化学工程基础

1、化学工程基础CHP 2 FLUID FLOW第1页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW引言 Introduction流体 Definition and features A fluid is a substance that does not permanently resist distortion. Liquids are generally considered to be incompressible and gases compressible.研究流体运动规律的重要性 The behavior of fluids constitu

2、tes one of the foundations for the study of both unit operations and chemical reaction engineering.chem engineering第2页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOWIntroduction流体质点 Mass of fluid 流体分子自由程流体质点尺寸设备大小 流体质点是研究流体运动规律的考察对象连续性假定 Assumption of Continuity 假设流体是由大量质点组成的彼此间没有空隙，完全充满所占空间的连续介质 “理想流体

3、” Ideal Fluidchem engineering第3页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW主要内容流体静力学 Fluid Statics流体流动现象 Fluid Flow Phenomenon流体流动系统的质量衡算与能量衡算 Mass Balance and Energy Balance管内流动阻力 Drag in pipes流量测量与流体输送设备 Metering and Transportation of Fluid第4页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW1. 流体静力学 F

4、luid statics流体力学fluid mechanics： Fluid statics + fluid dynamics密度和相对密度 Density压强 Pressure流体静力学平衡 Hydrostatic equilibrium流体静力学方程应用举例 Applications第5页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW1.1 密度 DensityDensity of liquids Density of gases1) 定义 Definition:SI unit：kgm-32) 相对密度 Relative densityRelati

5、ve to the density of pure water at 4，d For example, the relative density of sulfuric acidNote: 比重 Specific gravity第6页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW1.2 压强 Pressure1) 定义 Definition2) 单位 pressure units：SI unit：Nm-2, Pa换算关系 Conversion of units： 1 atm (standard atmosphere)101325Nm-2 10332.5

6、 kgm-2 10.33m H2O760mm Hg 工程大气压 Engineering atmosphere 1 at l kgcm-2 = 9.807104 Nm-2 735.6mmHg10 mH2O第7页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW3) 压强测定的基准基准 Base：绝对真空 absolute vacuum(零压) 大气压强 air pressure绝对压强：based on the absolute vacuum相对压强：based on the air pressure表压 gauge pressure或真空度vacuum p

7、ressure表压强 = 绝对压强 - 大气压强真空度 = 大气压强 - 绝对压强 = - 表压强1.2 PressureNote： The air pressure will change according to the air temperature and height level at a certain place. 第8页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW第9页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOWProblem 2.1在兰州操作的真空蒸馏塔顶的真空表读数为80103Pa。在天

8、津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真空表的读数应为 。 已知：兰州地区的平均大气压强为95.3103Pa，天津地区的平均大气压强为101.33103Pa。第10页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW第11页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW1.3 流体静力学平衡 Hydrostatic equilibriumIn a stationary mass of a single static fluid, the pressure is constant in any cross sect

9、ion parallel to the earths surface, but varies from height to height.Consider the vertical column of fluid shown in Fig. 2-1第12页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW方程的推导Development of the equationThe resultant of all forces on the small volume of fluid of height dZ and cross-sectional area A

10、 must be zero.第13页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW1.3 Hydrostatic equilibrium适用范围 Application scope - Only applicable for the immobile incompressible fluid (liquid) in the field of gravity - 对于气体若压强变化不大，则上式亦可使用。在Z较小时, 可以近似作第14页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW1.4 应用举例 Applicat

11、ions 1) U形管压强计 ManometerspA=pAIf the measured fluid is a gas0第15页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOWProblem 2.2如图，由型管液柱高度差直接可测得反应器内相对压强为 毫米汞柱。若当地大气压为1atm，则反应器内绝对压强为 毫米汞柱。 第16页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW2. 流体流动 Fluid Flow Only one-dimensional flow (一维流动) is considered here.流

12、量和流速 Flow rate and velocity定常态流动与非定常态流动流动型态 Flow types流体的粘度与动量传递流动边界层 Boundary layers流速分布 Velocity distribution第17页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW2.1 流体的流量和流速 1) 流量Flow rate: Mass flow rate qm, uints: kgs-1 or kg h-1 Volume flow rate qV, units: m3s-1 or m3h-1 2) 流速Velocity: 平均流速u，单位为ms-

13、1 见: 管道截面上流体的流速分布3) Relation between flow rate and velocityNote: 气体的体积流量应注明温度和压力条件第18页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW2.1 Flow rate and velocityVelocity distribution in pipe4) 管道直径与流速 Relation between diameter and velocity第19页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW2.2 定常态流动与非定常态流动1)

