上海石油化工厂.ppt

上海石油化工厂,牡丹江石化,青岛石化,第一章,流体流动,流体是指具有流动性的物体，包括液体和气体。流体输送操作是化工生产中应用最普遍的单元操作。流体流动是其它化工过程的基础。在研究流体流动时，常将流体看成是由无数分子集团所组成的连续介质。流体力学流体静力学和流体动力学,第一节流体静力学,流体的密度,、密度在均质流体中，单位体积流体的质量。m/vkg/m3、比容单位质量流体的体积。v/mm3/kg流体的比容与密度互为倒数。,液体的密度,温度对液体密度有一定影响，故选用密度数值时要注意所确定的温度。液体的比重是指在任何温度下时液体的密度和水在4℃时密度之比值S/水/1000混合液体,气体的密度,1、气体的密度随压力和温度变化很大，按照理想气体状态方程式近似计算m/VPM/RT2、理想气体标况时0M/22.4kg/m33、当已知气体标况密度00T0/TP/P04、混合气体PM均/RTmAxVABxVBNxVN,作用在流体上的力,内力流体内部分子间的相互作用力，分子间引力，压力，内摩擦力，它们在流体内部，对所研究的那块流体来讲是相互平衡的，对流体的运动是没有影响的。,,外力外界作用于所研究的那块流体的力。外力分表面力和质量力两种，流体运动的情况取决于外力。,作用在流体上的外力,作用在所研究的那块流体表面上的力称表面力，属于这种力的有与该表面垂直的法向力以及与该表面相切的切向力，法向力即压力。,a表面力,b质量力,作用在所研究的流体各个质点上的一种力，其大小与质点的质量成正比，对均质流体来说，也与流体的体积成正比，故亦称体积力。,流体静压强,静止流体中任意界面上只受到大小相等方向相反的压力，由于该压力产生在静止流体中，因而称为静压力。单位面积上所受的静压力，称为流体静压强。pP/AN/m2Pa使界面的面积缩小并趋于一点,流体静压强的特征,1、流体静压强的方向总是和作用的面相垂直，并指向所考虑的那部分流体的内部，即沿着作用面的内法线方向。2、静止流体内部任何一点处的流体静压力，在各个方向都相等。3、在流体与固体接触的表面，不论器壁的方向形状如何，流体静压力总是垂直于器壁。,流体静压强的单位,●在SI制中压力单位Pa1kPa103Pa106mPa●设容器底面积为Am2液柱高hm，液体密度kg/m3，则液体作用在底面的力为PN等于液柱重量作用在单位底面上的压力●当液体一定，P、g一定为常数，所以可用高度h的大小表示压强p的大小,hp/gm,PmgAhgN,pP/AhgN/m2,表示压强的基准,绝对压强以绝对真空为基准测得的压强；相对压强以当地大气压为基准测得的压强表压和真空度P当地大气压，表压强绝对压强-大气压强p当地大气压，真空度大气压强-绝对压强,流体静力学基本方程,一、概念由于流体处于相对静止状态，所以流体所受的质量力只有重力，而重力就是地心吸力，是可以看作不变的，但静止流体内部各点的压力是不同的，所以实质上是讨论流体内部压力变化的规律，用于描述这一规律的数学表达式称为流体静力学基本方程。,二、推导,在垂直方向上，力的平衡p2Ap1AGp1AgA（Z1Z2）p2p1g（Z1Z2）若Z1面在水平面上p2p0gh,三、讨论,1、当容器上方的自由表面上压强的大小一定时，静止液体内部任一点压强的大小与流体本身的密度和该点距液面的深度有关。因此在静止的、连续的同种液体内，处于同一水平面上各点的压强都相等。2、当液面上方的压强有变化时，液体内部各点的压强也发生同样大小的改变。3、压强差的大小可以用一定高度差的液体柱来表示，这就是前面所介绍的压力可以用单位来计量的依据。但必须注明何种液体。,流体静力学基本方程式的应用举例,一、流体静压强的测量,指示剂要求不与被测液互溶、反应；密度大于被测液体。常用的有水，水银，四氯化碳,p1p2（0）gR,二、液位的测量,三、液封高度的计算,作用当设备内压强超过规定值时，气体就从液封管排出，以确保设备操作的安全。若设备要求压强不超过p1，按静力学基本方程式，则水封管口的液面高度h,,第二节流体动力学,流量和流速,1、流量流体在管内流动时，单位时间内通过任一截面的流体量。体积流量Vsm3/s质量流量mskg/s关系msVs2、流速流体在管内流动时，单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。