化工單元操作演示文稿

化工單元操作演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)緒論當(dāng)前第2頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)0.1化工生產(chǎn)與單元操作1.化工生產(chǎn)過(guò)程原料預(yù)處理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物后處理物理過(guò)程單元操作化學(xué)反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)器物理過(guò)程單元操作當(dāng)前第3頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)0.1化工（制藥）生產(chǎn)與單元操作2.單元操作（UnitOperation）

單元操作按其遵循的基本規(guī)律分類(lèi)：（1）遵循流體動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律的單元操作：包括流體輸送、沉降、過(guò)濾、固體流態(tài)化等；（2）遵循熱量傳遞基本規(guī)律的單元操作：包括加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)等；（3）遵循質(zhì)量傳遞基本規(guī)律的單元操作：包括蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶、干燥、膜分離等；當(dāng)前第4頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)0.1化工（制藥）生產(chǎn)與單元操作單元操作的基本原理；單元操作典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)；單元操作設(shè)備選型設(shè)計(jì)計(jì)算。研究?jī)?nèi)容高效率、低能耗、環(huán)保；開(kāi)發(fā)新的單元操作單元操作集成工藝與技術(shù)。研究方向3單元操作的研究?jī)?nèi)容與方向：當(dāng)前第5頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)0.2單位制與單位換算一、基本單位與導(dǎo)出單位基本單位：選擇幾個(gè)獨(dú)立的物理量，根據(jù)方便原則規(guī)定單位；導(dǎo)出單位：由有關(guān)基本單位組合而成。單位制度的不同，在于所規(guī)定的基本單位及單位大小不同。當(dāng)前第6頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)0.2單位制與單位換算基本單位：7個(gè)，化工中常用有5個(gè)，即長(zhǎng)度（米），質(zhì)量（千克），時(shí)間（秒），溫度（K），物質(zhì)的量（摩爾）國(guó)際單位制SI制基本單位：長(zhǎng)度（厘米cm），質(zhì)量（克g），時(shí)間（秒s）物理單位制CGS制基本單位：長(zhǎng)度（米），重量或力（千克力kgf），時(shí)間（秒）工程單位制我國(guó)法定單位制為國(guó)際單位制（即SI制）二、常用單位制當(dāng)前第7頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)三、單位換算物理量的單位換算換算因數(shù)：同一物理量，若單位不同其數(shù)值就不同，二者包括單位在內(nèi)的比值稱(chēng)為換算因數(shù)（見(jiàn)附錄二中）經(jīng)驗(yàn)公式的單位換算經(jīng)驗(yàn)公式是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理而成的，式中各符號(hào)只代表物理量的數(shù)字部分，其單位必須采用指定單位。0.2單位制與單位換算

當(dāng)前第8頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)0.3物料衡算與能量衡算

一、物料衡算

1、畫(huà)出流程示意圖，標(biāo)出物料流向與流量、組成等；物料衡算的步驟2、用虛線(xiàn)劃出衡算范圍；3、定出衡算基準(zhǔn)；4、列出衡算式并求解。當(dāng)前第9頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)二、能量衡算

機(jī)械能、熱量、電能、磁能、化學(xué)能、原子能等統(tǒng)稱(chēng)能量，化工生產(chǎn)中常以熱量為主，下面以熱量衡算為例說(shuō)明能量衡算過(guò)程。注意：作熱量衡算時(shí)，由于焓是相對(duì)值，與溫度基準(zhǔn)有關(guān)，故應(yīng)說(shuō)明基準(zhǔn)溫度。習(xí)慣上選0℃為基溫，并規(guī)定0℃時(shí)液態(tài)的焓為零。0.3物料衡算與能量衡算

當(dāng)前第10頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)0.4化工原理課程的兩條主線(xiàn)

1、傳遞過(guò)程（從物理本質(zhì)上說(shuō)又下列三種）(1)動(dòng)量傳遞過(guò)程（單相或多相流動(dòng)）；(2)熱量傳遞過(guò)程——傳熱(3)質(zhì)量傳遞過(guò)程——傳質(zhì)上表所列各單元操作皆歸屬傳遞過(guò)程，于是，傳遞過(guò)程成為統(tǒng)一的研究對(duì)象，也是聯(lián)系各單元操作的一條主線(xiàn)。三傳一反構(gòu)成各種工藝制造過(guò)程，三傳又有彼此類(lèi)似的規(guī)律可以合在一起研究，形成傳遞過(guò)程這門(mén)學(xué)科，是單元操作在理論方面的深入發(fā)展當(dāng)前第11頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)0.4化工原理課程的兩條主線(xiàn)2、研究方法論必要性化工原理是一門(mén)工程學(xué)科，對(duì)一些過(guò)程作出如實(shí)的、逼真的數(shù)學(xué)描述幾乎是不可能的。采用直接的數(shù)學(xué)描述和方程求解的方法將是十分困難的。因此，探求合理的研究方法是發(fā)展這門(mén)工程學(xué)科的重要方面。(1)試驗(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)方法）優(yōu)點(diǎn)、不足(2)數(shù)學(xué)模型方法（半理論半經(jīng)驗(yàn)方法）必要性、廣泛被應(yīng)用當(dāng)前第12頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)0.5

化工原理課程所回答的問(wèn)題（1）如何根據(jù)各單元操作在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的特點(diǎn)，進(jìn)行“過(guò)程和設(shè)備”的選擇，以適應(yīng)指定物系的特征，經(jīng)濟(jì)而有效地滿(mǎn)足工藝要求（2）如何進(jìn)行過(guò)程的計(jì)算和設(shè)備的設(shè)計(jì)。在缺乏數(shù)據(jù)的情況下，如何組織實(shí)驗(yàn)以取得必要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。（3）如何進(jìn)行操作和調(diào)節(jié)以適應(yīng)生產(chǎn)的不同要求。在操作發(fā)生故障時(shí)如何尋找故障的緣由。當(dāng)然，當(dāng)生產(chǎn)提出新的要求而需要工程技術(shù)人員發(fā)展新的單元操作時(shí)，已有的單元操作發(fā)展的歷史將對(duì)如何根據(jù)一個(gè)物理或物理化學(xué)的原理發(fā)展一個(gè)有效的過(guò)程，如何調(diào)動(dòng)有利的并克服不利的工程因素發(fā)展一種新設(shè)備，提供有用的借鑒。

當(dāng)前第13頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵當(dāng)前第14頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)換熱器當(dāng)前第15頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)旋風(fēng)分離器當(dāng)前第16頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)填料塔當(dāng)前第17頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)板式塔當(dāng)前第18頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)第一章流體流動(dòng)流體流動(dòng)規(guī)律是化工原理課程的重要基礎(chǔ)，主要原因有以下三個(gè)方面：（1）流動(dòng)阻力及流量計(jì)算（2）流動(dòng)對(duì)傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的影響（3）流體的混合效果當(dāng)前第19頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)重要概念一.密度定義:單位體積流體的質(zhì)量稱(chēng)為密度.公式:

式中ρ--------流體的密度，kg/m3；

m--------流體的質(zhì)量，kg；

V--------流體的體積，m3。在研究流體流動(dòng)時(shí)，若壓力與溫度變化不大時(shí)，則可認(rèn)為液體的密度為常數(shù)。密度為常數(shù)的流體稱(chēng)為不可壓縮流體。

嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，真實(shí)流體都是可壓縮流體,不可壓縮流體只是在研究流體流動(dòng)時(shí)，對(duì)于密度變化較小的真實(shí)流體的一種簡(jiǎn)化。本章中如不加說(shuō)明均指不可壓縮流體。當(dāng)前第20頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.1.1重要概念二.氣體密度一般來(lái)說(shuō)氣體是可壓縮的，稱(chēng)為可壓縮流體。但是，在壓力和溫度變化率很小的情況下，也可將氣體當(dāng)作不可壓縮流體來(lái)處理。當(dāng)氣體的壓力不太高，溫度又不太低時(shí)，可近似按理想氣體狀態(tài)方程來(lái)計(jì)算密度。由

計(jì)算

p--------氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，kPa或kN/m2；

M--------氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；

T--------氣體的絕對(duì)溫度，K；

R--------氣體常數(shù)，8.314kJ/(kmolK)。當(dāng)前第21頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.1.2流體的靜壓強(qiáng)

一.靜壓強(qiáng)流體垂直作用于單位面積上的力，稱(chēng)為壓強(qiáng)，或稱(chēng)為靜壓強(qiáng)。其表達(dá)式為

式中p--------流體的靜壓強(qiáng)，Pa；

FV-------垂直作用于流體表面上的力，N；

A--------作用面的面積，m2。當(dāng)前第22頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.1.2流體的靜壓強(qiáng)二.靜壓強(qiáng)的單位1．

按壓強(qiáng)的定義，壓強(qiáng)是單位面積上的壓力，其單位應(yīng)為Pa，也稱(chēng)為帕斯卡。其105倍稱(chēng)為巴（bar），

即1bar=105Pa。常用單位有：Pa、KPa、Mpa。2．

直接以液柱高表示：mH2O、cmCCl4、mmHg等。3.以大氣壓強(qiáng)表示：atm（物理大氣壓）、at（工程大氣壓）

1atm=1.013105Pa=10.33mH2O=760mmHg

1at=9.81104Pa=10mH2O=735mmHg當(dāng)前第23頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.1.2流體的靜壓強(qiáng)三.靜壓強(qiáng)的表示方法絕對(duì)壓強(qiáng)（ata）：以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)量得的壓強(qiáng)；表壓強(qiáng)（atg）：以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)量得的壓強(qiáng)。

真空度表壓強(qiáng)以大氣壓為起點(diǎn)計(jì)算，所以有正負(fù)，負(fù)表壓強(qiáng)就稱(chēng)為真空度，其相互關(guān)系如下圖所示。注意符號(hào):atm--------物理大氣壓；

at--------工程大氣壓；

ata--------絕對(duì)壓強(qiáng)；

atg--------表壓強(qiáng)。當(dāng)前第24頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.1.3流體靜力學(xué)基本方程

流體靜力學(xué)基本方程是描述靜止流體內(nèi)部，流體在壓力和重力作用下的平衡規(guī)律。當(dāng)流體質(zhì)量一定時(shí)，其重力可認(rèn)為不變，而壓力會(huì)隨高度變化而變化。所以實(shí)質(zhì)上是描述靜止流體內(nèi)部壓強(qiáng)的變化規(guī)律。

p2=p1+ρg(Z1-Z2)

(2)p=p0+ρgh (3)

當(dāng)前第25頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.1.3流體靜力學(xué)基本方程重點(diǎn)討論：1.方程應(yīng)用條件：靜止，連續(xù)，同一流體。靜止------受力平衡連續(xù)------能夠積分同一流體------密度一定2.

當(dāng)p0一定時(shí)，靜止流體中任一點(diǎn)的壓力與流體密度ρ和所處高度h有關(guān)。所以同一高度處?kù)o壓力相等。3.當(dāng)表面壓強(qiáng)p0變化時(shí)，內(nèi)部壓強(qiáng)p也發(fā)生同樣大小的變化。4.

由p=p0+ρgh可得：h=P表/ρg這就是用流體高度表示壓強(qiáng)單位的計(jì)量依據(jù)。從公式可知，密度ρ會(huì)有影響，因此必須注明流體的名稱(chēng)。靜力學(xué)基本方程主要應(yīng)用于壓強(qiáng)，壓強(qiáng)差，液面等方面的測(cè)量。U型測(cè)壓管、U型壓差計(jì)、微差壓差計(jì)、玻璃管液面計(jì)和液封高度的確定均可以此計(jì)算。當(dāng)前第26頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.2流體在管內(nèi)的流動(dòng)

化工生產(chǎn)中的流體極大多數(shù)在密閉的管道或設(shè)備中流動(dòng)，本節(jié)主要討論流體在管內(nèi)流動(dòng)的規(guī)律，即討論流體在流動(dòng)過(guò)程中，流體所具有的位能、靜壓能和動(dòng)能是如何變化的規(guī)律。從而為解決流體流動(dòng)這一單元操作中出現(xiàn)的工程問(wèn)題打下基礎(chǔ)。流體流動(dòng)應(yīng)服從一般的守恒原理：質(zhì)量守恒和能量守恒。從這些守恒原理可得到反映流體流動(dòng)規(guī)律的基本方程式連續(xù)性方程式（質(zhì)量守恒）柏努利方程式（能量守恒）這是兩個(gè)非常重要的方程式，請(qǐng)大家注意。當(dāng)前第27頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.2.1流量

單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道任一截面的流體量稱(chēng)為流量。若流體量用體積來(lái)計(jì)算，稱(chēng)為體積流量，以Vs表示，其單位為m3/s；若流體量用質(zhì)量來(lái)計(jì)算，則稱(chēng)為質(zhì)量流量，以ws表示，其單位為kg/s。體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系為：ws=Vsρ式中ρ--------流體的密度，kg/m3。注意，流量是一種瞬時(shí)的特性，不是一段時(shí)間的累計(jì)量。當(dāng)前第28頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.2.2流速單位時(shí)間內(nèi)流體在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離稱(chēng)為流速。以u(píng)表示，其單位為m/s。

流體流過(guò)管路時(shí)，在管路任一截面上各點(diǎn)的流速沿管徑而變化，即在管截面中心處流速最大，越靠近管壁流速就越小，在管壁處的流速為零。流體在管截面上各點(diǎn)的流速分布規(guī)律較為復(fù)雜，在工程中為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，流速通常采用整個(gè)管截面上的平均流速，即用流量相等的原則來(lái)計(jì)算平均流速。其表達(dá)式為：

式中A--------與流動(dòng)方向相垂直的管路截面積，m2

。流量與流速的關(guān)系為：ws=Vsρ=uAρ

當(dāng)前第29頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.2.2流速由于氣體的體積流量隨溫度和壓強(qiáng)而變化，因而氣體的流速亦隨之而變。因此采用質(zhì)量流速就較為方便。質(zhì)量流速即單位時(shí)間內(nèi)流體流過(guò)管路截面積的質(zhì)量，以G表示，其表達(dá)式為：

式中G--------質(zhì)量流速，亦稱(chēng)質(zhì)量通量；kg/m2s。當(dāng)前第30頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.2.3管路直徑的估算及選擇一般管路的截面均為圓形，若以d表示管路內(nèi)徑，則

于是。所以流體輸送管路的直徑可根據(jù)流量及流速進(jìn)行計(jì)算，所以選擇的u越小，則d越大，那么對(duì)于相同的流量，所用的材料就越多，所以材料費(fèi)、檢修費(fèi)等基建費(fèi)也會(huì)相應(yīng)增加。相反，選擇的u越大，則d就越小，材料費(fèi)等費(fèi)用會(huì)減少，但由于流體在管路中流動(dòng)的阻力與u成正比，所以阻力損失會(huì)增大，即操作費(fèi)用就會(huì)增加。所以應(yīng)綜合考慮，使兩項(xiàng)費(fèi)用之和最小。通常流體流動(dòng)允許壓強(qiáng)降：水24.5kpa/100m管空氣5.1kpa/100m管可以此來(lái)衡量所選擇的管徑是否合適。對(duì)于長(zhǎng)距離與大流量輸送流體，d應(yīng)按前述的經(jīng)濟(jì)核算原則進(jìn)行選擇；而對(duì)于車(chē)間內(nèi)部，通常管道較短，也不太粗，這時(shí)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇d。一般液體流速為0.5—3m/s，氣體為10—30m/s，蒸汽為20—50m/s。當(dāng)前第31頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)某些流體在管路中常用流速范圍當(dāng)前第32頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.2.4連續(xù)性方程

設(shè)流體在管道中作連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)，從截面2--2流出，若在管道兩截面之間流體無(wú)漏損，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，從截面1--1進(jìn)入的流體質(zhì)量流量ws1應(yīng)等于從2--2截面流出的流體質(zhì)量流量ws2，即ws1=ws2

因?yàn)閣s=uAρ，所以u(píng)1A1ρ1=u2A2ρ2

此關(guān)系可推廣到管道的任一截面，即

ws=u1A1ρ1=u2A2ρ2=uAρ=常數(shù)上式稱(chēng)為連續(xù)性方程。若流體不可壓縮，ρ=常數(shù)，則上式可簡(jiǎn)化為

Vs=u1A1=u2A2=uA=常數(shù)

當(dāng)前第33頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.2.4連續(xù)性方程由此可知，在連續(xù)穩(wěn)定的不可壓縮流體的流動(dòng)中，流體流速與管道的截面積成反比，截面積越大流速越小，反之亦然。管道截面大多為圓形，故連續(xù)性方程又可改寫(xiě)為:

由上式可知，管內(nèi)不同截面流速之比與其相應(yīng)管徑的平方成反比。當(dāng)前第34頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.2.5柏努利方程

在上圖所示的穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)中，流體從1--1截面流入，從2--2截面流出。流體本身所具有的能量有以下幾種形式：1.

位能相當(dāng)于質(zhì)量為m的流體自基準(zhǔn)水平面升舉到某高度Z所作的功，即位能=mgZ位能的單位[mgZ]=kgm=Nm=J

2．動(dòng)能質(zhì)量為m、流速為u的流體所具有的動(dòng)能為動(dòng)能=動(dòng)能的單位

當(dāng)前第35頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.2.5柏努利方程3．靜壓能設(shè)質(zhì)量為m、體積為V1的流體通過(guò)如圖所示的1-1截面時(shí)，把該流體推進(jìn)此截面所流經(jīng)的距離為V1/A1，則流體帶進(jìn)系統(tǒng)的靜壓能為：輸入靜壓能=p1A1V1/A1=p1V1

靜壓能的單位

4．內(nèi)能單位質(zhì)量流體的內(nèi)能以U表示，質(zhì)量為m的流體所具有的內(nèi)能為：內(nèi)能=mU

內(nèi)能的單位除此之外，能量也可以其它途徑進(jìn)入流體，它們是：（1）熱單位質(zhì)量流體通過(guò)時(shí)吸熱或放熱，以Qe表示，質(zhì)量為m的流體吸收或放出的熱量為：熱量=mQe

