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流体流动基本概念与基本原理一、 流体静力学基本方程式或 注意：1、应用条件：静止的连通着的同一种连续的流体。2、压强的表示方法：绝压大气压=表压 表压常由压强表来测量； 大气压绝压=真空度 真空度常由真空表来测量。3、压强单位的换算： 1atm=760mmHg=10.33mH2O=101.33kPa=1.033kgf/cm2=1.033at4、应用：水平管路上两点间压强差与U型管压差计读数R的关系：处于同一水平面的液体，维持等压面的条件必须时静止、连续和同一种液体。二、定态流动系统的连续性方程式物料衡算式三、定态流动的柏努利方程式能量衡算式1kg流体： J/kg讨论点：1、流体的流动满足连续性假设。2、理想流体，无外功输入时，机械能守恒式：3、可压缩流体,当p/p120%,仍可用上式，且=m。4、注意运用柏努利方程式解题时的一般步骤，截面与基准面选取的原则。5、流体密度的计算：理想气体=PM/RT 混合气体 混合液体 上式中：体积分率；质量分率。6、gz，u2/2，p/三项表示流体本身具有的能量，即位能、动能和静压能。hf为流经系统的能量损失。We为流体在两截面间所获得的有效功，是决定流体输送设备重要参数。输送设备有效功率Ne=Wes，轴功率N=Ne/（W）7、1N流体 m （压头）1m3流体 ,四、 柏努利式中的hfI 流动类型：1、雷诺准数Re及流型 Re=du/=du/，为动力粘度，单位为PaS；=/为运动粘度，单位m2/s。层流：Re2000，湍流：Re4000；2000Re2时，用对数平均值，即：当S2/S12时，用算术平均值，即：Sm=（S1+S2）/2多层（n层）圆筒壁：或一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温效果应降低，主要原因是因水的导热系数大于保温材料的导热系数，受潮后，使保温层材料导热系数增大，保温效果降低。在包有两层相同厚度保温材料的圆形管道上，应该将导热系数小的材料包在内层，其原因是为了减少热损失，降低壁面温度。二、对流传热1 对流传热基本方程牛顿冷却定律对流传热系数，单位为：W/（m2），在换热器中与传热面积和温度差相对应。2 与对流传热有关的无因次数群（或准数）表1 准数的符号和意义准数名称符 号意 义努塞尔特准数 LNu= 含有特定的传热膜系数，表示对流传热的强度雷诺准数LuRe=反映流体的流动状态普兰特准数 CpPr= 反映流体物性对传热的影响格拉斯霍夫准数 g t L32Gr= 反映因密度差而引起自然对流状态3 流体在圆形直管中作强制湍流流动时的传热膜系数对气体或低粘度的液体Nu=0.023Re0.8Prn或 Lu Cp =0.023 ( ) 0.8 ( ) n L 流体被加热时，n=0.4；液体被冷却时，n=0.3。定型几何尺寸为管子内径di。定性温度取流体进、出口温度的算术平均值。应用范围为Re10000，Pr=0.7160，(l/d)60。对流过程是流体和壁面之间的传热过程，定性温度是指确定准数中各物性参数的温度。沸腾传热可分为三个区域，它们是自然对流区、泡状沸腾区和膜状沸腾区，生产中的沸腾传热过程应维持在泡壮沸腾区操作。无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在传热边界层或滞流层内，减少热阻的最有效的措施是提高流体湍动程度。引起自然对流传热的原因是系统内部的温度差，使各部分流体密度不同而引起上升、下降的流动。用无因次准数方程形式表示下列各种传热情况下诸有关参数的关系：（1） 无相变对流传热 Nu=f（Re，Pr，Gr）（2） 自然对流传热 Nu=f（Gr，Pr）（3） 强制对流传热 Nu=f（Re，Pr）在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=KSt，式中t表示为两流体温度差的平均值；S表示为泛指传热面，与K相对应。