化工原理ppt课件 流体流动操作单元.ppt

单元一 流体流动操作,一、流体的基本性质及计算,流体：具有流动性的物体，包括气体和液体。流体质点（流体微团）：大量分子的集团。 （省略分子运动对流体宏观运动规律的影响。）可压缩流体与不可压缩流体,（一）密度与相对密度,1、密度 = 单位： kg/m3 2、气体的密度 = = 单位： kg/m3 注：其中P的单位是KPa, R=8.314kJ/kmolK,3、混合物的密度,（1）液体混合物 (i=1、2、3. .n) （2）气体混合物a、 (i=1、2、3. .n),b 、其中：例题：略；,4、相对密度（比重）,基准值：1个大气压，4（277K）下水的密度。5、比体积 单位：m3 / kg；,（二）粘度,1、牛顿粘性定律和粘度流体的粘性：流体在流动过程中由于流体内摩擦力而影响流体向前流动的性质。 ：速度梯度，1/s ； ：比例系数，称粘度，N.s/m2,2、说明,1、物理意义：当 =1时，=；2、单位：1pa.s=10p(泊)=1000cp（厘泊）3、混合物的粘度（略）4、影响因素：流体种类、温度、压力。,5、牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体， 大多数流体。 非牛顿型流体： 不符合牛顿粘性定律的流体，如： 高分子溶液，胶体溶液、泥浆等。,任务二 流体静力学及其应用,一、流体的压力,1、定义： 单位: Pa 2、绝对压力、表压力和真空度（1）例： P PA（绝压）=1.5atm A设备 PA（表压）=0.5atm 大气压：1atm B设备 PB（绝压）=0.5atm 0 PB（表压）=-0.5atm PB（真空度）=0.5atm,（2）结论,表压强=绝对压强大气压真空度=大气压绝对压强例：当某设备内绝对压强为1.9atm 时，问其表压为多少？当某设备内绝对压强为0.9atm 时，问其表压又为多少？如用真空度表示是多少?(单位均为大气压),3、单位,1atm=1.013105Pa=101.3kPa=760mmHg =1.033kgf/cm2=10.33mH2O例题：某设备内压强为780mmHg,用Pa表示为多少？,二、流体静力学基本方程及应用,1、公式推导：受力分析 P=P0+gh2、说明：（1）液体内部压力与密度和高度有关；（2）静止的、连通的同一种液体,处在同一水 平面上两点的压强相等； 等压面：压强相等；（3）巴斯噶原理：液面上方压强具有传递性。（4） 压强大小可以用高度来衡量。,3、静力学基本方程的应用,（1）测量压强及压强差；（2）测量液位；（3）测量液封高度；,任务三 流动流体的物料衡算,一、流量与流速,质量流量：Ws kg/h1、流量 Ws= Vs 体积流量:Vs m3/h2、流速：（1）平均流速 m/s Ws= Vs=uA（2）质量流速： kg/(m2.s),3、圆形管道直径的选取,根据：选择一常用流速，进行计算：后进行圆整。例题：,二、定态流动与非定态流动,流体在管道内流动时，任一截面（与流体流动方向相垂直的）上的流速、密度、压强等物理参数均不随时间而变的叫定态流动。 反之，为非定态流动。三、定态流动系统的物料衡算连续性方程 据质量守恒定律： 1 2,-流体连续性方程对于液体（不可压缩流体）： -液体连续性方程也可变为：意义：流体在定常流动时，流速与管道截面积成反比，与管道直径的平方成反比。,四、流动流体能量衡算-柏努利方程,（一）流动系统的能量类型1、流体所具有的机械能：（1）位能： 在重力场中，液体高于某基准面所具有的能量称为液体的位能。