《化工原理教学资料》第一章流体流动与输送机械(郭锴).ppt
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1、化工原理I,北京化工大学 郭锴 13801215519 ,绪 论,化工原理是一门非常有用的课程; 它所涉及的理论及处理问题的方法适用于整个工程学科; 其意义,不仅局限于“化学工程”; 学通之后,对自然界的客观规律的认识得以深化; 虽然“化工原理”是从“单元操作”发展起来的,但不等同于单元操作。,网络课程: http:/ 资源共享课搜索“化工原理” 可在线学习。,0.1 化工生产过程与单元操作,0.1.1 化工生产过程 化学工业是将原料进行化学和物理方法加工而获得产品的工业。 化工产品不仅是工业、农业和国防的重要生产资料,同时也是人们日常生活中的重要生活资料。,近年来,传统化学工业向石油化工、精
2、细化工、生物化工、环境、医药、食品、冶金等工业领域延伸与结合,并出现“化工及其相近过程工业”的提法,更显见其在国民经济中的重要地位。 化工产品种类繁多,生产过程十分复杂,每种产品的生产过程也各不相同,但加以归纳,均可视为由原料预处理过程、化学反应过程和反应产物后处理3个基本环节组成。,例如,乙烯法制取氯乙烯的生产过程是以乙烯、氯化氢和空气为原料,在压力为0.5MPa、温度为220、CuCl2为催化剂等条件下反应,制取氯乙烯。在反应前,乙烯和氯化氢需经预处理除去有害物质,避免催化剂中毒。反应后产物中,除反应主产物氯乙烯外,还含有未反应的氯化氢、乙烯及副产物,如二氯乙烷、三氯乙烷等。需经后处理过程
3、,如氯化氢的吸收过程,二氯乙烷、三氯乙烷与氯乙烯的分离过程等,最终获得聚合级精制氯乙烯。,其生产过程简图如下。 上述生产过程除单体合成属化学反应过程外,原料和反应产物预处理和后处理环节中的提纯、精制分离,包括为反应过程维持一定的温度、压力需进行的加热、冷却、压缩等均为物理加工过程。 化学与石油化学、制药等工业中,物理加工过程的设备投资约占全厂设备投资的90左右,由此可见它们在化工生产过程中的重要地位。,0.1.2 单元操作(Unit operation) 通常,一种产品的生产过程往往需要几个或数十个物理加工过程。但研究化工生产诸多物理过程后发现,根据这些物理过程的操作原理和特点,可归纳为若干基
4、本的操作过程,如流体流动及输送、沉降、过滤、加热或冷却、蒸发、蒸馏、吸收、干燥、结晶及吸附等。,流体动力过程(fluid flow process)(动量传递) 遵循流体力学基本规律,以动量传递(momentum transfer)为理论基础的单元操作; 传热过程(heat transfer process) (热量传递) 遵循传热基本规律,以热量传递(heat transfer)为理论基础的单元操作; 传质过程(mass transfer process) (质量传递) 遵循传质基本规律,以质量传递(mass transfer)为理论基础的单元操作; 热、质同时传递的过程一一遵循热质同时传递
5、规律的单元操作。,1923年,美国麻省理工学院教授W.H.华克尔等出版了第一部关于单元操作的著作化工原理(Principles of Chemical Engineering)。 解放后,我国也相继出版了以单元操作为主线的化工原理、 化工过程与设备等教材,至今仍沿用化工原理这一名称。,0.2 化工原理课程的性质、内容及任务,本课程的性质:本课程是继数学、物理、化学、物理化学、计算机基础之后开设的一门技术基础课,它也是一门实践性很强的课程,所讨论的每一单元操作均与生产实践紧密相连。 本课程的内容:主要研究化工生产过程中各单元操作的基本原理、典型设备及其设计计算方法。,流体动力过程 包括流体流动与
6、输送、非均相物系分离等单元操作; 传热过程 包括传热、蒸发等单元操作; 传质过程 包括蒸馏、吸收、吸附、膜分离等单元操作; 热质过程 包括干燥、结晶等单元操作。 本课程的任务:培养学生运用本学科基础理论及技能(如电算技能等)分析和解决化工生产中有关实际问题的能力,特别是要注意培养学生的工程观点、定量计算、设计开发能力和创新理念。,具体要求有以下几点: 选型 根据生产工艺要求、物料特性和技术、经济特点,能合理地选择单元操作及设备; 设计计算 根据选定的单元操作进行工艺计算和设备设计,当缺乏数据时能设法获取,如通过实验测取必要数据; 操作 熟悉操作原理、操作方法和调节参数。具备分析和解决操作中产生