平均流速uVs/Am/s质量流速Gms/A、kg/m2s,3、Vs，Ws，u，G之间的关系uVs/AVsuAGms/AuA/Au4、圆形管道直径的选定一般管路截面积都是圆形，A＝Vsu则uVs/di要确定管径关键在合理选择流速，见教材15页表1－1某些流体在管道中常用流速范围。,u关键选择,若u大，管道阻力大，动力消耗大，操作费用大；d可小若u小，管道阻力小，但d大，建设成本大。所以，设计管道时，需要综合考虑这两个互相矛盾的经济因素。一般情况下，液体流速u0.5-3m/s;气体流速u10-30m/s,适宜流速的确定,某些流体在管道中常用流速范围,稳定流动与不稳定流动,1、稳定流动各截面上流体的流速，压强，温度等有关物理量仅随位置而改变，不随时间而改变的流动称为稳定流动。2、不稳定流动各截面上流体的流速，压强，密度等有关物理量不仅随位置而改变，而且随时间而变的流动就称为不稳定流动。,流体稳定流动时的质量守恒连续性方程,推导以管内壁，截面1-1与2-2为衡算范围ms1＝ms2＝常数kg/su11A1u22A2＝常数～连续性方程若流体不可压缩液体＝常数u1A1u2A2对圆管Ad2/4u1d12u2d22说明u只与截面积有关，而与管路上任何设备无关。,流体稳定流动时的能量守恒柏努利方程,流体流动中的机械能机械能（位能、动能、静压能）在流动过程可以互相转换，亦可转变为热或流体的内能。但热和内能在流体流动过程不能直接转变为机械能而用于流体输送。,（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质量为m的流体所具有的位能为mgz,（2）动能,液体因运动而具有的能量，称为动能单位质量流体所具有的动能,,,,（3）静压能,流体通过某截面时，由于该处流体具有一定的压力，这就需要对流体作相应的功，以克服此压力，才能把流体推进系统里去。流体所带用以克服这种功的能量叫静压能。单位质量流体所具有的静压能v流体的比容（比体积），,,,,,（4）外功,流体输送机械（如泵或风机）向流体作功用We表示，单位J/kg。,（5）能量损伤,液体流动克服液体自身粘度而消耗的机械能，转化为热能。用ΣWf，单位J/kg。,柏努利方程的导出,理想流体的柏努利方程式,根据牛顿第二定律固体质点运动，无摩擦（理想条件）机械能＝位能＋动能＝常数流体流动，无摩擦（理想流体，无粘性μ＝0、F＝0、τ＝0）机械能＝位能＋动能＋静压能＝常数单位质量流体所具有的机械能＝,,实际流体的柏努利方程式,流体具有粘度，流动时有摩擦阻力；管路中有能量输入机械。[J/kg]单位质量流体的机械能守恒方程。[J/N]或[m流体柱]单位重量流体的机械能守恒方程。各项为位压头，动压头，静压头，有效压头（外加压头），压头损失,,柏努利方程的应用,应用条件1、连续的稳定流动2、不可压缩流体的流动3、同一种流体内4、对气体p1-p2/p120可以用，但用m,柏努利方程的应用,确定容器的相对位置确定送料用压缩空气的压力确定输送设备的有效功率计算管道中流体的流量,应用柏努利方程的解题要点,1、作图，确定衡算范围2、截面的选取3、基准水平面的选取4、单位必须一致，各物理量单位换算成一致的，对压强表示方法也要一致，同时用绝压或同时用表压。,第三节管内流体流动现象,一、流体的粘性,内摩擦力流体运动时内部相邻两流体层间的相互作用力，称为内摩擦力，是流体粘性的表现，又称粘滞力或粘性摩擦力。内摩擦力是流体运动时造成能量损失的根本缘由。粘性尽管流体抵抗剪切力的性能很弱，但这种性能还是存在的，并且在某些情况下还是不能忽略，我们把流体的这种抗拒剪切力的特性，称为粘性。粘性越大，内摩擦力越大，阻力越大。,二、牛顿粘性定律,流体内摩擦力FduA/dy剪应力F/Adu/dy管内流动时du/dy（牛顿粘性定律）––粘度,流体的粘度,粘度的物理意义促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。粘度是流体的物理性质之一，其值由实验测定，液体的粘度随温度升高而减小，压强变化时，其粘度基本不变。