14、 定常态流动 Steady flow2) 非定常态流动 Un-steady flow2.3 流动型态 Flow types1) 雷诺实验 Reynoids experiment2) 三种流动型态 Three types 层流 Laminar flow: At low flow rates 湍流或紊流 Turbulent flow: in the form of cross-currents and eddies. 过渡流 Transition from laminar to turbulent flow.第20页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID F

15、LOW2.3 Flow types3) 雷诺数Re Renoids number depends on four quantities: average linear velocity u, diameter of the tube d, viscosity and density of the liquid Re的量纲为1, 证明4) 雷诺数Re与流动型态 Re2000, the flow remains laminar; Re 4000, the flow in a pipe is turbulent 2000 Re 4000，the transition region第21页，共88页，

16、2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOWProblem 2.3同样流量，如果把管径放大一倍（物性不变），则雷诺数变为原来的 倍。 A liquid is flowing in a pipe with diameter45 mm2.5 mm, at steady state the Re is 28000，so the flow can be determined to be 。 A、turbulent B、laminar C、straight D、transitional 第22页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID

17、 FLOW1) Velocity gradient and shear stressyCF- F2.4 流体的粘度与动量传递 第23页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW2) Newtonian fluids & viscosityNewtonian fluids: gases and most liquids Non-Newtonian fluids 牛顿粘性定律与粘度Viscosity, SI units: Nsm-2 (Pas)CGS units: P (poise) 1P = 100cP = 0.1 Nsm-2 (Pas)Viscos

18、ities of gases and liquids 气体与液体的粘度. 第24页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOWNon-Newtonian fluids a) Bingham plastics 塑性流体 b) pseudoplastic fluid 假塑性流体 c) dilatant fluid 涨塑性流体第25页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW2.6 动量传递 Momentum transfer1) 流体作层流流动时的动量传递 剪应力可以看成动量传递速率或动量通量 momentu

19、m flux 引入运动粘度 Kinematic viscosity =/, 单位m2s-1流体作层流流动时, 动量传递主要依靠分子扩散作用第26页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW2.6 Momentum transfer2) 流体作湍流流动时的动量传递 注意: 方程中物理量与层流流动时不同。 湍流中的动量传递主要依靠流体质点的漩涡运动，传递机理十分复杂第27页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW2.5 流动边界层 Flow in boundary layersA boundary lay

20、er 平板上的流动边界层1) 层流时的边界层发展2) 湍流时的边界层发展流体流动时的摩擦阻力主要集中在边界层内湍流边界层内, 仍有一层流内层。湍流流动流体内的摩擦阻力主要集中在层流内层之中第28页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOWFig. 2.3 Boundary layer on a plate, OL, outer limit of boundary layer. (The vertical scale is greatly exaggerated.) 第29页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUI

21、D FLOWFIGURE 2.4 Development of turbulent boundary layer on a fiat plate (The vertical scale is greatly exaggerated.) 第30页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW2) 直管内的流动边界层 Boundary layer in straight tubes稳定段长度 Transition length L0 - For laminar flow- For turbulent flow L0=50100d第31页，共88页，2022

22、年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW3) 边界层分离 Boundary layer separation第32页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW3) Boundary layer separationmost frequently encountered when there is an abrupt change in the flow channel, such as: a sudden expansion or contraction, a sharp bend or diverge, an obst

23、ruction around which the fluid must flow.Because of the large energy losses resulting from the formation of a wake, it is often desirable to minimize or prevent boundary layer separation 第33页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW2.7 流速分布 Velocity distribution1) 管内层流流速分布 流速分布呈一抛物线形第34页，共88页，202

24、2年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW管内层流流速分布 Development of the formula2) 管内湍流流速分布第35页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOWProblem 2.4通常，液体的粘度随温度的升高而 ，气体的粘度随温度的升高而 。 A 减小，减小 B 增大，增大 C 减小，增大 D 增大，减小It is often desirable to minimize or prevent boundary layer separation because of resulting from

25、it. A、turbulent flow B、air binding C、noise D、energy losses第36页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW3 质量衡算 Mass balanceFor a fluid flow at steady state, if there is not any leakage or accumulation, then: Rate of mass flow in = Rate of mass flow out第37页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FL

26、OW3 Mass balanceEquations of mass flow rate qm1=qm2=qm= const Namely A1u11= A2u22=Au = const also named as the equation of continuity. For a incompressible fluids: A1u1= A2u2=Au = const also qv1=qv2=qv= const In a circular pipe第38页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW4 能量衡算 Energy balance衡算模型

