化工基础-流体输送及机械

化工基础(上)FundamentalsofChemicalEngineering吴卫生博士、副教授上海交通大学化工系（化学楼218室）Tel:[phone]E-mail:[e-mail]科学和化工、化学科学的十二大类：哲学、经济学、历史学、农学、医学、管理学、理学、工学、军事学、法学、文学、教育学。化学工程与技术为隶属工学的一级学科，包含五个二级学科：化学工程、化学工艺、应用化学、生物化工和工业催化化学为隶属理学的一级学科，包含五个二级学科：有机化学、无机化学、分析化学、物理（理论）化学和高分子化学与物理化学工程与技术研究以化学工业为代表的各类过程工业中有关化学过程与物理过程的基本规律和应用技术的工程技术学科。本学科以过程工业为背景和研究对象，学科内容体现基础和应用并重，包括基础理论、基本方法和基本实验技术，产品研制、工艺开发、过程设计、系统模拟与优化和操作控制等。过程工业与加工工业的区别比较项目过程工业加工工业物质结构和形态实现方法所依靠设备产品计量变化各种反应及分离过程釜、罐、塔器、泵质量或体积（千克、吨、升等不变化不同的加工工序适当的设备件数（片、支、粒等）化学工程与技术的五个二级学科化学工程：研究各类化学过程和物理过程的一般原理、共性规律、工程基础和应用技术；化学工艺：研究化学品的精化原理、生产原理、产品开发、工艺实施、过程设计和优化；生物化工：研究有生物体或生物活性物质参与的过程的基本原理和工程技术问题；应用化学：研究精细化学品、专用化学品、功能材料及器件等的制备原理和工艺技术；工业催化：研究催化剂和催化反应过程的理论基础及其设计、开发和工业应用。化学工业的发展简史1746年铅室法制取硫酸，世界上第一个化工厂1791年路布兰制碱法1861年索尔维制碱法1862年硝化甘油炸药投入生产1905年哈伯合成氨法1929年青霉素被发现1934年高压聚乙烯被制成1939年尼龙66工业化1941年侯氏联合制碱法1957年聚四氟乙烯纤维的投产化学工业的特点化学工业与人类的生存与发展息息相关原料、工艺和产品的多样性技术密集型能源密集型资金密集型化学工业的发展趋势产品精细化化学工业和生物技术结合煤化工的兴起新材料的研究与开发化学工业的分类（中国）化学矿无机盐有机化工原料化学肥料化工农药合成纤维单体涂料、颜料染料及其中间体感光和磁性材料化学试剂石油化工化学医药合成树脂和塑料酸、碱合成橡胶催化剂、试剂和助剂煤化工橡胶制品化工机械化工新型材料化工生产过程将原料（RawMaterials）通过物理或化学方法转变成产品(Products)化学反应：使物质的结构、组成或性质发生变化单元操作（UnitOperation)：只有物理性质的变化，不涉及化学反应常见的单元操作：流体输送；物料的加热和冷却；蒸发；蒸馏；吸收；萃取；干燥、结晶等单元操作的理论基础：“三传”：动量(Momentum)、热量(Heat)和质量(Mass)传递(Transfer)相平衡：PhaseEquilibrium物料衡算、能量衡算和过程速率物料衡算(MassBalance)：输入物料量=输出物料量+累积物料量稳态过程：输入物料量=输出物料量能量衡算(EnergyBalance)：输入能量=输出能量+系统累积能量稳态过程：输入能量=输出能量过程速率=过程推动力/过程阻力本课程的教学内容单元操作54学时化学反应工程基础18学时化工热力学基础18学时第一章流体流动(FluidFlow)流体输送：化工过程中最普遍的单元操作之一本章的研究内容（对象）：压力、功率、流量等流体流动：内部存在相对运动；质点运动的总和质点：大量分子的聚集体刚体运动：内部不存在相对运动第一节流体静止的基本方程（流体静力学）流体的密度（density)、比重(specificgravity)和比容(specificvolume)密度：单位体积流体的质量，比重：某物质的密度对水的密度之比比容：单位质量物质的体积，mV3/kgm(,)fTP3/mkg压力（压强）2211013251.033/76010.33atmPakgfcmmmHgmHO21/1kgfcmata（工程大气压）表压＝绝对压力－大气压真空度＝大气压－绝对压力65110110MPaPabarPa流体静力学基本方程式描述静止流体内部压强随位置高低变化的规律（数学表达式）在静止的连续的同一流体内等高处压强相等1221ppzzg流体静力学基本方程式的应用——液柱压差计U型压差计双液体U型压差计倾斜U型压差计串联U型压差计第二节流体流动的基本方程流量与流速稳定流动与非稳定流动总质量衡算—连续性方程总能量衡算机械能衡算—柏努利方程柏努利方程的应用流量与流速（Flux&Velocity）体积流量（VolumeFlux）：Vs=V/θ（单位时间流过管路任一截面的流体体积）质量流量(MassFlux)：ms=m/θ(单位时间流过管路任一截面的流体质量）流速(Velocity)：u=Vs/A(体积流量除以管截面所得的平均速度）质量流速(MassVelocity)：G=ms/A(质量流量与管截面的比值）稳定流动（SteadyFlow）—p、ρ、z等物理量不随时间θ变化不稳定流动（UnsteadyFlow）—p、ρ、z等物理量随时间θ变化总质量衡算(MassBalance)—连续性方程(EquationofContinuity)ms1=ms2u1A1ρ1=u2A2ρ2或uAρ＝常数若ρ为常数，则u1A1＝u2A2=常数总能量衡算(EnergyBalance)H1+gz1+u12/2+qe+we=H2+gz2+u22/2△H+g△z+△(u2)/2=qe+we机械能衡算（MechanicalEnergyBalance）—柏努利方程(BernoulliEquation)三个假定：1.