熱量的單位（2）功單位質(zhì)量流體獲得的能量以We表示，質(zhì)量為m的流體接受的功為：功=mWe

功的單位流體接受外功為正，向外界作功則為負(fù)。當(dāng)前第36頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.2.5柏努利方程流體通過(guò)截面1--1輸入的總能量用下標(biāo)1標(biāo)明，經(jīng)過(guò)截面2--2輸出的總能量用下標(biāo)2標(biāo)明，則對(duì)此流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算為：設(shè)單位質(zhì)量流體在流動(dòng)時(shí)因克服流動(dòng)阻力而損失的能量為∑hf，其單位為J/kg。于是上式成為當(dāng)前第37頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.2.5柏努利方程若流體流動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生流動(dòng)阻力，則流體的能量損失∑hf=0，這種流體稱(chēng)為理想流體。實(shí)際上這種流體并不存在。但這種設(shè)想可以使流體流動(dòng)問(wèn)題的處理變得簡(jiǎn)單，對(duì)于理想流體流動(dòng)，又沒(méi)有外功加入，即∑hf=0，We=0時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為：此式即為柏努利方程。當(dāng)前第38頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.3流體在管內(nèi)的流動(dòng)阻力流體流動(dòng)中的作用力（1）體積力（質(zhì)量力）與流體的質(zhì)量成正比，對(duì)于均質(zhì)的流體也與流體的體積成正比。如流體在重力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的重力就是一種體積力，F(xiàn)＝mg。（2）表面力與流體的表面積成正比。若取流體中任一微小的平面，作用于其上的表面力可分為：

①垂直與表面的力P，稱(chēng)為壓力。單位面積上所受的壓力稱(chēng)為壓強(qiáng)p。②平行于表面的力F，稱(chēng)為剪力（切力）。單位面積上所受的剪力稱(chēng)為應(yīng)力τ。當(dāng)前第39頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)

牛頓粘性定律式中：μ——流體的粘度，Pa.s（N.s/m2）;

——法向速度梯度，1/s。根據(jù)牛頓粘性定律，對(duì)一定τ，μ↑，↓;μ↓，↑流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱(chēng)為粘性。流體粘性越大，其流動(dòng)性就越小。當(dāng)前第40頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)

牛頓粘性定律流動(dòng)的流體內(nèi)部相鄰的速度不同的兩流體層間存在相互作用力，即速度快的流體層有著拖動(dòng)與之相鄰的速度慢的流體層向前運(yùn)動(dòng)的力，而同時(shí)速度慢的流體層有著阻礙與之相鄰的速度快的流體層向前運(yùn)動(dòng)的力流體內(nèi)部速度不同的相鄰兩流體層之間的這種相互作用力就稱(chēng)為流體的內(nèi)摩擦力或粘性力F，單位面積上的F即為τSI制：Pa.sCGS制：cP（厘泊）1Pa.S=10P=1000cP運(yùn)動(dòng)粘度SI制的單位為m2/s粘度μ又稱(chēng)為動(dòng)力粘度。當(dāng)前第41頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)μ的變化規(guī)律液體：μ＝f（t），與壓強(qiáng)p無(wú)關(guān)，溫度t↑，μ↓氣體：p<40atm時(shí)μ＝f（t）與p無(wú)關(guān)，溫度t↑，μ↑μ＝0，流體無(wú)粘性（理想流體，圖1-5，實(shí)際不存在）當(dāng)前第42頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)μ的變化規(guī)律服從牛頓粘性定律的流體稱(chēng)為牛頓型流體（大多數(shù)如水、空氣），本章主要研究牛頓型流體的流動(dòng)規(guī)律，當(dāng)前第43頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)

流動(dòng)類(lèi)型與雷諾數(shù)

雷諾實(shí)驗(yàn)流體流動(dòng)存在著兩種截然不同的流型。在前一種流型中，流體質(zhì)點(diǎn)作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，即流體分層運(yùn)動(dòng)，層次分明，彼此互不混雜，故才能使著色線(xiàn)流保持著線(xiàn)形。這種流型被稱(chēng)為層流或滯流。在后一種流型中流體在總體上沿管道向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還在各個(gè)方向作隨機(jī)的脈動(dòng)，正是這種混亂運(yùn)動(dòng)使著色線(xiàn)抖動(dòng)、彎曲以至斷裂沖散。這種流型稱(chēng)為湍流或紊流。不同的流型對(duì)流體中的質(zhì)量、熱量傳遞將產(chǎn)生不同的影響。為此，工程設(shè)計(jì)上需事先判定流型。對(duì)管內(nèi)流動(dòng)而言，實(shí)驗(yàn)表明流動(dòng)的幾何尺寸（管徑d）、流動(dòng)的平均速度u以及流體性質(zhì)（密度和粘度）對(duì)流型的轉(zhuǎn)變有影響。雷諾發(fā)現(xiàn)，可以將這些影響因素綜合成一個(gè)無(wú)因次數(shù)群duρ/μ作為流型的判據(jù)，此數(shù)群被稱(chēng)為雷諾數(shù)，以符號(hào)Re表示。當(dāng)前第44頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.3.2流動(dòng)類(lèi)型與雷諾數(shù)雷諾指出：（1）當(dāng)Re≤2000時(shí)，必定出現(xiàn)層流，此為層流區(qū)；（2）當(dāng)2000<Re<4000時(shí)，有時(shí)出現(xiàn)層流，有時(shí)出現(xiàn)湍流，依賴(lài)于環(huán)境。此為過(guò)渡區(qū)；（3）當(dāng)Re≥4000時(shí)，一般都出現(xiàn)湍流，此為湍流區(qū)。當(dāng)Re<2000時(shí)，任何擾動(dòng)只能暫時(shí)地使之偏離層流，一旦擾動(dòng)消失，層流狀態(tài)必將恢復(fù)。當(dāng)Re數(shù)超過(guò)2000時(shí)，層流不再是穩(wěn)定的，但是否出現(xiàn)湍流，決定于外界的擾動(dòng)。如果擾動(dòng)很小，不足以使流型轉(zhuǎn)變，則層流仍然能夠存在。當(dāng)Re>4000時(shí)，則微小的擾動(dòng)就可以觸發(fā)流型的轉(zhuǎn)變，因而一般情況下總出現(xiàn)湍流。根據(jù)Re的數(shù)值將流動(dòng)劃為三個(gè)區(qū)：層流區(qū)、過(guò)渡區(qū)及湍流區(qū)，但只有兩種流型。過(guò)渡區(qū)不是一種過(guò)渡的流型，它只表示在此區(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)層流也可能出現(xiàn)湍流，需視外界擾動(dòng)而定。當(dāng)前第45頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)流體在圓管內(nèi)的速度分布

理論分析和實(shí)驗(yàn)都已證明，層流時(shí)的速度沿管徑按拋物線(xiàn)規(guī)律分布，如圖所示，截面上各點(diǎn)速度的平均值u等于管中心處最大速度umax的0.5倍。當(dāng)前第46頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)流體在圓管內(nèi)的速度分布

湍流時(shí)的速度分布目前還不能完全利用理論推導(dǎo)求得。經(jīng)實(shí)驗(yàn)方法得出湍流時(shí)圓管內(nèi)速度分布曲線(xiàn)如圖所示。此時(shí)速度分布曲線(xiàn)不再是嚴(yán)格的拋物線(xiàn)，曲線(xiàn)頂部區(qū)域比較平坦，Re數(shù)值越大，曲線(xiàn)頂部的區(qū)域就越廣闊平坦，但靠管壁處的速度驟然下降，曲線(xiàn)較陡。截面上各點(diǎn)速度的平均值u近似等于0.82umax。即使湍流時(shí)，管壁處的流體速度也等于零，而靠近管壁的流體仍作層流流動(dòng)，這一流體薄層稱(chēng)層流底層。管內(nèi)流速越大，層流底層就越薄，流體粘度越大，層流底層就越厚。湍流主體與層流底層之間存在著過(guò)渡層。當(dāng)前第47頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.3.3流體流動(dòng)的阻力損失

管路系統(tǒng)主要由直管和管件組成，無(wú)論直管或管件都對(duì)流動(dòng)有一定的阻力，消耗一定的機(jī)械能。直管造成的機(jī)械能損失稱(chēng)為直管阻力損失，管件造成的機(jī)械能損失稱(chēng)為局部阻力損失。在運(yùn)用柏努利方程時(shí)，先分別計(jì)算直管阻力與局部阻力損失的數(shù)值，然后進(jìn)行加和。當(dāng)前第48頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)層流時(shí)直管阻力損失計(jì)算

流體在均勻直管中作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，由柏努利方程可知，流體的能量損失為：

對(duì)于均勻直管u1=u2，水平管路Z1=Z2，故只要測(cè)出兩截面上的靜壓能，就可以知道兩截面間的能量損失。而層流時(shí)的能量損失可從理論推導(dǎo)得出：當(dāng)前第49頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)層流時(shí)直管阻力損失計(jì)算哈根—泊謖葉公式則能量損失為：將上式改寫(xiě)為直管能量損失計(jì)算的一般方程式：上式即為層流直管阻力損失計(jì)算的公式。其中λ稱(chēng)為摩擦系數(shù)，層流時(shí)λ=64/Re。令則當(dāng)前第50頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)湍流時(shí)直管阻力計(jì)算