27、 Consider a volume element of a stream tube第39页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW4 Energy balance1) 能量变化形式Energy types三种机械能 Mechanical energy - 位能 Potential energy：qmgz，Js-1 - 动能 Kinetic energy：1/2 qmu12，Js-1 - 压力能：进入流动系统的流体, 应具有能克服流体内部压强作功, 所需要的能量即压力能 (pA)(qv/A)= pqv，单位Js-1 内能 Internal en

28、ergy： qmU，单位Js-1第40页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW4 Energy balance2) 理想流体柏努利方程 Bernoulli equation without friction For an incompressible ideal fluid at steady flowDividing the equation by qm，gives第41页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW4 Energy balance2) Bernoulli equation with

29、out frictionDividing by g gives位压头、动压头和静压头，合计为总压头， 单位为m3) 实际流体的的柏努利方程 Bernoulli equation Considering the energy loss due to friction第42页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW4 Energy balance3) 实际流体 Bernoulli equation考虑输送机械对流体作功W，得同除以qm，得(hf单位为Jkg-1)(式2-30)由柏努利方程可以推出流体静力学方程第43页，共88页，2022年，5月20日

30、，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW4 Energy balance3) 实际流体的的柏努利方程 若再同除以g，得 “实际流体的柏努利方程” 适用于不可压缩流体的定常态连续流动系统He为流体输送机械的有效压头，即扬程； Hf为压头损失，单位为m第44页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW4 Energy balance能量衡算时应注意的问题： (1) 衡算截面与基准面的选择; (2) 式中各物理量，必须采用一致的单位制 第45页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW5 管内流

31、动阻力 Energy loss in pipes 直管阻力(沿程阻力): 来自于内摩擦流动阻力 局部阻力: 来自变径或变向引起的边界层分离单位为Jkg-1(参阅式2-30) 总阻力损失为：第46页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW5 Energy loss in pipes1m3流体的阻力损失为 hf 与压强单位一致, 故有 (2-34)沿程阻力损失计算局部阻力损失计算第47页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW 5.1 沿程阻力损失 Skin friction loss 1) 范宁公式

32、Fanning formula 2) 层流流动的阻力损失计算 Friction loss for laminar flow 3) 湍流摩擦阻力计算 Friction for turbulent flow 4) 莫狄(Moody)摩擦系数图第48页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW1) Fanning formula计算管内摩擦阻力损失的公式由力平衡关系推导第49页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW1) Fanning formula引入摩擦系数以压头损失表示, 有式(2-38)引入式2-

33、34, 得 (2-37) 则可以得到 (2-36)与剪应力有关，是流体物理性质和流动状况的函数第50页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW1) Fanning formula采用范宁因子 f (Fanning friction factor)表示范宁公式适用于不可压缩流体的定常态流动，既可用于层流，也可以用于湍流，关键是确定不同流动型态下的摩擦系数。第51页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW2) Friction loss for laminar flowHagen-Poiseuille

34、Equation 表征管内流体作层流流动时u与p的关系, 目的是推导的计算公式（推导过程自学）由式2-36得第52页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW3) 湍流摩擦阻力计算 Friction for turbulent flow 不能用解析方法导出的计算式，常采用量纲分析方法来建立经验关系式量纲分析方法 分析得知，影响的因素有、u、d和简化，暂不考虑的影响,则 =Adaubce 上式中各物理量的量纲分别为: = L0M0T0 d = L u = LT-1 = ML-3 = ML-1T-1第53页，共88页，2022年，5月20日，23点13

35、分，星期一CHP 2 FLUID FLOW3) Friction for turbulent flow量纲分析方法 等式两边量纲一致, 解得 b = - e; c = - e; a = - e 代入的表达式, 得 光滑管的经验公式 (1)适用的Re范围为5 000100 000第54页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW3) Friction for turbulent flow光滑管摩擦系数的经验公式 (2)粗糙管的经验公式适用范围为Re=30003 000 000, 限于钢管或铁管第55页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，

