化學(xué)工程基礎(chǔ)kj3課件

第一章

流體流動(dòng)1遼陽(yáng)化纖廠2第一節(jié)概述一、流體的特性1、流動(dòng)性；2、沒(méi)有固定形狀，形狀隨容器而變；3、流體流動(dòng)—外力作用的結(jié)果；4、連續(xù)性（除高度真空情況）。3流體流動(dòng)的典型流程計(jì)算內(nèi)容：流速、流量、壓強(qiáng)、管徑、揚(yáng)程、功率轉(zhuǎn)子流量計(jì)閥門(mén)貯槽離心泵貯槽5

第二節(jié)流體靜力學(xué)基本方程式

研究外力作用下的平衡規(guī)律1-1密度一、密度

1.定義：?jiǎn)挝惑w積流體所具有的質(zhì)量。ρ=m/V[kg/m3]2、影響因素：溫度和壓力（1）液體—為不可壓縮的流體，與壓力無(wú)關(guān)，溫度升高，密度降低。6（2）氣體—

為可壓縮性的流體，通常（壓力不太高，溫度不太低）時(shí)可按理想氣體處理，否則按真實(shí)氣體狀態(tài)方程處理。3、混合物密度（1）氣體

7三、相對(duì)密度與比重1.相對(duì)密度d2.重度重度值=密度值(值相同但意義不同)

91—2壓力一、定義：流體垂直作用于單位面積上的力。二.壓力的單位1.SI單位[N/m2][Pa]2.工程單位

[kg/m2]—[at]—[mmHg]—[mmH20]—[mH20]103.換算1atm=1.0133×105[N/m2]

=101.3[kPa]=10330[kgf/m2]=10.33[mH20]=760[mmHg]1at=1[kgf/cm2]

=10[mH20]=735.5[mmHg]=98.1[kPa]

11例題：在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔塔頂真空表讀數(shù)為80kPa，在天津操作時(shí)，真空表讀數(shù)應(yīng)為多少？已知蘭州地區(qū)的平均大氣壓85.3kPa，天津地區(qū)為101.33kPa。解：維持操作的正常進(jìn)行，應(yīng)保持相同的絕對(duì)壓，根據(jù)蘭州地區(qū)的壓強(qiáng)條件，可求得操作時(shí)的絕對(duì)壓。解:絕壓=大氣壓-真空度=85300–80000=5300[Pa]

真空度=大氣壓-絕壓=101330-5300=96030[Pa]131-3流體靜力學(xué)基本方程

一.相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)流體受力情況

上表面作用力：

F1=

P1A下表面作用力：

F2=

P2A重力：G=gA(Z1-Z2)14

F1+G=F2P1A+gA(Z1-Z2

)=P2AP2=P1+

g(Z1-Z2

)或P2=P0+

g(Z1-Z2)=P0+

gh

或

F1＝P1AF2＝P2AG＝gA(Z1-Z2)

二.靜力學(xué)方程及巴斯葛定律15

5.可用不同液柱高度表示壓力，換算關(guān)系為：

H’=H/’

6.靜壓頭與位壓頭之和為常數(shù)。Z—表示把單位重量流體由基準(zhǔn)面移至Z高度后具有的位能。—靜壓頭。17例:P0>P1>P2P1=?P2=?

18例題:1.判斷下面各式是否成立

PA=PA’PB=PB’PC=PC’

2.細(xì)管液面高度。

1=800kg/m3

2=1000kg/m3

H1=0.7m

H2=0.6m

3.當(dāng)細(xì)管水位下降多高時(shí),槽內(nèi)水將放凈?19211-4流體靜力學(xué)基本方程的應(yīng)用一.壓力測(cè)定1.U型管壓差計(jì)

A-A’為等壓面PA=PA’PA=P1+g(H+R)PA’=P2+’gR+gHP1-P2=Rg(’-)如測(cè)量氣體0P1-P2=Rg’一臂通大氣?P1P2222.微差壓差計(jì)—放大讀數(shù)