而湍流時(shí)，引起阻力的原因不只是內(nèi)摩擦力，所以不再服從牛頓粘性定律。因而湍流時(shí)直管阻力損失計(jì)算公式不能用理論推導(dǎo)得到，要用實(shí)驗(yàn)方法得到。對(duì)均勻直管：上式即為層流時(shí)直管阻力損失計(jì)算公式，對(duì)于湍流其中ε/d稱(chēng)為相對(duì)粗糙度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可表示為λ與Re和ε/d的關(guān)系如下圖所示。對(duì)光滑管及無(wú)嚴(yán)重腐蝕的工業(yè)管道，該圖誤差范圍約在±10%。當(dāng)前第51頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)摩擦系數(shù)λ與Re及相對(duì)粗糙度的關(guān)系

當(dāng)前第52頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1）摩擦系數(shù)λ與Re的關(guān)系在圖上有四個(gè)不同的區(qū)域：（1）層流區(qū)

Re≤2000,λ與管壁粗糙度無(wú)關(guān),和Re準(zhǔn)數(shù)呈直線(xiàn)下降關(guān)系。其表達(dá)式為λ=64/Re。（2）過(guò)渡區(qū)

2000<Re<4000，在此區(qū)域內(nèi)層流和湍流的λ-Re曲線(xiàn)都可應(yīng)用，但為安全計(jì)，一般將湍流時(shí)的曲線(xiàn)延伸來(lái)查取λ。（3）湍流區(qū)

Re≥4000及虛線(xiàn)以上的區(qū)域。這個(gè)區(qū)的特點(diǎn)是λ與Re及ε/d都有關(guān)。當(dāng)ε/d一定時(shí)，λ隨Re的增大而減小，Re增至某一數(shù)值后λ值下降緩慢，當(dāng)Re一定時(shí)，λ隨ε/d增大而增大。（4）完全湍流區(qū)圖中虛線(xiàn)以上區(qū)域。此區(qū)內(nèi)各λ-Re曲線(xiàn)趨于水平，即λ只與ε/d有關(guān)，而與Re無(wú)關(guān)。在一定的管路中，由于λ、ε/d均為常數(shù)，當(dāng)l/d一定時(shí)，hf與u2成正比，所以此區(qū)又稱(chēng)阻力平方區(qū)。當(dāng)前第53頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)2）管壁粗糙度對(duì)λ的影響管壁粗糙面凸出部分的平均高度，稱(chēng)絕對(duì)粗糙度，以ε表示。絕對(duì)粗糙度與管內(nèi)徑d之比值ε/d稱(chēng)相對(duì)粗糙度。層流時(shí)，流體層平行于管道軸線(xiàn)，流速較慢，對(duì)管壁凸出部分沒(méi)有什么碰撞作用，所以粗糙度對(duì)λ值無(wú)影響。湍流時(shí)，若層流底層的厚度大于壁面的絕對(duì)粗糙度，則管壁粗糙度對(duì)λ值的影響與層流相近。隨著Re值增加，層流底層的厚度變薄，當(dāng)管壁凸出處部分地暴露在層流底層之外的湍流區(qū)域時(shí)，流動(dòng)的流體沖過(guò)凸起處時(shí)會(huì)引起旋渦，使能量損失增大。在Re數(shù)一定時(shí)，管壁粗糙度越大，能量損失也越大。當(dāng)前第54頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)1.3.4局部阻力損失

化工管路中使用的管件種類(lèi)繁多，各種管件都會(huì)產(chǎn)生阻力損失。和直管阻力的沿程均勻分布不同，這種阻力損失集中在管件所在處，因而稱(chēng)為局部阻力損失。其它管件，如各種閥門(mén)都會(huì)由于流道的急劇改變而發(fā)生類(lèi)似的現(xiàn)象，造成局部阻力損失。局部阻力損失的計(jì)算有兩種近似的方法：阻力系數(shù)法及當(dāng)量長(zhǎng)度法。

當(dāng)前第55頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)局部阻力損失的計(jì)算

一、阻力系數(shù)法近似認(rèn)為局部阻力損失服從平方定律，即：式中常用管件的ξ值可從一些資料中查得。二、當(dāng)量長(zhǎng)度法近似認(rèn)為局部阻力損失可以相當(dāng)于某個(gè)長(zhǎng)度的直管的損失，即：式中l(wèi)e為管件及閥件的當(dāng)量長(zhǎng)度，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。

必須注意，對(duì)于擴(kuò)大和縮小，以上兩式中的u是用小管截面的平均速度。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，長(zhǎng)距離輸送以直管阻力損失為主，車(chē)間管路則往往以局部阻力為主。

當(dāng)前第56頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)第二章流體輸送機(jī)械一、制藥生產(chǎn)過(guò)程中為什么要流體輸送機(jī)械？

化工生產(chǎn)中大都是連續(xù)流動(dòng)的各種物料或產(chǎn)品。由于工藝需要常需將流體由低處送至高處；由低壓設(shè)備送至高壓設(shè)備；或者克服管道阻力由一車(chē)間（某地）水平地送至另一車(chē)間（另一地）。為了達(dá)到這些目的，必須對(duì)流體作功以提高流體能量，完成輸送任務(wù)。這就需要流體輸送機(jī)械。當(dāng)前第57頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)二、為什么要用不同結(jié)構(gòu)和特性的輸送機(jī)械？

這是因?yàn)榛S中輸送的流體種類(lèi)繁多：

1、流體種類(lèi)有強(qiáng)腐蝕性的、高粘度的、含有固體懸浮物的、易揮發(fā)的、易燃易爆的以及有毒的等等；

2、溫度和壓強(qiáng)又有高低之分；

3、不同生產(chǎn)過(guò)程所需提供的流量和壓頭又各異。所以需要有各種結(jié)構(gòu)和特性的輸送機(jī)械。三、化工流體輸送機(jī)械分類(lèi)

一般可分為四類(lèi)：即離心式、往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和流體動(dòng)力作用式。這四種類(lèi)型機(jī)械均有國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，且大多數(shù)已成為系列化產(chǎn)品。當(dāng)前第58頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)2-1-1離心泵的工作原理離心泵的種類(lèi)很多，但工作原理相同，構(gòu)造大同小異。其主要工作部件是旋轉(zhuǎn)葉輪和固定的泵殼（如圖所示）。葉輪是離心泵直接對(duì)液體作功的部件，其上通常有6到12片后彎葉片（即葉片彎曲方向與旋轉(zhuǎn)方向相反）。離心泵工作時(shí)，葉輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，迫使葉片間的液體也隨之作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)因離心力的作用，使液體由葉輪中心向外緣作徑向運(yùn)動(dòng)。液體在流經(jīng)葉輪的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中獲得能量，并以高速離開(kāi)葉輪外緣進(jìn)入蝸形泵殼。在泵殼內(nèi)，由于流道的逐漸擴(kuò)大而減速，又將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，達(dá)到較高的壓強(qiáng)，最后沿切向流入壓出管道。

當(dāng)前第59頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)2-1-1離心泵的工作原理在液體受迫由葉輪中心流向外緣的同時(shí)，在葉輪中心處形成真空。泵的吸入管路一端與葉輪中心處相通，另一端則浸沒(méi)在輸送的液體內(nèi)，在液面壓力（常為大氣壓）與泵內(nèi)壓力（負(fù)壓）的壓差作用下，液體經(jīng)吸入管路進(jìn)入泵內(nèi)，只要葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)不停，離心泵便不斷地吸入和排出液體。由此可見(jiàn)離心泵主要是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪所產(chǎn)生的離心力來(lái)輸送液體，故名離心泵。當(dāng)前第60頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)2-1-1離心泵的工作原理離心泵若在啟動(dòng)前未充滿(mǎn)液體，則泵內(nèi)存在空氣，由于空氣密度很小，所產(chǎn)生的離心力也很小。吸入口處所形成的真空不足以將液體吸入泵內(nèi)，雖啟動(dòng)離心泵，但不能輸送液體，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為“氣縛”。所以離心泵啟動(dòng)前必須向殼體內(nèi)灌滿(mǎn)液體，在吸入管底部安裝帶濾網(wǎng)的底閥。底閥為止逆閥，防止啟動(dòng)前灌入的液體從泵內(nèi)漏失。濾網(wǎng)防止固體物質(zhì)進(jìn)入泵內(nèi)。靠近泵出口處的壓出管道上裝有調(diào)節(jié)閥，供調(diào)節(jié)流量時(shí)使用。當(dāng)前第61頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的主要性能參數(shù)1.

