制药工程原理-流体.ppt

制药工程原理 第一章流体流动 制药工程原理 流体流动 第一章流体流动 第一节概述第二节流体静力学 流体的平衡 第三节流体在管内的流动第四节流体在管内的流动阻力第五节管路计算第六节流量的测定 制药工程原理 流体流动 第一节概述 流体的定义 液体和气体统称为流体 流体具有三个特点 流动性 即抗剪抗张能力都很小 无固定形状 随容器的形状而变化 在外力作用下流体内部发生相对运动 制药工程原理 流体流动 第一节概述 质点 指大量分子构成的流体微团 但其大小与管路及容器的尺寸相比仍微不足道 流体连续性假设 假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙 完全充满所占空间的连续介质 制药工程原理 流体流动 第一节概述 连续性假设的目的是为了摆脱复杂的分子运动 而从宏观的角度来研究流体的流动规律 这时 流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布 从而可用连续函数的数学工具加以描述 流体流动实质 并非指其内部分子的运动 静止流体的分子是运动的 而是由内部质点的运动来体现 流体内部无数质点运动的总和 就为流体流动 制药工程原理 流体流动 第一节概述 制药生产的原料及产品大多数是流体 生产中 有以下几个主要方面经常要应用流体流动的基本原理及其流动规律 1 管内适宜流速 管径及输送设备的选定 2 压强 流速和流量的测量 3 传热 传质等过程中适宜的流动条件的确定及设备的强化 流体流动规律是本门课程的重要基础 本章将着重讨论流体流动过程的基本原理及流体在管内的流动规律 并运用这些原理与规律去分析和计算流体的输送问题 制药工程原理 流体流动 第二节流体静力学 流体静力学是研究流体在外力作用下的平衡规律 也就是说 研究流体在外力作用下处于静止或相对静止的规律 流体静力学的基本原理在化工生产中有着广泛的应用 例如 压强 流量及流速 液面的测量等 本节主要讨论流体静力学的基本原理及其应用 制药工程原理 流体流动 第二节流体静力学 流体的压强流体的密度与比容流体静力学基本方程式流体静力学基本方程式的应用 制药工程原理 流体流动 流体的静压强 定义 流体垂直作用于单位面积上的静压力 称为流体的静压强 简称压强 其表达式为 点压强 流体的静压强 压强的单位及换算 在SI中 压强的单位是N m2 称为帕斯卡 以 a表示 但习惯上还采用其它单位 如atm 标准大气压 某流体柱高度 bar 巴 或kgf cm2等 它们之间的换算关系为 1标准大气压 101300Pa 760mmHg 1 013bar 10330kgf m2 1 033kgf cm2 1 033at 10 33mH2O 流体的静压强 绝对压强 表压强和真空度 流体的压强可以有不同的计量基准 如以绝对真空 即零大气压 为基准计算的压强 称为绝对压强 absolutepressure 是流体的真实压强 如以当地大气压强为基准 则称为表压强 gaugepressure 当被测流体的绝对压力小于大气压时 其低于大气压的数值称为真空度 vacuum 表压强 绝对压强 大气压强真空度 大气压强 绝对压强 流体的静压强 例题 例1 1某台离心泵进 出口压力表读数分别为220mmHg 真空度 及1 7kgf cm2 表压 若当地大气压力为760mmHg 试求它们的绝对压力各为若干 以法定单位表示 解泵进口绝对压力P1 760 220 540mmHg 7 2 104Pa泵出口绝对压力P2 1 7 1 033 2 733kgf cm2 2 68 105Pa 流体的密度 定义 单位体积流体所具有的质量 平均密度 m 质量Kg V 流体体积m3 流体的密度 kg m3 点密度对任何一种流体 其密度随其所具有的压力和温度而变化 f P T 流体的密度 气体 理想 压强不太高 温度不太低 混合物的平均密度液体混合物 气体混合物 流体的比容 单位质量流体的体积 称为流体的比容 用符号v表示 单位为m3 kg 则亦即流体的比容是密度的倒数 例1 2已知硫酸与水的密度分别为1830kg m3与998kg m3 试求含硫酸为60 质量 的硫酸水溶液 其密度为若干 解 流体静力学基本方程式 前提 静止 只受重力作用 流体不可压缩即密度不变现从静止液体中任意划出一垂直液柱 如图所示 液柱的横截面积为A 液体密度为 若以容器器底为基准水平面 则液柱的上 下底面与基准水平面的垂直距离分别为Z1和Z2 以p1与p2分别表示高度为Z1及Z2处的压强 