P1

P2

a

Rb

特點(diǎn)：（1）內(nèi)裝兩種密度相近且不互溶的指示劑；（2）U型管兩臂各裝擴(kuò)大室（水庫(kù)）。P1-P2=（a-b）Rg23例題：用普通U型管壓差計(jì)測(cè)量氣體管路上兩點(diǎn)壓差，指示液為水，讀數(shù)R為1.2cm，為擴(kuò)大讀數(shù)改為微差計(jì)，一指示液密度為920kg/m3，另一指示液密度為850kg/m3，讀數(shù)可放大多少倍？

解：

（水-氣）gR=（1-2）gR’

新讀數(shù)為原讀數(shù)的171/12＝14.3倍25例題：常溫水在管道中流動(dòng)，用雙U型管測(cè)兩點(diǎn)壓差，指示液為汞，其高度差為100mmHg，計(jì)算兩處壓力差如圖：

P1=P1’P2=P2’Pa=P1’+水gxP1’=汞gR+P2Pb

=水gx+水gR+P2’Pa-Pb=Rg(汞-水)=0.19.81(13600-1000)=1.24103Pa26

三.液封

氣體R真空表氣氣水RRpp29已知：抽真空裝置的真空表讀數(shù)為80kPa，求氣壓管中水上升的高度。P0=P+gRP為裝置內(nèi)的絕對(duì)壓

P0

RP=P0-真空度30第三節(jié)：管內(nèi)流體流動(dòng)的基本方程1-5流量與流速一.流量1.體積流量VS[m3/s]2.質(zhì)量流量G=

VS[kg/s]二.流速1.平均流速u(mài)=V/A[m/s]

2.質(zhì)量流速W=G/A=u[kg/m2.s]3.管徑

液體:0.5—3m/s

氣體：10—30m/s#管徑應(yīng)進(jìn)行園整31例:安裝一根輸水量為30m3/h的管道,試選擇合適的管道。查書(shū)中附錄20(P323)(2)普通無(wú)縫鋼管①外徑=89mm壁厚=4mm即φ89×4的管子內(nèi)徑為d=81mm=0.081m實(shí)際流速為:解：選擇管內(nèi)水的經(jīng)驗(yàn)流速u(mài)=1.8m/s321-6穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)一.穩(wěn)定流動(dòng)—流體流動(dòng)過(guò)程中，在任意截面，流體的參數(shù)不隨時(shí)間改變。二.不穩(wěn)定流動(dòng)—流體流動(dòng)過(guò)程中，在任意截面,流體的任一參數(shù)隨時(shí)間而改變。33

1

2

1’

2’

G1=G2G=V=uAu1

A1

1=u2

A2

2=常數(shù)對(duì)于不可壓縮性流體,密度可視為不變

u1

A1=

u2

A2

u1

/u2

=(d2/d1)2

1-7連續(xù)性方程34

123D1=2.5cmD2=10cmD3=5cm(1)當(dāng)流量為4升/秒時(shí),各段流速?(2)當(dāng)流量為8升/秒時(shí),各段流速?例題:如下圖的變徑管路35123D1=2.5cmD2=10cmD3=5cm(1)當(dāng)流量為4升/秒時(shí),各段流速?(2)當(dāng)流量為8升/秒時(shí),各段流速?

＝2.04m/s

V’=2Vu’=2u

u1=2uu1’=16.3m/s例題:如下圖的變徑管路例題:36

1-8柏努力方程#穩(wěn)定流動(dòng)，單位時(shí)間，質(zhì)量為M的流體截面1——截面2位能：流體因處于地球重力場(chǎng)中而具有能量，其值等于把質(zhì)量為M的流體由基準(zhǔn)水平面升舉到某高度Z所做的功。位能=力距離=mgZ單位質(zhì)量流體的位能：

mgZ/m=gZ[J/kg]一.柏努力方程373.靜壓能：將流體壓入流體某截面對(duì)抗前方流體的壓力所做的功。靜壓能=力距離

2.動(dòng)能：流體因運(yùn)動(dòng)而具有的能量。動(dòng)能=mu2/2每公斤流體的動(dòng)能為:

##截面在基準(zhǔn)面之上，位能值為正，在基準(zhǔn)面之下其值為負(fù)。

38一公斤流體的靜壓能為PA.V/A/m=P/[J/kg]當(dāng)流體為理想流體時(shí)，兩界面上的上述三種能量之和相等。即：

各截面上的三種能量之和為常數(shù)——柏努力方程39二.柏努利方程討論1.柏努利方程表示理想流體在管道內(nèi)作穩(wěn)定流動(dòng),無(wú)外加能量,在任一截面上單位質(zhì)量流體所具有的位能、動(dòng)能、靜壓能（稱(chēng)為機(jī)械能）之和為常數(shù)，稱(chēng)為總機(jī)械能，各種形式的機(jī)械能可互相轉(zhuǎn)換。2.各項(xiàng)機(jī)械能的單位皆為J/kg。3.當(dāng)（P1-P2）/P2<20%,密度用平均值,不穩(wěn)定系統(tǒng)的瞬間亦可用。4.流體靜止,此方程即為靜力學(xué)方程;40各項(xiàng)單位為m：表示單位重量流體具有的機(jī)械能,相當(dāng)把單位重量流體升舉的高度。各項(xiàng)稱(chēng)為壓頭。5.亦可用單位重量和單位體積流體為基準(zhǔn):411-9實(shí)際流體的機(jī)械能衡算

H—揚(yáng)程；

Z2-

Z1—升楊高度；壓力差——壓力降(*何時(shí)兩者相等)42能量的轉(zhuǎn)換連通變徑管

h2h1h3h44344二.柏努利方程的應(yīng)用解題要點(diǎn)1.作圖并確定能量衡算范圍;2.截面的選取；(1)截面應(yīng)與流體的流動(dòng)方向垂直；(2)兩截面之間的流體是連續(xù)的；所求未知量應(yīng)在截面上或截面之間；

45例題：如圖，堿液(d=1.1)，塔內(nèi)壓力為0.3atm,管徑603.5,送液量25T/h,能量損失為29.43J/kg,求外界輸送的能量。Z1=1.5m,Z2=16mP1(表)=0P2=0.3atm=0.3101330pau1=0∑hf=29.43J/kg

16m1.5m46VS=W/ρ

=25000/3600/1100=0.0063m3/su2=Vs/A=0.0063/(0.785×0.0532)=0.86m/sZ1+We=Z2+P2/ρ+u22/2+∑hf=203J/kg47例題:泵進(jìn)口管φ89×3.5，出口管徑φ76×2.5流速1.5m/s，壓力0.2kgf/cm2(表),能量損失40J/kg，密度1100kg/m3,求外加的能量。

Z1=0Z2=7mP

1=0P2=0.2×98100Pau1=0hf=40J/kgu2=u0(d0/d2)2=1.5×(82/71)2

=2m/s

48例:管內(nèi)流體流速為0.5m/s,壓頭損失1.2m,求高位槽的液面應(yīng)比塔入口高出多少米?

1Z

2P1=P2

=0(表)u1=0u2=0.5m/sZ1=Z

Z2=0Z1=u22/2g+Hf=0.52/(2×9.81)+1.2=1.21m491.A閥不開(kāi),求A處的表壓強(qiáng);2.閥開(kāi),求A處的流速,(阻力不計(jì));3.A閥開(kāi),流量為零,壓力計(jì)讀數(shù)?解:1.PA=P+ρgH

P=ρHggR=13600×9.81×76/1000=10133Pa(真空度)

PA=-10133+1000×9.81×2=9487Pa(表壓)P1m76mmHg1mA502.根據(jù)柏努力方程

Z1=1+1=2mZ2=0

P1=-10133PaP0=0u1=0hf=0

2×9.81-10133/1000=u22/2u2=4.35m/s3.u2=0

2×9.81–Px/1000=0Px=19620Pa

19620/101330×760=

147mmHg51通風(fēng)管道,直徑自300mm縮至200mm,粗管、細(xì)管表壓分別為1200、800Pa，求空氣的體積流量。

已知空氣溫度為20℃，當(dāng)?shù)貧鈮簽?01.33千帕。解:400/1200=33%本題是粗略估算,可按不可壓縮流體計(jì)算。

hf=0W=0Z1=Z2P1=1200PaP2=800Pa

=1.22kg/m35253

第四節(jié)管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象一.牛頓粘性定律1.粘性:流體在流動(dòng)中產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì),粘性是能量損失的原因。實(shí)驗(yàn)：