36、星期一CHP 2 FLUID FLOW4) 莫狄(Moody)摩擦系数图 (图2-17) 对Re与/d的关系曲线 层流流动：左上角直线 湍流光滑管：最下方曲线 Re=400010000，过渡区 湍流区：管壁影响增加 完全湍流区：图中虚线以上区域第56页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOWProblem 2.4某液体在管道中做稳定的层流流动，由于外界因素，液体温度升高。假定液体密度和流速保持不变，这时摩擦阻力系数 。 流体流动时，产生阻力根本原因是 ，摩擦系数与 有关，在层流时则只与 有关。实验测得某流体在管内流动雷诺数Re为800，则此流动的

37、摩擦阻力系数= 。 第57页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW5.2 局部阻力损失计算当量长度法 当量长度的值一般用le /d表示（p46 图2-18）阻力系数法 管件与阀门的阻力系数与当量长度数据(p45 表2-3)第58页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOWExample 2-1 用泵将溶剂由地面贮槽输送至距槽内液面10 m高处的塔中(见例2-l附图)。地面贮槽通大气，塔中压力为0.2atm(表压), 流量为6m3h-1时，输送管道为38mm3mm的无缝钢管，管长20米，泵的吸入管路底

38、部有一摇板式止逆底阀，管路中有10个标准90弯头，一个标准截止阀(全开)，一个闸阀(全开)。求输送单位质量流体需要提供的机械能。(输送温度下溶剂的物性为：=861kgm-3，6.4310-4 Pas)第59页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW第60页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOWSolution guide to Example 2-11. 明确要求解的物理量2. 取衡算截面、列出基本方程3. 找出压力项4. 找出位能项5. 找出动能项：注意d为内径6. 求阻力损失：沿程、局部注意：

39、流出口截面的选择与u及管口突然扩大损失系数第61页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW6 流体流量的测量 Metering of fluids 介绍两种有代表性的流量计孔板流量计 Orifice meter转子流量计 Rotameter第62页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW6.1 孔板流量计 Orifice meter1) 结构 Structure 2) 测量原理 Principles of measurement缩脉(最小截面)的出现 As shown in Fig. 2-19 产生

40、动能差根据质量衡算u1A1 = u2A2，A2 A1 ，u2 u1产生压强差 根据能量衡算，p2p1第63页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW第64页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW6.1 Orifice meter2) 测量原理 Principles of measurement压力能与动能转换 z1=z2，故According to the equation of continuity第65页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW2

41、) Principles of measurement 经一系列校正，取常数C0 （孔流系数，通常在0.60.7）得3) 安装要求 - 水平直管：上游和下游分别(1540)d和5d - 孔板与管道同轴 缺点是阻力损失大第66页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW文丘里流量计 Venturi meter 改进孔板流量计阻力损失过大的缺点6.2 转子流量计 Rotameter第67页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW7 流体输送设备 Transportation equipmentCLASSI

42、FICATIONAccording to material transported a 泵 pumps: for liquids b 鼓风机或压缩机 blowers and compressors: gasesAccording to work principle a 正位移泵 positive-displacement pumps: 往复式 Reciprocating pumps 旋转式 Rotary pumps b 离心泵 Centrifugal pumps第68页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW7.1 离心泵Centrifugal

43、pumps1) 构造和工作原理 Structure and principles气缚现象 Air binding第69页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW第70页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW7.1 Centrifugal pumps2) 主要性能参数 Performance characteristics (1) 扬程 Head (2) 流量 Flow rate (3) 功率和效率 Power and efficiency (4) 特性曲线 Characteristic curve

44、s3) Example 2.2第71页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW (1) Head又称为泵的压头，用He表示，单位为m (Note: 与He的区别) 实验测定装置如图2-22所示 根据能量衡算并忽略阻力损失项,得上式改写为:第72页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW第73页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW(2) Flow rate又称为送液能力，用qv表示，单位为m3s-1或m3h-1。 (3) Power and effi

45、ciency轴功率P与有效功率Pe为泵效率,一般为5070，有些大型泵可达80 电动机的选配及安全系数(p55 表2.4)(4) 特性曲线 Characteristic curves如图2-23：高效区的概念第74页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW第75页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOWExample 2-2 用泵将地面贮槽中密度为1840 kgm-3的液体以1.5kgs-1 流量送到贮罐中。如附图所示，地面贮槽内液面恒定，贮罐高出地面贮槽液面10 m，地面贮槽和贮罐皆通大气。输送管道内径为25 mm，流动过程的能量损失为52.0Jkg-1，若泵的效率为50，计算泵所需的轴功率。 第76页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOW第77页，共88页，2022年，5月20日，23点13分，星期一CHP 2 FLUID FLOWSolution to EXP 2.2解：在附图中取两截面, 列柏努利方程： 据题意: