化学工程流体的流动和输送省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第一篇第一篇 传递过程传递过程流体动力过程流体动力过程流体输送流体输送、压缩和减压、流速流速与流量与流量、过滤、沉降、离心分离、流态化热量传递过程热量传递过程加热加热、冷却、蒸发质量传递过程质量传递过程蒸馏与精馏蒸馏与精馏、吸收与解吸、萃取、离子交换、吸附、干燥、膜分离第1页流体流动基本规律是化工操作主要基础流体流动基本规律是化工操作主要基础。1.很多单元操作,都包括流体流动基本规律。2.流体流动与传热、传质乃至反应过程是不可分割。3.流体流动规律和传热、传质规律有类似性。本章着重讨论流体流动过程基本原理及流体在管内流动规律,并利用这些原理与规律去分析和计算流体输送问题。第二章第二章 流体流动
2、和输送流体流动和输送 第2页在学习本章时,重点可围绕以下几个基本方程来进行。流体静力学方程流体静力学方程质量衡算和连续性方程质量衡算和连续性方程能量衡算和柏努利方程能量衡算和柏努利方程动量衡算和流体阻力计算关系式动量衡算和流体阻力计算关系式第3页第一节第一节 流体静力学流体静力学 流体性质密度、重度、比重、比容概念粘度概念流体在静止时压力分布静力学方程讨论和应用第4页流体性质1.流体是什么?流体是无数分子集团组成连连续续介质。气体和液体统称为流体。2.流体包含液体、气体、固体颗粒悬浮于液体或气体中。3.流体可分为:不可压缩流体(如液体)、可压缩流体(如气体)。流体体积假如不随压力及温度改变,不
3、可压缩流体;假如随压力及温度改变,可压缩流体。气体密度随温度、压强改变较小,作为不可压缩流体。第5页流体静压强1.压强概念2.压强单位法定单位,N/m2,Pa。非法定单位:atm(标准大气压)、某流体在柱高度、bar(巴)或kgf/cm2等。1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133bar=1.013105Pa第6页工程上:1at=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=0.9807bar=9.807104Pa1atm=1.033at第7页表压绝对压力大气压力真空度大气压力绝对压力第8页例2-1某台离心泵进、出口压力表读数分别为220mmH
4、g(真空度)及1.7kgf/cm2(表压)。若当地大气压力为760mmHg,试求它们绝对压力各为若干(以法定单位表示)?第9页流体密度与比容流体密度与比容 一、密度一、密度生产中流体由若干组分所组成混合物。1.对于液体混合物,其组分浓度用质量百分数来表示。以1kg混合液体为基准,1)组分在混合前后其体积不变,即;式中-液体混合物中各纯组分密度,kg/m3;xwA、xwB、xw n-液体混合物中各组分质量分率。2)组分在混合前后其体积发生改变,参考化工热力学相关章节。第10页2.气体混合物组成通常以体积分率表示。各组分在混合前后其质量不变,则式中xVA、xVBxV n、-气体混合物中各组分体积分
5、率。当气体混合物温度、压力靠近理想气体时,混合气体平均分子量MmMm MAyA+MByB+Mnyn式中MA、MB、Mn气体混合物各组分分子量;yA、yB、yn气体混合物各组分摩尔分率。第11页二、比容二、比容(课后了解课后了解)第12页液体静力学基本方程式液体静力学基本方程式 不可压缩流体:在垂直方向上作用于液柱力有:1.下底面:p2A;上底面:p1A;第13页1.压力相等水平面,称为等压面。(静止、连续、同一)2.当液面上方压力有改变时,必将引发液体内部各点压力发生一样大小改变。3.式可改写为第14页位压头(potentialhead):为流体距基准面高度,静压头(static head):
6、,为单位重量流体静压能。静压头位压头常数第15页流体静力学基本方程式应用流体静力学基本方程式应用 一、压力测量一、压力测量 1.U型管液柱压差计pap1+(m+R)gpbp2+mg+R0g因为 papb 图2-4U管液柱压差计所以 p1+(m+R)gp2+mg+R0gp1p2R(0)g测量气体时,可简化为:p1p2R0g第16页2.微差压差计第17页例2-2P27第18页例2-3P28测量灵敏度第19页确定液封高度确定液封高度 如图所表示安全液封(或称为水封)装置。其作用是当设备内压力超出要求值时,气体就从液封管排出,以确保设备操作安全。若设备要求压力不超出P1(表压),按静力学基本方程式,求
7、水封管插入液面下深度h。本题中要求乙炔发生炉内压强不超出10.7103Pa(表压)。第20页管内流体流动基本方程式管内流体流动基本方程式 流量和流速概念流量和流速概念稳定流动与不稳定流动稳定流动与不稳定流动流体流动物料衡算和连续性方程流体流动物料衡算和连续性方程流体流动能量衡算和流体流动能量衡算和Bernoulli方程方程Bernoulli方程讨论和应用方程讨论和应用第21页流量和流速概念一、流量-单位时间内流体流过管道任一截面流体量。1)体积流量,m3/s。2)质量流量,kg/s表示式为:二、流速单位时间内流体在流动方向上所流过距离,m/s。1.平均流速2.质量流速第22页例例题题某厂精馏塔
8、进料量为50000kg/h,料液性质和水相近,密度为960kg/m3,请选择进料管管径。解:依据公式计算,1.选流速料液性质与水相近,查阅流体在管道中惯用流速范围表(0.53.0m/s)2.查阅管子规格3.重新核实流速第23页第24页稳定流动与不稳定流动稳定流动与不稳定流动 稳定流动:运动空间、各点状态参数(速度、压力、密度等)不随时间而变流动。不稳定流动:运动空间、各点状态参数(速度、压力、密度等)随时间而变流动。第25页连续性方程式连续性方程式(物料衡算)(物料衡算)第26页例例题题在定态流动系统中,水连续地从粗管流入细管。粗管、细管内径分别为d1,d2,求细管内水流速与粗管内水流速关系。
9、解:结论:体积流量一定时,流速与管径平方成反比.第27页Bernoullis equation动量原理速度改变u,u+du动量改变速率为微元管段上所受作用力第28页物理意义第29页2.不可压缩非理想流体(有能量损失)实际流体含有粘性,流动必定有阻力,应加在下游如有外加机械功,应加在上游实际功率、有效功率第30页Bernoulli方程式应用方程式应用 类型:1.确定管道中流体流量2.确定容器间相对位置3.确定输送设备有效功率4.确定管路中流体压强5.非稳态流动系统流动第31页例1-9第32页解基准面:截面1-1,设截面2-2:蒸发器入口管口;在1-1与2-2截面间列方程式,即可认为u10,第33
10、页注意以下事项:(1)作图与确定衡算范围依据题意画出流动系统示意图,并指明流体流动方向。(2)选取截面选取截面时应考虑到柏努利方程式是流体输送系统在连续、稳定范围内,对任意两截面列出能量衡算式,所以首先要正确选定。(3)确定基准面基准面是用以衡量位能大小基准。(4)压力同一基准(5)单位:SI单位制第34页例2-8实际流体流动产生涡流,阻力损失,对u校正,所用时间:第35页例2-9表压表压p1、p2皆用表压带入计算p2真空度=70.4kPa第36页2-2.4 流体流量测量流体流量测量 一、测速管一、测速管在内管2和外管1之间列方程z1 z2第37页测速管安装测速管安装1.必须确保测量点位于均匀
