化学工程基础 林爱光 清华大学出版社 第一章 流体流动与输送1.3

一、用应力表示的运动方程
dFsx = [ (τ xx +
+[(τ zx +
∂τ xx ∂x ∂τ zx
∂z ∂τ yx
dx ) dydz − τ xx dydz ]
dz ) dxdy − τ zx dxdy ]
+[(τ yx +
dFsx = (
∂y
+
dy ) dxdz − τ yx dxdz ]
∂τ yx ∂y + ∂τ zx ∂z ) dxdydz
6- 溢流装置
雷诺实验
一、雷诺实验
层 流 或 滞 流 （ laminar flow , viscous flow）： 流体质点沿流向平行运动， 无脉动混合作用（图a)。 湍流或紊流(turbulent flow)：
(a)
²ãÁ÷ ÍÄÁ÷
(b)
两种流动型态
流体质点除沿流向平行运动外，各质点作不规 则的脉动，相互碰撞与混合(图b）。
dFBx = X ρ dxdydz
dFBy = Y ρ dxdydz
dx
dFBz = Z ρ dxdydz
一、用应力表示的运动方程
（2）表面力 dFs 习惯上，以单位表面上所受的力—表面应力表示：
dFs τ= （向量） N/m 2 dA
微元系统 dV 共 6 个表面，每个面上作用一个表 τ 面应力： dz
2 π (r2 − r12 ) de = 4 = 2(r2 − r1 ) 2(πr2 + πr1 )
a
矩形管道
r1 r2
圆形套管
第一章 流体流动基础
1.3 流体流动概述 1.4 流体流动的基本方程
第一章 流体流动基础

1 流体流动
学习目的 与要求
通过本章学习，掌握流体在管内流动过程的 基本原理和规律，并运用这些原理和规律分析和 计算流体流动过程中的有关问题。
流体流动
§1-1 流体静力学基本方程式 §1-2 管内流体流动的基本方程式 §1-3 流体的流动现象
§1-4 流体在管内的流动阻力
§1-5 管路计算
§1-6 流量测量
二、连续性方程式 (质量守恒) 三、柏努利方程(能量守恒)
(一) 流动系统的总能量衡算 (二) 流动系统的机械能衡算 (三) 柏努利方程式
四、柏努利方程式的应用举例
§1-2 管内流体流动的基本方程式
化工生产中的流体几乎都是在密闭的管道或设备中流动的， 那么在管道内流动的流体遵循什么样的流动规律呢？
三、 流体静力学基本方程式的应用
(二) 液位的测量
先找等压面，再由静力学方程得：
z AR h z R
h
( A )

R
h与R具有对应关系。 容器里的液面愈低(h愈大)，压差计 的读数R愈大；液面达到最大高度 (h方程式的应用
1. U型测压管
p0
找等压面
在等压面1-2，有 p1 = p2
根据流体静力学基本方程式，有： p1 p A gh1 p2 p0 R gR p A gh1 p0 R gR
R
p 得A点的绝对压强： A p0 R gR gh1
A点的表压强： A p0 R gR gh1 p 若容器内为气体，ρ<<ρR， 则有：
A A
(一) 流量和流速
4．管径的估算及选择
u qv