內(nèi)摩擦力F剪應(yīng)力：?jiǎn)挝幻娣e上的內(nèi)摩擦力（τ）。τ=F/Adu/dy（du/dr）—速度梯度速度沿法線上的變化率。

1—10粘度54剪切力：?jiǎn)挝幻娣e上的內(nèi)摩擦力.

μ：粘度系數(shù)——?jiǎng)恿φ扯取扯取?/p>

粘度的物理意義：

當(dāng)速度梯度為1時(shí)，單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力的大小。

粘度的單位——牛頓粘性定律553.運(yùn)動(dòng)粘度ν=μ/ρ單位:SI——m2/scgs——cm2/s——斯托克斯4.影響粘度的因素:溫度:液體—溫度，粘度下降；氣體—溫度，粘度。壓力：液體—受壓力影響很小；氣體—壓力，粘度；但只有在壓力極高或極低時(shí)有影響。56二.

流體的動(dòng)量傳遞

三.非牛頓性流體——不符合牛頓粘性定律的流體為非牛頓性流體。如油等高粘度的流體。動(dòng)量＝質(zhì)量×速度＝mu單位體積流體的動(dòng)量＝mu/V=ρu571-11流體流動(dòng)類(lèi)型與雷諾準(zhǔn)數(shù)影響因素:管徑、流速、粘度、密度一.實(shí)驗(yàn)1.層流(滯流)過(guò)渡流2.湍流(紊流)58二.雷諾值—Re

無(wú)因次數(shù)群—準(zhǔn)數(shù)三.流動(dòng)類(lèi)型的判斷1.層流Re≤20002.湍流Re≥4000四.流體流動(dòng)的相似原理相似原理：當(dāng)管徑不同，雷諾數(shù)相同，流體邊界形狀相似，則流體流動(dòng)狀態(tài)也相同。59為研究操作過(guò)程的能量損失,問(wèn):實(shí)驗(yàn)設(shè)備中空氣流速應(yīng)為多少?解:Re1=Re2例:操作條件:D1，1atm，80℃，u1=2.5m/s,空氣，

實(shí)驗(yàn)條件:D2=1/10D1，1atm，20℃。6020℃:μ2=0.018Pa.s80℃:μ1=0.025Pa.s61例題:內(nèi)徑25mm的水管,水流速為1m/s,水溫20度,求:1.水的流動(dòng)類(lèi)型;

2.當(dāng)水的流動(dòng)類(lèi)型為層流時(shí)的最大流速?解：1.20℃μ=1cPρ=998.2kg/m3621—12流體在園管內(nèi)的速度分布F1=πr2P1F2=πr2P2F=F1-F2=(P1-P2)

πr2=ΔPπr2τ=F/A——剪切力（剪應(yīng)力強(qiáng)度）F=τA=一.層流時(shí)的速度分布1.速度分布曲線Rr632.最大、最小速度dv=2πrdru積分得：

r3.流量644.平均流速65層流速度分布曲線

665.哈根—泊素葉方程哈根—泊素葉方程：表示流體層流流動(dòng)時(shí)用以克服摩擦阻力的壓力差，與速度的一次方成正比。67二.

