本文格式為Word版，下載可任意編輯——化工原理復(fù)習(xí)小結(jié)

流體滾動–––基本概念與基本原理

一、流體靜力學(xué)基本方程式

p2p1g(z1z2)

或pp0gh

注意：1、應(yīng)用條件：靜止的連通著的同一種連續(xù)的流體。

2、壓強(qiáng)的表示方法：絕壓—大氣壓=表壓常由壓強(qiáng)表來測量；大氣壓—絕壓=真空度常由真空表來測量。3、壓強(qiáng)單位的換算：

1atm=760mmHg=10.33mH2O=101.33kPa=1.033kgf/cm2=1.033at4、應(yīng)用：水平管路上兩點(diǎn)間壓強(qiáng)差與U型管壓差計讀數(shù)R的關(guān)系：

p1p2(A)gR

處于同一水平面的液體，維持等壓面的條件必需時靜止、連續(xù)和同一種液體。

二、定態(tài)滾動系統(tǒng)的連續(xù)性方程式––––物料衡算式

A常數(shù),wsu1A11u2A22uA常數(shù)

A常數(shù),

A常數(shù),

Vsu1A1u2A2uA常數(shù)

圓形管中滾動

u1/u2A2/A1d22/d12

三、定態(tài)滾動的柏努利方程式––––能量衡算式

2

u12p2u2

gZ1WegZ2hf22

p1

探討點(diǎn)：1、流體的滾動滿足連續(xù)性假設(shè)。

2

2

u12p2u2

gZ1gZ2

22

p1

3、可壓縮流體,當(dāng)Δp/p120%,仍可用上式，且ρ=ρm。

4、注意運(yùn)用柏努利方程式解題時的一般步驟，截面與基準(zhǔn)面選取的原則。5、流體密度ρ的計算：

理想氣體ρ=pM/RT混合氣體m1xv12xv2nxvn

混合液體

1

m

xw1

m

xw2

2

xwn

n

上式中：xvi––––體積分率；xwi––––質(zhì)量分率。

6、gz，u2/2，p/ρ三項(xiàng)表示流體本身具有的能量，即位能、動能和靜壓能。∑hf為流經(jīng)系統(tǒng)的能量損失。We為流體在兩截面間所獲得的有效功，是決定流體輸送設(shè)備重要參數(shù)。

輸送設(shè)備有效功率Ne=Wews，軸功率N=Ne/η（W）

pu2

7、HeZHf（壓頭）

g2g

u2

hf流體Wezgp2

3

pa

而pfhf,

四、柏努利式中的∑hfI．

滾動類型：

1、雷諾準(zhǔn)數(shù)Re及流型Re=duρ/μ，μ為動力粘度，單位為[Pas]；層流：Re≤2000，湍流：Re≥4000；2000Re4000為不穩(wěn)定過渡區(qū)。2、牛頓粘性定律τ=μ(du/dy)

氣體的粘度隨溫度升高而增加，液體的粘度隨溫度升高而降低。3、流型的比較：①質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方式；

②速度分布，層流：拋物線型，平均速度為最大速度的0.5倍；湍流：碰撞和混和使速度平均化。③阻力，層流：粘度內(nèi)摩擦力，湍流：粘度內(nèi)摩擦力+湍流應(yīng)力。II．

流體在管內(nèi)滾動時的阻力損失

hfhfh'f[J/kg]

lu2pf

1、直管阻力損失hfhf范寧公式(層流、湍流均適用).d2

層流：f(Re)

即

64Re

或hf

32lu

哈根—泊稷葉公式。2

d

湍流區(qū)（非阻力平方區(qū)）：f(Re,)；高度湍流區(qū)（阻力平方區(qū)）：f()，

dd

具體的定性關(guān)系參見摩擦因數(shù)圖，并定量分析hf與u之間的關(guān)系。

推廣到非圓型管dde4rH

4流通截面積

潤濕周邊長

注：不能用de來計算截面積、流速等物理量。

u2

2、局部阻力損失h′f①阻力系數(shù)法，h

2

'f

e1.0c0.5

leu2

②當(dāng)量長度法，h

d2

'f

注意：截面取管出口內(nèi)外側(cè)，對動能項(xiàng)及出口阻力損失項(xiàng)的計算有所不同。

(lle)u2

)當(dāng)管徑不變時，hf(d2

流體在變徑管中作穩(wěn)定滾動，在管徑縮小的地方其靜壓能減小。流體在等徑管中作穩(wěn)定滾動流體由于滾動而有摩擦阻力損失，流體的流速沿管長不變。流體滾動時的摩擦阻力損失hf所損失的是機(jī)械能中的靜壓能項(xiàng)。完全湍流（阻力平方區(qū)）時，粗糙管的摩擦系數(shù)數(shù)值只取決于相對粗糙度。

