性原则：凡是根据基本物理规律导出的物理量方程，其中各项的因次必然相同。v定理（定理（Buckingham定理）定理）：某一物理现象中存在n个物理量，这些物理量涉及有m个基本单位，那么，这一物理现象可由n-m个无因次数群1,2,.,n-m所组成的函数关系式表示，即 F(1,2,.,n-m)=0流体流动阻力损失中的无因次数群流体流动阻力损失中的无因次数群（准数准数）v阻力损失pf与以下物理量有关：d、l、u、e（粗糙度）v共有7个物理量：pf、d、l、u、ev基本单位有3个：kg、m、sv根据定理，存在7-3=4个无因次数群:Eu=pf/(u2)表征压力与惯性力之比 l/d 反映管子的几何特性 Re=d u /反映流体的湍动程度 e/d 相对粗糙度，反映管壁的几何特性范宁（范宁（Fanning）公式）公式222222ffffflupdpl uwdpl uhgdg摩擦因数摩擦因数v层流：v湍流：64Re(Re,)ed非圆形管的摩擦损失非圆形管的摩擦损失v当量直径当量直径：4ed液体流过的截面积液体润湿的周边局部阻力损失局部阻力损失v局部阻力损失计算式：局部阻力损失计算式：v局部阻力系数：222222fffupuwuhg总阻力（直管损失+局部损失）222222()()22()()22()()22efefefllluupddllluuwddllluuhdgdg第五节第五节 管路计算管路计算v依据依据：连续性方程连续性方程：ms1=ms2 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 阻力计算式阻力计算式：直管：wf=(l/d)(u2/2)i.e.hf=(l/d)(u2/2g)局部：wf=(u2/2)i.e.hf=(u2/2g)总：wf=(l/d)+)(u2/2)=(l+le)/d(u2/2)i.e.hf=(l/d)(u2/2g)=(l+le)/d(u2/2g)简单管路简单管路没有分支或汇合没有分支或汇合v特点：特点：质量流量保持不变；质量流量保持不变；总阻力损失为各段损失之和。总阻力损失为各段损失之和。复杂管路复杂管路存在分支或汇合存在分支或汇合 分支管路分支管路 汇合管路汇合管路 并联管路并联管路v特点：特点：总管流量等于各分支管流量之和；总管流量等于各分支管流量之和；对任一支管而言，分支前及汇合后的总压头皆相等。对任一支管而言，分支前及汇合后的总压头皆相等。可压缩流体的管路计算（简单了解）可压缩流体的管路计算（简单了解）简化计算法简化计算法第六节第六节 流量测定流量测定（Flux Measurement)v流量计：差压流量计、截面流量计v差压流量计：皮托管、孔板、文丘里 截面流量计：转子流量计v差压流量计差压流量计：等截面、变压差等截面、变压差 节流口面积不变，流体流经节流口所产生的p随V而变，通过测定p间接测定流量V。v转子流量计转子流量计：变截面、等压差变截面、等压差 流体流经节流口（环隙）的p恒定，而节流口的面积不断变化。皮托管皮托管（Pitot Tube)v测定管道截面上某一点的速度测定管道截面上某一点的速度2()Rgu孔板孔板(Orifice Plate)v测定平均速度和流量测定平均速度和流量1220000120000000120002()22()22()2sssppuuCCghppVC AC AghmVC AppC Agh文丘里文丘里(Venturi Tube)孔板的改进型孔板的改进型转子流量计转子流量计(Rotameter)v收缩口面积可变的孔板收缩口面积可变的孔板22122122222()2()1()1()2()ffffRRffffsRfsgVgVuCCAAAAAAgVVu AC AAVA第二章第二章 流体输送机械流体输送机械v流体输送机械流体输送机械：向流体作功，提高机械能 能量转换装置 主要是流体静压头的增加，还有动压头的增加等v流体输送机械（分类）流体输送机械（分类）：泵：输送液体 风机、压缩机：输送气体v本章的研究内容本章的研究内容：各种流体输送机械（主要是离心泵）的操作原理操作原理、基本构造与性能基本构造与性能、选型选型等第一节第一节 离心泵离心泵v操作原理、构造和类型操作原理、构造和类型v理论压头与实际压头理论压头与实际压头v有效功率、轴功率和效率有效功率、轴功率和效率v特性曲线特性曲线v工作点和流量调节工作点和流量调节v安装高度安装高度v选用、安装与调节选用、安装与调节操作原理、构造和类型操作原理、构造和类型v基本工作原理基本工作原理：利用高速旋转的叶轮产生离心力，不断吸入和排出液体v气缚气缚：泵壳内存在气体，真空度不够，吸不上液v吸入管路安装止逆阀，保证启动前泵内充满液体v离心泵的主要构件：叶轮和泵壳v叶轮叶轮：产生离心力，将机械能传递给液体，增加液体的静压头v泵壳泵壳：汇集液体，将一部分动能转变为静压能操作原理、构造和类型（续）操作原理、构造和类型（续）v离心泵的类型v按叶轮数目划分：单级泵：叶轮只有一个 多级泵：叶轮有n个v按输送液体的不同划分：水泵 油泵 耐腐蚀泵 杂质泵离心泵的理论压头与实际压头离心泵的理论压头与实际压头v理想状况理想状况：叶轮内叶片数目无穷多，液体沿叶片弯曲表面流动，且无倒流 液体粘度为零，即没有阻力损失v离心泵基本方程离心泵基本方程：v离心泵的理论压头与流量、转速间的关系式离心泵的理论压头与流量、转速间的关系式：22222cosuu cu cHgg2222()2rQHctggb g离心泵的理论压头与实际压头离心泵的理论压头与实际压头(续）续）v压头损失压头损失(Hl)：涡流损失 阻力损失 冲击损失v实际压头实际压头(H)=理论压头理论压头(H)压头损失压头损失(Hl)离心泵的有效功率、轴功率和效率离心泵的有效功率、轴功率和效率v有效功率有效功率：v轴功率轴功率：seNem wHQ gNeHQ gN离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线v固定转速固定转速、清水清水条件下，条件下，H、N、与与Q的关系的关系v共同特点共同特点：压头随流量的增大而下降压头随流量的增大而下降 功率随流量增大而上升功率随流量增大而上升（离心泵启动时应关闭出口阀）效率随流量的增大而上升，达到最大值后效率随流量的增大而上升，达到最大值后下降下降（离心泵铭牌上标明的是最大效率下的值）离心泵的工作点与流量调节离心泵的工作点与流量调节v离心泵的离心泵的工作点工作点由离心泵的特性与管路的特由离心泵的特性与管路的特性共同决定性共同决定v离心泵的特性曲线：离心泵的特性曲线：HQv管路的特性曲线：管路的特性曲线：he=z+p/g+f(Q)v流量调节措施之一：流量调节措施之一：阀门调节阀门调节v流量调节措施之二：流量调节措施之二：改变转速改变转速离心泵的安装高度离心泵的安装高度v汽蚀汽蚀v汽蚀余量汽蚀余量v允许吸上真空度允许吸上真空度v允许安装高度允许安装高度离心泵的选用、安装与操作离心泵的选用、安装与操作气体输送与压缩机械气体输送与压缩机械v主要作用主要作用：气体输送通风机、鼓风机 产生高压气体压缩机 产生真空真空泵v要求简单了解各种气体输送与压缩机械的工工作原理作原理、基本结构基本结构及及特点特点 气体输送与压缩机械气体输送与压缩机械(续）续）终压压缩比通风机 15kPa鼓风机15kPa 300kPa 300kPa 4真空泵谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH