第一章 流体流动与输送

第一章流体流动与输送化工生产中处理的原料、中间产物，产品，大多数是流体，涉及的过程大部分在流动条件下进行。流体的流动和输送是必不可少的过程操作。①选择输送流体所需管径尺寸。②确定输送流体所需能量和设备。③流体性能参数的测量,控制。④研究流体的流动形态，为强化设备和操作提供理论依据。⑤了解输送设备的工作原理和操作性能，正确地使用流体输送设备。研究流体的流动和输送主要是解决以下问题。第一章流体流动与输送1.1流体流动、流量和流速1.2流体的流动阻力1.3流体输送机械1.1流体流动、流量和流速1.1.1流体流动1.1.2流量1.1.3流速1.1.1流体流动流体是液体和气体的总称，其基本特征是具有流动性。所谓流动性就是在静止时不能承受剪切力的作用，当有剪切力作用于流体时，流体质点间就会产生相对运动。气体和液体既具有共性，也具有各自的特性，即气体是可压缩的，而液体则由于其压缩性很小，工程上近似认为是不可压缩的。所以在讨论共性的同时，也要讨论它们各自的特性及处理方法。化工生产中所处理的物料，不论是原料、中间产品或者是产品，大部分是流体。在生产过程中，无论是化学处理或是物理处理过程，流体总是需要从一个设备流到另一个设备，从一个车间送到另一个车间，为了完成流体输送任务，必须解决管路的配置，流量、压强的测定，输送流体所需要的能量的确定和输送设备选用等技术问题。此外，设备中的传热、传质及化学反应都是在流动的流体中进行，它们与流体流动形态密切相关。研究流体的流动形态和条件，可作为强化化工设备的依据。因此，流体流动与输送是化工生产中必不可少的单元操作。3.1流体的基本性质1．密度单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，其表达式为：ρ——流体密度，kɡ·m-3;m——流体质量，kg；V——流体体积，m3。气体具有可压缩性及热膨胀性，其密度随压力和温度有较大的变化。气体密度可近似地用理想气体状态方程进行计算：

ρ=pM/RT

p—气体压力kN·m-2或kPa；T—气体温度K；M—气体摩尔质量g·mol-1；R—气体常数J·mo1-1·K-1。ρ=m／V化工生产中所遇到的流体，往往是含有多个组分的混合物。对于液体混合物，各组分的浓度常用质量分数表示。ρi—液体混合物中各纯组分液体的密度，kg·m-3；wi—液体混合物中各组分液体的质量分数。ρi—气体混合物各纯组分的密度，kg·m-3；

φi—气体ρ混合物中各组分的体积分数。

对于气体混合物:2．比体积

单位质量流体所具有的体积称为流体的比体积，以υ表示，它与流体的密度互为倒数:υ一流体的比体积，m3·kg-1；ρ—流体的密度，kg·m-3。

υ=1/ρ3．压力

流体垂直作用于单位面积上的力称为压力：p—流体的压力，Pa；F—流体垂直作用于面积A上的力，N；A—作用面积，m2。压力的单位Pa（Pascal，帕），即N·m-2。Latm=760mmHg=1.01325×105Pa=10.33mH2O=1.033kgf·㎝-2常用压力单位与Pa之间的换算关系如下：P=F／A压力有两种表达方式。一是以绝对零压为起点而计量的压力；另一是以大气压力为基准而计量的压力，当被测容器的压力高于大气压时，所测压力称为表压，当测容器的压力低于大气压时，所测压力称为真空度。

两种表达压力间的换算关系为

表压=绝对压力-大气压力真空度＝大气压力-绝对压力用图3—1来表示其关系流体压力的重要特性:①流体压力处处与它的作用面垂直,并且总是指向流体的作用面②流体中任一点压力的大小与所选定的作用面在空间的方位无关1.1.2流量（1）体积流量（2）质量流量流量

单位时间内流体流经管道任一截面的流体量，称为流体的流量。若流体量用体积来计量，称为体积流量，以符号qv表示，单位为m3·s-1；若流体量用质量来计量，则称为质量流量，以符号qm表示，其单位为kg·s-1。qm=ρqV

体积流量和质量流量的关系为：（2）质量流量

单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离，称为流体的流速，以u表示，单位为m·s-1。u=qV/S

S——与流体流动方向相垂直的管道截面积，m2管道中心的流速最大，离管中心距离越远，流速越小，而在紧靠管壁处，流速为零。通常所说的流速是指流道整个截面上的平均流速，以流体的体积流量除以管路的截面积所得的值来表示：1.1.3流速

质量流速的定义是单位时间内流体流经管路单位截面积的质量，以w表示，单位为kg·s-1·m-2，表达式为：w=qm／S

流速和质量流速两者之间的关系：液体1.5～3.0m·s-1，高粘度液体0.5～1.0m·s-1；气体102～0m·s-1，高压气体15～25m·s-1；过热水蒸气30～50m·s-1。

w=ρu工业上用的流速范围大致为：1.1.3流速补充：粘度

粘性是流体内部摩擦力的表现，粘度是衡量流体粘性大小的物理量，是流体的重要参数之一。流体的粘度越大，其流动性就越小。流体在圆管内的流动，可以看成分割成无数极薄的圆筒层，其中一层套着一层，各层以不同的速度向前流动，如图3-2所示。1.2流体的流动阻力1.2.1流体在管内流动阻力的计算1.2.2流体的两种流动型态--层流和湍流1.2.3直管阻力的计算1.2.4局部阻力的计算1.2.5减小流动阻力的途径流体本身具有粘性，流体流动时因产生内摩擦力而消耗能量，是流体阻力损失产生的根本原因。管道大小、内壁形状、粗糙度等影响着流体流动状况，是流体产生阻力的外部条件。本节介绍管路与系统的管、管件、阀门，并讨论流体的流动形态和管内流体流动阻力的定量计算。1.2.1流体在管内流动阻力的计算