水由敞口恒液位的高位槽通過一管道流向壓力恒定的反應(yīng)器，當(dāng)管道上的閥門開度減小時，水流量將減小，摩擦系數(shù)增大，管道總阻力不變。

五、管路計算I．

并聯(lián)管路：1、VV1V2V3

2、hfhf1hf2hf3各支路阻力損失相等。即并聯(lián)管路的特點(diǎn)是：（1）并聯(lián)管段的壓強(qiáng)降相等；（2）主管流量等于并聯(lián)的各管段流量之和；

（3）并聯(lián)各管段中管子長、直徑小的管段通過的流量小。II．分支管路：1、VV1V2V3

2、分支點(diǎn)處至各支管終了時的總機(jī)械能和能量損失之和相等。

六、柏式在流量測量中的運(yùn)用

1

2用來測量管道中流體的流量。隨著Re增大其孔流系數(shù)C0先減小，后保持為定值。

3

測流體流量時，隨流量增加孔板流量計兩側(cè)壓差值將增加，若改用轉(zhuǎn)子流量計，隨流量增加轉(zhuǎn)子兩側(cè)壓差值將不變。

離心泵–––––基本概念與基本原理

一、工作原理

基本部件：葉輪（6~12片后彎葉片）；泵殼（蝸殼）（集液和能量轉(zhuǎn)換裝置）；軸封裝置（填料函、機(jī)械端面密封）。

原理：借助高速旋轉(zhuǎn)的葉輪不斷吸入、排出液體。

注意：離心泵無自吸能力，因此在啟動前必需先灌泵，且吸入管路必需有底閥，否則將發(fā)生―氣縛‖現(xiàn)象。

某離心泵運(yùn)行一年后如發(fā)現(xiàn)有氣縛現(xiàn)象，則應(yīng)檢查進(jìn)口管路是否有泄漏現(xiàn)象。

二、性能參數(shù)及特性曲線

1、壓頭H，又稱揚(yáng)程HZ2、有效功率NeWewsHgQ

p

Hfg

HgQ

軸功率N

3HQ,NQ,Q下輸送某種特定的液體時泵的性能。由NQ線上可看出：Q0時，NNmin動泵和停泵都應(yīng)關(guān)閉泵的出口閥。

離心泵特性曲線測定試驗(yàn)，泵啟動后出水管不出水，而泵進(jìn)口處真空表指示真空度很高，可能出現(xiàn)的故障原因是吸入管路堵塞。

若被輸送的流體粘度增高，則離心泵的壓頭減小，流量減小，效率減小，軸功率增大。

三、離心泵的工作點(diǎn)

1HQHeQe）的交點(diǎn)。管路特性曲線為：HeKBQe。

2、工作點(diǎn)的調(diào)理：既可改變HQ來實(shí)現(xiàn)，又可通過改變HeQe來實(shí)現(xiàn)。具體措施有改變閥門的開度，改變泵的轉(zhuǎn)速，葉輪的直徑及泵的串、并聯(lián)操作。

離心泵的流量調(diào)理閥安裝在離心泵的出口管路上，開大該閥門后，真空表讀數(shù)增大，壓力表讀數(shù)減小，泵的揚(yáng)程將減小，軸功率將增大。

兩臺同樣的離心泵并聯(lián)壓頭不變而流量加倍，串聯(lián)則流量不變壓頭加倍。

四、離心泵的安裝高度Hg

為避免氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，離心泵的安裝高度≤Hg，注意氣蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。1．Hg

'Hs

2u1'Hf01Hs為操作條件下的允許吸上真空度，m2g

2

Hf01為吸入管路的壓頭損失，m。

2．Hg

papv

)r允許氣蝕余量，m(NPSH)rHf01(NPSH

g

pa液面上方壓強(qiáng)，Pa；pv操作溫度下的液體飽和蒸汽壓，Pa。

離心泵的安裝高度超過允許安裝高度時會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

傳熱–––基本概念和基本理論

傳熱是由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，又稱熱傳遞。由熱力學(xué)其次定律可知，凡是有溫度差存在時，就必然發(fā)生熱從高溫處傳遞到低溫處。

