化工基础课第三章 流体流动及流体输送设备
流体流动化工流体流动方面的教学教材
流体流动化工流体流动方面的教学教材流体流动化工是一门涵盖流体力学和化工工艺两个学科内容的交叉学科，其研究内容包括流体的流动规律、流动过程中的传热、传质、反应以及工业流体流动过程的工程设计等。
针对该学科的教学需要，本教材将从流体力学和化工工艺两个方面对流体流动进行全面的介绍和分析。
第一章引言1.1 学科概述1.2 教材内容和结构第二章流体力学基础2.1 流体性质2.1.1 密度、粘度、表面张力2.1.2 流体不可压缩性2.2 流体静力学2.2.1 压力、压强和压力头2.2.2 流体的压力传输和与固体的作用2.3 流体动力学2.3.1 流体流动的描述2.3.2 流体的流动速度和速度分布2.3.3 流体的流量和流速2.3.4 流体的动量守恒定律2.3.5 流体的能量守恒定律第三章流体流动模式3.1 层流流动和湍流流动3.1.1 层流流动的特点和判断条件3.1.2 湍流流动的特点和判断条件3.2 内部流和外部流3.2.1 内部流动的特点和应用3.2.2 外部流动的特点和应用3.3 层流管道和湍流管道3.3.1 层流管道流动的压力损失和能量损失 3.3.2 湍流管道流动的压力损失和能量损失第四章流体的传热与传质4.1 流体的传热机制4.1.1 热传导、热对流和热辐射4.1.2 流体的传热系数和传热方程4.2 流体的传质机制4.2.1 传质模型和传质速度4.2.2 流体的传质系数和传质方程4.3 流体传热与传质过程的计算和设计4.3.1 热传输和传热换热器的设计4.3.2 物质传输和传质装置的设计第五章流体流动的工程应用5.1 流体流动的测量技术5.1.1 流体流动参数的测量方法5.1.2 流体流动的实验技术和仪器5.2 流体流动的工程实例5.2.1 管道流动和泵的工程应用5.2.2 气体流动和风机的工程应用5.2.3 液体流动和搅拌器的工程应用第六章流体流动化工的前沿技术6.1 多相流动6.1.1 流体与固体颗粒的多相流动6.1.2 流体与气体的多相流动6.1.3 流体与液体的多相流动6.2 微尺度流动6.2.1 流体的纳米尺度流动6.2.2 流体的微观流动和微流体力学6.3 流体流动的计算模拟6.3.1 流体流动的数值模拟方法6.3.2 流体流动的计算机辅助设计第七章常用流体流动化工软件7.1 流体流动模拟软件7.1.1 FLUENT软件7.1.2 CFD++软件7.2 流体流动计算软件7.2.1 PIPENET软件7.2.2 PIPE-FLO软件第八章习题与案例分析第九章参考文献本教材通过从基础概念到实际应用的层次结构，全面介绍了流体流动化工的相关理论和工程应用。
化工单元操作模块一 流体流动及输送
生产中使用的管子按管材不同可分金属管、非金属管和 复合管。金属管主要有铸铁管、钢管（含合金钢管）和有色 金属管等；非金属管主要有陶瓷管、水泥管、玻璃管、塑料 管、橡胶管等；复合管指的是金属与非金属两种材料复合得 到的管子，最常见的形式是衬里管，它是为了满足节约成本、 强度和防腐的需要，在一些管子的内层衬以适当的材料，如 金属、橡胶、塑料、搪瓷等而形成的。
三、输送设备
液体输送机械——泵
流体输送机械 （提供给流体以足够的能量）
气体输送机械——机或泵
按照工作原理，流体输送机械可分为以下类型：
类型
动力式
容积式
(正位移 式)
往复式 旋转式
流体作用式
液体输送机械 离心泵、旋涡泵 往复泵、计量泵、隔膜泵 齿轮泵、螺杆泵
喷射泵
气体输送机械 离心式通风机、鼓风机、压缩
• （7）一般地,化工管路采用明线安装,但上下水管及废水管采用埋地铺设,
埋地安装深度应当在当地冰冻线以下。
• 在布置化工管路时,应参阅有关资料,依据上述原则制订方案,确保管路的布
置科学、经济、合理、安全。
• 2、化工管路的安装
• （1）化工管路的连接
螺纹连接、法兰连接、承插连接、焊接连接
• （2）化工管路的热补偿 • （3）化工管路的试压与吹洗 • （4）化工管路的保温与涂色 • （5）化工管路的防静电措施
《化工单元操作》教学课件 制作:
模块一 流体流动及输送
任务一 认知流体输送设备及管路
硫酸铵生产工艺流程图
硫酸铵生产工艺流程图
一、贮罐
贮罐是一种最典型的化工容器，主要用于贮 存气体、液体、液化气体等介质，如氢气贮罐、 石油贮罐、液氨贮罐等，除贮存作用外，还用作 计量。
化工原理考研 流体流动、流体输送机械计算题及解题思路
化工原理考研流体流动、流体输送机械计算题及解题思路第一章流体、泵1.已知输水管内径均为100mm，管内为常温水，流量为30m3/h，U形管中指示液密度为1260kg/m3，R1=872mm，R2=243mm。
求90°弯头的阻力系数ζ和当量长度。
2.槽内水位恒定。
槽的底部与内径为100mm的水平管连接，当A阀关闭时，测得R=600mm，h=1500mm，U形压差计为等直径玻璃管，试求：(1) 当A阀部分开启时，测得R=400mm，此时水管中的流量为多少(m3/h)？已知λ=0.02，管子入口处ζ=0.5。