7、故障的基本能力; 开发创新 具备探索强化或优化过程与设备的基本能力。,0.3 单元操作中常用的基本概念和观点,4个基本概念和一个观点: 物料衡算、能量衡算、过程平衡和速率这4个基本概念和建立一个经济核算的观点。 (1)物料衡算 根据质量守恒定律,进入与离开某一过程或设备的物料的质量之差应等于积累在该过程或设备中的物料质量,即,(2)能量衡算(energy balance)本教材中讨论的能量衡算主要为机械能和热能衡算。 (3)物系的平衡关系(equilibrium relation) 是指物系的传热或传质过程进行的方向和能达到的极限。例如,当两物质温度不同,即温度不平衡时热量就会从高温物质向低温
8、物质传递,直到温度相等为止,此时传热过程达到极限,两物质间不再有热量的净传递。 (4)过程传递速率(rate of transfer process)是指过程进行的快慢,通常用单位时间内过程进行的变化量表示如传热过程速率用单位时间内传递的热量或用单位时间内单位面积传递的热量表示;传质过程速率用单位时间内单位面积传递的物质量表示。,显然,过程传递速率越大,设备生产能力越大,或在完成同样产量时设备的尺寸越小。工程上,过程传递速率问题往往比过程平衡问题更为重要。 (5)经济核算 在设计具有一定生产能力的设备时,根据设备型式、材料不同,可提出若干不同设计方案。对于同一设备,选用不同操作参数,则设备费和
9、操作费也不同,因此,不仅要考虑技术先进,同时还要通过经济核算来确定最经济的设计方案,达到技术和经济的优化,而且,不仅应考虑单一设备的优化,还必须满足过程的系统优化。当今,对于工程技术人员而言,建立优化的技术经济观点十分重要和必要。,第1章 流体流动 1.1 流体基本性质 1.2 流体静力学 1.3 流体动力学 1.4 流体流动的内部结构 1.5 流体流动阻力 1.6 管路计算 1.7 流速与流量的测量 1.8 流体输送机械,第1章 流体流动,流体是气体与液体的总称。,流体流动与输送是最普遍的化工单元操作之一; 研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。,1.1 流体基本性质,1.1.
10、1 连续介质假定 1.1.2 流体的压缩性 1.1.3 作用在流体上的力 1.1.4 质量力与密度 1.1.5 压力 1.1.6 剪切力与黏度,1.1.1 连续介质假定 假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有 间隙的流体质点(或微团)所组成的连续介质。 质点:由大量分子构成的微团,其尺寸远小于设备 尺寸、远大于分子自由程。 工程意义:利用连续函数的数学工具,从宏观研究 流体。,1.1 流体基本性质,1.1.2 流体的可压缩性,不可压缩性流体:流体的体积不随压力变化而变 化,如液体; 可压缩性流体:流体的体积随压力发生变化, 如气体。,表面力:通过直接接触而作用于流体表面的力, 其大小与流体的
11、表面积成正比。,1.1.3 作用在流体上的力,质量力: 作用于流体每个质点上的力,其大小与流 体的质量成正比,如重力、离心力等。,1.1.4 质量力与密度 一、密度 单位体积流体的质量。,kg/m3,二、单组分密度,液体 密度仅随温度变化(极高压力除外),其变 化关系可从手册中查得。,气体 当压力不太高、温度不太低时,可按理想 气体状态方程计算:,注意:手册中查得的气体密度均为一定压力与温度 下之值,若条件不同,则需进行换算。,三、混合物的密度,混合气体 各组分在混合前后质量不变,则有,气体混合物中各组分的体积分数。,或,混合气体的平均摩尔质量;,气体混合物中各组分的摩尔(体积)分数。,混合液
12、体 假设各组分在混合前后体积不变,则有,液体混合物中各组分的质量分数。,四、比容,单位质量流体具有的体积,是密度的倒数。,m3/kg,1.1.5 压力,流体垂直作用于单位面积上的力,称为流体的静压强,习惯上又称为压力。,一、压力的单位,SI制:N/m2或Pa;,或以流体柱高度表示 :,注意:用液柱高度表示压力时,必须指明流体的种类, 如600mmHg,10mH2O等。,二、 压力的表示方法,绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。 表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。,标准大气压的换算关系: 1atm = 1.013105Pa =760mmHg =10.33m H2O,表 压 = 绝对压力
13、大气压力 真空度 = 大气压力 绝对压力,一、 牛顿黏性定律,或,式中:F内摩擦力,N; 剪应力,Pa; 法向速度梯度,1/s; 比例系数,称为流体的黏度,Pas 。,1.1.6 剪切力与黏度,牛顿型流体:剪应力与速度梯度的关系符合牛顿 黏性定律的流体; 非牛顿型流体:不符合牛顿黏性定律的流体。,二、流体的黏度 (动力黏度),1.黏度的物理意义 流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。,黏度的物理本质:分子间的引力和分子的运动与碰撞。,2. 黏度的单位,SI制:Pas 或 kg/(ms) 物理制:cP(厘泊),换算关系,1cP10-3 Pas(mPas),流体黏度的大致