4
d
2

人机交互界面
设计友好的人机交互界面，方便 操作人员对流体流动与输送设备
进行监控和操作。
THANK YOU
感谢观看
流体流动与输送(课 件)
目 录
• 流体流动基础 • 流体动力学 • 流体输送设备 • 流体输送工艺 • 流体流动与输送的优化设计
01
流体流动基础
流体的定义与分类
总结词
流体的定义与分类
详细描述
流体是指在受外力作用下，能够流动的物质。根据流体是否具有粘性，可以将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。 牛顿流体是指在剪切力作用下，其剪切应力与剪切速率成正比的流体，如水和空气等；非牛顿流体是指在剪切力 作用下，其剪切应力与剪切速率不成正比的流体，如高分子溶液、悬浮液等。
。
流体流动的能量损失
流动损失的原因
介绍了流体在流动过程中由于摩擦和局部阻力所造成的能量损失 。
流动损失的计算
提供了计算流体流动损失的方法和公式。
减小流动损失的措施
介绍了一些减小流体流动损失的措施和技术，如减小流道粗糙度 、采用减阻剂等。
03
流体输送设备
泵
离心泵
利用离心力使流体获得 能量，从而克服管道阻 力，实现液体的输送。
重力输送
利用重力将粉体从一个地方输送到 另一个地方，常用于高度落差较大 的情况。
05
流体流动与输送的优化设 计
流体流动与输送的能效优化
01
02
03
节能设计
通过优化流体输送管道的 结构和材料，降低流体输 送过程中的阻力，减少能 量损失，提高能效。
高效泵送技术
采用高效、低能耗的泵送 设备，提高流体输送的效 率，降低运行成本。
管道输送
通过管道将液体从一个地方输 送到另一个地方，具有输送效

流动体系的能量形式主要有：流体的动能、位能、 静压能以及流体本身具有的内能。
①位能 流体因受重力的作用，在不同高度处具有不同的 位能，相当在高度Z处所做的功，即mgZ，单位为J。 ②动能 流体以一定的流速流动时，便具有一定的动能。 动能为mu2/2，单位为J。 ③静压能 静止流体内部任一处都存在一定的静压力。
②gZ、u2/2、p/ρ 分别指某截面上每千克流体所具有的
位能、动能、静压能；We是指输送机械对每千克流体作的 有效功； ∑hf是指每千克流体因克服流动阻力而损失的 能量。
③输送设备的有效功率－－单位时间输送设备所作的有效 功，以Nｅ表示，单位J/s，计算式 ：Nｅ＝GｓＷｅ
（2）不同衡算基准下的柏努利方程式

A2 A1

π 4
π 4
d
2 2
d12
（
d d
2 1
）2

1 22

1 4
由此可见：当流通截面为圆形时，平均流速与 管内径平方成反比。
【练习题】 今有一离心水泵，其吸入管规格为 φ88.5mm×4 mm，压出管为φ75.5mm×3.75mm，吸 入管中水的流速为 1.4 m·s-1，试求压出管中水的流速 为多少？
p1 A1
V1 A1
(J)
对1kg流体，则：
输入的静压能
p1V1 m

p1υ 1
(J / kg)
同理，1kg流体在截面2—2’处的静压能为 p2υ2，其单位为J/kg。
由于流体的比容与密度之间的关系为υ

1。所以 ρ
1㎏流体在截面1—l’ 和截面2—2’处的静压能又分别
可写为p1 和p2 。 ρ1 ρ2
h

Z1

1.2 流体静力学方程
密度----单位体积流体所具有的质量：
M ＝ V (1 1)
ρ＝f (p,T) 压力对液体的密度影响很少，常可称为不 可压缩流体，温度对液体的密度有一定的影 响。
各种气体和液体的密度可从有关书刊中查 得，如本书附录3－6。
1.2 流体静力学方程
气体因具有可压缩性和膨胀性，其密度随 温度，压力有较大变化，通常在温度不太低 ，压力不太高的情况下，气体可用理想气态 方程式计算： ' pM ' T P ＝ (1 2) ' RT TP T 'P ' TP
液gz 液g) 液gz 气gz≈p
故 z= p表/（ρ
思考题


上述四个底面积相等的容器，将有液面高度相等的 同样液体，试考虑 内侧底部承受的压力是否相等？ 忽略容器本身体的重量，将各个装得有液体的容器放 在台称上，重量相同吗？ 试解释其原因
1.3 流体流动的基本方程
本节主要讨论流体流动过程中，流速、压 强等的变化规律，研究流体流动过程中的能 量损失以及为输送流体需对流体提供的能量 。 反映流体流动规律的主要方程式有连续性 方程式和柏努利方程式。
液态或气态下的物料称流体。 流 体 的 特 征： 易流动，无固定形状。 气体与液体的区别： ①密度： 气体变化；液体变化不明显 ②压缩性：气体 可压缩；<20％可看成 不可压缩。 液体 不可压缩。 流体的流动和过程进行的好坏、动力的 消耗及设备投资息息相关，是过程控制最 普遍采用的操作手段。
1．2．1流体的性质
1.3 流体流动的基本方程
考虑右图所示的稳定 流动体系，现以截面1-1′ 和截面2-2′ 之间的管路与 设备为衡算的系统。 假设在稳定流动条件下 ，单位时间有质量为m(kg) 的流体从截面1-1′进入系统 ，必然有质量为m(kg)的流 体流出截面2-2′。