(2) 当A阀全开时，A阀的当量长度l e=15d，λ=0.02，则水管中流量为多少(m3/h)？B点压强应为多少Pa(表)？读数R为多少？3.用离心泵将密闭贮槽A中的常温水送往密闭高位槽B中，两槽液面维持恒定。
输送管路为Φ108mm×4mm的钢管，全部能量损失为40×u2/2(J/kg)。
A槽上方的压力表读数为0.013MPa，B槽处U形压差计读数为30mm。
垂直管段上C、D两点间连接一空气倒U形压差计，其示数为170mm。
取摩擦系数为0.025，空气的密度为1.2 kg/m3，试求：(1) 泵的输送量；(2) 单位重量的水经泵后获得的能量；(3) 若不用泵而是利用A，B槽的压力差输送水，为完成相同的输水量，A槽中压力表读数应为多少？4.输水管路系统，AO管长l AO=100m、管内径为75mm，两支管管长分别为l OB=l OC=75m，管内径均为50mm，支管OC上阀门全开时的局部阻力系数ζ=15。
所有管路均取摩擦系数λ=0.03。
支管OB中流量为18m3/h，方向如图所示。
除阀门外其他局部阻力的当量长度均已包括在上述管长中。
试求：(1) 支管OC的流量(m3/h)；(2) A槽上方压强表的读数p A(kPa)。
5.用Φ89mm×4.5mm，长80m的水平钢管输送柴油，测得该管段的压降为5000Pa，已知柴油密度为800kg/m3，黏度为25mPa·s，试求：(1) 柴油在管内的流速(m/s)；(2) 该管段所消耗的功率(W)。
流体流动习题课
2 1
2 2
实际流体流动过程中的柏努利方程
2 m u12 m p1 m u2 m p2 m gz m Qe m We m gz2 m Wf 1 2 2
2 u12 p1 u 2 p2 或 : gz1 Qe We gz2 Wf 2 2
实验证明，流体在管内稳定流动时，当Re≤______时， 流动类型为滞流，滞流时的摩 擦系数λ与______成反比， 而与管壁的_______无关；湍流时，当Re一定，则λ随 ε/d的增加而_________。
2000；Re；粗糙度；增大
P/(ρg)的物理意义是表示流动系统某截面处单 位____流体所具有的静压能，称为__________。
5．离心泵吸入口压强为30 KPa，当地大气 压强为100 KPa，则泵吸入口真空表的读数 为 。 A．130 KPa B．70 KPa C．65 KPa B D．30 KPa 6．可压缩流体在等径水平直管中流动时，下 列说法正确的是 。 A．流体的平均流速为定值； B B．流体的质量流量为定值； C．流体的体积流量为定值； D．流体的体积流量、质量流量均为定值。
qv , m / h
3
例：水在一倾斜管中流动，如附图所示， 已知压差计读数为200mm，试问测量段 的阻力为多少？ 解：在两测压孔之间列柏努利方程式：
u P u P2 1 z1 z2 Hf 2 g g 2 g g
2 u12 u2 P P2 H f ( z1 z2 ) ( ) ( 1 ) 2g 2g g g
连通的、同一液体、同一水平面。
某液体在套管环隙内流动，大管规格为φ56×3mm，小 管规格为φ30 ×2.5mm,液体粘度为1mN· 2，密度为 s/m 1000kg/m3，流速为1m/s则该液体在套管环隙内流动 的Re=_________。
流体输送与流体输送机械1(化工单元操作过程)
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流体输送管道系统
管材选择
管件与阀门
根据流体性质、工作压力、温度等参数， 选择合适的管材，如钢管、塑料管、铜管 等。
根据管道系统的需要，选择合适的管件和 阀门，如弯头、三通、截止阀、止回阀等 。
管道连接方式
管道支撑与固定
根据管材和管件的特点，选择合适的连接 方式，如焊接、法兰连接、承插连接等， 以确保管道系统的密封性和稳定性。
回收利用余热和排放气体
通过回收利用余热和排放气体，减少能源浪费和环境污染。
流体输送过程的自动化与智能化
自动化控制
采用自动化控制系统，实现流体输送过程的远程 监控和自动调节。
数据采集与分析
持
利用人工智能技术，对流体输送过程进行智能分 析、预测和优化，提高决策效率和准确性。
设计合理的管道支撑和固定结构，以防止 管道振动、变形和位移，确保管道系统的 安全性和稳定性。
流体输送过程中的安全与环保问题
流体泄漏与控制
采取有效措施防止流体输送过程中的泄漏， 如选用密封性能良好的阀门和管件、定期 检查管道密封性能等。
流体压力控制
合理设计流体压力控制系统，防止超压和 欠压现象对管道和设备造成损坏或影响生 产过程。
选择输送方式
根据流体性质、输送距离、地形条件等因素，选择适当的输送方式， 如泵送、压缩空气输送、真空吸送等。
设计输送管道系统
根据工艺流程图，设计合理的输送管道系统，包括管道的走向、连接 方式、支撑结构等，以确保流体输送的稳定性和可靠性。