流体静力学基本方程式 在垂直方向上作用于液柱的力有 下底面所受之向上总压力为p2A 上底面所受之向下总压力为p1A 整个液柱之G gA Z1 Z2 在静止液体中 上述三力之合力应为零 即p2A p1A gA Z1 Z2 0p2 p1 g Z1 Z2 如果将液柱的上底面取在液面上 则p2 p0 gh 流体静力学基本方程式 讨论 1 当容器液面上方的压强一定时 静止液体内部任一点压强的大小与液体本身的密度和该点距液面的深度有关 因此 在静止的 连续的同一液体内 处于同一水平面上各点的压强都相等 2 当液面上方的压强有改变时 液体内部各点的压强也发生同样大小的改变 3 式可改写为 上式说明压强差的大小可以用一定高度的液体柱来表示 如图所示 一开口容器内盛有油和水 油层高度h1 0 7m 密度 1 800kg m3 水层高度 指油水界面与小孔的距离 h2 0 6m 密度 1 1000kg m3 1 判断下列两关系是否成立 2 计算水在玻璃管的高度h 流体静力学基本方程式的应用 一 压强与压强差的测量1 U形管压差计2 微差压差计3倒U形管压差计二 液面测定三 确定液封高度 U形管压差计 微差压差计 倒U形管压差计 g 上式可简化为 整理得 液面测定 确定液封高度 在化工生产中 为了控制设备内气体压力不超过规定的数值 常常装有如图所示的安全液封 或称为水封 装置 其作用是当设备内压力超过规定值时 气体就从液封管排出 以确保设备操作的安全 若设备要求压力不超过P1 表压 按静力学基本方程式 则水封管插入液面下的深度h为 流体在管内的流动 基本方程流动现象 2 表达式及单位 1 体积流量 qv V m3 s 2 质量流量 qm m kg s qV 3 流速 um qv A m s 4 质量流速 umm qm A qv A um kg s 1 定义体积流量qv 单位时间流过管路任一截面的流体体积 质量流量qm 单位时间流过管路任一截面的流体质量 流速um 体积流量除以管截面积所得之商 平均流速 质量流速umm 质量流量除以管截面积所得之商 流量与流速 在管内同一横截面上流体的流速是不同的 流体流动的基本方程 3 输送管路直径的确定 流量取决于生产需要 合理的流速应根据经济衡算确定 一般液体流速为0 5 3m s 气体流速为10 30m s 稳定流动与不稳定流动 稳定流动 和流动有关的物理量 如速度 压力 密度等不随时间而变化 不稳定流动 和流动有关的物理量随时间而变化 对于稳定过程 输入 输出或输入速率 输出速率 对于圆形管路 有 若流体不可压缩 常数 则有 以上称为一维稳定流动的连续性方程 流体在管内的流速与管径的平方成反比 物料衡算 连续性方程 1 内能mU mU kgJ kg J 2 位能mgz mgz kg m s2 m J 3 动能mu2 2 mu2 2 kg m s 2 J 5 热mqe mqe kgJ kg J规定流体吸热为正 放热为负 6 功mhe mhe kgJ kg J规定流体接受外功为正 向外界作功为负 4 压力能pVJ 总能量衡算 m千克 上式除以m 并令 比容 则有 从1 1截面输入的能量 由加热器和泵获得的能量 从2 2截面输出的能量 每项单位为 J kg 总能量衡算 m千克 假设 1 流体是不可压缩的即 将总能量衡算式简化为机械能衡算式 2 无热交换 即qe 0 3 流体温度不变 则U1 U2 4 流体克服流动阻力而消耗的机械能为hf 柏努利方程 对于理想流体 且无外功加入 则有 机械能衡算 柏努利方程 讨论 3 对于无外功加入的静止流体 he 0 u 0 hf 0 则有 1 柏努利方程适用于 不可压缩理想流体 稳定流动 2 输送设备所作功 4 可压缩流体 若 密度 取平均值 流体静力平衡的基本方程 5 柏努利方程的其它形式 单位为 m J N 表示单位重量流体具有的能量 单位为 Pa J m3 表示单位体积流体具有的能量 J kg 机械能转化演示 解 取池内水面为截面1 作为基准面 输水管出口为截面2 则有z1 0 z2 20m p1 0 p2 500 103Pa u1 0 例 已知输水量为15m3 h 管径53mm 总机械能损失为40J kg 泵的效率0 6 求泵的轴功率 代入数值 得he 738J kg质量流量 qm 15 3600 1000 4 17kg s有效功率 Pe qmhe 4 17 738 3080J s 3 08kw泵的轴功率 机械能衡算式应用步骤及注意问题 1 定出上 下游截面1与2 两截面均应与流动方向相垂直 并且在两截面间的流体必须是连续的 