气体粘度随压强增加而增加的很小，工程计算一般忽略。,粘度单位,在SI制中，[]PaSkg/Sm1P1g/cms100cP0.1PaS运动粘度/单位在SI中为m2/s,雷诺实验装置,雷诺实验装置1-小瓶；2-细管；3-水箱；4-水平玻璃管；5-阀门；6-溢流装置,,流型的判据雷诺数,雷诺实验装置,流体的流动型态,两种流动型态层流各层以不同的流速平行于管壁向前流动。湍流除了沿管道向前运动以外，各质点还作不规则的杂乱运动且互相碰撞，互相混和。,流型的判据–––雷诺数,雷诺数Redu/Re是一个准数，即没有单位的纯数实验证明，流体在管内流动时层流Re4000过渡流2000Re此时管壁粗糙度对于的影响与层流相同。当b此时壁面粗糙度对影响成为重要因素。,层流时的摩擦系数64/Re湍流时的摩擦系数湍流时摩擦系数与流动型态和管壁粗糙度有关。影响因素很多无通用计算式，只能用经验公式算或图1-31查得值。,摩擦系数,非圆形管道的摩擦系数,当量直径de对于非圆形管道用当量直径代替直径计算，湍流时的计算与圆管相同，层流时C/64,C值的不同情况见书。,管路的局部阻力,流体在管路的进口，出口，弯头，阀门，扩大，缩小等局部位置流过时的阻力称为局部阻力。,1、阻力系数法把克服局部阻力所引起的能量损失，用动能与系数相乘的形式来表示。hfu2/2––局部阻力系数，一般由实验测定。2、当量长度法把流体的局部阻力折合成相当于流体流过长度为le的同直径的管道时所产生的阻力。hf,管路总能量损失的计算,第五节管路计算,流体输送管路的计算,简单管路管径相等或由不同管径的管段串联组成的管路。复杂管路指并联管路，分支与汇合管路等。,简单管路,1．已知流量V、管径d、管长l，求管路的压头损失hf和外加能量We解Vd→u→Re→判断流型→→hf→We或He→Ne→N有效功率NeWeVgHeVg[W]电机功率NNe/,简单管路的计算,,复杂管路计算的原则,并联管路分支管路,并联管路,1、流体流动规律VsVs1Vs2Vs3不可压缩流体hfA-Bhf1hf2hf32、讨论（1）流体在各支管的流量和流速受两式限制。（2）管子长，直径小，而摩擦因数大的管段，流量小。管子短，直径大，而摩擦因数小的管段，流量大。（3）并联管段的能量损失hf，只需考虑其中任意管段的能量损失hf即可。,分支管路,1、流体流动规律VsVs1Vs2不可压缩流体gzAuA2/2PA/hfC-AgzBuB2/2PB/hfC-B2、讨论流体在流往各支管的流量取决于上式。计算分支管路所需的能量时，为了能保证将流体输送到需用能量最大的支管目的地，就需要按照耗用能量最大的那根支管管路计算。,管道直径的选择和计算,Vsudi,第六节流速和流量的测定,测速管,1、构造2、测速原理内管测得的为流体的冲压头HAu2/2gP/g外管测得的为流体的静压头HBP/g管压差计读数为与之差，即HHA-HBu2/2g则测量点的局部流速为ur,测速管优缺点,1、优点准确性较高，流体阻力小，适用于测量大直径管路中气体流速。2、缺点不能直接测出平均流速，且压差读数较小，当流体中含固体杂质时，易将测压孔堵塞，故不宜适用测速管。,孔板流量计,构造,孔板流量计测量原理,在孔板前后列柏努利方程式，经整理可得Vsu0A0,孔板流量计优缺点,1、优点制造简单，随测量条件变化时，更换方便。2、缺点能量损失较大。,文丘里流量计,构造工作原理与孔板流量计相似，计算式也相似Vs,文丘里流量计优缺点,1、优点能量损失小2、缺点各部分尺寸要求严格，要精细加工，造价高。,转子流量计,转子流量计工作原理,转子受到两个力1、上推力等于流体流经转子与锥管间的环形截面所产生的压力差；2、净重力等于转子所受重力减去流体对转子的浮力；当上推力大于净重力，转子上浮；当上推力小于净重力，转子下降；当上推力等于净重力，转子平衡，停止在某一位置。转子流量计的流量公式Vs,转子流量计优缺点,1、优点读数方便，能量损失小，测量范围宽，能用于腐蚀性流体的测量。2、缺点管壁大多为玻璃制品，不能受高温和高压，易破碎而且安装时要求保持垂直。,三种流量计的区别,孔板流量计，文丘里流量计称为差压式流量计；转子流量计称为截面流量计。,第七节流体输送机械,漩涡泵总体及叶轮,离心通风机,离心鼓风机,离心压缩机及叶轮,