确定控制方式
根据工艺要求和流体特性，选择适当的控制方式，如远程控制、自动 控制、手动控制等，以满足生产过程的自动化和安全性需求。
化工基础张近习题解答（1）
化⼯基础张近习题解答（1）化⼯基础习题解答（第⼆版张近主编）第3章流体流动过程及流体输送设备1、某合成氨⼯艺以煤为原料的⽓化法⽣产中，制得的半⽔煤⽓组成为：H242%，%，%，%，%，%（均为体积分数），求表压为，温度为25℃时，混合⽓体的密度。
解：解法⼀：先求混合的摩尔质量；算出在操作温度和压⼒下各纯组分的密度，然后再按组分的摩尔分数叠加。
解法略。
6、套管换热器的内管为φ25mm×，外管为φ57mm× 的⽆缝钢管。
液体以5400kg/h 的流量流过环隙。
液体的密度为1200kg/m3，粘度为2×10-3Pa·s。
试判断液体在环隙流动时的流动形态。
解：设⼤管内径为d1，⼩管外径为d2 流体在环隙流动当量直径为：d e=d1-d27、现要求将原油以⼀定流量，通过⼀条管道由油库送往车间，并保证原油在管道中呈层流流动，现分别提出如下措施：（1）管道长度缩短20%；（2）管径放⼤20%；（3）提⾼原油温度使原油粘度下降20%，⽽假设密度变化不⼤，可忽略不计。
问上述措施分别可使由于管道沿程摩擦⽽损失的机械能⽐原设计降低百分之⼏？8、欲建⼀⽔塔向某⼯⼚供⽔，如图所⽰，从⽔塔到⼯⼚的管长（包括局部阻⼒当量长度）为500m，最⼤流量为·s-1。
管出⼝处需保持10m ⽔柱的压头（表压）。
若摩擦系数λ=，求：(a)当管内流速为m·s-1，所需管径及塔⾼；(b)当管内流速为4 m·s-1，所需管径及塔⾼；(c)由(a)、(b)计算结果，分析满⾜⼀定流量时，塔⾼与管径的关系。
解：如图选取1，2 截⾯，计算基准⾯为管出⼝⽔平⾯。
压⼒以表压表⽰。
在1→2 列柏努利⽅程，得：9、⽤离⼼泵经φ57mm× 的钢管，将敞⼝贮罐内的有机溶剂（粘度为20×10-3）Pa·s，密度为800 kg·m-3），输送到反应器中，设贮罐内液⾯离反应器内液⾯⾼度保持16m，见附图。
化工基础第3章流体流动过程及流体输送设备
τ=F／A=μ(Δu/Δy)
当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是 直线关系，而是曲线关系，则有： τ =μ(du/dy) du/dy——速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方 向上流体速度的变化率 μ——比例系数，亦称为粘性系数，简称粘度。 凡符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体， 所有气体和大多数液体都属于牛顿型流体。 液体的粘度随着温度的升高而减小，气体的粘 度随着温度的升高而增加。 压力变化时，液体的粘度基本上不变，气体的 粘度随压力的增加而增加得很少。
意义：剪应力的大小与速度梯度成正比。 描述了任意两层流体间剪应力大小的关系。 物理意义:
du dy
— 动力粘度，简称粘度
平板间的流体剪应力与速度梯度
[μ]=[τ/(du/dy)]=(N· m-2)/(m· s-1· m-1)=N· s· m-2=Pa· s
1 P=100cP（厘泊）=10-1Pa· s 流体的粘度还用粘度 μ与密度ρ的比值来表示，称为 运动粘度，以v表示之： v =μ/ρ
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
单位为m2· s-1
1st—100 cst(厘沲)=10-4m2· s-1
在工业上常常遇到各种流体的混合物。 对于低压气体混合物的粘度，可采用下式进行计
流体流动与输送技术—认识流体输送过程(化工原理课件)
三、管路的试压与吹扫 管路安装完毕后，应作强度与严密度试验，检验管路是否符合设计要求
，试验是否有漏气或漏液现象，称为试压。管路的操作压力不同，输送的物 料不同，试压的要求也不同。试压主要采用液压试验，少数也可采用气压试 验。当管路系统进行水压试验，试验压力（表压）为294KPa，在试验压力 下维持5分钟，未发生渗漏现象，则水压试验为合格。
10. 在焊接或螺纹连接的管路上应适当配置一些法兰或活接头，以利于安 装、拆卸和检修。
11. 阀门的仪表的安装高度主要考虑操作的安全和方便。 12. 某些不能耐高温的材料（如聚四氟乙烯管、橡胶管）制成的管路应避 开热管路，输送冷流体（如冷冻盐水）的管路应与热流体的管道相互避开。
因此在布置管路时，应参阅有关资料，依据上述原则制订方案，确保 管路的布置安全、科学、合理、经济。
7. 一般情况下，管路采用明线安装，但上下水管及废水管采用埋地铺设， 埋地安装深度应当在当地冰冻线以下。（为方便安装、检修和管理，管路尽 量架空敷设）