41
例1-1 每小时有10 吨 5％ 的乙醇水溶液进入精馏塔， 塔顶馏出的产品中含乙醇 95％，塔底排出的废水中含 乙醇 0.1％。求每小时可得产品多少吨？若废水全部排 放，每年（按操作 7200小时计）损失的乙醇多少吨？
解：
乙醇产品 含乙醇95％
原料液
精 馏
含乙醇5％ 塔
10吨/时
废水
含乙醇0.1％
苯的生产： 原料油（甲苯、二甲苯）、H2→输送→加热→反应器→减压 蒸馏塔→精馏→苯（99.992~99.999%）
可见，一个化工过程往往包含几个或几十个加工过程。
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化学反应过程 化工生产的核心
化工生产过程
物理处理过程 （单元操作）
原料的预处理 产品的加工
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有目的的使原料经过一系列的化学或物理变化，以获得 产品的工业过程，也称为化工生产，或化工生产过程。
原料
（1）
预处理
（2）
反应
（3）
后处理
产品
基本化工生产过程
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例如:
甲醇的生产：
合成气（CO，H2，CO2）→输送→管式反应器→粗甲醇→ 冷却→精馏→精甲醇（99.85~99.95%）
单元操作：
化工生产中除化学反应单元以外的所有物理性操作。
• 固体和流体物料输送 • 物料的加热和冷却 • 非均相混合物料的分离 • 液体混合物料的蒸发、蒸馏和萃取 • 气体物料的吸收 • 物料的干燥和冷却
单元操作的结果只改变物料的物理性质
化工生产过程就是由若干单元操作和反应过程按一定顺 序组合而成
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1-4 化学工业的分类

1 n
平均速度
1 um umax 2
du dy
u m 0.82u max (n 7)
剪应力
du dy
四、流动边界层
1、边界层 流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域， 即流速降为主体流速的99％以内的区域。 边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。 边界层区（边界层内）：沿板面法向的速度梯度很 大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。
量，用 G 表示，单位为 kg／(m2· s)
Ws Vs G u A A
3、流速与管径的关系
圆形管路,若管道内径 d 表示，则
u

Vs d
2
d
4
4Vs u
一般: 密度大或粘度大的液体，u 应小;
含固体杂质流体 u 应大，避免固体沉积在管
内;
气体稍大10-30m/s，液体0.5-3m/s。
1St 100cSt 10 m / s
4 2
（6）影响粘度的因素 ①温度 液体—温度，粘度下降； 气体—温度，粘度。 ②压力： 液体—受压力影响很小； 气体—压力，粘度； 但只有在压力极高或极低时有影响。
三．流体流动的类型
• 稳定流动：任一点处流体的流速、压力、密度 等物理量仅随位置变，而不随时间改变的流动。
主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可以 忽略，可视为理想流体 。
2、边界层流型：层流边界层和湍流边界层
层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。 湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为
1 7
——1/7方律
um 0.82umax
通常遇到的情况下，湍流时的平均速度大约等于管中 心处最大速度的0.82倍。