常把玻璃管、铜管、铅管及塑料管等称为光滑管；旧钢管和铸铁管称为粗糙管.钢管分有缝钢管和无缝钢管,管子按照管材的性质，可分为光滑管和粗糙管。

管壁粗糙面凸出部分的平均高度，称为绝对粗糙度，以ε表示。绝对粗糙度ε与管内径d的比值，称为相对粗糙度。表3-1列出了部分管道的绝对粗糙度。管子种类繁多。有铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属管、塑料管及橡胶管等。

(1)管

1.管、管件及阀门简介

（3）阀门阀门在管道中用以切断流动或调节流量。常用的阀门有截止阀、闸阀和止逆阀等。

（2）管件用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。

1.2.2流体的两种流动型态--层流和湍流为了解流体在管内流动状况及影响因素，雷诺设计的实验可直接观察到不同的流动形态。实验装置如图所示。

（1）两种流动形态流速不大时墨水呈一条直线，平稳流过管，质点彼此平行的沿着管轴的方向作直线运动，质点与质点之间互不混合。这种流动形态称为滞流或层流。开大阀门时，墨水线开始出现波动。流速继续增大，细线消失，墨水与水完全混合。表明水的质点除了沿着管道向前流动以外，各质点还作不规则的紊乱运动，且彼此相互碰撞，互相混合，水流质点除了沿管轴方向流动外，还有径向的复杂运动，这种流动形态称为湍流或紊流。

DBAC墨水流线玻璃管1883年,英国物理学家OsboneReynolds作了如下实验。（2）雷诺实验现象两种稳定的流动状态：层流、湍流。用红墨水观察管中水的流动状态(a)层流(b)过渡流(c)湍流湍流：主体做轴向运动，同时有径向脉动；特征：流体质点的脉动。层流：*流体质点做直线运动；*流体分层流动，层间不相混合、不碰撞；*流动阻力来源于层间粘性摩擦力。

过渡流：不是独立流型（层流+湍流），流体处于不稳定状态（易发生流型转变）。1.2.2流体的两种流动型态--层流和湍流流动形态的判据影响流体流动的因素除流速u外，还有流体流过的通道管径d的大小，及流体的物理性质如粘度μ和密度ρ。称为雷诺数，以符号Re表示：流体在圆形直管中流动时，当Re≤2000，流体流动形态为滞流；当Re≥4000时，流体流动形态为湍流；而当2000<Re<4000时，流体的流动则认为处于一种过渡状态，可以是滞流，也可以是湍流。Re＝duρ/μ若将各物理量的量纲代入，则有：[Re]=L·LT-1·ML-3/ML-1·T-1实验分析①影响状态的因素：Re是量纲为一数群

②圆形直管中

Re≤2000稳定的层流

Re≥4000稳定的湍流2000＜Re＜4000不稳定的过渡流试题：某油的黏度为70mPa.s，密度为1050kg/m3,在管径为φ114mm*4mm的管路中流动。若油的流量为30m3/h,试确定管内油的流动形态。1.2.3直管阻力的计算1.2.3直管阻力的计算1.2.3直管阻力的计算1.2.4局部阻力的计算①阻力系数法②当量长度法①阻力系数法表1-1常见管件和阀门的局部阻力系数及以管径计的当量长度②当量长度法1.2.5减小流动阻力的途径（1）减小直管阻力的途径（2）减小局部阻力的途径（1）减小直管阻力的途径（1）减小直管阻力的途径（2）减小局部阻力的途径1.3流体输送机械1.3.1液体输送机械1.3.2气体输送机械与压送机械1.3.1液体输送机械1、离心泵的结构和工作原理2、离心泵的主要部件3、其它类型的泵1、离心泵的结构和工作原理离心泵是利用高速旋转的叶轮产生的离心力来输送液体的机械。离心力的作用，可以从日常生活中的实例来说明。如雨天，雨伞上的水滴人们习惯用旋转雨伞的办法，将其甩掉。当雨伞旋转时，就产生了离心力，伞布上的水滴在离心力的作用下，被抛向伞边缘，并从伞边缘沿切线方向脱离伞布。生产中的离心泵如图1-3所示。它的主要部件是一个蜗壳形的泵壳和一个固定在泵轴上的叶轮。叶轮上有6～12片向后弯曲的叶片。泵壳上有两个接口，一个在泵壳中央为吸入口，与吸入导管相连，导管末端装有单向底阀；另一个接口是在泵壳旁侧切线方向，为压出口，与压出导管相连。1、离心泵的结构和工作原理离心泵一般由电动机带动。在开泵前，泵内充满了液体。当叶轮高速旋转时，带动叶片间的液体一道旋转，由于离心力的作用，液体从叶轮中心被甩向叶轮边缘，流速可增大至15～25m/s，动能增加。当液体进入泵壳之后，由于蜗壳形泵壳中的流道逐渐扩大，流速逐渐降低，一部分动能转变为静压能，于是液体以较高的压强压出。与此同时，叶轮中心处由于液体被甩出而形成了一定的真空，而液面处的压强比叶轮中心的要高，因此吸入管处的液体在压差作用下进入泵内。只要叶轮的旋转不停止，液体就连续不断地吸入和压出。离心泵运转时，如果泵内没有充满液体，或者