8．输送有毒或腐蚀性介质的管道，不得在人行道上空设置阀件、法兰等 ，以免泄露时发生事故；输送易燃易爆介质的管道，一般应设有防火、防爆 安全装置。
9. 管道不应挡门、挡窗；应避免通过电动机、配电盘、仪表盘的上空；在 有吊车的情况下，管道的布置不应妨碍吊车工作。管路的布置不应妨碍设备 、管件、阀门、仪表的检修。塔和容器的管路不应从人孔正前方通过，以免 影响打开人孔。
六、管路的防腐 在化工管路中使用的管材，一般大都采用金属材料。由于各种外界环境
因素和通过介质的作用，都会引起金属的腐蚀。金属腐蚀分为化学腐蚀和电 化学腐蚀两种。为了延长管路的使用寿命，确保化工生产安全运行，必须采 取有效的防腐措施。
管路的主要防腐措施，是在金属表面涂上不同的防腐材料，经过固化而 形成油漆，牢固地结合在金属表面上。由于油漆把金属表面同外界严密隔绝 ，阻止金属与外界介质进行化学反应或电化学反应，从而防止了金属的腐蚀 。
化工基础课第三章 流体流动及流体输送设备
【例X3-6】
p1 pa z1 0 u1 0
p真
抽真空
p2 pa p真
u2
z2 1.5m
pa
1.5m 1 1
2
2
B
4V 3 3600 1.18m s 2 2 d 0.785 0.03
A
2 hf 5.5u2 5.5u2
2 u2 2 p真 z2 g 5.5u2 2
提示： PV=nRT
ZYNC 化学系
② 混合流体密度的计算：
1/ m 1 / 1 1 / 1 n / n
1, 2 n 各纯组分流体的密度，kg·-3 m
1,2 n
各组分流体的质量分数
③ 混合气体密度的计算
m 11 22 nn
y
y
y
经实验证明，此时： 引入比例系数μ，有：
u F A y
u F A y
ZYNC 化学系
⑵ 粘度
: 单位：Pa· s，泊P：g· cm
ν /
-1· -1 s
⑶ 运动粘度：
单位：m2· -1，沲st：g· -1· -1 s cm s
⑷ 内摩擦应力或剪应力 ：单位面积上的内摩擦力。 F 即： A
化工基础 第三章 流体流动及流体输送设备
Chapter 3 Flow Transfer
一．研究流体规律的意义
1、化工生产产品工艺中所涉及的物料大都是流体 2、 化工生产所涉及的过程：
大部分在流动条件下进行。设备之间、工序之间均采用管道联 接，都和流体的流动与输送有关。 流体的输送为“三传一反”中的“动量传递”过程 三传：动量、热量、质量传递 一反：化学反应器
10020701课件化工原理流体流动
3. 压强表达方式： 1) 绝对压强：以绝对真空为基准零点计量的压强。
2) 相对压强：以大气压强为基准量得的压强，表 示为表压(pg，即gage pressure)和真空度(p真)。
真空度
表压 大气压线
绝对压强
绝对压强 绝对零压线
表压 = 绝对压强 – 大气压强 真空度 = 大气压强 – 绝对压强
(4)由 p2 = p1 + ρg(Z1 – Z2)， 可得：p1 + ρgZ1 = p2 + ρgZ2 令：pmodify = p + ρgZ 修正压强 则：pm,1 = pm,2
即静止、连通、恒密度流体在重力场中，不同 位置的流体质点间有一个参量是不变量，这个 不变量就是修正压强。
例：如图所示的开口容器内盛有油和水。油层高 度h1=0.7m、密度ρ1=800kg/m3，水层高度h2=0.6 m、密度ρ2=1000kg/m3。(1)判断下列两关系是否 成立，即：pA = pA’ ，pB = pB’。(2)计算水在玻 璃管内的高度h。
璃管相连。
p0 p0'
pA gZA pB gZB 而 pA pB
所以 Z A ZB
PA PB
ZA
ZB
0
0’
2) 远程液位计： 例：用远距离液位装置测量贮槽内的液位，流程
如N气2图 泡流。 缓速自 慢调管逸节口出得流即很入可小。N，2管，只内用要某调在截节鼓面阀泡上调观压节察强流器用量内U。看形管出压内有 差计(指示液为汞)测量，则压差计读数R可反应贮 槽内液位高度。已知R=200mm，液体密度为1250 kg/m3，试求贮槽液面离吹气管出口距离h为若干？
天津大气压
兰州真空度
天津真空度？ 兰州大气压
流体流动、流体输送机械练习题
u= Q 30 ÷ 3600 = = 1.62m / s 2 2 0.785d 0.785 × 0.081
20℃水的粘度为1.005cP。 ℃水的粘度为 。
0.081 × 1.62 × 1000 Re = = = 1.306 × 105 1.005 × 10−3 µ λ = 0.01227 + 0.7543 /(1.305 × 105 )0.38 = 0.0209 dup
3．常温下水密度为1000kg／m3，粘度为 ．常温下水密度为 粘度为1cP，在d内=100mm管 ／ ， 管 内以3m/s的速度速度流动，其流动类型为 的速度速度流动， 内以 的速度速度流动 。 4．12kgf·m＝ ． ＝ J。 。 5．空气在标准状态下密度为1.29kg／m3，在0.25MPa下(绝 ．空气在标准状态下密度为 ／ 下绝 压)80 ℃时的密度为 。
