武汉大学-《化学工程基础》第2章传质

第二章流体流动与输送内容提要：本章主要讨论化工生产过程中的流体流动的基本原理及流体流动的基本规律，并运用这些原理与规律去分析和解决化工生产中的物料输送问题。基本要求：1.了解化工生产过程中流体流动的基本规律；2.掌握柏努利方程及其在化工生产中的应用；3.掌握流体在管内流动阻力的计算；4.了解流体输送机械的工作原理和相关计算。第一节流体静力学1-1流体的物理性质•密度——单位体积流体所具有的质量，称为流体的密度。•相对密度——物料密度与纯水（4℃时）密度之比，用符号d表示。如H2SO4的d420=1.84][3mkgVm1-2压强•压强——单位面积上所受流体垂直方向的作用力，称为流体的压强。•绝对压强——压强的实际数值。•表压强——某体系之绝对压强高出当地大气压之差值，称为该体系的表压。•真空度——某体系之绝对压强低于当地大气压之差值，称为该体系的真空度。][PaAFP表压强和真空度示意图1-3流体静力学方程受力分析：1）向上作用于薄层底面的总压力pA2）向下作用于薄层顶面的总压力（p+dp）A3）薄层向下作用的重力ρgdzA平衡时：所有力相等pA=（p+dp）A+ρgdzA积分得：p2=p1+ρg（z1-z2）——流体静力学基本方程1-4流体静力学的应用•U形管压强计•液位计•液封第二节流体流动][13sm][1skg2-1流体的流量和流速•体积流量（qV）——单位时间流过导管任一横截面的流体体积，•质量流量（qm）——单位时间流过导管任一横截面的流体质量，质量流量=体积流量×流体密度•流速（u）——在单位时间内流体在导管中流过的距离，•管道直径（d）][1smAquV导管截面积体积流量流速2-2定常态流动与非定常态流动•在流体流动系统内，任一空间位置上的流量、流速、压力和密度等物理参数，只随空间位置的改变而改变．而不随时间变化的流动称为定常态流动或稳定流动。•否则，为非定常态流动或不稳定流动。2-3流动形态1883年，雷诺通过大量实验观察到，流体流动分为层流（滞流）、过渡流、湍流，且流动型态除了与流速u有关外，还与管径d、流体的粘度、流体的密度有关。)()(雷诺实验=•此数群被称之为雷诺准数。雷诺准数值的大小，可以用来判断流动类型。Re2000，层流；Re4000，湍流，Re=2000-4000，过渡流。duRe0001131TMLTMLMLTLL2-4牛顿粘性定律•选相邻两薄圆筒流体（1，2）进行分析。设两薄层之间垂直距离为dy，两薄层速度差为du，即（u2-u1），两薄层之间接触的圆筒表面积为A，两薄层之间的内摩擦力为F。•实验证明，对于一定流体，内摩擦力F与接触面积A成正比，与速度差du成反比，此即牛顿粘度定律。)(AdyduAFdyduAFdyduAF用一句话表述牛顿粘度定律：流体内部所受的剪应力与速度梯度成正比。•服从牛顿粘度定律的流体，我们称为牛顿型流体。不服从牛顿粘度定律的流体，我们称为非牛顿型流体。①塑性流体dyduy②假塑性流体1ndyduKn③涨塑性流体1ndyduKn•粘度-牛顿粘度定律中的比例系数。•粘度的物理意义为：在单位接触面积上，速度梯度为1时，由流体的粘度引起的内摩擦力的大小。111122smkgmsmmsmkgdydu2-5流动边界层•在δ距离内流体层呈现速度梯度，这个速度梯度区称为流动边界层。•稳定段的长度L0：流体流动从管道入口开始形成边界层起直到发展到边界层在管道中心汇合为止的长度。L0/d=0.0575Re2-6动量传递层流：时间面积动量时间面积速度质量22LTLMAFdydu湍流：dydu)(/2-7流速分布层流速度分布式的推导内摩擦力推动力•内摩擦力=推动力•积分得•r=0时，流速最大层流平均流速u与最大流速umax第三节流体流动的质量衡算定常流动流入系统的液体质量流量=流出系统的液体质量流量——流体流动连续性方程第四节流体流动系统的能量衡算柏努利方程的导出设有质量流量为qm，流体由1-1截面流至2-2截面，流体流速分别为u1和u2；流体具有的压强分别为p1和p2。我们对1-1和2-2范围的流体作能量衡算。位能：qmgz1和qmgz1动能：qmu12/2和qmu22/2压力能：——理想柏努利方程式——实际流体的柏努利方程式柏努利方程的应用，要注意以下几点：1.选取截面，实际是确定衡算范围。截面可以有许多，选取已知条件最多的截面，是选取截面的原则。从数学角度讲，选取截面就是选边界条件。2.确定基准面。主要是计算截面处的相对位能。一般是选位能较底的那个截面为基准面。此时这个截面的位能为零。3.压强的单位要统一。要么都用表压，要么都用绝压等。如有通大气的截面，以表压为单位时，该处截面表压为零。4．大口截面的流速为零。5．上游截面与下游截面的确定。柏努利方程更确切的表达式为：上游截面的三项能量+从输送机械获得的能量=下游截面的三项能量+管道中的摩擦损失能量6．水平管截面确定基准面时，一般是取通过管中心的水平面为基准面。