離心泵的理論壓頭此式即為離心泵基本方程式。表示離心泵的理論壓頭與流量、葉輪的轉(zhuǎn)速和直徑、葉片的幾何形狀之間的關(guān)系。由式（2-11）可看出，當(dāng)葉片幾何尺寸（b，β）與流量一定時(shí)，離心泵的理論壓頭隨葉輪的轉(zhuǎn)速或直徑的增加而加大。當(dāng)前第62頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的主要性能參數(shù)2.離心泵的功率與效率2.1泵的有效功率與效率泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于存在種種損失，使泵的實(shí)際（有效）壓頭和流量均較理論值為低，而輸入泵的功率較理論值為高，設(shè)H─泵的有效壓頭，即單位量液體在重力場(chǎng)中從泵獲得的能量，m；Q─泵的實(shí)際流量，m3/s；ρ─液體密度，kg/m3；Ne─泵的有效功率，即單位時(shí)間內(nèi)液體從泵處獲得的機(jī)械能，W。有效功率可寫(xiě)成Ne=QHρg由電機(jī)輸入離心泵的功率稱(chēng)為泵的軸功率，以N表示。有效功率與軸功率之比定義為泵的總效率η，即

2.2泵內(nèi)損失

（1）容積損失ηv

（2）水力損失ηh

（3）機(jī)械損失ηM

離心泵的總效率即包括上述三部分：η=ηvηhηM

當(dāng)前第63頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的特性曲線(xiàn)

離心泵的性能參數(shù)H、Q、η及N之間并非孤立的，而是相互聯(lián)系相互制約的。其具體定量關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，并將測(cè)定結(jié)果用曲線(xiàn)形式表示，即為特性曲線(xiàn)。

左圖即為4B20型清水泵在轉(zhuǎn)速n=2900轉(zhuǎn)/分鐘條件下測(cè)得的特性曲線(xiàn)。當(dāng)前第64頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的特性曲線(xiàn)關(guān)于特性曲線(xiàn)，由此圖可見(jiàn)：（1）離心泵的壓頭H隨流量Q的增加而降低；（2）離心泵的軸功率N隨著流量Q的增大而上升，流量為零時(shí)軸功率最小。所以離心泵啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)關(guān)閉泵的出口閥門(mén)，使啟動(dòng)電流減小，保護(hù)電機(jī)；（3）隨著流量Q的增大，泵的效率η也隨之上升，并達(dá)到一最大值。以后流量再增大，效率就下降。這說(shuō)明離心泵在一定轉(zhuǎn)速下有一最高效率點(diǎn)，稱(chēng)為設(shè)計(jì)點(diǎn)。與最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Q、H、P值稱(chēng)為最佳工況參數(shù)。根據(jù)輸送條件的要求，離心泵往往不可能正好在最佳工況點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此一般只能規(guī)定一個(gè)工作范圍，稱(chēng)為泵的高效率區(qū)，通常為最高效率的92%左右。當(dāng)前第65頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的轉(zhuǎn)數(shù)和葉輪直徑對(duì)特性曲線(xiàn)的影響

離心泵的特性曲線(xiàn)是在一定轉(zhuǎn)速下測(cè)定的，當(dāng)轉(zhuǎn)速由n1改變?yōu)閚2時(shí)，與流量、壓頭及功率的近似關(guān)系為：當(dāng)轉(zhuǎn)速變化小于20%時(shí)，可認(rèn)為效率不變，用上式計(jì)算誤差不大。當(dāng)葉輪直徑變化不大，轉(zhuǎn)速不變時(shí)，葉輪直徑與流量、壓頭及功率之間的近似關(guān)系為當(dāng)前第66頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)液體物理性質(zhì)對(duì)離心泵特性的影響

（1）密度的影響由離心泵的基本方程式可知，離心泵的壓頭、流量均與液體的密度無(wú)關(guān)，所以效率也不隨液體的密度而改變，但軸功率會(huì)隨著液體密度而變化。（2）粘度的影響所輸送的液體粘度越大，泵內(nèi)能量損失越多，泵的壓頭、流量都要減小，效率下降，而軸功率則要增大。當(dāng)前第67頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)

一、工作點(diǎn)離心泵的特性曲線(xiàn)是泵本身固有的特性，它與外界使用情況無(wú)關(guān)。但是，一旦泵被安排在一定的管路系統(tǒng)中工作時(shí)，其實(shí)際工作情況就不僅與離心泵本身的特性有關(guān)，而且還取決于管路的工作特性。所以，要選好和用好離心泵，就還要同時(shí)考慮到管路的特性。在特定管路中輸送液體時(shí)，管路所需壓頭He隨著流量Qe的平方而變化。將此關(guān)系繪在坐標(biāo)紙上即為相應(yīng)管路特性曲線(xiàn)。當(dāng)前第68頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)若將離心泵的特性曲線(xiàn)與其所在管路特性曲線(xiàn)繪于同一坐標(biāo)紙上，如上圖所示，此兩線(xiàn)交點(diǎn)M稱(chēng)為泵的工作點(diǎn)。選泵時(shí)，要求工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量和壓頭既能滿(mǎn)足管路系統(tǒng)的要求，又正好是離心泵所提供的，即Q=Qe，H=He。

當(dāng)前第69頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)二、流量調(diào)節(jié)1）改變閥門(mén)的開(kāi)度改變離心泵出口管線(xiàn)上的閥門(mén)開(kāi)關(guān)，其實(shí)質(zhì)是改變管路特性曲線(xiàn)。如圖所示，當(dāng)閥門(mén)關(guān)小時(shí)，管路的局部阻力加大，管路特性曲線(xiàn)變陡，工作點(diǎn)由M移至M1，流量由QM減小到QM1。當(dāng)閥門(mén)開(kāi)大時(shí)，管路阻力減小，管路特性曲線(xiàn)變得平坦一些，工作點(diǎn)移至M2，流量加大到QM2。用閥門(mén)調(diào)節(jié)流量迅速方便，且流量可以連續(xù)變化，適合化工連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)。所以應(yīng)用十分廣泛。缺點(diǎn)是閥門(mén)關(guān)小時(shí)，阻力損失加大，能量消耗增多，不很經(jīng)濟(jì)。當(dāng)前第70頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)2）改變泵的轉(zhuǎn)速改變泵的轉(zhuǎn)速實(shí)質(zhì)上是改變泵的特性曲線(xiàn)。泵原來(lái)轉(zhuǎn)速為n，工作點(diǎn)為M，如下圖所示，若把泵的轉(zhuǎn)速提高到n1，泵的特性曲線(xiàn)H–Q往上移，工作點(diǎn)由M移至M1，流量由QM加大到QM1。若把泵的轉(zhuǎn)速降至n2，工作點(diǎn)移至M2，流量降至QM2。這種調(diào)節(jié)方法需要變速裝置或價(jià)格昂貴的變速原動(dòng)機(jī)，且難以做到連續(xù)調(diào)節(jié)流量，故化工生產(chǎn)中很少采用。當(dāng)前第71頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的安裝高度

一、汽蝕現(xiàn)象

在如圖所示的管路中，在液面0—0與泵進(jìn)口附近截面1—1之間無(wú)外加能量，液體靠壓強(qiáng)差流動(dòng)。因此，提高泵的安裝位置，葉輪進(jìn)口處的壓強(qiáng)可能降至被輸送液體的飽和蒸汽壓，引起液體部分汽化。當(dāng)前第72頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)汽蝕現(xiàn)象實(shí)際上，泵中壓強(qiáng)最低處位于葉輪內(nèi)緣葉片的背面，當(dāng)泵的安裝位置高至一定距離，首先在該處發(fā)生汽化并產(chǎn)生汽泡。含汽泡的液體進(jìn)入葉輪后，因壓強(qiáng)升高，汽泡立即凝聚，汽泡的消失產(chǎn)生局部真空，周?chē)后w以高速涌向汽泡中心，造成沖擊和振動(dòng)。尤其是當(dāng)汽泡的凝聚發(fā)生在葉片表面附近時(shí)，眾多液體質(zhì)點(diǎn)猶如細(xì)小的高頻水錘撞擊著葉片；另外汽泡中還可能帶有氧氣等對(duì)金屬材料發(fā)生化學(xué)腐蝕作用。泵在這種狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，將會(huì)導(dǎo)致葉片的過(guò)早損壞，這種現(xiàn)象稱(chēng)為泵的汽蝕。離心泵在產(chǎn)生汽蝕條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，泵體振動(dòng)并發(fā)出噪音，流量、揚(yáng)程和效率都明顯下降，嚴(yán)重時(shí)甚至吸不上液體。為了避免汽蝕現(xiàn)象，泵的安裝位置不能太高，以保證葉輪中各處的壓強(qiáng)高于液體的飽和蒸汽壓。當(dāng)前第73頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的安裝高度

一般采用兩種指標(biāo)對(duì)泵的安裝高度加以限制，以免發(fā)生汽蝕，現(xiàn)將這兩種指標(biāo)介紹如下：（1）允許吸上真空高度允許吸上真空高度Hs是指泵入口出壓力p1可允許達(dá)到的最高真空度，其表達(dá)式為：式中Hs—離心泵的允許吸上真空高度，m液柱；

pa—大氣壓強(qiáng)，Pa；

ρ—被輸送液體的密度，kg/m3。當(dāng)前第74頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的安裝高度在前圖所示的截面0—0與泵進(jìn)口附近截面1—1間列柏努利方程：式中Hg——離心泵的允許安裝高度，m；∑Hf0-1——液體從截面0—0到1—1的壓頭損失，m。由于貯槽是敞口的，p0為大氣壓pa，上式可寫(xiě)為

所以

此式可用于計(jì)算泵的安裝高度。當(dāng)前第75頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的安裝高度由上式可知，為了提高泵的允許安裝高度，應(yīng)該盡量減小u12/2g和∑Hf0-1。為了減小u12/2g，在同一流量下應(yīng)選用直徑稍大的吸入管路；為了減小∑Hf0-1，應(yīng)盡量減少阻力元件如彎頭、截止閥等，吸入管路也盡可能地短。注意，工廠在泵出廠時(shí)給出的Hs是在介質(zhì)為清水，20℃，大氣壓為10mH2O時(shí)的值。若使用介質(zhì)條件變化，要對(duì)Hs作適當(dāng)修正。當(dāng)前第76頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的安裝高度（2）汽蝕余量汽蝕余量⊿h是指離心泵入口處，液體的靜壓頭p1/ρg與動(dòng)壓頭u12/2g之和大于液體在操作溫度下的飽和蒸汽壓頭pv/ρg的某一最小指定值，即因?yàn)閷⒁陨蟽墒胶喜?，可得出汽蝕余量與允許安裝高度之間的關(guān)系

