化工基礎流體輸送和機械要求

1、化工基礎流體輸送和機械要求科學和化工、化學科學的十二大類： 哲學、經(jīng)濟學、歷史學、農(nóng)學、醫(yī)學、管理學、理學、工學、軍事學、法學、文學、教育學。化學工程與技術(shù)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、應用化學、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（理論）化學和高分 子化學與物理 化學工程與技術(shù)研究以化學工業(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基本規(guī)律和應用技術(shù)的工程技術(shù)學科。本學科以過程工業(yè)為背景和研究對象，學科內(nèi)容體現(xiàn)基礎和應用并重，包括基礎理論、基本方法和基本實驗技術(shù)，產(chǎn)品研制、工藝開發(fā)、過程設計、系

2、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(zhì)結(jié)構(gòu)和形態(tài)實現(xiàn)方法所依靠設備產(chǎn)品計量變化各種反應及分離過程釜、罐、塔器、泵質(zhì)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(shù)的五個二級學科化學工程：研究各類化學過程和物理過程的一般原理、共性規(guī)律、工程基礎和應用技術(shù)；化學工藝：研究化學品的精化原理、生產(chǎn)原理、產(chǎn)品開發(fā)、工藝實施、過程設計和優(yōu)化；生物化工：研究有生物體或生物活性物質(zhì)參與的過程的基本原理和工程技術(shù)問題；應用化學：研究精細化學品、專用化學品、功能材料及器件等的制備原理和工藝技術(shù)；工業(yè)催化：研究催化劑和催化反應過程的理論

3、基礎及其設計、開發(fā)和工業(yè)應用?；瘜W工業(yè)的發(fā)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(chǎn)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(chǎn)化學工業(yè)的特點化學工業(yè)與人類的生存與發(fā)展息息相關原料、工藝和產(chǎn)品的多樣性技術(shù)密集型能源密集型資金密集型化學工業(yè)的發(fā)展趨勢產(chǎn)品精細化化學工業(yè)和生物技術(shù)結(jié)合煤化工的興起新材料的研究與開發(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(nóng)藥合成纖維單體涂料、顏料染料及其中間體感光和

4、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生產(chǎn)過程將原料（Raw Materials） 通過物理或化學方法 轉(zhuǎn)變成 產(chǎn)品(Products)化學反應：使物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成或性質(zhì)發(fā)生變化單元操作（Unit Operation)：只有物理性質(zhì)的變化，不涉及化學反應常見的單元操作：流體輸送；物料的加熱和冷卻；蒸發(fā)；蒸餾；吸收；萃??；干燥、結(jié)晶等單元操作的理論基礎： “三傳”：動量(Momentum)、熱量(Heat)和質(zhì)量(Mass)傳遞(Transfer) 相平衡：Phase Equilibrium物料衡算、能量衡算和過程速率

5、物料衡算(Mass Balance)： 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(Energy Balance)： 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 = 過程推動力/過程阻力本課程的教學內(nèi)容單元操作 54學時化學反應工程基礎 18學時化工熱力學基礎 18學時第一章 流體流動(Fluid Flow)流體輸送： 化工過程中最普遍的單元操作之一本章的研究內(nèi)容（對象）： 壓力、功率、流量等流體流動：內(nèi)部存在相對運動；質(zhì)點運動的總和 質(zhì)點：大量分子的聚集體剛體運動：內(nèi)部不存在相對運動第一節(jié) 流體靜止的基

6、本方程 （流體靜力學）流體的密度（density)、比重(specific gravity)和比容(specific volume) 密度：單位體積流體的質(zhì)量， 比重：某物質(zhì)的密度對水的密度之比 比容：單位質(zhì)量物質(zhì)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基本方程式描述靜止流體內(nèi)部壓強隨位置高低變化的規(guī)律（數(shù)學表達式）在靜止的連續(xù)的同一流體內(nèi)等高處壓強相等流體靜力學基本方程式的應用液柱壓差計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) 流體流動的基本方程流量與流速穩(wěn)定流動與非穩(wěn)定流動總質(zhì)量衡算連續(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應用流量

7、與流速（Flux & Velocity）體積流量（Volume Flux）： Vs= V/ （單位時間流過管路任一截面的流體體積）質(zhì)量流量(Mass Flux)：ms=m/ (單位時間流過管路任一截面的流體質(zhì)量） 流速(Velocity)：u = Vs/A (體積流量除以管截面所得的平均速度） 質(zhì)量流速(Mass Velocity) ：G=ms/A (質(zhì)量流量與管截面的比值） 穩(wěn)定流動（Steady Flow） p、z等物理量不隨時間變化不穩(wěn)定流動（Unsteady Flow） p、z等物理量隨時間變化總質(zhì)量衡算(Mass Balance)連續(xù)性方程(Equation of Continuit

8、y)ms1=ms2u1A11=u2A22或uA常數(shù)若為常數(shù)，則u1A1 u2A2=常數(shù)總能量衡算(Energy Balance)H1 + gz1 + u12/2 + qe + we = H2 + gz2 + u22/2H+ g z+ (u2)/2= qe + we機械能衡算（Mechanical Energy Balance）柏努利方程(Bernoulli Equation)三個假定： 1.流體不可壓縮 v1=v2=v=1/； 2.無熱交換 qe=0； 3.流體溫度不變 U1=U2gz1+u12/2+p1/ + we = gz2+u22/2+p2/ + wf z1+u12/2g+p1/ g +