第五节管内流动阻力流体流动的总阻力损失=沿直管流动产生的摩擦阻力损失+遇到变径、变向的障碍产生的局部阻力损失5-1沿程阻力损失计算和量纲分析方法•范宁公式定常流动时：压力降=剪切力剪切力与剪应力的关系∴令则有令则有λ为摩擦系数，f为范宁因子gudlHf2//2λ的物理意义物理意义为：1牛顿流体在管道中流经一段与管道直径相等的距离所造成的压头损失与其所具有的动压头之比。•层流流动的阻力损失计算流体薄层体积流量将代入，有积分，得哈根-泊谡叶方程•由和得流体层流运动时的摩擦阻力系数的关联式：湍流摩擦阻力计算•流体在管内作湍流时，与许多因数有关。如等。即•用实验方法来求与上列因数的关系，则十分困难。因次分析法是化学工程实验研究中经常使用的方法之一。•因次分析法的基础是因次的一致性原则，即每一个物理方程式的两边，不仅数值相等，而且因次也必须相同。)(、、、、ud因次分析法因次分析法的基本原理是白金汉（Buckingham）定理：设影响该现象的物理量为n个，这些物理量的基本因次为m个，则该物理现象可用N=n-m个独立的无因次数群关系式表示，即π定理。此类无因次数群称为准数。因次分析法只能归纳出数群，至于数群之间的确切定量关系，还必须依靠实验才能得到。必须注意，在确定有关物理量时，须作较详细的分析，若漏了必要的物理量，则得到的数群无法通过实验建立确定的关系，若引进无关的物理量，则可能得到没有意义的数群。•幂指数关系已知有等式两边每个基本量纲的量纲指数相等所以湍流时的计算•湍流时不仅与Re有关，而且与管内壁的相对粗糙程度有关，常用查图的方法查取。)/(d5-2局部阻力损失计算局部阻力损失计算有两种方法，即当量长度法与阻力系数法。•当量长度le——将流体通过管件或阀门的局部阻力损失折算成与其相当的直管长度的摩擦阻力损失。•阻力系数——由实验测定局部阻力系数。第六节流量测量6-1孔板流量计原理孔板流量计是在流体管道中安装一个带有圆孔的孔板构成的。通过测量孔板前后压力差，即可定出管道中流体的流量。流体通过孔板时，流速增大，静压头减少，由静压头的减少值，可以测出流速。6-2转子流量计原理转子流量计由一个倒锥形的玻璃管和一个能上下移动并且比流体密度大的转子所构成。转子的上浮高度，可以表示流体的流量。•转子所受上推力=转子重力-流体对转子的浮力第七节流体输送设备输送液体的机械称为泵，输送气体的机械称为风机（通风机、鼓风机等）、压缩机和真空泵等7-1离心泵的构造及工作原理离心泵主要由叶轮和泵壳所组成•先将液体注满泵壳，叶轮反时针高速旋转，将液体甩向叶轮外缘，产生高的动压头u2/2g•由于泵壳液体通道设计成截面逐渐扩大的形状，高速流体逐渐减速，由动压头转变为静压头•即流体出泵壳时，表现为具有高压的液体。gP•名为离心泵，是因为叶轮旋转过程中，产生离心力，液体在离心力作用下产生高速度。•离心泵产生的离心力的大小，除与叶轮的转速、和叶轮的直径有关外，也与流体的密度有关。密度越大、离心力也就越大。如果有气体，密度越小、离心力也就越小。产生气缚而不能输送流体，所以应尽量避免。方法有：吸入管不漏入空气；在吸入管底口安装低底阀；不用于输送因抽吸而沸腾的气化的低沸点的液体或高温液体。离心泵的性能参数与特性曲线•泵的流量、扬程、功率、效率，统称为离心泵的性能参数。•将实验所得数据绘成曲线、曲线、曲线，统称为离心泵的特性曲线。、、、PHqeV/veqH~/VqP~Vq~扬程•扬程又称为泵的压头，指泵对每牛顿重量液体的供的能量。用He’表示，单位为m•流量：泵的流量指泵在单位时间内输送液体的体积，又称送液能力。用qv表示，单位为：m3s-1或m3h-1，由实验测定。泵的功率有轴功率和有效功率两种表示方法。•轴功率是：电动机或其他原动机直接传递给泵轴的效率。用P表示，单位：J·s-1或W。•有效功率：是指流体实际获得的功率。用Pe表示。离心泵的安装高度离心泵的类型离心泵的选择原则：1.确定输送系统的流量与压头。2.选择泵的类型与型号3.核算泵的轴功率（1）水泵用来输送水或与水类似的（化学性质类似于水的）液体的泵。分为三类。•B（单级）：泵体与泵盖都是铸铁•D（多级）：一般2-9级，最多可有12级。•SH（双吸式）：若输送的液体流量大而压头并不高时，可才用双吸泵。由于其有二个输口，流量大。（2）耐腐蚀泵（用F表示）输送酸、碱等。特点是：与液体接触的部位用耐腐蚀材料制成。（3）油泵（用Y表示）输送石油产品的泵。特点是：易燃、易爆，要求密封完整。当输送热油时，如200℃，轴封及轴承应该进行冷却。（4）泥浆泵（用P表示）对泵的要求是：耐磨、不易被杂质堵塞、容易拆洗。7-2往复压缩机和往复泵往复压缩机是：往复式气体输送设备。主要部件有：气缸、活塞、吸气阀和排气阀。依靠活塞的往复运行将气体吸入和压出。•往复泵：是一种容积式泵，输送液体的。可以输送高粘性的液体，不能输送有腐蚀性的液体及含有固体颗粒的悬浮液。•真空泵：主要将低于大气压强的气体从容器或设备内部抽至大气中。液环真空泵