式中p0——液面上方的壓強(qiáng)，若液位槽為敞口，則p0=pa。應(yīng)當(dāng)注意，泵產(chǎn)品樣本上的⊿h值也是按輸送20℃水而規(guī)定的。當(dāng)輸送其他液體時(shí)，需進(jìn)行校正。當(dāng)前第77頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的類(lèi)型與選用

一、類(lèi)型

離心泵的種類(lèi)很多，化工生產(chǎn)中常用的離心泵有清水泵、耐腐蝕泵、油泵、液下泵、屏蔽泵、雜質(zhì)泵、管道泵和低溫用泵等。在化工生產(chǎn)中除了離心泵之外，還會(huì)用到其它一些種類(lèi)的泵，包括往復(fù)泵、計(jì)量泵、旋轉(zhuǎn)泵以及旋渦泵等等。二、選用離心泵的選用原則上可分為兩步：（1）根據(jù)被輸送液體的性質(zhì)和操作條件，確定泵的類(lèi)型；（2）根據(jù)具體管路布置情況對(duì)泵提出的流量、壓頭要求，確定泵的型號(hào)。當(dāng)前第78頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)離心泵的類(lèi)型與選用在泵樣本中，各種類(lèi)型的離心泵都附有系列特性曲線(xiàn)，以便于泵的選用。每一種型號(hào)的泵都有其最佳的工作范圍，有時(shí)會(huì)有幾種型號(hào)的泵同時(shí)在最佳工作范圍內(nèi)滿(mǎn)足流量Q及壓頭H的要求，這時(shí)可分別確定各泵的工作點(diǎn)，比較各泵在工作點(diǎn)的效率。一般總是選擇其中效率最高的一種，但同時(shí)也應(yīng)考慮泵的價(jià)格。當(dāng)前第79頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)2-2-1往復(fù)泵的構(gòu)造及操作原理

往復(fù)泵裝置如圖所示。往復(fù)泵是利用活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將能量傳遞給液體，以完成液體輸送任務(wù)，往復(fù)泵輸送液體的流量只與活塞的位移有關(guān)，而與管路情況無(wú)關(guān)，但往復(fù)泵的壓頭只與管路情況有關(guān)。這種特性稱(chēng)為正位移特性，具有這種特性的泵稱(chēng)為正位移泵。當(dāng)前第80頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)2-2-1往復(fù)泵的構(gòu)造及操作原理往復(fù)泵的構(gòu)造、操作原理與離心泵一樣，往復(fù)泵也是借助泵體內(nèi)減壓而吸入液體，所以吸入高度也有一定的限制。往復(fù)泵的低壓是靠泵體內(nèi)活塞移動(dòng)使空間擴(kuò)大而形成的。往復(fù)泵在開(kāi)動(dòng)之前，沒(méi)有充滿(mǎn)液體也能吸液，故具有自吸能力。往復(fù)泵的構(gòu)造、操作原理離心泵可以用出口閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)流量，但對(duì)往復(fù)泵此法卻不能采用。因?yàn)橥鶑?fù)泵屬正位移泵，其流量只與泵的幾何尺寸和泵的往復(fù)次數(shù)有關(guān)，而與管路特性無(wú)關(guān)。安裝調(diào)節(jié)閥非但不能改變流量，而且還會(huì)造成危險(xiǎn)。一旦出口閥完全關(guān)閉，泵缸內(nèi)的壓強(qiáng)將會(huì)急劇上升，導(dǎo)致機(jī)件破損或電機(jī)燒毀，根據(jù)往復(fù)泵的特點(diǎn)，其流量調(diào)節(jié)的方法是：當(dāng)前第81頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)2-2-2往復(fù)泵的流量調(diào)節(jié)（1）旁路調(diào)節(jié)如上圖所示，在往復(fù)泵出口處裝上旁路，使一部分液體返回進(jìn)口處。在旁路上裝調(diào)節(jié)閥，通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)旁路流量，可以達(dá)到調(diào)節(jié)主管流量的目的。這種方法簡(jiǎn)單方便，但很不經(jīng)濟(jì)，只適用于變化幅度較小的經(jīng)常性調(diào)節(jié)。（2）改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)活塞往復(fù)次數(shù)改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和活塞的行程，可以改變泵的流量。因電動(dòng)機(jī)是通過(guò)減速裝置與往復(fù)泵相連接的，改變減速裝置的傳動(dòng)比可以方便地改變轉(zhuǎn)速，達(dá)到流量調(diào)節(jié)的目的。因此改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法是最常用的經(jīng)濟(jì)方法。此外，對(duì)輸送易燃、易爆液體的蒸汽推動(dòng)往復(fù)泵，可改變蒸汽進(jìn)入量使活塞往復(fù)次數(shù)改變，從而實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。當(dāng)前第82頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)2-3氣體輸送機(jī)械

氣體輸送機(jī)械的結(jié)構(gòu)和原理與液體輸送機(jī)械大體相同。但是氣體具有可壓縮性和比液體小得多的密度（約為液體密度的千分之一左右），從而使氣體輸送具有某些不同于液體輸送的特點(diǎn)。氣體輸送機(jī)械根據(jù)它所能產(chǎn)生的進(jìn)、出口壓強(qiáng)差或壓強(qiáng)比（稱(chēng)為壓縮比）進(jìn)行如下分類(lèi)：1）通風(fēng)機(jī)：出口壓強(qiáng)不大于1.47104Pa（表壓），壓縮比為1~1.15；2）鼓風(fēng)機(jī)：出口壓強(qiáng)為（1.47~29.4）104Pa（表壓），壓縮比小于4；（3）壓縮機(jī)：出口壓強(qiáng)為29.4104Pa（表壓）以上，壓縮比大于4；（4）真空泵：用于減壓，出口壓力為1大氣壓，其壓縮比由真空度決定。此外，氣體輸送機(jī)械按其機(jī)構(gòu)與工作原理又可分為離心式、往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和流體作用式。當(dāng)前第83頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)

第三章

機(jī)械分離和固體流態(tài)化

當(dāng)前第84頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)3.1概述混合物可以分為兩大類(lèi)。凡物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻，且不存在相界面者，稱(chēng)為均相混合物。凡物系內(nèi)部有隔開(kāi)兩相的界面存在，且界面兩側(cè)物料性質(zhì)截然不同者，稱(chēng)為非均相混合物或非均相物系。非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)，如懸浮液中的固體顆粒、乳濁液中的液滴、泡沫液中的氣泡，稱(chēng)為分散相或分散物質(zhì)；包圍著分散物質(zhì)的流體，則稱(chēng)為連續(xù)相或分散介質(zhì)。由于非均相物系中分散相和連續(xù)相具有不同的物理性質(zhì)，工業(yè)上一般采用機(jī)械方法將兩相進(jìn)行分離。工業(yè)上分離非均相混合物的目的是：當(dāng)前第85頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)3.1概述1）回收有價(jià)值的分散物質(zhì)例如從某些類(lèi)型干燥器出來(lái)的氣體及從結(jié)晶機(jī)出來(lái)的晶漿中都帶有一定量的固體顆粒，必須回收這些懸浮的顆粒作為產(chǎn)品。2）凈化分散介質(zhì)以滿(mǎn)足后繼生產(chǎn)工藝的要求例如某些催化反應(yīng)的原料氣中夾帶有會(huì)影響催化劑活性的雜質(zhì)，因此，在氣體進(jìn)入反應(yīng)器之前，必須除去其中塵粒狀的雜質(zhì)。3）環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)為了保護(hù)人類(lèi)生態(tài)環(huán)境，要求排放的廢氣或廢液濃度達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；很多含碳物質(zhì)及金屬細(xì)粉與空氣形成爆炸物，必須除去這些物質(zhì)以消除隱患。當(dāng)前第86頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)3.2離心沉降

重力沉降速度ut離心沉降速度ur依靠慣性離心力的作用而實(shí)現(xiàn)的沉降過(guò)程叫作離心沉降。流體帶著密度大于流體的顆粒旋轉(zhuǎn)時(shí)，受到慣性離心力、向心力和阻力的作用，當(dāng)三力達(dá)到平衡時(shí)，顆粒在徑向相對(duì)于流體的速度ur即為顆粒在此位置的離心沉降速度。式中：d–粒徑，mmμ–流體粘度，PaS

ρS

–顆粒密度，Kg/m3ρ

–顆粒密度，Kg/m3

ζ–曳力系數(shù)當(dāng)前第87頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)3.2離心沉降離心沉降與重力沉降的比較：1）離心沉降速度ur計(jì)算公式中將重力沉降速度計(jì)算公式中的加速度g改為離心加速度；2）離心沉降方向不是向下而是向外；3）離心力隨旋轉(zhuǎn)半徑而變，離心沉降速度ur也隨顆粒的位置而變。同一顆粒在同種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速度的比值比值Kc稱(chēng)為分離因數(shù)：