流量改变后， 流量改变后，总压降与原来总压降相同
lu lu λ3 + λ1 =λ 2d 2d 2d 高度湍 ,λ3 = λ1 = λ, l原 = ( l3 + l1 ) = 2l1 流 u3 u1 = 2
2 3 3
2 1 1
l原u2
2 u3 u3 1 + = u2 2 2 2
2
5 2 8 2 u3 = u u3 = u 8 5 8 8 qv3 = qv = ×5000 = 6330m3 / h 5 5
式中H的单位为 ，Q的单位为 3/min。求最高效率点的效 式中 的单位为m， 的单位为m 。 的单位为 的单位为 率并评价此泵的适应性；（ ）若此泵适用， 率并评价此泵的适应性；（3）若此泵适用，用关小阀门调节流 ；（ 量，求调节阀门消耗的功率；（ ）若（2）的泵不用改变阀门 求调节阀门消耗的功率；（4） ；（ ） 的开度而改变转速调节流量，试求转速应调节到多少？ 的开度而改变转速调节流量，试求转速应调节到多少？
流体流动及输送
化工原理《化工单元操作》制作:何灏彦化工原理 硫酸铵生产工艺流程图模块一 流体流动及输送 任务一 认知流体输送设备及管路认知流体输送设备及管路 硫酸铵生产工艺流程图硫酸铵生产工艺流程图化工原理 一、贮罐贮罐是一种最典型的化工容器，主要用于贮存气体、 液体、液化气体等介质，如氢气贮罐、石油贮罐、液氨贮 罐等，除贮存作用外，还用作计量。
贮罐一般由筒体、封头、支座、法兰 及各种开孔接管 组成。
1. 1.流体 流体::液体和气体的统称。
液体 液体: :不可压缩 气体 气体: :可压缩可压缩 2.2.流体流动知识的生产应用 ① 流体输送；管内适宜流速、管径及输送设备的选定； ② 压强、流速和流量的测量；③ 为强化传热、传质设备的效能提供适宜的流动条件。
为强化传热、传质设备的效能提供适宜的流动条件。
化工原理 （一）贮罐类型（一）贮罐类型 11．立式圆筒贮罐 固定顶贮罐 浮顶贮罐立式圆筒贮罐外浮顶贮罐 内浮顶贮罐化工原理2 2．卧式圆筒形贮罐适用于贮存容量较小且需 有一定压力的液体适用于贮存容量较大 且压力较高的液体且压力较高的液体3 3．球形贮罐．球形贮罐化工原理（二）贮罐的选用（二）贮罐的选用 • 贮存介质的性质贮存介质的性质 • 贮存量的大小贮存量的大小 • 贮存场地的位置、大小和地基承载能力 二、化工管路化工管路主要由管子、管件和阀件构成，也包括 一些附属于管路的管架、管卡、管撑等辅件。
一些附属于管路的管架、管卡、管撑等辅件。
化工原理11．化工管路的标准化 化工管路的标准化是指制订化工管路主要构件，包括管 子、管件、阀件（门）、法兰、垫片等的结构、尺寸、联接、 压力等的标准并实施的过程。
压力等的标准并实施的过程。
直径标准与压力标准直径标准与压力标准是选择管 子、管件、阀件、法兰、垫片等依据，已由国家标准详细规 定，使用时可以参阅有关资料。
定，使用时可以参阅有关资料。
22．管子 生产中使用的管子按管材不同可分生产中使用的管子按管材不同可分金属管、非金属管和 复合管复合管。
化工基础3.5-流体输送设备
18
1） qv—He曲线：表示泵的扬程与流量的关系，离心泵的扬 程普遍是随流量的增大而下降（流量很小时可能有例外） 2） qv ～Ne曲线：表示泵的功率与流量的关系，离心泵的 功率随流量的增加而上升，流量为零时功率最小。
离心泵启动时，应关闭出口阀，使启动电流最小，以保 护电机。 3） qv ～η曲线：表示泵的效率与流量的关系，随着流量 的增大，泵的效率将上升并达到一个最大值，以后流量再 增大，效率便下降。
有效功率可表达为 Ne qVgHe
16
④效率
离心泵输送液体时，通过电机的叶轮将电机的能量传给液 体。在这个过程中，不可避免的会有能量损失，也就是说泵 轴转动所做的功不能全部都为液体所获得，通常用效率η来 反映能量损失。泵的效率与泵的大小、类型、制造精密程度 和所输送液体的性质有关
Ne /Na
17
（3）离心泵ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ特性曲线
30
离心泵的允许安装高度
HgHs"u12 hf 2g
安装泵时，为保险计，实际安装高度比允许安装高度还要 小0.5至1米。（如考虑到操作中被输送流体的温度可能会升 高；或由贮槽液面降低而引起的实际安装高度的升高）。
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离心泵的选择
1）选择泵的类型：首先根据被输送液体的性质和操作条件 确定泵的类型。 2）选择泵的型号：用柏努利方程计算出在最大流量下管路 所需压头。按已确定的流量和压头从泵样本或产品目录中 选出适合的型号。
化工基础3.5-流体输送设备
流体输送设备分类
按输送的介质分类： 液体——泵 气体——风机、压缩机
按工作原理分类： 离心式 正位移式(容积式)：往复式、旋转式 其它（如喷射式）