11、流段,普通要求测量点上、下游直管长度最好大于50倍管内径,最少也应大于812倍。2.测速管管口截面必须垂直于流体流动方向,任何偏离都将造成负偏差。第38页二、孔板流量计二、孔板流量计引进一校正系数C,令:令:第39页第40页二、孔板流量计二、孔板流量计引进一校正系数c0,令:第41页例题2-10 P37第42页三、文丘里(三、文丘里(Venturi)流量计)流量计第43页四、转子流量计四、转子流量计 u00101第44页(二)(二)转子流量计校核转子流量计校核下标1表示出厂标定所用液体;下标2表示实际工作时液体:表示实际工作时气体密度(三)(三)安装转子流量计时应注意几点安装转子流量计时应注意
12、几点转子流量计必须垂直安装,若倾斜度1度将造成0.8误差。转子流量计必须安装在垂直管路,而且流体流动方向必须是由下往上。第45页孔板流量计与转子流量计区分孔板流量计与转子流量计区分区分点孔板流量计孔板流量计转子流量计转子流量计流通截面形状圆孔,大小不变环形,改变经过流通截面流速u随流量qv改变u不随qv变经过流通截面压强差改变不变因为转子流量计因为转子流量计u u不随不随qv而变,只改变转子所处截面位置,所以而变,只改变转子所处截面位置,所以又叫又叫截面流量计截面流量计。经过环隙压强差(经过环隙压强差(p1-p2)不变,所以又叫)不变,所以又叫恒压差流量计恒压差流量计。第46页2-3 实际流体
13、流动实际流体流动 粘度概念粘度概念 流体流动类型和雷诺准数流体流动类型和雷诺准数第47页牛顿粘性定律与流体粘度牛顿粘性定律与流体粘度 牛顿粘性定律牛顿粘性定律为百分比系数,称为粘性系数,或动力粘度(viscosity)。粘度只有在流体流动时才表现出来。粘度只有在流体流动时才表现出来。第48页第49页粘度单位在SI中,(基本单位:kgm-1s-1)在CGS中,=P(泊)=100cp(厘泊)第50页对于液体:温度增加,粘度下降;为何?对于气体:温度增加,粘度上升;为何?第51页运动粘度流体粘性还可用粘度与密度比值来表示。SI单位制CGS中单位,称为斯托克斯,简称为沲第52页流体中动量传递流体中动量
14、传递 动量梯度剪应力可看作单位时间单位面积动量,称为动量传递速率第53页非牛顿型流体非牛顿型流体不服从牛顿粘性定律流体,如泥浆、一些高分子溶液、悬不服从牛顿粘性定律流体,如泥浆、一些高分子溶液、悬浮液等。浮液等。第54页非牛顿型流体非牛顿型流体对于非牛顿型液体流动研究,属于流变学范围。对于非牛顿型液体流动研究,属于流变学范围。1、宾汉型流体、宾汉型流体 宾汉型流体与牛顿型流体唯一差异是:宾汉型流体与牛顿型流体唯一差异是:为使该类流体流动需加入一个额外剪应力为使该类流体流动需加入一个额外剪应力:实际中实际中宾汉塑性流体有宾汉塑性流体有:干酪、巧克力浆、肥皂、纸浆、泥浆等干酪、巧克力浆、肥皂、纸浆
15、、泥浆等第55页2、胀流型流体这类流体不普遍,其运动特征是表观粘度随这类流体不普遍,其运动特征是表观粘度随剪切速率增加而更加快增大剪切速率增加而更加快增大实际中实际中胀流型流体有胀流型流体有:淀粉溶液、蜂蜜、湿沙等淀粉溶液、蜂蜜、湿沙等n1第56页3、假塑性流体大多数非牛顿型流体属于假塑性流体,这类流体流动特征大多数非牛顿型流体属于假塑性流体,这类流体流动特征是其表观粘度随剪切速率增大而增加较少是其表观粘度随剪切速率增大而增加较少实际中实际中假塑性流体有假塑性流体有:蛋黄酱、血液、番茄酱、果酱、高分子溶液等蛋黄酱、血液、番茄酱、果酱、高分子溶液等n1第57页2-3.2 流体流动形态流体流动形态
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