14、范围,3.运动黏度 黏度与密度之比。,单位 :,三、理想流体与实际流体 理想流体:黏度为零的流体; 实际流体或黏性流体:具有黏性的流体。,1.2 流体静力学,1.2.1 静压力特性,1.2.2 流体静力学基本方程,1.2 流体静力学,流体压力与作用面垂直,并指向该作用面; 任意界面两侧所受压力,大小相等、方向相反; 作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。,1.2.1 静压力特性,一、静力学基本方程,重力场中对液柱进行受力分析:,(1)上端面所受总压力,(2)下端面所受总压力,(3)液柱的重力,设流体不可压缩,,方向向下,方向向上,方向向下,1.2.2 流体静力学基本方程,液柱处于静止时,
15、上述三项力的合力为零:,静力学基本方程,压力形式,能量形式,讨论:,(1)适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体; (2)物理意义:,单位质量流体所具有的位能,J/kg;,单位质量流体所具有的静压能,J/kg。,在同一静止流体中,处在不同位置流体的位能和静压能各不相同,但二者可以转换,其总和保持不变 。,(3)在静止的、连续的同种流体内,处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。,(4)压力具有传递性:液面上方压力变化时,液体内部各点的压力也将发生相应的变化。,二、静力学基本方程的应用,1. 压力及压力差的测量,(1)U形压差计,设指示液的密度为 , 被测流体的密度为
16、。,A与A面 为等压面,即,而,所以,整理得,若被测流体是气体, ,则有,若0=呢?,讨论:,(1)U形压差计可测系统内两点的压力差,当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时,也可测得流体的表压或真空度;,表压,真空度,(2)指示液的选取: 指示液与被测流体不互溶,不发生化学反应; 其密度要大于被测流体密度。 应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。,思考:若U形压差计安装在倾斜管路中,此时读数 R反映了什么?,密度接近但不互溶的两种指示 液A和C ;,(2)双液体U管压差计,扩大室内径与U管内径之比应 大于10 。,适用于压差较小的场合。,(3) 倒U形压差计,指示剂密度小于被测流
17、体密度,如空气作为指示剂,(5) 复式压差计,(4) 倾斜式压差计,适用于压差较小的情况。,适用于压差较大的情况。,例1-1 如附图所示,水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力,直接在该处连接一U形压差计,,指示液为水银,读数 R250mm,m900mm。已知当地大气压为101.3kPa,水的密度为1000kg/m3,水银的密度为13600kg/m3。试计算该截面处的压力。,例1-2 如附图所示,用一复式U形压差计测量某种流体流过管路A、B两点的压力差。已知流体的密度为,指示液的密度为0,且两U形管指示液之间的流体与管内流体相同。已知两个,U形压差计的读数分别为R1、R2,试推导A、B
18、两点压力差的计算式,由此可得出什么结论?,从左向右推,等压面上,左px,右px,2. 液位测量,(1)近距离液位测量装置,压差计读数R反映出容器 内的液面高度。,液面越高,h越小,压差计读数R越小;当液面达到最高时,h为零,R亦为零。,(2)远距离液位测量装置,管道中充满氮气,其密度较小,近似认为,而,所以,3. 液封高度的计算,液封作用: 确保设备安全:当设备内压力超过规定值时,气体从液封管排出; 防止气柜内气体泄漏。,液封高度:,1.3 流体动力学,1.3.1 流体的流量与流速 1.3.2 定态流动与非定态流动 1.3.3 定态流动系统的质量衡算 连续性方程 1.3.4 定态流动系统的机械
19、能衡算 柏努利方程,1.3 流体动力学,1. 体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。 Vsm3/s或m3/h 2.质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。 mskg/s或kg/h。,二者关系:,一、流量,1.3.1 流体的流量与流速,二、流速,2. 质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。,流速 (平均流速) 单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。,kg/(m2s),流量与流速的关系:,m/s,1.3.2 定态流动与非定态流动,定态流动:各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化,而不随时间变化;,非定态流动:流体在各截面上的有关物理量既随位置变化,也随时
20、间变化。,1.3.3 定态流动系统的质量衡算 连续性方程,对于定态流动系统,在管路中流体没有增加和漏失的情况下:,推广至任意截面,连续性方程,不可压缩性流体,,圆形管道 :,即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与管内径的平方成反比 。,例1-3 如附图所示,管路由一段894mm的管1和一段1084mm的管2和两段573.5mm的分支管3a及3b连接而成。若水以910-3m3/s的体积流量流动,且在两段分支管内的流量相等,试求水在各段管内的速度。,管子规格的通用表示法,外径壁厚,1.3.4 定态流动系统的机械能衡算 柏努利方程,一、理想流体的机械能衡算,p2, u2,衡算范围: 1-1、2-2截
21、面以及管内壁所围成的空间 衡算基准:1kg流体 基准面:0-0水平面,(1)内能 贮存于物质内部的能量。 1kg流体具有的内能为U(J/kg)。,(2)位能 流体受重力作用在不同高度所具有的能量。 1kg的流体所具有的位能为zg(J/kg)。,(3)动能 1kg的流体所具有的动能为 (J/kg),(4)静压能,静压能=,(1),柏努利方程式,不可压缩性流体,,式(1)为以单位质量流体为基准的机械能衡算式,各项单位均为J/kg。,根据能量守恒原则,必有,单位 zg,将(1)式各项同除重力加速度g :,(2),式中各项单位为,式(2)即为以单位重量流体为基准的机械能衡算式。,二、实际流体的机械能衡
22、算,(2)外功(有效功) 1kg流体从流体输送机械获得的能量为We (J/kg)。,(1)能量损失,设1kg流体损失的能量为Wf(J/kg)。,(3),(4),或,其中,He外加压头或有效压头,m;,hf压头损失,m。,三、 柏努利方程的讨论,(1)若流体处于静止,u=0,Wf=0,We=0,则柏努利方程变为,说明柏努利方程既表示流体的运动规律,也表示流体静止状态的规律 。,(2)理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数,即,理想流体,We、Wf 在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。,(3)zg、 、 某截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能 ;,有效功率 :,轴功率 :
23、,(4)柏努利方程式适用于不可压缩性流体。 对于可压缩性流体,当 时,仍可用该方程计算,但式中的密度应以两截面的平均密度m代替。,四、柏努利方程的应用,管内流体的流量; 输送设备的功率; 管路中流体的压力; 容器间的相对位置等。,利用柏努利方程与连续性方程,可以确定:,(1)根据题意画出流动系统的示意图,标明流体的流动方向,定出上、下游截面,明确流动系统的衡算范围 ;,(2)位能基准面的选取 必须与地面平行; 宜于选取两截面中位置较低的截面; 若截面不是水平面,而是垂直于地面,则基准面应选过管中心线的水平面。,(4)各物理量的单位应保持一致,压力表示方法也应一致,即同为绝压或同为表压。,(3)
24、截面的选取 与流体的流动方向相垂直; 两截面间流体应是定态连续流动; 截面宜选在已知量多、计算方便处。,例1-4 如附图所示,从高位槽向塔内进料,高位槽 中液位恒定,高位槽和塔内的压力均为大气压。送液,管为452.5mm的钢管,要求送液量为3.6m3/h。设料液在管内的压头损失为1.2m(不包括出口能量损失),试问高位槽的液位要高出进料口多少米?,1,1,2,2,例1-5 在453mm的管路上装一文丘里管,文丘里管的上游接一压力表,其读数为5kPa,压力表轴心与管中心的垂直距离为0.3m,管内水的流速为1.5m/s,文丘里管的喉径为10mm。文丘里喉部接一内径为15mm的玻璃管,玻璃管的下端插
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