流体不可压缩v1=v2=v=1/ρ；2.无热交换qe=0；3.流体温度不变U1=U2gz1+u12/2+p1/ρ+we=gz2+u22/2+p2/ρ+wfz1+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)理想流体BernoulliEq.的应用流体流动中，各种形式的机械能可以相互转化，流体接受外功(he)可以转变为机械能，而部分机械能因克服阻力而被消耗（hf）；机械能可以用压头[m]表示；△h=h2-h1=he-hf静止流体，u1=u2=0he=0hf=0则z1+p1/ρg=z2+p2/ρg(流体静力学方程)第三节流体流动现象粘度流动型态管内流动的速度分布边界层简介第四节管内流动的阻力损失阻力损失的直观表现—压力降因次分析法流体流动阻力损失中的无因次数群（准数）范宁公式摩擦因数非圆形管的摩擦损失局部阻力损失阻力损失的直观表现—压力降满足以下条件：z1=z2(水平）；u1=u2（等径）；we=0（无外功）△pf=p1-p2=ρwf=ρghf(p1p2)△pf：压力损失；hf：压头损失；wf：单位质量流体的机械能损失因次分析法因次一致性原则：凡是根据基本物理规律导出的物理量方程，其中各项的因次必然相同。π定理（Buckingham定理）：某一物理现象中存在n个物理量，这些物理量涉及有m个基本单位，那么，这一物理现象可由n-m个无因次数群π1,π2,...,πn-m所组成的函数关系式表示，即F(π1,π2,...,πn-m)=0流体流动阻力损失中的无因次数群（准数）阻力损失△pf与以下物理量有关：d、l、u、ρ、μ、e（粗糙度）共有7个物理量：△pf、d、l、u、ρ、μ、e基本单位有3个：kg、m、s根据π定理，存在7-3=4个无因次数群:Eu=△pf/(ρu2)表征压力与惯性力之比l/d反映管子的几何特性Re=duρ/μ反映流体的湍动程度e/d相对粗糙度，反映管壁的几何特性范宁（Fanning）公式222222ffffflupdpluwdpluhgdg摩擦因数λ层流：湍流：64Re(Re,)ed非圆形管的摩擦损失当量直径：4ed液体流过的截面积液体润湿的周边局部阻力损失局部阻力损失计算式：局部阻力系数：222222fffupuwuhg总阻力（直管损失+局部损失）222222()()22()()22()()22efefefllluupddllluuwddllluuhdgdg第五节管路计算依据：1连续性方程：ms1=ms2i.e.u1A1ρ1=u2A2ρ22BernoulliEq.:gz1+u12/2+p1/ρ+we=gz2+u22/2+p2/ρ+wfi.e.z1+u12/2g+p1/ρg+he=z2+u22/2g+p2/ρg+hf3阻力计算式：直管：wf=λ(l/d)(u2/2)i.e.hf=λ(l/d)(u2/2g)局部：wf=ζ(u2/2)i.e.hf=ζ(u2/2g)总：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)简单管路没有分支或汇合特点：质量流量保持不变；总阻力损失为各段损失之和。复杂管路存在分支或汇合分支管路汇合管路并联管路特点：总管流量等于各分支管流量之和；对任一支管而言，分支前及汇合后的总压头皆相等。可压缩流体的管路计算（简单了解）简化计算法第六节流量测定（FluxMeasurement)流量计：差压流量计、截面流量计差压流量计：皮托管、孔板、文丘里截面流量计：转子流量计差压流量计：等截面、变压差节流口面积不变，流体流经节流口所产生的△p随V而变，通过测定△p间接测定流量V。转子流量计：变截面、等压差流体流经节流口（环隙）的△p恒定，而节流口的面积不断变化。皮托管（PitotTube)测定管道截面上某一点的速度2()Rgu孔板(OrificePlate)测定平均速度和流量1220000120000000120002()22()22()2sssppuuCCghppVCACAghmVCAppCAgh文丘里(VenturiTube)孔板的改进型转子流量计(Rotameter)收缩口面积可变的孔板22122122222()2()1()1()2()ffffRRffffsRfsgVgVuCCAAAAAAgVVuACAAVA第二章流体输送机械流体输送机械：向流体作功，提高机械能能量转换装置主要是流体静压头的增加，还有动压头的增加等流体输送机械（分类）：泵：输送液体风机、压缩机：输送气体本章的研究内容：各种流体输送机械（主要是离心泵）的操作原理、基本构造与性能、选型等第一节离心泵操作原理、构造和类型理论压头与实际压头有效功率、轴功率和效率特性曲线工作点和流量调节安装高度选用、安装与调节操作原理、构造和类型基本工作原理：利用高速旋转的叶轮产生离心力，不断吸入和排出液体气缚：泵壳内存在气体，真空度不够，吸不上液吸入管路安装止逆阀，保证启动前泵内充满液体离心泵的主要构件：叶轮和泵壳叶轮：产生离心力，将机械能传递给液体，增加液体的静压头泵壳：汇集液体，将一部分动能转变为静压能操作原理、构造和类型（续）离心泵的类型按叶轮数目划分：单级泵：叶轮只有一个多级泵：叶轮有n个按输送液体的不同划分：水泵油泵耐腐蚀泵杂质泵离心泵的理论压头与实际压头理想状况：1叶轮内叶片数目无穷多，液体沿叶片弯曲表面流动，且无倒流2液体粘度为零，即没有阻力损失离心泵基本方程：离心泵的