在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=aSt，式中t=tw-tm 或 Tm-Tw；S表示为一侧的传热壁面。滴状冷凝的膜系数大于膜状冷凝膜系数。水在管内作湍流流动时，若使流速提高至原来的2倍，则其对流传热系数约为原来的 20.8倍。若管径改为原来的1/2而流量相同，则其对流传热系数约为原来的40.820.2倍。（设条件改变后，仍在湍流范围）三、间壁两侧流体的热交换间壁两侧流体热交换的传热速率方程式Q=KStm式中K为总传热系数，单位为：W/（m2）；tm为两流体的平均温度差，对两流体作并流或逆流时的换热器而言，当t1/t2110100对于饱和液体、气液混合物和饱和蒸汽进料而言，q值等于进料中的液相分率。L=L+qFV=V（q1）Fq线方程（进料方程）为： y=q/（q1）xxF/（q1）上式表示两操作线交点的轨迹方程。塔底再沸器相当于一层理论板（气液两相平衡），塔顶采用分凝器时，分凝器相当于一层理论板。由于冷液进料时提馏段内循环量增大，分离程度提高，冷液进料较气液混合物进料所需理论板数为少。五、 回流比及其选择（1） 全回流R=L/D=，操作线与对角线重合，操作线方程yn=xn-1，达到给定分离程度所需理论板层数最少为Nmin。（2） 最小回流比当回流比逐渐减小时，精馏段操作线截距随之逐渐增大，两操作线位置将向平衡线靠近，为达到相同分离程度所需理论板层数亦逐渐增多。达到恒浓区（夹紧区）回流比最小，所需理论板无穷多。I 正常平衡线Rmin=（xDyq）/（yqxq）饱和液体进料时：xq=xF饱和蒸汽进料时：yq=yFII 不正常平衡线由a（xD，yD）或c（xW，yW）点向平衡线作切线，由切线斜率或截距求Rmin。（3） 适宜回流比R=（1.12）Rmin 精馏设计中，当回流比增大时所需理论板数减少，同时蒸馏釜中所需加热蒸汽消耗量增加，塔顶冷凝器中冷却介质消耗量增加，操作费用相应增加，所需塔径增大。精馏操作时，若F、D、xF、q、R、加料板位置都不变，将塔顶泡点回流改为冷回流，则塔顶产品组成xD变大。精馏设计中，回流比愈大，操作能耗愈大，随着回流比逐渐增大，操作费和设备费的总和将呈现先减小后增大的过程。六、 板效率和实际塔板数1 单板效率（默弗里效率）EmV=（ynyn+1）/（yn*yn+1）EmL=（xn-1xn）/（xn-1xn*）2 全塔效率E=（NT/NP）x100%精馏塔中第n-1,n,n+1块理论板，yn+1yn，tn-1xn-1。精馏塔中第n-1,n,n+1块实际板，xn*yn。如板式塔设计不合理或操作不当，可能产生液泛、漏液、及雾沫夹带等不正常现象，使塔无法正常工作。负荷性能图有五条线，分别是雾沫夹带、液泛、漏液、液相负荷上限和液相负荷下限。吸 收基本概念和基本原理利用各组分溶解度不同而分离气体混合物的单元操作称为吸收。混合气体中能够溶解的组分称为吸收质或溶质（A）；不被吸收的组分称为惰性组分或载体（B）；吸收操作所用的溶剂称为吸收剂（S）；吸收所得溶液为吸收液（S+A）；吸收塔排出的气体为吸收尾气。当气相中溶质的的实际分压高于与液相成平衡的溶质分压时，溶质从气相向液相转移，发生吸收过程；反之当气相中溶质的的实际分压低于与液相成平衡的溶质分压时，溶质从液相向气相转移，发生脱吸（解吸）过程。一、 气液相平衡传质方向与传质极限平衡状态下气相中溶质分压称为平衡分压或饱和分压，液相中的溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度溶解度。对于同一种溶质，溶解度随温度的升高而减小，加压和降温对吸收操作有利，升温和减压有利于脱吸操作。亨利定律： p*=ExE为亨利系数，单位为压强单位，随温度升高而增大，难溶气体（稀溶液） E很大，易溶气体E很小。对理想溶液E为吸收质的饱和蒸气压。 p*=c/HH为溶解度系数，单位：kmol/(kNm)，H=/(EMs)，随温度升高 而减小，难溶气体H很小，易溶气体H很大。 y*=mxm相平衡常数，无因次，m=E/P，m值愈大，气体溶解度愈小； m随温度升高而增加，随压力增加而减小。 