所求的未知量应在截面上或在两截面之间 且截面上的Z u p等有关物理量 除所需求取的未知量外 都应该是已知的或能通过其它关系计算出来 两截面上的u p Z与两截面间的 hf都应相互对应一致 3 注意使用一致的单位 应把有关物理量换算成一致的SI单位 然后进行计算 两截面的压强除要求单位一致外 还要求表示方法一致 2 定出基准水平面 若所选截面不呈水平 则Z值可取该截面中心点至基准水平面的垂直距离 为了计算方便 通常取基准水平面通过衡算范围的两个截面中的任一个截面 一高位贮罐及输送管路 贮罐内液面至水管出口垂直距离h 8m 114 4mm 如不考虑压头损失 试求管路中每分钟水的流量 1 3管内流体流动现象 1 3 1粘度 1 牛顿粘性定律 表明 粘性产生的剪应力与速度梯度成正比 牛顿型流体与非牛顿型流体的区别 粘度 f 物性 温度 t 气 液 为什么 理想流体假定 0 非牛顿型流体的流动 非牛顿型流体的特性 对符合乘方规律的非牛顿流体 有 式中 K 稠度指数 单位为NSn m2n 流性指数 无因次 2 剪应力与动量传递 mu 流体的动量 剪应力可以表示为单位时间通过单位面积的动量通量 SI单位 m2 s 物理单位 cm2 s 称为沲 流体流动时内部的剪应力是速度不等的两相邻流体层彼此作用的力 其产生的原因流体层之间的动量传递 1 3 2流体流动类型 1 雷诺实验 影响流体流动的因素有 流体的物性 和 流速u和管径d 2 雷诺数 Re越大 表示惯性越大 湍动程度越剧烈 Re小 表示粘性力占主导地位 湍动程度小 雷诺准数的物理意义 Re 2000层流流型判据 2000 Re 4000过渡状态 或为层流或为湍流 Re 4000湍流 3 湍流的脉动现象和时均化 湍流的剪应力 由分子运动和质点脉动所引起 1 3 3流体在圆管内的速度分布 流体在管内流动的受力分析 重力 垂直于管轴 故投影为0 压力 取流速方向为正 在长度为l的管段内划出半径为r的圆柱形流体段作分析 1 流体在圆管中层流时的速度分布 阻力 作用于侧表面 上的剪力为 层流速度分布 上式即为管内层流时的速度分布表达式u随r按抛物线分布 在空间的速度分布图形则为一旋转抛物面 在管中心 r 0 u达到最大值umax 因紧贴在管壁上的运动速度为零 即r R u 0 代入上式求c 2 流体在圆管中湍流时的速度分布 n 6 10 Re越大 n值也越大 当Re 105左右时 n 7 此时称为1 7方率 尼古拉则公式 层流与湍流速度分布 3 平均速度 取半径为r 厚度为dr的环形流体作分析 设环形流体以速度u向前运动 则体积流量dvs为 层流时平均速度为最大速度的1 2 通过整个截面的体积流量为 即湍流时平均速度大约等于管中心处最大速度的0 82倍 Re越大 则n值越大 求出之便越大 湍流时 有u umax 1 r R 1 n umax 1 r R 1 7 令n 7 1 3 4边界层的概念 为什么引入边界层概念 实际流体与固体壁面作相对运动时 流体内部存在剪应力作用 由于速度梯度集中在壁面附近 故剪应力也集中在壁面附近 而远离壁面处的速度变化很小 作用于流体层间的剪应力也小到可以忽略 这部分流体便可以当作理想流体 也就是说 分析实际流体与固体壁面的相对运动时 应以壁面附近的流体为主要对象 故普兰德提出了边界层的概念 1 边界层及其形成 壁面附近速度变化较大 流动阻力集中在此区域 边界层离壁面较远 速度基本不变的区域 流动阻力可忽略 主流区 边界层的范围 速度0 99 u主体 2 边界层分离 边界层的一个重要特点是在某些情况下会脱离壁面 称为边界层分离 A B 流通截面变小 流速 p B D 流通截面扩大 流速 p C点 由于阻力损失 流速降为0 若为理想流体 D点流速降为0 C D 截面继续扩大 p 近壁面处流体在反向压力 逆压强梯度 作用下被迫倒流 产生大量旋涡 此即边界层分离 边界层分离演示 边界层分离的后果 1 产生大量的旋涡 2 造成较大能量损失 平板及流线型物体不会发生边界层分离 流体沿壁面流过时的阻力 表皮阻力 或摩擦阻力 流体的流道发生弯曲 突然扩大或缩小 绕过物体流动 引起边界层分离 形体阻力 用离心泵将去离子水由贮罐输送至高位槽 泵的吸入导管为 108mm 4 5mm 管中水的流速为1 5m s 泵的压出导管为 76mm 2 5mm 贮罐内液深为1 5m 罐底至高位槽管口垂直距离为20m 在输送系统中的压头损失为3m液柱 高位槽内的压力为0 0304MPa表压 如水的密度为1000kg m3 泵的总效率为60 试求泵所需功率