（3-15）Kc是顆粒所在位置上的慣性離心力場(chǎng)強(qiáng)度與重力場(chǎng)強(qiáng)度之比。分離因數(shù)是離心分離設(shè)備的重要性能指標(biāo)。當(dāng)前第88頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)3.2.1離心分離設(shè)備

當(dāng)前第89頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)3.3流體通過(guò)顆粒床層的流動(dòng)

3.3.1顆粒床層的特性一、床層空隙率ε

影響空隙率ε值的因素有顆粒的大小、形狀、粒度分布與充填方式等。一般亂堆床層的空隙率大致在0.47~0.70之間。二、床層的比表面積ab單位床層體積具有的顆粒表面積稱(chēng)為床層的比表面積ab。若忽略顆粒之間接觸面積的影響，則

ab=（1－ε）a

（3-16）式中

ab─床層比表面積，m2/m3；

a─顆粒的比表面積，m2/m3；

ε─床層空隙率。當(dāng)前第90頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)3.3流體通過(guò)顆粒床層的流動(dòng)3.3.2過(guò)濾及過(guò)濾基本方程一、概述過(guò)濾操作如圖所示。實(shí)現(xiàn)過(guò)濾操作的外力可以是重力、壓強(qiáng)差或慣性離心力。1．過(guò)濾方式工業(yè)上過(guò)濾基本方式有兩種：深層過(guò)濾和濾餅過(guò)濾。在深層過(guò)濾操作中，顆粒尺寸比過(guò)濾介質(zhì)孔徑小，顆粒附著在孔道壁面上，過(guò)濾在過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行。濾餅過(guò)濾中，固體顆粒被截留在過(guò)濾介質(zhì)表面上，形成一顆粒層，稱(chēng)為濾餅。當(dāng)前第91頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)3.3.2過(guò)濾及過(guò)濾基本方程2．濾餅的壓縮性當(dāng)濾餅兩側(cè)的壓強(qiáng)差增大時(shí)，顆粒的形狀和顆粒間的空隙都不發(fā)生明顯變化，單位厚度床層的流動(dòng)阻力可視作恒定，這類(lèi)濾餅稱(chēng)為不可壓縮濾餅，反之稱(chēng)為可壓縮濾餅。二、過(guò)濾基本方程

1．過(guò)濾速度與過(guò)濾速率單位時(shí)間獲得的濾液體積稱(chēng)為過(guò)濾速率，單位為m3/s。單位過(guò)濾面積上的過(guò)濾速率稱(chēng)為過(guò)濾速度，單位為m/s。任一瞬間的過(guò)濾速度u、過(guò)濾速率分別為：

（3-21b）（3-21c）式中V——濾液量，m3；

θ——過(guò)濾時(shí)間，s；

A——過(guò)濾面積，m2。當(dāng)前第92頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)3.3.3過(guò)濾設(shè)備

1．板框壓濾機(jī)

當(dāng)前第93頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)3.3.3過(guò)濾設(shè)備2．葉濾機(jī)

當(dāng)前第94頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)3.3.3過(guò)濾設(shè)備3．回轉(zhuǎn)真空過(guò)濾機(jī)

當(dāng)前第95頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力通常是指單位時(shí)間獲得的濾液體積。1．間歇過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力間歇過(guò)濾機(jī)的整個(gè)操作周期T為T(mén)=θ+θW+θD式中θ─一個(gè)操作循環(huán)內(nèi)的過(guò)濾時(shí)間，s；

θW─一個(gè)操作循環(huán)內(nèi)的洗滌時(shí)間，s；

θD─一個(gè)操作循環(huán)內(nèi)輔助操作所需時(shí)間，s。生產(chǎn)能力Q的計(jì)算式為（3-42）當(dāng)前第96頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力2.連續(xù)過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力以轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)為例。轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分?jǐn)?shù)為浸沒(méi)度ψ：

（3-43）轉(zhuǎn)筒回轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間T，在此周期內(nèi)過(guò)濾時(shí)間為

（3-44）N─轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速，r/minK

─

過(guò)濾常數(shù)轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)一周所得的濾液體積為

（3-45）當(dāng)前第97頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)能力生產(chǎn)能力為（3-46）

當(dāng)濾布阻力可以忽略時(shí)，θe=0、Ve=0，則上式簡(jiǎn)化為（3-46a）當(dāng)前第98頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)第四章傳熱當(dāng)前第99頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.1概述傳熱是由于溫度差引起的能量的轉(zhuǎn)移，又稱(chēng)熱量傳遞過(guò)程。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，凡是存在溫度差就必然導(dǎo)致熱量自發(fā)的從高溫處向低溫處傳遞，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中普遍存在的一種傳遞現(xiàn)象。在化工生產(chǎn)中，傳遞過(guò)程的應(yīng)用更是十分廣泛。在化學(xué)工業(yè)中幾乎所有的化工生產(chǎn)過(guò)程均伴有傳熱操作?；どa(chǎn)中對(duì)傳熱的要求通常有以下兩種情況：一種是強(qiáng)化傳熱，比如各種換熱設(shè)備中的傳熱；另一種是削弱傳熱過(guò)程，如設(shè)備和管道的保溫。學(xué)習(xí)傳熱的目的主要是能夠分析影響傳熱速率的因素，掌握控制熱量傳遞速率的一般規(guī)律，以便根據(jù)生產(chǎn)要求來(lái)強(qiáng)化或削弱熱量的傳遞，正確地計(jì)算和選擇適宜的傳熱設(shè)備和保溫措施。當(dāng)前第100頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.1.1傳熱過(guò)程及其基本方式熱的傳遞是由于物體內(nèi)或系統(tǒng)內(nèi)的兩部分間有溫度差存在而引起的，凈的熱流是由高溫處流向低溫處,顯然傳遞的推動(dòng)力是溫度差，其極限是溫度平衡.根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱的傳遞有三種基本方式：導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱。1.導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）：因?yàn)榉肿拥奈⒂^振動(dòng)，熱量從高溫物體流向與之接觸的低溫物體，或同物體內(nèi)高溫部分向低溫部分進(jìn)行的熱量傳遞過(guò)程稱(chēng)為導(dǎo)熱，也稱(chēng)為熱傳導(dǎo)。2.對(duì)流傳熱（熱對(duì)流）:對(duì)流傳熱是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱交換。對(duì)流傳熱僅僅發(fā)生在流體中。但要注意，在對(duì)流傳熱時(shí)，必然伴隨著流體質(zhì)點(diǎn)間的熱傳導(dǎo)。若將兩者合并處理時(shí)，一般也稱(chēng)為對(duì)流傳熱，也可稱(chēng)為熱對(duì)流或給熱。當(dāng)前第101頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.1.1傳熱過(guò)程及其基本方式3.輻射傳熱(熱輻射):高溫物體因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間傳遞而被低溫物體所吸收并轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程稱(chēng)為輻射傳熱.輻射傳熱不僅有熱量的轉(zhuǎn)移,而且還伴有能量的轉(zhuǎn)換.4.1.2傳熱速率傳熱速率有兩種表示方法:1.熱流量Q:單位時(shí)間內(nèi)在整個(gè)傳熱面積上由熱流體傳給冷流體的熱量。2.熱通量q:單位傳熱面積上通過(guò)的熱流量。當(dāng)前第102頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.2熱傳導(dǎo)一.傅立葉定律

Q＝-λ·S·(dt/dn)

q＝Q/S＝-λ·(dt/dn)

λ－導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·k)

dt/dn－溫度梯度k/m（指向溫度增加的方向）傅立葉定律表明:在熱傳導(dǎo)時(shí),其傳熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比。必須注意，λ作為導(dǎo)熱系數(shù)是表示材料導(dǎo)熱性能的一個(gè)參數(shù)，λ越大，表明該材料導(dǎo)熱越快。和粘度μ一樣，導(dǎo)熱系數(shù)λ也是分子微觀運(yùn)動(dòng)的一種宏觀表現(xiàn)。當(dāng)前第103頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.2熱傳導(dǎo)二.導(dǎo)熱系數(shù)１.物理意義:當(dāng)導(dǎo)熱面積S=1m2,溫度梯度為1k/m時(shí),單位時(shí)間內(nèi)以熱傳遞方式傳遞的熱量。２.導(dǎo)熱系數(shù)的大致范圍金屬的最大，非金屬的次之，液體的較小，而氣體的最小。（1）固體的導(dǎo)熱系數(shù)固體的導(dǎo)熱系數(shù)大多與溫度有關(guān)，對(duì)于大多數(shù)均質(zhì)固體，其λ值與溫度大致呈線(xiàn)性關(guān)系：λ＝λ0（1＋a't）同種金屬材料在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)可在化工手冊(cè)中查到，當(dāng)溫度變化范圍不大時(shí)，一般采用該溫度范圍內(nèi)的平均值。當(dāng)前第104頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.2熱傳導(dǎo)（2）液體的導(dǎo)熱系數(shù)液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比一般液體要高，而且大多數(shù)液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而減小。在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。除水和甘油外，絕大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而略有減小。一般說(shuō)來(lái)純液體的導(dǎo)熱系數(shù)比其溶液的要大。（3）氣體的導(dǎo)熱系數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。在相當(dāng)大壓強(qiáng)范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與壓強(qiáng)幾乎無(wú)關(guān)。由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)太小，因而不利于導(dǎo)熱，但有利于保溫和絕熱。工業(yè)上的保溫材料，例如玻璃棉等，就是因?yàn)槠淇障吨杏袣怏w，所以導(dǎo)熱系數(shù)低，適用于保溫隔熱。當(dāng)前第105頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.2熱傳導(dǎo)三.傅立葉定律的應(yīng)用１.單層平壁熱傳導(dǎo)(1)單層如圖4-6所示Q＝(t1-t2)/(b/λS)=△t/R當(dāng)前第106頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.2熱傳導(dǎo)(2)三層如圖4-7所示Q＝λ1S(t1-t2)/b1=λ2S(t2-t3)/b2=λ3S(t3-t4)/b3＝(t1-t4)/[(b1/λ1S+b2/λ2S+b3/λ3S)](3)N層Q＝總推動(dòng)力／總熱阻當(dāng)前第107頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.2熱傳導(dǎo)２.圓筒壁熱傳導(dǎo)單層如圖4-8所示