Y*=mX当溶液浓度很低时大多采用该式计算。X=x/(1-x); Y=y/(1-y); x,y摩尔分率， X,Y摩尔比浓度二、 传质理论传质速率分子扩散凭借流体分子无规则热运动传递物质的现象。推动力为浓度差，由菲克定律描述：JA= DAB(dCA)/(dz) JA扩散通量，kmol/(m2s) DAB扩散系数涡流扩散凭借流体质点的湍动和旋涡传递物质的现象。等分子反向扩散传质速率：气相内 NA = D(pA1pA2)/RTz 液相内 NA = D(cA1cA2)/z单相扩散传质速率： 气相内 NA = JA+NcA/C=D (pApAi)/ RTz(P/pBm)=kG(pApAi) 液相内 NA = D(cAicA)/z(C/cSm)=kL(cAicA)其中 P/pBm 1为漂流因数，反映总体流动对传质速率的影响。 pBm=(pB2pB1)/ln(pB2/pB1)一般而言，双组分等分子反向扩散体现在精馏单元操作中，而一组分通过另一组分的单相扩散体现在吸收单元操作中。气相中，温度升高物质的扩散系数增大，压强升高则扩散系数降低；液相中粘度增加扩散系数降低。在传质理论中有代表性的三个模型分别为双膜理论、溶质渗透理论和表面更新理论。传质速率方程传质速率=传质推动力/传质阻力N=kG(ppi)=kL(cic)=ky(y-yi)=kx(xix)N=KG(pp*)=KL(c*c)=KY(Y-Y*)=KX(X*X)注意传质系数与推动力相对应，即传质系数与推动力的范围一致，传质系数的单位与推动力的单位一致。吸收系数之间的关系：1/KG=1/kG+1/HkL 1/KL=1/kL+H/kG 1/KY=1/ky+m/kx 1/KX=1/kx+1/mkyky=PkG kx=CkL KYPKG KXCKL气膜控制与液膜控制的概念对于易溶气体，H很大，传质阻力绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可以忽略，此时KGkG，这种情况称为“气膜控制”；反之，对于难溶气体，H很小，传质阻力绝大部分存在于液膜之中，气膜阻力可以忽略，此时KLkL，这种情况称为“液膜控制”。三、 物料衡算操作线方程与液气比全塔物料衡算： V(Y1Y2)=L(X1X2) 逆流操作吸收操作线方程： Y=LX/V+(Y1LX1/V) 1塔底，2塔顶吸收操作时塔内任一截面上溶质在气相中的实际分压总是高于与其接触的液相平衡分压，所以吸收操作线总是位于平衡线的上方。最小液气比： （L/V）min=(Y1Y2)/(X1*X2) 液气比即操作线的斜率若平衡关系符合亨利定律，则 （L/V）min=(Y1Y2)/(Y1/mX2) 溶剂改性 改变平衡关系 降低温度 增加传质推动力 提高压力提高吸收效率的途径 增加液气比 减小传质阻力 采用新型填料 改变操作条件增加吸收剂用量，操作线斜率增大，操作线向远离平衡线的方向偏移，吸收过程推动力增大，设备费用减少。四、 填料层高度计算气液相平衡、传质速率和物料衡算相结合取微元物料衡算求得填料层高度。填料层高度=传质单元高度传质单元数即 z=HOGNOG=HOLNOL=HGNG=HLNLNOG气相总传质单元数（气体流经一段填料后其组成变化等于该段填料的总的平均推动力则为一个传质单元）HOG气相总传质单元高度（一个传质单元所对应的填料高度）1平均推动力法（适合平衡线为直线）：z=HOGNOG=(V/Kya)(Y1Y2)/Ym=(L/Kxa)(X1X2)/Xm对数平均推动力Ym=(Y1Y2)/ln(Y1/Y2)当Y1/Y22时，可用算术平均推动力Ym=(Y1+Y2)/22脱吸因数法（平衡线为直线）：NOG=(1/S)ln(1S)(Y1Y2*)/(Y2Y2*)+SS脱吸因数，平衡线与操作线斜率之比（mV/L），反映吸收推动力的大小。S增大，液气比减小，吸收推动力变小，NOG增大气体吸收中，表示设备（填料）效能高低的一个量是传质单元高度，表示传质任务难易程度的一个量是传质单元数。12
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