化工基礎流體輸送及機械

化工根底(上)

FundamentalsofChemicalEngineering吳衛(wèi)生博士、副教授上海交通大學化工系〔化學樓218室〕wuws@科學和化工、化學科學的十二大類：哲學、經(jīng)濟學、歷史學、農學、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、運用化學、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〔實際〕化學和高分子化學與物理

化學工程與技術研討以化學工業(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根本規(guī)律和運用技術的工程技術學科。本學科以過程工業(yè)為背景和研討對象，學科內容表達根底和運用并重，包括根底實際、根本方法和根本實驗技術，產品研制、工藝開發(fā)、過程設計、系統(tǒng)模擬與優(yōu)化和操作控制等。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)物質結構和形態(tài)實現(xiàn)方法所依靠設備產品計量變化各種反應及分離過程釜、罐、塔器、泵質量或體積（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）化學工程與技術的五個二級學科化學工程：研討各類化學過程和物理過程的普通原理、共性規(guī)律、工程根底和運用技術；化學工藝：研討化學品的精化原理、消費原理、產品開發(fā)、工藝實施、過程設計和優(yōu)化；生物化工：研討有生物體或生物活性物質參與的過程的根本原理和工程技術問題；運用化學：研討精細化學品、公用化學品、功能資料及器件等的制備原理和工藝技術；工業(yè)催化：研討催化劑和催化反響過程的實際根底及其設計、開發(fā)和工業(yè)運用?；瘜W工業(yè)的開展簡史

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化學工業(yè)的特點化學工業(yè)與人類的生存與開展息息相關原料、工藝和產品的多樣性技術密集型能源密集型資金密集型化學工業(yè)的開展趨勢產品精細化化學工業(yè)和生物技術結合煤化工的興起新資料的研討與開發(fā)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化工消費過程

將原料〔RawMaterials〕經(jīng)過物理或化學方法

轉變成產品(Products)化學反響：使物質的構造、組成或性質發(fā)生變化單元操作〔UnitOperation)：只需物理性質的變化，不涉及化學反響常見的單元操作：流體保送；物料的加熱和冷卻；蒸發(fā)；蒸餾；吸收；萃??；枯燥、結晶等單元操作的實際根底：“三傳〞：動量(Momentum)、熱量(Heat)和質量(Mass)傳送(Transfer)相平衡：PhaseEquilibrium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=過程推進力/過程阻力本課程的教學內容單元操作54學時化學反響工程根底18學時化工熱力學根底18學時第一章流體流動(FluidFlow)流體保送：化工過程中最普遍的單元操作之一本章的研討內容〔對象〕：壓力、功率、流量等流體流動：內部存在相對運動；質點運動的總和質點：大量分子的聚集體剛體運動：內部不存在相對運動第一節(jié)流體靜止的根本方程

〔流體靜力學〕流體的密度〔density)、比重(specificgravity)和比容(specificvolume)密度：單位體積流體的質量，

比重：某物質的密度對水的密度之比比容：單位質量物質的體積，壓力〔壓強〕表壓＝絕對壓力－大氣壓真空度＝大氣壓－絕對壓力流體靜力學根本方程式描畫靜止流體內部壓強隨位置高低變化的規(guī)律〔數(shù)學表達式〕在靜止的延續(xù)的同一流體內等高處壓強相等流體靜力學根本方程式的運用

——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型壓差計第二節(jié)流體流動的根本方程流量與流速穩(wěn)定流動與非穩(wěn)定流動總質量衡算—延續(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運用流量與流速〔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〕質量流量(MassFlux)：ms=m/θ(單位時間流過管路任一截面的流體質量〕流速(Velocity)：u=Vs/A(體積流量除以管截面所得的平均速度〕質量流速(MassVelocity)：G=ms/A(質量流量與管截面的比值〕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變化總質量衡算(MassBalance)

—延續(xù)性方程(EquationofContinuity)ms1=ms2u1A1ρ1=u2A2ρ2或uAρ＝常數(shù)假設ρ為常數(shù)，那么u1A1＝u2A2=常數(shù)總能量衡算

(EnergyBalance)H1+gz1+u12/2+qe+we=H2+gz2+u22/2△H+g△z+△(u2)/2=qe+we機械能衡算〔MechanicalEnergyBalance〕

—柏努利方程(BernoulliEquation)三個假定：1.流體不可緊縮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+wfz1+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

BernoulliEq.的運用流體流動中，各種方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，而部分機械能因抑制阻力而被耗費〔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那么z1+p1/ρg=z2+p2/ρg(流體靜力學方程)第三節(jié)流體流動景象粘度流動型態(tài)管內流動的速度分布邊境層簡介第四節(jié)管內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部分阻力損失阻力損失的直觀表現(xiàn)—壓力降滿足以下條件：z1=z2(程度〕；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：單位質量流體的機械能損失因次分析法因次一致性原那么：凡是根據(jù)根本物理規(guī)律導出的物理量方程，其中各項的因次必然一樣。π定理〔Buckingham定理〕：某一物理景象中存在n個物理量，這些物理量涉及有m個根本單位，那么，這一物理景象可由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根本單位有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范寧〔Fanning〕公式摩擦因數(shù)λ層流：湍流：非圓形管的摩擦損失當量直徑：

部分阻力損失部分阻力損失計算式：部分阻力系數(shù)：總阻力〔直管損失+部分損失〕第五節(jié)管路計算根據(jù)：<1>延續(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)部分：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)簡單管路沒有分支或集合特點：質量流量堅持不變；總阻力損失為各段損失之和。復雜管路存在分支或集合分支管路集合管路并聯(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，分支前及集合后的總壓頭皆相等?？删o縮流體的管路計算〔簡單了解〕簡化計算法第六節(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)流口所產生的△p隨V而變，經(jīng)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。皮托管〔PitotTube)測定管道截面上某一點的速度孔板(OrificePlate)測定平均速度和流量文丘里(VenturiTube)孔板的改良型轉子流量計(Rotameter)收縮口面積可變的孔板第二章流體保送機械流體保送機械：向流體作功，提高機械能能量轉換安裝主要是流體靜壓頭的添加，還有動壓頭的添加等流體保送機械〔分類〕：泵：保送液體風機、緊縮機：保送氣體本章的研討內容：各種流體保送機械〔主要是離心泵〕的操作原理、根本構造與性能、選型等第一節(jié)離心泵操作原理、構造和類型實際壓頭與實踐壓頭有效功率、軸功率和效率特性曲線任務點和流量調理安裝高度選用、安裝與調理操作原理、構造和類型根本任務原理：利用高速旋轉的葉輪產生離心力，不斷吸入和排出液體氣縛：泵殼內存在氣體，真空度不夠，吸不上液吸入管路安裝止逆閥，保證啟動前泵內充溢液體離心泵的主要構件：葉輪和泵殼葉輪：產生離心力，將機械能傳送給液體，添加液體的靜壓頭泵殼：聚集液體，將一部分動能轉變?yōu)殪o壓能操作原理、構造和類型〔續(xù)〕離心泵的類型按葉輪數(shù)目劃分：單級泵：葉輪只需一個多級泵：葉輪有n個按保送液體的不同劃分：水泵油泵耐腐蝕泵雜質泵離心泵的實際壓頭與實踐壓頭理想情況：<1>葉輪內葉片數(shù)目無窮多，液體沿葉片彎曲外表流動，且無倒流<2>液體粘度為零，即沒有阻力損失離心泵根本方程：離心泵的