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化工原理-习题-流体流动及流体输送机械
流体流动及输送装置一、填空1. 按照化工单元操作所遵循的基本规律的不同，可将单元操作分为动量传递、热量传递、质量传递。
2. 化工生产中，物料衡算的理论依据是质量守恒定律，热量衡算的理论基础是能量守恒定律。
3. 当地大气压为750mmHg时，测得某体系的表压为100mmHg，则该体系的绝对压强为850mmHg，真空度为-100mmHg.4. 液柱压力计量是基于流体静力学原理的测压装置，用U形管压强计测压时，当压强计一端与大气相通时，读数R表示的是表压或真空度。
5. 转子流量计的设计原理是依据流动时在转子的上、下端产生了压强差。
6. 静止液体中两处压力相等的条件是连续、同一液体、同一水平面。
7. 流体在圆管内作稳定连续流动时，当Re≤2000时为滞流流动，其摩擦系数λ=64/Re；当Re≥4000时为湍流流动。
当Re在2000-4000之间时为过渡流。
流体沿壁面流动时，有显著速度梯度的区域称为流动边界层。
8. 当流体的体积流量一定时，流动截面扩大，则流速减少，动压头减少，静压头增加。
9. 柏努利方程实验中，在一定流速下某测压管显示的液位高度为静压头，当流速再增大时，液位高度降低，因为阻力损失增大。
10. 理想流体是指没有粘性或没有摩擦阻力，而实际流体是指具有粘性或有摩擦力，流体流动时产生摩擦阻力的根本原因是流体具有粘性。
11. 一般情况下，温度升高，液体的粘度减小，气体的粘度增大。
12. P/(ρg)的物理意义是表示流动系统某截面处单位重量流体所具有的静压能,称为静压头。
mu2/2的物理意义是表示流动系统某截面处1kg流体具有的动能。
13. 雷诺准数的表达式为R e=dμρ/μ。
当密度ρ＝1000kg/m，粘度μ=1厘泊的水在内径为d=100mm，以流速为1m/s在管中流动时，其流动类型为湍流14. 流体在圆直管内流动，当Re≥4000时的流型称为湍流，其平均速度与最大流速的关系为u＝0.8u max；Re≤2000的流型称为滞流，其平均速度为u＝0.5u max。
流体流动与输送设备
流体流动与输送设备1. 燃烧重油所得的燃烧气，经分析知其中含CO28.5％，O27.5％，N276％，H2O8％（体积％），试求此混合气体在温度500℃、压力101.3kPa时的密度。
2．已知20℃下水和乙醇的密度分别为998.2 kg/m3和789kg/m3,试计算50％（质量％）乙醇水溶液的密度。
又知其实测值为935kg/m3，计算相对误差。
3．在大气压力为101.3kPa的地区，某真空蒸馏塔塔顶的真空表读数为85kPa。
若在大气压力为90 kPa的地区，仍使该塔塔顶在相同的绝压下操作，则此时真空表的读数应为多少？4．如附图所示，密闭容器中存有密度为900kg/m3的液体。
容器上方的压力表读数为42kPa，又在液面下装一压力表，表中心线在测压口以上0.55m，其读数为58 kPa。
试计算液面到下方测压口的距离。
5. 如附图所示，敞口容器内盛有不互溶的油和水，油层和水层的厚度分别为700mm和600mm。
在容器底部开孔与玻璃管相连。
已知油与水的密度分别为800kg/m3和1000 kg/m3。
（1）计算玻璃管内水柱的高度；（2）判断A与B、C与D点的压力是否相等。
6．水平管道中两点间连接一U形压差计，指示液为汞。
已知压差计的读数为30mm，试分别计算管内流体为（1）水；（2）压力为101.3kPa、温度为20℃的空气时压力差。
7．用一复式U形压差计测量水流过管路中A、B两点的压力差。
指示液为汞，两U形管之间充满水，已知h1=1.2m，h2=0.4m，h4=1.4m，h3=0.25m，试计算A、B两点的压力差。
8．根据附图所示的双液体U管压差计的读数，计算设备中气体的压力，并注明是表压还是绝压。
已知压差计中的两种指示液为油和水，其密度分别为920 kg/m3和998 kg/m3，压差计的读数R＝300mm。
两扩大室的内径D为60mm，U管的内径d为6mm。
9．为了排出煤气管中的少量积水，用附图所示的水封装置，水由煤气管道中的垂直支管排出。
化工基础流体输送及机械
工艺实施、过程设计和优化；
❖ 生物化工：研究有生物体或生物活性物质参与的过程的基
本原理和工程技术问题；
❖ 应用化学：研究精细化学品、专用化学品、功能材料及器
件等的制备原理和工艺技术；
❖ 工业催化：研究催化剂和部：wf=ζ(u2/2)
i.e. hf=ζ(u2/2g)
总： Σwf= (λ(l/d)+Σζ)(u2/2) = λ(l+Σle)/d(u2/2)
i.e. Σhf=λ(l/d)(u2/2g) = λ(l+Σle)/d(u2/2g)
简单管路
没有分支或汇合 ❖ 特点：
质量流量保持不变； 总阻力损失为各段损失之和。
稳态过程：输入物料量 = 输出物料量 ❖ 能量衡算(Energy Balance)：