Q＝-λS·(dt/dr)=-λ·2πrL·(dt/dr)Q＝2πLλ(t1-t2)/ln(r2/r1)或Q＝(t1-t2)λSm/b其中b＝r2-r1,Sm＝2πrmL,rm＝(r2-r1)/ln(r2/r1)

當(dāng)r2/r1<2時(shí),rm＝(r2＋r1)/2當(dāng)前第108頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.3對(duì)流傳熱一.對(duì)流傳熱的概念和傳熱速率方程１.對(duì)流傳熱假設(shè)對(duì)流傳熱過(guò)程是在厚度為δt的有效膜內(nèi)進(jìn)行的，而且膜內(nèi)只有熱傳導(dǎo)，δt是集中了全部傳熱溫差并以導(dǎo)熱方式傳熱的虛擬膜厚。

Q＝λ·S·△t/δt

Q＝α1S（T1-Tw）或Q＝α２S（tｗ-t）

α－對(duì)流傳熱膜系數(shù)△t－流體和壁的溫差當(dāng)前第109頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.3對(duì)流傳熱2.對(duì)流傳熱系數(shù)αα的物理意義:單位時(shí)間內(nèi)當(dāng)壁面與流體主體的溫度差為1K時(shí),每一平方米固體壁面與流體之間傳遞的熱量。二.影響α的因素１.流體的種類(lèi)及相變化情況２.流體的物理性質(zhì)ρ、μ、Cp、λ３.流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)依Re劃分４.對(duì)流狀況自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流５.傳熱壁的形狀、大小及安裝位置當(dāng)前第110頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.3對(duì)流傳熱三.無(wú)相變流體α的確定(因次分析法)關(guān)聯(lián)式f(Nu，Re，Pr，Gr)=0或Nu=CRem·Prn·Gri

c、m、n、i由實(shí)驗(yàn)測(cè)得四.對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式１.管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流1)流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流2)流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制層流一般在換熱器等設(shè)備中，為了提高α，多呈湍流流動(dòng)２.管外強(qiáng)制對(duì)流1)流體垂直于管束流動(dòng);2)流體在換熱器管間流動(dòng)當(dāng)前第111頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.3對(duì)流傳熱當(dāng)前第112頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.3對(duì)流傳熱當(dāng)前第113頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.4傳熱計(jì)算4.4.1能量衡算若Q損=0,單位時(shí)間內(nèi)，熱流體放出的熱量應(yīng)等于冷流體吸收的熱量。即Q＝Qh＝Qc無(wú)相變 Qh＝Wh·Cph(T1-T2)Qc＝Wc·Cpc(t2-t1)有相變 Qh＝Wh·rn

Qc＝Wc·rc當(dāng)前第114頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.4傳熱計(jì)算4.4.2.總傳熱速率方程１.微分式dQ＝KdS(T-t)1/（KdS）=1/（αidSi）+b/（λdSm）+1/（α0dS0）２.總傳熱系數(shù)K(1)傳熱面為平壁1/K=1/α1+b/λ+1/α2(2)傳熱面為圓筒壁1/K0=1/α2+bd0/λdm+do/α1di(3)污垢熱阻1/K0=do/α1di+Rsid0/dibd0/λdm+Rs0+1/α2當(dāng)前第115頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.4傳熱計(jì)算３.提高總傳熱系數(shù)的途徑傳熱過(guò)程的總熱阻1/K是由各串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱阻疊加而成，原則上減小任何環(huán)節(jié)的熱阻都可以提高傳熱系數(shù)。但是，當(dāng)各個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻相差較大時(shí)，總熱阻的數(shù)值將主要由其中的最大熱阻所決定。此時(shí)強(qiáng)化傳熱的關(guān)鍵在于提高該環(huán)節(jié)的傳熱系數(shù)。例如：當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時(shí)，污垢熱阻式可簡(jiǎn)化為1/k=1/α1+1/α2若α1》α2，則1/k≈1/α2，欲要提高K值，關(guān)鍵在于提高對(duì)流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的α2。若污垢熱阻為控制因素，則必須設(shè)法減慢污垢形成的速率或及時(shí)清除污垢。當(dāng)前第116頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.5.換熱器的類(lèi)型4.5.1.間壁式換熱器１.管式換熱器(1)蛇管換熱器

a.沉浸式蛇管換熱器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能承受高壓，可用耐腐蝕性材料制作缺點(diǎn)：管內(nèi)液體湍動(dòng)程度低，管外對(duì)流系數(shù)小。

b.噴淋式蛇管換熱器和沉浸式蛇管換熱器相比噴淋式蛇管換熱器的傳熱效果大為改善。(2)套管式換熱器能夠承受高壓強(qiáng)、總傳熱系數(shù)大、傳熱推動(dòng)力大。當(dāng)前第117頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.5.換熱器的類(lèi)型(3)列管式換熱器a.固定管板式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉但由于殼程不易清洗和檢修，因此殼方流體應(yīng)是較潔凈且不易起垢的b.U型管換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，適用于高溫和高壓的場(chǎng)合。其主要缺點(diǎn)是管內(nèi)清洗比較困難，因此管內(nèi)流體必須潔凈。管板的利用率較差。c.浮頭式換熱器優(yōu)點(diǎn)：可以補(bǔ)償熱膨脹，便于清洗和檢修。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、金屬耗量較多、造價(jià)較高。當(dāng)前第118頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.5.換熱器的類(lèi)型２.板式換熱器(1)夾套式換熱器廣泛應(yīng)用于反應(yīng)過(guò)程的加熱和冷卻。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其加熱面受容器壁面限制，總傳熱系數(shù)也不高?？稍诟獌?nèi)安裝攪拌器以提高總傳熱系數(shù)，也可在釜內(nèi)部安裝蛇管以補(bǔ)充傳熱面的不足。板式換熱器優(yōu)點(diǎn)：由于流體在板片間流動(dòng)湍動(dòng)程度高，而且板片又薄，故總傳熱系數(shù)K大。板片間隙小(一般為4-6mm)，結(jié)構(gòu)緊湊，金屬耗量可減少一半以上。具有可拆結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要調(diào)整板片數(shù)目以增減傳熱面積。操作靈活性大，檢修清洗也很方便。缺點(diǎn)：允許操作的壓強(qiáng)和溫度比較低。通常操作壓強(qiáng)不超過(guò)2MPa，壓強(qiáng)過(guò)高易滲漏。操作溫度受墊片材料的耐熱性限制，一般不超過(guò)250℃當(dāng)前第119頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.5.換熱器的類(lèi)型螺旋板式換熱器優(yōu)點(diǎn)：總傳熱系數(shù)高、不易堵塞、能利用低溫?zé)嵩春途芸刂茰囟群徒Y(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn)：操作壓強(qiáng)和溫度不宜太高、不易檢修。當(dāng)前第120頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.5.2列管式換熱器的選用列管式換熱器選用時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：1.冷、熱流體流動(dòng)通道的選擇在列管式換熱器內(nèi)，冷、熱流體流動(dòng)通道可根據(jù)以下原則進(jìn)行選擇。

(1)不潔凈和易結(jié)垢的液體宜走管程，因?yàn)楣軆?nèi)清洗方便；

(2)腐蝕性的流體宜走管程，以免管束和殼體同時(shí)受腐蝕；

(3)壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體承受壓力；當(dāng)前第121頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)4.5.2列管式換熱器的選用(4)飽和蒸汽宜走殼程，因?yàn)轱柡驼羝容^清凈，對(duì)流傳熱系數(shù)與流速無(wú)關(guān)且冷凝液易排出；(5)被冷卻的液體宜走殼程，便于散熱；(6)若兩流體溫差較大，對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將對(duì)流傳熱系數(shù)大的流體通入殼程，可減少熱應(yīng)力；

(7)流量小而粘度大的液體一般宜走殼程，因在殼程Re〉100即可達(dá)到湍流，但這不是絕對(duì)，如流動(dòng)阻力損失允許，將這種流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，反而能得到更多的對(duì)流傳熱系數(shù)。當(dāng)前第122頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)第五章蒸餾當(dāng)前第123頁(yè)\共有197頁(yè)\編于星期二\19點(diǎn)5.1概述化工生產(chǎn)中所處理的原料