流體在園管中湍流流動(dòng)時(shí)的速度分布1.管中心部分速度為最大速度umax。

點(diǎn)速度ù:

ù=umax(1-r/R)1/72.層流底層——管壁處為層流。速度大，湍流程度大，層流底層?。徽扯却?，層流底層厚。3.平均速度約為最大速度的0.82倍湍流流動(dòng)的速度分布曲線68第二節(jié)流體流動(dòng)阻力1.對(duì)于同一直管，不管水平或垂直放置,所測(cè)能量損失相等。2.只有水平放置的直管,能量損失等于兩截面的壓能之差。1-14流體在直管中的流動(dòng)阻力對(duì)于等徑直管柏努力方程為691—15層流的摩擦阻力由哈根泊素葉方程得λ—摩迪摩擦系數(shù)

f—范寧系數(shù)

λ=4f701—16湍流的摩擦阻力一.管壁粗糙度的影響1.絕對(duì)粗糙度ε：管壁突出部分的平均高度。2.相對(duì)粗糙度：絕對(duì)粗糙度與管徑的比值ε/d。71二.量綱分析法量綱分析法的基礎(chǔ)—量綱的一致性。即：每個(gè)物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等，且量綱也必需相等。量綱為1：量綱指數(shù)為零的量。

π定理：當(dāng)某現(xiàn)象的物理量數(shù)為n個(gè)，這些物理量的基本量綱數(shù)為m個(gè)，則該物理現(xiàn)象可用N＝（n-m）個(gè)獨(dú)立的量綱為1的量之間的關(guān)系式表示，即可用N＝（n-m）個(gè)準(zhǔn)數(shù)表示。72用量綱分析法確定湍流時(shí)摩擦阻力中的準(zhǔn)數(shù)物理量：壓力降△P、管徑d、管長(zhǎng)l、流速u(mài)、密度ρ、粘度μ、粗糙度ε△P=f（d、l、u、ρ、μ、ε）量綱分別為：

[μ]=MT–1L–1基本量綱：M、T、L（三個(gè)基本量綱）準(zhǔn)數(shù)個(gè)數(shù)：N=7–3=4[P]=MT-2

L-1[d]=L[l]=L[u]=LT-1[ε]=L[ρ]=ML-373冪函數(shù)形式：

△P=Kda

lb

ucρd

μe

εfML-1T-2=La

Lb

（LT-1）c（ML–3）d

（MT–1L–1

）e

Lf﹒整理得：ML-1T-2=Md+eLa+b-c-3d-e+fT–c-e根據(jù)量綱一致性M：d+e=1

L：a+b-c-3d–e+f=-1T：-c-e=-2﹒74冪函數(shù)形式：

△P=Kda

lb

ucρd

μe

εf

M：d+e=1

(1)L：a+b+c-3d–e+f=-1(2)T：-c-e=-2(3)﹒由(1)得d=1-e(4)

由(3)得c=2-e(5)將(4)、(5)帶入(2)得

a=-b-e–f(6)將結(jié)果帶入原冪函數(shù)得:△P=Kd-b-e-f

lb

u2-eρ1-e

μe

εf75△P=Kd-b-e-f

lb

u2-eρ1-eμeεf變換為準(zhǔn)數(shù)式(將指數(shù)相同的物理量合并):7677三.湍流時(shí)的摩擦系數(shù)p381.層流:λ=64/Reλ與相對(duì)粗糙度無(wú)關(guān)。2.過(guò)渡區(qū)不穩(wěn)定3.湍流區(qū)λ與Re、ε/d有關(guān)。4.完全湍流區(qū)—阻力平方區(qū)；λ與Re無(wú)關(guān)。781—17非圓形管道內(nèi)的流動(dòng)阻力當(dāng)量直徑de=4A/∏A—流通截面積（m2）；∏—潤(rùn)濕周邊(m)。圓形管道與套管的當(dāng)量直徑分別為：

**非圓形管道內(nèi)層流流動(dòng)時(shí),λ=C/ReC為常數(shù),無(wú)因次,由管道截面形狀查表獲得。79例題：有正方形管道、寬為高三倍的長(zhǎng)方形管道和圓形管道，截面積皆為0.48m2，分別求它們的潤(rùn)濕周邊和當(dāng)量直徑。解：(1)正方形管道邊長(zhǎng)：

a=0.481/2=0.692潤(rùn)濕周邊：∏=4d=4×0.692=2.77m當(dāng)量直徑：de=4A/∏=4×0.48/2.77=0.693m80（2）長(zhǎng)方形管道短邊長(zhǎng)a：3a.a=0.48m邊長(zhǎng):a=0.4m潤(rùn)濕周邊：∏=2(a+3a)=3.2m當(dāng)量直徑：de=4×0.48/3.2=0.6m(3)圓形管道