输入能量 = 输出能量 + 系统累积能量 稳态过程：输入能量 = 输出能量 ❖ 过程速率 = 过程推动力/过程阻力
本课程的教学内容
❖ 单元操作
54学时
❖ 化学反应工程基础 18学时
❖ 化工热力学基础 18学时
第一章 流体流动(Fluid Flow)
❖ 质量流量(Mass Flux)：ms=m/θ (单位时间流过
管路任一截面的流体质量）
❖ 流速(Velocity)：u = Vs/A (体积流量除以管截
面所得的平均速度）
❖ 质量流速(Mass Velocity) ：G=ms/A (质量流量
与管截面的比值）
❖ 稳定流动（Steady Flow）— p、ρ、z等物理 量不随时间θ变化
截面流量计：转子流量计
❖ 差压流量计：等截面、变压差 节流口面积不变，流体流经节流口所产生的△p随V 而变，通过测定△p间接测定流量V 。
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——此式为柏努利方程的最常用形式
4.流体流动规律的举例
H
h f 包括所选截面间全部管路阻力损失
e
输送单位质量流体所需加入的外功， 是决定流体输送机 械的重要数据。
若管路输送的流体的质量流量为 w（kg/s），则输送流体所需供 给的功率（即流体输送机械的有效功率）为：
Ne H e q m
如果流体输送机械的效率为，则实际消耗的功率即流体输送机械 的轴功率为： Ne H e qm N
3.1 流体的基本性质
1．密度（density） 2．比体积(specific volume)
3．压力(pressure)
4．流量和流速（flow and flow rate） 5．粘度(viscosity)
1．密度（density）
⑴ 密度的物理意义：单位体积的流体所具有的质量。 表达式：
＝ m/v
求解方程时应注意各项单位的一致性（J/kg 或 Pa）。
【例X3-6】
容器 B 内保持一定真空度，溶液从敞口 容器 A 经内径 为30mm导管自动流入容 器 B 中。容器 A 的液面距导管出口的高度 为 1.5m，管路阻力损失可按 hf = 5.5u2 计算（不包括导管出口的局部阻力），溶 液密度为 1100kg/m3。
以内径为105mm的钢管输送压力为2atm、温度为120℃ 的空气。已知空气在标准状态下的体积流量为630m3· h-1，试 求此空气在管内的流速和质量流程。
解： 依题意将空气在标准状态下的流量换算为操作状态
下的流量。因压力不高，可应用理想气体状态方程 计算如下：
p T 2 7 3 1 2 01 3 1 0 q q 6 3 0 4 5 3 m h V V 0 T P 7 3 2 2 0
∴ 进口绝对压力P1=760-220=440 mmHg=7.2×104 Pa 出口绝对压力P2=1.033+1.7=2.733kgf=2.68×105 Pa
4．流量和流速
⑴ 流量： ①体积流量qv 单位时间内流体流经管道任一截面的体积，m3· s-1 ②质量流量qv
单位时间内流体流经管道任一截面的质量
⑶ 表压(gauge pressure) 、真空度（degree of vacuum）
测定压力 表 压 绝对压力 大 气 压 压 大 气 压 压 真空度 测定压力 绝对压力 绝对真空：绝对压力（为零） 测定压力＞大气压 测定压力＜大气压
表压=绝对压力－大气压力
真空度=大气压力－绝对压力源自题X3-3q q 4 5 3 / 3 6 0 0 1 V V u 2 1 4 . 5 4 m s 2 A d 1 0 5 / 1 0 0 0 3 . 1 4 4 4
取空气在标准状况下的平均分子量为Mm=28.9 实际操作状态下空气的密度为：
2 8 . 9 2 7 3 2 3 1 . 7 9 k g m 2 2 . 42 7 3 1 2 0 1
1.定态流动和非定态流动
⑴ 定态流动：
u 、 p 、 等 参 数 与 位 置 有 关 ， 但 与 时 间 无 关
⑵ 非定态流动
u 、 p 、 等 参 数 与 位 置 、 时 间 均 有 关
2.流体定态流动过程的物料衡算---连续性方程
⑴ 推导：
定态流动时，单位时间内通过 流动系统任一截面的液体的质 量应相等：
, m-3 1 2 n各纯组分流体的密度，kg·
m 1 1 2 2 n n
, 2 1 n 各组分流体的质量分数
③ 混合气体密度的计算
, m-3 1 2 n 各纯组分液体的密度，kg·
, 1 2 n 各组分的体积分数
A B
qm， 1 q m ， 2 即
u s us 1 1 1 2 22
推广到任一截面有：
q u S ＝ u S u S = 常 数 m 1 1 1 2 2 2 n n n
对 于 不 可 压 缩 流 体 ， = 常 数 1 2
q u su s ＝ u s v 1 1 2 2 n n
因此，化工生产需要进行准确的流体流动、输送 的工程计算某化工厂生产场地