液体在距离基准面高度为z时的位能相当于流体从基准面提升高度为z时重力对液体所作的功。 mkg流体所具有的位能：mgz ,单位是：J; 单位质量流体所具有的位能：gz ,单位是J/Kg;,（2）动能,液体因运动而具有的能量，称为动能。 mkg流体所具有的动能： ,单位是：J;单位质量流体所具有的动能： ，单位是J/Kg;,（3）静压能,流体自低压向高压对抗压力流动时，流体由此获得的能量称为静压能。 mkg流体所具有的静压能： 单位是：J; 单位质量流体所具有的静压能： v流体的比容（比体积），,2、与环境交换的能量,（1）外加能量（外加功）， We ，单位是J/Kg ；（2）热量Q：换热器与单位质量流体交换的热量，单位 为 J/Kg ；（3）损失能量（流动阻力），hf ，单位是J/Kg；,（二）流动系统的能量衡算-流体柏努利方程,实际流体：（1）有流动阻力，hf ，单位是J/Kg；（2）有外加功， We ，单位是J/Kg ； -实际流体的柏努利方程 （扩展了的柏努利方程）,2、理想流体的柏努利方程,理想流体，无摩擦力，据机械能守恒定律： 机械能位能动能压强能常数单位质量流体所具有的机械能 -理想流体的柏努利方程,3、讨论：,机械能守恒与转换方程意义：流体的各种机械能形式之间在一定条件下是可以相互转换的，但总和不变。如图所示管道：系统处在静止状态，,对于可压缩流体,如果： ，可用 ，近似按不可压缩流体处理。公式中的p既可以用表压，也可用绝压，但须前后保持一致。,以单位重量流体为衡算基准，有：,位压头 静压头 动压头 有效压头 压头损失以单位体积位衡算基准,有：,5、实际流体的柏努利方程的应用,计算两容器间的相对位置；计算输送机械的有效功率；计算流体的输送量；计算输送压强。 例题：见课本。,五、流动流体现象分析,（一）雷诺准数与流动类型1、雷诺实验,2 、实验结果：,层流:流体质点规则平行运动;流体流动型态 湍流:流体质点无规则的杂乱运动;3、流型的判断（1）影响流型的因素： 流速：u； 密度：； 粘度：； 直径：d；,（2）流动型态的判断：雷诺数（无量纲准数）,（3）判断：当Re4000，湍流； 例：见P23（略）,（二）流体在圆管内的流速分布,1、层流时的速度分布特点：管中心处流速最大2、湍流时的速度分布3、层流内层：,第六节 化工管路的构成与布置,一、化工管路的构成与标准化化工管路：管子、管件、阀件；1、化工管路的标准化 制订化工管路主要构件的结构、尺寸、连接、压力等的标准并实施的过程。如压力标准和直径标准。 （见附表）,2、管子,规格：外径 壁厚mm，长度为3、4、6、9；（1）铸铁管：强度差，价格低，用作污水管； 内径 焊接钢管（水煤气管）：输送水、煤气等低压（2）钢管 无腐蚀性介质，分为镀锌管和黑管。 无缝钢管：输送高压、高温无腐蚀性流体。 合金钢管：输送高温且有腐蚀性介质。（3）有色金属管,紫铜管铜管 特点：重量轻，导热性好， 黄铜管 延展性好，用作换热管。铅管：耐酸，机械强度差；铝管：耐酸不耐碱，输送浓硝酸等；（4）非金属管陶瓷管和玻璃管：不耐压，耐腐蚀；塑料管：种类多，抗腐蚀，易加工；橡胶管：耐酸、碱腐蚀，有弹性，但易老化；,3、管件,（1）用于改变流向的：弯头（90、45 、180 ）（2）用于连接支管的：三通、四通等；,（3）用于堵塞管路的：管帽、丝堵等；（4）其它：改变管径、延长管路等。