化工原理课程总结

第一章
两类问题： 流体静力学问题 流体动力学问题
流体流动
流体所受作用力
表面力
质量力
压力
剪力
重力
离心力
第一节 流体静力学
一、质量力与密度
m V
（一）密度
混合气体 混合液体
kg/m3
m 1 y1 1 y2 n yn
1 2 n m 1 2 n
Stokes 区
24 Re

（三） 沉降速度的计算 层流区： u t
d p2 ( p ) g 18
——Stokes(斯托克斯)式
（四）影响沉降速度的其它因素
1.干扰沉降 颗粒体积分数较大时相互干扰，发生干扰沉降。 2. 颗粒形状 ϕs越小，阻力越大。 3. 壁效应
二、 重力沉降设备 降尘室
1 2 p1 1 2 p2 z1 u1 H z2 u2 H f 2g g 2g g
H =W/g—— 外加压头，m；ΣHf =Σhf/g——压头损失，m
第三节
雷诺准数
Re d u
管内流体流动现象
无因次数群
一、流体流动类型与雷诺数

Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区； Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区； 2000< Re <4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，称为不稳定的过渡区。
λ
0.03 0.025 0.02 0.015

水力光滑管 Re
64 Re
完全湍流区 （阻力平方区）

d
0.01 0.009 0.008
层 流 区
103 2
过 渡 区
4 68 104 2
Re,
d
0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 0.0001 0.00005 0.00001 108 0.000005 0.000001
二、 流体在圆管内的速度分布
（一）层流
2 p r 2 2 ur ( R r )=umax 1 4 l R
平均速度
qV 1 u umax A 2
32 μlu p d2
哈根-泊谡叶（Hagen-Poiseuille）方程
（二）湍流
汽蚀产生的条件: 叶片入口附近K处的 压强pK等于或小于输
送温度下液体的饱和
蒸气压 。
（二） 有效汽蚀余量与必需汽蚀余量
有效汽蚀余量 泵入口处所具有的压头与饱和蒸气压头之差。
2 pV p1 u1 ha g 2 g g
必需汽蚀余量 泵入口处所具有的压头与叶轮内最低压力点K处压头之差。
kg/s或kg/h
m/s kg/（m2· s）
qV u A
qm ④质量流速 A 流量与流速的关系：
q m qV uA wA
二、连续性方程式
s1 u1 s2 u 2 s3 u3
控制体
qm 1 u1 A1 2 u2 A2 uA 常 数
qV u1 A1 u2 A2 uA 常 数
r ur umax 1 R
n
第四节
管内流体流动的摩擦阻力损失
1 2 p1 1 2 p2 z1 g u1 W z2 g u2 h f 2 2
一、直管阻力
能量损失
l u2 hf d 2
l u2 Hf d 2g
J/kg
压头损失
最大安装高度
H gm ax p0 pV hr H f 01 g
1 1’ Hg
最大允许安装高度
H g允 p0 pV h H f 01 g
离心泵的实际安装高度应小于允许安装高 度，一般比允许值小0.5～1m。
0
0’
离心泵的安装高度
第二节 其他类型化工用泵
湍流区
4 68 105 2 4 68
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雷诺数 Re

du
106
2
4 68
107
2
4 68

0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04

如何使用莫狄图？
根据管材查取值；
0.05 由/d 值找到一条曲线或内插 0.04 出一条曲线，如/d＝0.0025 0.03
' f
三、流体在管路中的总阻力
l le u2 l u2 hf ( ) d 2 d 2
第二章
液体——泵
流体输送机械
叶轮
泵壳
泵轴 底阀 吸入管路 排出管路
气体——风机或压缩机
第一节
离心泵
一、 离心泵的工作原理
离心泵的工作过程：
开泵前，先在泵内灌满要输送的液体。
开泵后，泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力。液体在 此作用下，从叶轮中心被抛向叶轮外周，压力增高，并以很 高的速度（15-25 m/s）流入泵壳。
②
2 p1 u12 p2 u2 z1 z2 g 2 g g 2 g
位压头 静压头
动压头
J/N m
四、实际流体的机械能衡算式
1 2 p1 1 2 p2 z1 g u1 W z2 g u2 h f 2 2
W —— 外功，J/kg；Σhf——阻力损失，J/kg
思考1：为什么气体进入降尘室后，流通截面积要扩大？
思考2：为什么降尘室要做成扁平的？ 降尘室的生产能力只与沉降面积WL及颗粒沉降速度ut有关，而与高度H
无关，故做成扁平的有利于提高生产能力。
第三节
一、离心沉降速度
离心沉降
合
重力沉降速度ut
层流
ut d p2 ( p ) g 18
离心沉降速度ur
2 p1 u1 pK hr g 2 g g
ha > hr , pk > pv时， 不汽蚀 ha ＝ hr , pk ＝ pv时，开始发生汽蚀 ha < hr , pk < pv时， 严重汽蚀
允许汽蚀余量
h hr 0.3
（三） 离心泵的安装高度
在0-0’和1-1’间列柏努利方程：
ur
d p 2 ( p ) u2 18 r
方向
向下，大小不变
径向向外，随r变化
第四节
一、悬浮液的过滤
过
滤
滤 浆 滤 饼 过滤介质
推动力：压力差，离心力，重力
滤 液
阻
力：滤饼、过滤介质阻力
两种过滤方式 1. 滤饼过滤
2. 深层过滤
二、过滤速率基本方程式
分动能转化为压力能。能够使液体以较高的静压强从排出口
流入排出管道。 问题3：流体在泵内都获得了哪几种能量？其中哪种能量 占主导地位？ 动能和静压能，其中静压能占主导。
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问题4：泵启动前为什么要灌满液体？
离心泵启动时，如果泵壳内存在空气，由于空气的密度远
小于液体的密度，叶轮旋转所产生的离心力很小，叶轮中心 处产生的低压不足以造成吸上液体所需要的真空度，这样， 离心泵就无法工作，这种现象称作“气缚”。
为了使启动前泵内充满液体，在吸入管道底部装一止逆
阀。此外，在离心泵的出口管路上也装一调节阀，用于开停 车和调节流量。
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二、离心泵的主要性能参数
转 速 流 量 压 头 轴 功 率 和 效 率 允 许 汽 蚀 余 量
离心泵的主要性能参数
铭 牌
三、离心泵的特性曲线
m
压力损失
l u 2 pf d 2
Pa 层流时

8 u 2
64 Re
无量纲
湍流时 莫狄图
莫狄（Moody）图
0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04
l u hf λ d 2
d
2
0.05 0.04 0.03 0.02 0.015 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002
五、离心泵的汽蚀现象与安装高度
（一） 汽蚀现象
离心泵安装高度提高时，将导致泵内压力降低，
泵内压力最低点通常位于叶轮叶片进口稍后的一点
附近。当此处压力降至被输送液体的饱和蒸汽压时， 将发生沸腾，所生成的蒸汽泡在随液体从入口向外
周流动中，又因压力迅速增大而急剧冷凝。会使液
体以很大的速度从周围冲向气泡中心，产生频率很 高、瞬时压力很大的冲击，这种现象称为汽蚀现象。
根据Re找到交点；
0.02 0.015 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002
0.03 0.025 0.02 0.015

d
0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 0.0001 0.00005 0.00001 108 0.000005 18 0.000001
H~qV 、P~qV 、~qV：厂家实验测定
四、离心泵的工作点与流量调节
（一）管路特性曲线
管路特性方程
2 H H0 kqV
8 l le k 2 g d5
（二）工作点
工作点：管路特性曲线与泵特性曲线交点。 管路特性方程
解析法：
H f (qV )Leabharlann Baidu
H (qV )
泵特性方程
重力沉降速度: 颗粒受力平衡时，匀速阶段颗粒相对于流体的
运动速度。
ut 4d p ( p ) g 3
（二）流体中颗粒运动的阻力(曳力)
Fd Ap
u2
2


4
dp
2
u2
2
ζ——阻力系数（曳力系数）
f (Re)
层流区 10－4< Re < 2
Re d p ut
u1 A2 d 2 圆形管道 ： u2 A1 d 1
2
三、伯努利方程式
推导条件
①
2 u12 p2 u2 z1 g z2 g 2 2
p1
流体不可压缩；
理想流体（无阻力）； 稳态流动；
位能
静压能
动能
J / kg
恒温；
连续流体。
du dy
F
dy
u
u＋du
N s 粘度 Pa· Pa
剪应力
四、流体静力学基本方程
p1 + gz1 p2 gz2
压力形式（N/m2）
p1
p0 p1 G z1

z1 g
p2

z2 g
能量形式（J/kg）
p1 p2 z1 z2 g g
p2
z2
压头形式（J/N）
1
（二）比体积
V 1 m
m3/kg
二、压力与静压强
表
F p A
N/m2或Pa
压 = 绝对压力 － 大气压力
真空度 = 大气压力 － 绝对压力
P / MPa
绝 对 压 力
表 压 真 空 度 绝对压力 绝对零压线
大 气 压
0
绝对压力,表压和真空度的关系
三、剪力、剪应力和粘度
剪力
du F A dy
在蜗形泵壳中由于流道的不断扩大，液体的流速减慢，使
大部分动能转化为压力能。最后液体以较高的静压强从排出 口流入排出管道。 泵内的液体被抛出后，叶轮的中心形成了真空，在液面压 强（大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体便经
吸入管路进入泵内，填补了被排除液体的位置。
问题1：为什么叶片向后弯曲？
五、流体静力学基本方程的应用
1. U管单点测压管 2. U管压差计
3. 双液体U管微压差计
4. 倾斜式微压差计
第二节 管内流体流动的基本方程
一、概述
（1）质量守恒定律——连续性方程式 （2）能量守恒定律——伯努利方程式 ①体积流量
qV V

m3/s或m3/h
②质量流量
③流速
qm qV
液体在高速旋转的叶轮中的运动分为两种:
周向运动u和沿叶片表面的运动w， w2 它们的合运动为c。 c2小，泵内流动阻力损失小， 故向后弯曲时阻力最小。 后弯叶片 前弯叶片 径向叶片
2016/12/19 22/6 7
w2
c2 c w 22
c2
u2 u2
u
2
问题2：为什么泵壳呈蜗壳状？ 蜗形泵壳中管道空间不断扩大，液体的流速减慢，大部
一、 往复泵
三、旋涡泵
二、 齿轮泵
第三节
通风机
鼓风机 压缩机 真空泵
气体输送机械
第三章 沉降与过滤
第一节 概述
非均相物系分离： 沉降（重力沉降、离心沉降） 过滤 分散物质（分散相）：处于分散状态的物质 分散介质（连续相）：处于连续状态的物质
第二节
一、重力沉降速度
（一）球形颗粒的自由沉降
重力沉降
0.01 0.009 0.008 103 2 4 68 104 2 4 68 105 2 4 68
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雷诺数
Re
du
106
2
4 68 107
2
4 68

二、局部阻力
（一）阻力系数法
2 u hf' 2
（二）当量长度法
J/kg
2 u Hf' 2g
J/N=m
le u 2 h d 2 2 l u H f' e d 2g