根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）、熱對流（對流）和熱輻射。熱傳導(dǎo)是物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動而引起的熱量傳遞；熱對流是流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程（包括由流體中各處的溫度不同引起的自然對流和由外力所致的質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)制運(yùn)動引起的強(qiáng)制對流），流體流過固體表面時發(fā)生的對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程稱為對流傳熱（給熱）；熱輻射是因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞。任何物體只要在絕對零度以上，都能發(fā)射輻射能，只是在高溫時，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。傳熱可依靠其中的一種方式或幾種方式同時進(jìn)行。

傳熱速率Q是指單位時間通過傳熱面的熱量（W）；熱通量q是指每單位面積的傳熱速率（W/m2）。

一、熱傳導(dǎo)

1．導(dǎo)熱基本方程––––傅立葉定律

dQdS

t

n

λ––––導(dǎo)熱系數(shù)，表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，單位為W/（m℃）。純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度升高而降低，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大。式中負(fù)號表示熱流方向總是和溫度剃度的方向相反。2．平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層平壁：

tt2t

Q1

RS

多層（n層）平壁：

tt

Q1nn1

bi

i1iS

t

R

ni1

公式說明導(dǎo)熱速率與導(dǎo)熱推動力（溫度差）成正比，與導(dǎo)熱熱阻（R）成反比。由多層等厚平壁構(gòu)成的導(dǎo)熱壁面中所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)愈大，則該壁面的熱阻愈小，其兩側(cè)的溫差愈小，但導(dǎo)熱速率一致。2．圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層圓筒壁：

Q

t1t2t

bRSm

或

Q

2l(t1t2)

ln2

r1

當(dāng)S2/S12時，用對數(shù)平均值，即：

SS1

Sm2

Sln2

S1

當(dāng)S2/S12時，用算術(shù)平均值，即：Sm=（S1+S2）/2多層（n層）圓筒壁：

ttQn1n1

bi

i1iSmi

2l(t1tn1)

Q

1ri1lnr

ii

一包有石棉泥保溫層的蒸汽管道，當(dāng)石棉泥受潮后，其保溫效果應(yīng)降低，主要原因是因水的導(dǎo)熱系數(shù)大于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，受潮后，使保溫層材料導(dǎo)熱系數(shù)增大，保溫效果降低。

在包有兩層一致厚度保溫材料的圓形管道上，應(yīng)當(dāng)將導(dǎo)熱系數(shù)小的材料包在內(nèi)層，其原因是為了減少熱損失，降低壁面溫度。

二、對流傳熱

1．對流傳熱基本方程––––QSt

α––––22．與對流傳熱有關(guān)的無因次數(shù)群（或準(zhǔn)數(shù)）

表1準(zhǔn)數(shù)的符號和意義

準(zhǔn)數(shù)名稱努塞爾特準(zhǔn)數(shù)

符號

意義

含有特定的傳熱膜系數(shù)α，表示對流傳熱的強(qiáng)度

Nu=

λ

Luρ

Re=

μ

CpμPr=λ

雷諾準(zhǔn)數(shù)反映流體的滾動狀態(tài)

普蘭特準(zhǔn)數(shù)

反映流體物性對傳熱的影響

格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)

βgΔtL3ρ2μ

反映因密度差而引起自然對流狀態(tài)

3．流體在圓形直管中作強(qiáng)制湍流滾動時的傳熱膜系數(shù)對氣體或低粘度的液體

Nu0.023Re0.8Prn

0.diu0.8cpn()()di

流體被加熱時，n=0.4；液體被冷卻時，n=0.3。

定型幾何尺寸為管子內(nèi)徑di。

定性溫度取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。應(yīng)用范圍為Re10000，Pr=0.7~160，(l/d)60。

對流過程是流體和壁面之間的傳熱過程，定性溫度是指確定準(zhǔn)數(shù)中各物性參數(shù)的溫度。沸騰傳熱可分為三個區(qū)域，它們是自然對流區(qū)、泡狀沸騰區(qū)和膜狀沸騰區(qū)，生產(chǎn)中的沸騰傳熱過程應(yīng)維持在泡狀沸騰區(qū)操作。

無相變的對流傳熱過程中，熱阻主要集中在傳熱邊界層或滯流層內(nèi)，減少熱阻的最有效的措施是提高流體湍動程度。

引起自然對流傳熱的原因是系統(tǒng)內(nèi)部的溫度差，使各部分流體密度不同而引起上升、下降的滾動。

用無因次準(zhǔn)數(shù)方程形式表示以下各種傳熱心況下諸有關(guān)參數(shù)的關(guān)系：（1）無相變對流傳熱Nu=f（Re，Pr，Gr）（2）自然對流傳熱Nu=f（Gr，Pr）（3）強(qiáng)制對流傳熱Nu=f（Re，Pr）