二．研究流体的流动、输送主要解决的问题
⑴ 输送流体相关参数的确定。
⑵ 了解流体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。
3.1 流体的基本性质
3.2 流体流动的基本规律 3.3流体压力和流量的测量
3.4管内流体的阻力 3.5 流体输送机械
例题 X3-1
已知硫酸与水的密度分别为1830kg.m-3与998kg.m-3， 试求含硫酸为60%（质量）的硫酸水溶液的密度。
解： 根据式（3-3）
1 0 . 60 . 4 4 4 ( 3 . 2 8 4 )1 0 7 . 2 8 1 0 8 3 0 9 9 8 m1
③摩尔流量：
qm qV
单位时间内流体流经管道任一截面的物质的量
q n q m/M
⑵ 流速
① 流速
单位时间内，流体在管道内沿流动方向所流过的距离，
m· s-1
②质量流速(mass velocity of flow)：
kg· s-1
u qV / S
w q /S u m
例题X3-4
某台离心泵进、出口压力表读数分别为220mmHg（真空 度）及1.7kgf/cm2，若当地大气压力为760mmHg，试求它 们的绝对压力各为若干。
解： 离心泵进口处压力表读数为真空度、出口压力压力表读数为表压
真空度=大气压力-绝对压力 ∴绝对压力=大气压力-真空度
表压=绝对压力-大气压力 ∴绝对压力=大气压力+表压
⑴ 粘度μ 的物理意义：
设有上、下两块平行放置、 面积很大、相距很近的夹板，板 间充满流体，下板固定，以一推 动力F推动上平板以u恒速运动。
y
y
y
经实验证明，此时： 引入比例系数μ ，有：
u F A y
u F A y
⑵ 粘度 :
单位：Pa· s，泊P：g· cm-1· s-1
根据式（3-2）： 4 2 8 . 9 6 2 7 39 . 8 1 1 0 3 0 . 9 1 6 k g m m 5 2 2 . 4 3 7 3 1 . 0 1 3 2 5 1 0
2．比体积(specific volume)
物理意义： 单位质量流体所具有的体积。 表达式：
① 动能：
② 位能：
m u 2
2
m gz
m P ③ 静压能：
⑴理想流体流动过程的能量衡算 图中截面1、2之间符合能量守恒定律
2 2 m u m p u p 1 1 2 m 2 m g z m g z m 1 2 2 2 2 2 u p u p 1 1 2 即 ： z z 2 1 2 2 g g 2 g g
ρ ：流体的密度，kg· m-3 m：流体的质量，kg V：流体的体积，m3
⑵ 密度计算： ① 气体密度用理想气体状态方程进行计算：
PM RT
T0 P 0 T P0
M T0 P 22.4TP0
思考：如何推导
提示： PV=nRT
② 混合流体密度的计算：
1 / / / / m 11 11 n n
1 3 1 3 7 0 k g m m 4 7 . 2 81 0
例题X3-2
已知干空气的组成为：O221%、N278%和Ar1%（均为体 积%）。试求干空气在压力为9.81×104Pa及温度为100℃时 的密度。 解： 首先将摄氏度换算为开尔文温度： 100℃=273+100=373K 再求空气的平均分子量： Mm=32×0.21+28×0.78+39.9×0.01=28.96
应用柏努利方程进行计算的一般原则
应用柏努利方程时，首先应根据具体问题 在流体流动系统中确定衡算范围，也就是确 定列出柏努利方程的两截面位置。
所选的两个截面应尽可能是已知条件最多的截面，而 待求的参数应在两截面上或在两截面之间。
计算重力位能的基准水平面可任取，基准面处流体的 重力位能为零。所以若使两计算截面之一为基准面可使 方程简化。
2 u 2 2 p zg 5 . 5 u 2 2 真 2
B
A
2 4 1 . 5 9 . 8 1 6 . 0 1 . 1 8 1 1 0 0 2 . 5 4 1 0P a
3.3流体压力和流量的测量
1．流体压力的测量---U形管压力计
u 1 . 7 9 1 4 . 5 4 2 6 . 0 3 k g sm
1 2
5．粘度(viscosity)
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。粘度↑，流动性↓ 以圆形管为例：可将流动的流体看成分割成无数极薄 的圆和筒层，相邻两层之间的相互作用力便是流体的内 摩擦力。
【例X3-6】
p p 0u 0 1 a z 1 1
p p p 2 a 真 z 1 . 5 m 2
pa
1 .5 m 1 1 2 2
p真
抽真空
4 V 3 3 6 0 0 u 1 . 1 8 m s 2 2 2 d 0 . 7 8 50 . 0 3
2 2 h 5 . 5 u 5 . 5 u f 2
⑶ 运动粘度：
ν /
单位：m2· s-1，沲st：g· cm-1· s-1
⑷ 内摩擦应力或剪应力 ： 单位面积上的内摩擦力。 F 即： A