,4、阀件,种类：闸阀、截止阀、止回阀、球阀、 旋塞、隔膜阀等、蝶阀；,截止阀,闸阀,止回阀,旋塞阀,球阀,蝶阀,闸阀,旋塞阀,球阀,二、管子的选用（见流量与流速）,三、化工管路的布置与安装1、布置原则（1）管路短、构件少、阻力小；（2）合理安排：间距适宜，便于安装、操作检修等；（3）管路排列（4）采用标准件（5）热补偿、气体排放、凝液排出；（6）高度、位置等；,2、化工管路的安装,（1）化工管路的连接 螺纹连接 焊接 承插式连接 法兰连接,（2）化工管路的热补偿,（3）化工管路的试压与吹扫,（4）化工管路的保温与涂色（5）化工管路的防静电措施,第七节 流动系统阻力计算,种类:直管阻力(hf) 局部阻力(hf),流动阻力:hf,一、直管内的流动阻力,1、计算公式：通过对流体进行能量衡算和受力分析，得出： 范宁公式 其中： 摩擦系数（摩擦因数） 阻力压降： 压头损失：,2、层流时的摩擦因数,影响摩擦因数大小的原因：(1)流动型态（Re） 绝对粗糙度mm(2)管壁粗糙程度 相对粗糙度/d3、湍流时的摩擦因数 其中：/d 相对粗糙度通过实验，得到计算的经验公式或摩擦因数图：,图,* 摩擦因数与雷诺数、相对粗糙度的关系汇总,层流区：湍流区：完全湍流区：过渡区：既可以按层流计算，也可以按湍流查 图。,补充:非圆形直管的阻力损失,当量直径：同心套管：此时， （C值可查表）,二、局部阻力计算,1、局部阻力：流体流经局部位置所产生的阻力。 形体阻力：由于流体流速、流动方 局部阻力 向改变产生的阻力 摩擦阻力 当量长度法2、计算方法 阻力系数法,局部位置阻力,1、当量长度法,J/Kg2、阻力系数法 J/Kg （各局部位置的阻力系数见附表）（1）突然扩大与突然缩小 计算： 查取阻力系数。,（2）进口与出口,出口损失的计算：如果出口截面选在管出口内侧，则不计出口损失，出口处流速不为零；如果出口截面选在管出口外侧，则计算出口损失，出口流速为零；,（3）管件与阀门,阻力系数、当量长度可查表。四、流体在管内流动总阻力的计算1、阻力计算公式（1） J/Kg（2） J/Kg,注：对于不等径管路，由于管内流速不 同，阻力应分段计算。,2、减小阻力的方法（1）减少管长，减少管件、阀门的布置；（2）适当加大直径，或选用光滑管；（3）降低流动速度；（4）降低流体粘度；（5）加入减阻剂； 例题：见P35。（略）,补充内容 管路计算,一、简单管路与复杂管路 等径管路 1、简单管路 串联管路特点：（1）、 （2）、,2、复杂管路,并联管路复杂管路 分支管路 汇合管路,并联管路特点：,（1）（2）分支管路特点：（1）（2）分支点处单位质量流体的机械能总和为一定值。,第八节 流量的测定,一、皮托测速管1、结构及原理2、流速计算A点压强能： B点压强能：A、B两点压强能差值：联立： 注：实际计算时加校正系数C。,二、孔板流量计,1、结构与原理:,2、流量计算：,考虑通过孔子口的阻力损失,用c1校正,考虑到测压口的位置与实际缩脉处的位置有差别,引入一校正系数c2。,令：,三、文丘里流量计,1、结构及原理：2、流量计算： CV：文丘里流量计的流量系数；3、讨论：（1）阻力损失小； （2） CV一般介于0.980.99间； （3）造价较高；,四、转子流量计,1、结构及原理：2、测量计算：,3、讨论,（1）CR=f(Re);（2）转子流量计上的刻度是以某种流体标定的。标定流体为20 的清水或20，101.3kPa的空气。 校正方法： 对于气体：（3）读数方便，阻力损失小，测量范围宽；（4）必须安装在垂直管道上，流体必须是下进上出；,