9、 he = z2+u22/2g+p2/ g + hfh= he hf (h=z+u2/2g+p/ g) z+ (u2)/2 + p/ g = 0 或 h= 0 (we = 0 ; wf=0) 理想流體 Bernoulli Eq.的應用流體流動中，各種形式的機械能可以相互轉(zhuǎn)化，流體接受外功(he) 可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，而部分機械能因克服阻力而被消耗（hf）；機械能可以用壓頭m表示；h=h2-h1=he-hf靜止流體，u1=u2=0 he=0 hf=0 則 z1+p1/ g = z2+p2/ g (流體靜力學方程)第三節(jié) 流體流動現(xiàn)象粘度流動型態(tài)管內(nèi)流動的速度分布邊界層簡介第四節(jié) 管內(nèi)流動的阻力損失

10、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局部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(水平）；u1=u2（等徑）；we=0（無外功）pf=p1-p2=wf=ghf (p1p2) pf： 壓力損失； hf：壓頭損失； wf：單位質(zhì)量流體的機械能損失因次分析法因次一致性原則： 凡是根據(jù)基本物理規(guī)律導出的物理量方程，其中各項的因次必然相同。定理（Buckingham定理）： 某一物理現(xiàn)象中存在n個物理量，這些物理量涉及有m個基本單位，那么，這一物理現(xiàn)象可由n-m個無因次數(shù)群1, 2, ., n-m所組成的函數(shù)關系式表

11、示，即 F(1, 2, ., n-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、e（粗糙度）共有7個物理量：pf 、 d、l、u、e基本單位有3個：kg、m、s根據(jù)定理，存在7-3=4個無因次數(shù)群: Eu= pf /( u2) 表征壓力與慣性力之比 l/d 反映管子的幾何特性 Re= d u / 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)層流：湍流：非圓形管的摩擦損失當量直徑： 局部阻力損失局部阻力損失計算式：局部阻力系數(shù)：總阻力（直管損失+局部損失）第五節(jié) 管路計算依據(jù)： 連續(xù)性方程： ms1=m

12、s2 i.e. u1A11=u2A22 Bernoulli Eq.: gz1+u12/2+p1/ + we = gz2+u22/2+p2/ + wf i.e. z1+u12/2g+p1/ g+ he = z2+u22/2g+p2/ g+ hf 阻力計算式： 直管：wf=(l/d)(u2/2) i.e. hf=(l/d)(u2/2g) 局部：wf=(u2/2) i.e. hf=(u2/2g) 總： wf= (l/d)+)(u2/2) = (l+le)/d(u2/2) i.e. hf=(l/d)(u2/2g) = (l+le)/d(u2/2g) 簡單管路沒有分支或匯合特點： 質(zhì)量流量保持不變； 總

13、阻力損失為各段損失之和。復雜管路存在分支或匯合 分支管路 匯合管路 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，分支前及匯合后的總壓頭皆相等。可壓縮流體的管路計算（簡單了解）簡化計算法第六節(jié) 流量測定（Flux Measurement)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(zhuǎn)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(chǎn)生的p隨V而變，通過測定p間接測定流量V 。轉(zhuǎn)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（Pitot Tube)測定管道截面上某一點的速度孔板(Ori

14、fice Plate)測定平均速度和流量文丘里(Venturi Tube)孔板的改進型轉(zhuǎn)子流量計(Rotameter)收縮口面積可變的孔板第二章 流體輸送機械流體輸送機械： 向流體作功，提高機械能 能量轉(zhuǎn)換裝置 主要是流體靜壓頭的增加，還有動壓頭的增加等流體輸送機械（分類）： 泵：輸送液體 風機、壓縮機：輸送氣體本章的研究內(nèi)容： 各種流體輸送機械（主要是離心泵）的操作原理、基本構(gòu)造與性能、選型等第一節(jié) 離心泵操作原理、構(gòu)造和類型理論壓頭與實際壓頭有效功率、軸功率和效率特性曲線工作點和流量調(diào)節(jié)安裝高度選用、安裝與調(diào)節(jié)操作原理、構(gòu)造和類型基本工作原理：利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪產(chǎn)生離心力，不斷吸入和排出液

15、體氣縛：泵殼內(nèi)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(nèi)充滿液體離心泵的主要構(gòu)件：葉輪和泵殼葉輪：產(chǎn)生離心力，將機械能傳遞給液體，增加液體的靜壓頭泵殼：匯集液體，將一部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能操作原理、構(gòu)造和類型（續(xù)）離心泵的類型按葉輪數(shù)目劃分： 單級泵：葉輪只有一個 多級泵：葉輪有n個按輸送液體的不同劃分： 水泵 油泵 耐腐蝕泵 雜質(zhì)泵離心泵的理論壓頭與實際壓頭理想狀況： 葉輪內(nèi)葉片數(shù)目無窮多，液體沿葉片彎曲表面流動，且無倒流 液體粘度為零，即沒有阻力損失離心泵基本方程：離心泵的理論壓頭與流量、轉(zhuǎn)速間的關系式：離心泵的理論壓頭與實際壓頭(續(xù)）壓頭損失(Hl)： 渦流損失 阻力損失 沖擊損失實際壓頭(H)=理論壓頭(H) 壓頭損失(Hl)離心泵的有效功率、軸功率和效率有效功率：軸功率：離心泵的特性曲線固定轉(zhuǎn)速、清水條件下，H、N、與Q的關系共同特點： 壓頭隨流量的增大而下降 功率隨流量增大而上升（離心泵啟動時應關閉出口閥） 效率隨流量的