在兩流體的間壁換熱過程中，計算式Q=KSΔt，式中Δt表示為兩流體溫度差的平均值；S表示為泛指傳熱面，與K相對應(yīng)。

在兩流體的間壁換熱過程中，計算式Q=SΔt，式中Δt=tw-tm或Tm-Tw；S表示為一側(cè)的傳熱壁面。

滴狀冷凝的膜系數(shù)大于膜狀冷凝膜系數(shù)。

水在管內(nèi)作湍流滾動時，若使流速提高至原來的2倍，則其對流傳熱系數(shù)約為原來的20.8倍。若管徑改為原來的1/2而流量一致，則其對流傳熱系數(shù)約為原來的40.820.2倍。（設(shè)條件改變后，仍在湍流范圍）

三、間壁兩側(cè)流體的熱交換

間壁兩側(cè)流體熱交換的傳熱速率方程式

Q=KSΔtm

式中K為總傳熱系數(shù)，單位為：W/（m2Δtm為兩流體的平均溫度差，對兩流體作并流或逆流時的換熱器而言，

tm

t1t2

ln(t1/t2)

當(dāng)Δt1/Δt22時，Δtm可取算術(shù)平均值，即：Δtm=（Δt1+Δt2）/2基于管外表面積So的總傳熱系數(shù)Ko

bSoSS11

RoRiooKooSmSiiSi

四、換熱器

間壁式換熱器有夾套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、螺旋板式、板翅式等。提高間壁式換熱器傳熱系數(shù)的主要途徑是提高流體流速、加強(qiáng)人工擾動；防止結(jié)垢，及時清除污垢。消除列管換熱器溫差應(yīng)力常用的方法有三種，即在殼體上加膨脹節(jié)，采用浮頭式結(jié)構(gòu)或采用U型管式結(jié)構(gòu)。翅片式換熱器安裝翅片的目的是增加傳熱面積；加強(qiáng)流體的湍動程度以提高α。為提高冷凝器的冷凝效果，操作時要及時排除不凝氣和冷凝水。

α大的一側(cè)的流體溫度；總傳熱系數(shù)K的數(shù)值接近熱阻大的一側(cè)的α值。如在傳熱試驗(yàn)中用飽和水蒸氣加熱空氣，總傳熱系數(shù)接近于空氣側(cè)的對流傳熱膜系數(shù)，而壁溫接近于水蒸氣側(cè)的溫度。

對于間壁換熱器WhCph(T1-T2)=WcCpc(t2-t1)=KSΔtm等式成立的條件是穩(wěn)定傳熱、無熱損失、無相變化。

列管換熱器，在殼程設(shè)置折流擋板的目的是增大殼程流體的湍動程度，加強(qiáng)對流傳熱，提高α值，支撐管子。

在確定列管換熱器冷熱流體的流徑時，一般來說，蒸汽走管外；易結(jié)垢的流體走管內(nèi)；高壓流體走管內(nèi)；有腐蝕性的流體走管內(nèi)；粘度大或流量小的流體走管外。

蒸餾––––基本概念和基本原理

利用各組分揮發(fā)度不同將液體混合物部分汽化而使混合物得到分開的單元操作稱為蒸餾。這種分開操作是通過液相和氣相之間的質(zhì)量傳遞過程來實(shí)現(xiàn)的。

對于均相物系，必需造成一個兩相物系才能將均相混合物分開。蒸餾操作采用改變狀態(tài)參數(shù)的方法（如加熱和冷卻）使混合物系內(nèi)部產(chǎn)生出其次個物相（氣相）；吸收操作中則采用從外界引入另一相物質(zhì)（吸收劑）的方法形成兩相系統(tǒng)。

一、兩組分溶液的氣液平衡1．拉烏爾定律

理想溶液的氣液平衡關(guān)系遵循拉烏爾定律：pA=pA0xApB=pB0xB=pB0（1-xA）根據(jù)道爾頓分壓定律：pA=PyA而P=pA+pB則兩組分理想物系的氣液相平衡關(guān)系：

xA

PpB00pApB

———泡點(diǎn)方程

0pAxA

yA

P

———露點(diǎn)方程

對于任一理想溶液，利用一定溫度下純組分飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)可求得平衡的氣液相組成；反之，已知一相組成，可求得與之平衡的另一相組成和溫度（試差法）。2．用相對揮發(fā)度表示氣液平衡關(guān)系