1.1.5 静力学方程式的应用
1.1.5.1 压力及压力差的测量 以流体静力学方程式为依据， 以流体静力学方程式为依据，用于 测量流体的压力和压力差的测压仪 器称为液柱压差计，典型的有两种： 器称为液柱压差计，典型的有两种： 1.U型管压差计 型管压差计 型管压差计 如图示， 型玻璃管内装入密度为ρ 要求A与被测流体不互溶 如图示，在U型玻璃管内装入密度为 A的指示液 要求 与被测流体不互溶， 型玻璃管内装入密度为 的指示液A(要求 与被测流体不互溶， 无化学反应， 水等)。测量时分别将U管两端与 无化学反应，且ρA＞ρ，常用 、CCl4、水等 。测量时分别将 管两端与 ，常用Hg、 被测口相连， 管两侧便出现指示液面高度差R， 被测口相连，若p1＞p2，则U管两侧便出现指示液面高度差 ，称为压差计 管两侧便出现指示液面高度差 读数，其值大小反映了两测压口间压力差的大小。 读数，其值大小反映了两测压口间压力差的大小。 16/134 所在平面为等压面， 选a-a′所在平面为等压面，并且分别在等压面上列静力学方程式： 所在平面为等压面 并且分别在等压面上列静力学方程式：
定义：单位体积流体所具有的质量称为密度，用ρ表示，单位 1.1.2 流体的密度 kg/m３。其表达式：
m ρ= V
密度为流体的物性参数，随温度、压力而变化。 1.1.2.1.纯液体的密度 4/134 液体的密度一般只随温度而变化，压力的影响可忽略不 计。纯液体的密度可从有关手册中查取。
气体的密度与温度和压力有关。一般当压力不太高、温度 不太低的情况下，可按理想气体处理。这样，纯气体的密度 计算公式为： 1.1.2.2.纯气体的密度 纯气体的密度 1.根据查得状态计算
概述： 概述： 第一章 流体流动基础 流体：气体和液体的统称。 流体：气体和液体的统称。 流体的特性：流动性；无固定形状，随容器的形状而变化； 流体的特性：流动性；无固定形状，随容器的形状而变化； 在外力作用下其内部发生相对运动。 在外力作用下其内部发生相对运动。

1－20一转子流量计，转子材料为铝，出厂时用20℃，0.1MPa 压强下的空气标定，得转子高度为100mm 时， 流量为10m3/h。今将该流量计用于测量 T=50℃，P=0.15MPa 下的氯气，问在同一高度下流量为多少？若将该 转子材料换为黄铜，问在同一高度下氯气和空气的流量各为多少？
1－21从设备送出的废气中含有少量可溶物质， 在放空之前令其通过一个洗涤塔， 以回收这些物质进行综合 利用，并避免环境污染。气体流量为3600 m3/h(操作条件下)，其物理性质与50℃的空气基本相同，如右图 所示，气体进入鼓风机前的管路上安装有指示液为水的 U 形管压差计，其读数为30 mm。输气管与放空管 内径均为250 mm，管长、管件与阀门的当量长度之和为50 m（不包括进、出塔及管出口阻力）放空口与鼓 风机进口的垂直距离为20 m，已估计气体通过塔内填料层的压降为1961 Pa。管壁的绝对粗糙度ε可取为 0.15mm，大气压强为0.101 Mpa，求鼓风机的有效功率。
1－7用右图中串联的 U 型管压差计测量蒸汽锅炉上面上方的蒸汽压。 U 形管压差计的指示液为水银。 两U
-1-
形管间的连接管内充满水。 已知水银面与基准面的垂直距离分别为： h1=2.3m， h2＝1.2m， h3=2.5m， h4=1.4m， 锅中水面与基准面间的垂直距离 h5=3m，大气压强 Pa=745 mmHg。试求锅炉上方水蒸汽的压强 p0。
化学工程基础课后习题答案
第一章 流体力学习题..................................................................................................................2 第二章 流体流动与输送..............................................................................................................14 第三章 传热过程......................................................................................................................... 19 第三章习题和答案....................................................................................................................... 26 第五章 吸收.................................................................................................................................38 第六章 精馏.................................................................................................................................47 第六章 精馏习题和答案..............................................................................................................49 第八章 化学反应工程基本原理.................................................................................................. 56 第九章 均相反应器..................................................................................................................... 58