直徑:πd2=0.48d=0.78m潤(rùn)濕周邊：∏=πd=3.14×0.78=2.45當(dāng)量直徑：de=d=0.78mde長(zhǎng)方形(0.6)<de正方形(0.693)<de圓形(0.78)hf長(zhǎng)方形>hf正方形>hf園形81

1—18管路的局部阻力一.局部阻力系數(shù)法將克服阻力消耗的能量表示成流體動(dòng)能的倍數(shù)。

hf=ξu2/21.擴(kuò)大與縮小的阻力系數(shù)ξ

擴(kuò)大：

82縮?。翰楸?/p>

2.進(jìn)口與出口容器→管道

A1/A2≈0ξ=0.5

83管道→容器

A1/A2≈0ξ=1

☆☆流體由管道直接排放至管外大空間，管出口內(nèi)側(cè)截面上的壓強(qiáng)可取為與管外空間相同。截面取在內(nèi)側(cè)，出口損失不計(jì)，動(dòng)能不為零；截面選在外側(cè)，截面上的動(dòng)能為零，但出口損失不計(jì)。兩種結(jié)果相同。84

3.管件與閥門(mén)—由手冊(cè)查取Le—當(dāng)量長(zhǎng)度，表示由管件引起的局部阻力損失。相當(dāng)于流過(guò)一段直徑相同，長(zhǎng)度為L(zhǎng)e的直管所損失的能量，其值可查共線圖和列線圖。管路阻力計(jì)算的應(yīng)用:烏氏粘度計(jì)測(cè)粘度的原理二.當(dāng)量長(zhǎng)度法85861-19流體在管內(nèi)流動(dòng)的總阻力損失計(jì)算然擴(kuò)大和縮?。┓謩e為40、20、50m,管徑分別為φ57×3.5，φ108×4，φ57×3.5，求：所需外加能量。(ε/d=0.001）

A例題：常溫水由貯罐用泵送入塔內(nèi)，水流量為20m3/h，塔內(nèi)壓力為196.2kpa（表壓），A→B，B→C，C→D，管長(zhǎng)（包括當(dāng)量長(zhǎng)度，不包括突15m12B

CD87解：求各段速度

AuAB=uCD=2.83m/s=0.71m/sDCB88

2.求能量損失：

(1)槽面至管的能量損失

hf

=0.5u2AB/2=2.0J/kg(2)A→B直管段μ=1cp

L+Le=40Re=duρ/μ=1.42×105查得λ=0.0215

A=68.9J/kg21BCD89

2.求能量損失：

(3)B端擴(kuò)大hB=(1-AA/AB)2.u2AB/2=2.25(4)BC管段

Re=71000λ=0.0235hBC=1.185J/kg(5)C點(diǎn)縮小AC/AD=(0.05/0.1)2

=0.25查得ξ=0.33hC=1.32J/kgABCD90

2.求能量損失：

(6)CD管段hAB=86.1J/kg(7)D點(diǎn)入口ξ=1hD=4J/kg(8)總能量損失hf=165.7J/kg(9)外加能量W=15×9.81+196.2×1000/1000+165.7=509J/kgABCD91例題有一段內(nèi)徑為100mm的管道，管長(zhǎng)16m，其中有兩個(gè)90度彎頭，管道摩擦系數(shù)為0.025，若拆除這兩個(gè)彎頭，管道長(zhǎng)度不變，兩端總壓頭不變，管道中流量能增加的百分?jǐn)?shù)。92

解：彎頭拆除前900彎頭ξ=0.75彎頭拆除后93原總壓頭差△E1=現(xiàn)總壓頭差△E2△E1=(Z1+P1/ρg+u2/2g)-(Z2+P2/ρg+u2/2g)=5.5u2/2△E2=(Z1+P1/ρg+u22/2g)-(Z2+P2/ρg+u22/2g)=4u22/2△E1+W=∑hf1△E2