溶液中各組分的揮發(fā)度v可用它在蒸汽中的分壓和與之平衡的液相中的摩爾分率來表示，即A

pAp

B=BxAxB

ApA

BxA

pByAxB

xByBxA

pB

對于理想溶液：pA

氣液平衡方程：y

x1(1)x

揮發(fā)度差異愈大，時不能用普通精餾方法分開。3．氣液平衡相圖

（1）溫度—組成（t-x-y）圖

該圖由飽和蒸汽線（露點(diǎn)線）、飽和液體線（泡點(diǎn)線）組成，飽和液體線以下區(qū)域?yàn)橐合鄥^(qū)，飽和蒸汽線上方區(qū)域?yàn)檫^熱蒸汽區(qū)，兩曲線之間區(qū)域?yàn)闅庖汗泊鎱^(qū)。

氣液兩相呈平衡狀態(tài)時，氣液兩相溫度一致，但氣相組成大于液相組成；若氣液兩相組成一致，則氣相露點(diǎn)溫度大于液相泡點(diǎn)溫度。（2）x-y圖

x-y圖表示液相組成x與之平衡的氣相組成y之間的關(guān)系曲線圖，平衡線位于對角線的上方。平衡線偏離對角線愈遠(yuǎn)，表示該溶液愈易分開。總壓對平衡曲線影響不大。二、精餾原理

精餾過程是利用屢屢部分汽化和屢屢部分冷凝的原理進(jìn)行的，精餾操作的依據(jù)是混合物中各組分揮發(fā)度的差異，實(shí)現(xiàn)精餾操作的必要條件包括塔頂液相回流和塔底產(chǎn)生上升蒸汽。精餾塔中各級易揮發(fā)組分濃度由上至下逐級降低；精餾塔的塔頂溫度總是低于塔底溫度，原因之一是：塔頂易揮發(fā)組分濃度高于塔底，相應(yīng)沸點(diǎn)較低；原因之二是：存在壓降使塔底壓力高于塔頂，塔底沸點(diǎn)較高。

當(dāng)塔板中離開的氣相與液相之間達(dá)到相平衡時，該塔板稱為理論板。

精餾過程中，再沸器的作用是提供一定量的上升蒸汽流，冷凝器的作用是提供塔頂液相產(chǎn)品及保證由適合的液相回流。三、兩組分連續(xù)精餾的計算1．全塔物料衡算

總物料衡算：FDW易揮發(fā)組分：FxFDxDWxW塔頂易揮發(fā)組分回收率：DDxD

FxF

塔底難揮發(fā)組分回收率：W(1xW)

W

F(1xF)

精餾段物料衡算和操作線方程總物料衡算：VLD易揮發(fā)組分：VyLxn+1n操作線方程：yn+1

DxD

xDR

xn

R1R1

其中：R=L/D——回流比

上式表示在一定操作條件下，精餾段內(nèi)自任意第n層板下降的液相組成x與其相鄰的下在x—y坐標(biāo)上為直線，斜率為R/R+1，截距為

2．提餾段物料衡算和操作線方程

總物料衡算：LVW

m+易揮發(fā)組分：LxmVy1WWWx

操作線方程：ym+1

LW

xWxmVV

上式表示在一定操作條件下，提餾段內(nèi)自任意第m層板下降的液相組成x′m與其相鄰的下一層板（第m+1層板）上升蒸汽相組成y′之間的關(guān)系。L′除與L有關(guān)外，還受進(jìn)料量和進(jìn)料熱狀況的影響。四、進(jìn)料熱狀況參數(shù)

實(shí)際操作中，參與精餾塔的原料液可能有五種熱狀況：（1）溫度低于泡點(diǎn)的冷液體；（2）泡點(diǎn)下的飽和液體；（3）溫度介于泡點(diǎn)和露點(diǎn)的氣液混合物；（4）露點(diǎn)下的飽和蒸汽；（5）溫度高于露點(diǎn)的過熱蒸汽。

q

IVIF將1kmol進(jìn)料變?yōu)轱柡驼羝璧臒崃?/p>

IVIL原料液的千摩爾汽化潛熱

不同進(jìn)料熱狀況下的q值

對于飽和液體、氣液混合物和飽和蒸汽進(jìn)料而言，q值等于進(jìn)料中的液相分率。

LLqF