化工原理整理知识点

 流体受力：表面力和体积力

体积力/场力/质量力：为非接触力，大小与流体的质量成正比

表面力：为接触力，大小与和流体相接触的物体（包括流体本身）的表面积成正比，  流场概念：场和流场；矢量场和标量场；梯度

第一节 流体静力学

1-1-2 压力

流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，又称为压力。在静止流体中，作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。 压力的单位

（1） 按压力的定义，其单位为N/m2，或Pa；

（2） 以流体柱高度表示，如用米水柱或毫米汞柱等。 标准大气压的换算关系：

1atm = 1.013×105Pa =760mmHg =10.33m H2O 压力的表示方法

表压 = 绝对压力－大气压力 真空度 = 大气压力－绝对压力 1-1-3 流体静力学基本方程 静力学基本方程：

压力形式 ：p2p1g(z1z2)

p1能量形式 ：

适用条件：在重力场中静止、连续的同种不可压缩流体。

（1）在重力场中，静止流体内部任一点的静压力与该点所在的垂直位置及流体的密度有关，而与该点所在的水平位置及容器的形状无关。

（2）在静止的、连续的同种液体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。

（3）物理意义：静力学基本方程反映了静止流体内部能量守恒与转换的关系，在同一静止流体中，处在不同位置的位能和静压能各不相同二者可以相互转换，但两项能量总和恒为常量。 应用：

1. 压力及压差的测量 （1）U形压差计：

p1p2(0)gR 若被测流体是气体，可简化为：

p1p2Rg0

U形压差计也可测量流体的压力，测量时将U形管一端与被测点连接，另一端与大气相通，此时测得的是流体的表压或真空度。 （2）倒U形压差计 （3）双液体U管压差计

z1gp2z2gp1p2Rg(0)Rg

p1p2Rg(AC) 2. 液位测量

3. 液封高度的计算

第二节 流体动力学

1-2-1 流体的流量与流速 一、流量

体积流量VS 单位时间内流经管道任意截面的流体体积， m3/s或m3/h。 质量流量MS 单位时间内流经管道任意截面的流体质量， kg/s或kg/h。 二、流速

平均流速u 单位时间内流体在流动方向上所流经的距离，m/ s。

质量流速G 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量，kg/（m2·s）。 1-2-2 定态流动与非定态流动

流体流动系统中，若各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化，这种流动称之为定态流动；若流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化，则称为非定态流动。

1-2-3 定态流动系统的质量守恒——连续性方程

mS1mS2常数

u11A1u22A2常数

1-2-4 定态流动系统的机械能守恒——柏努利方程 一、实际流体的柏努利方程

12p12pz1gu11Wez2gu22Wf22以单位质量流体为基准：

J/kg

以单位重量流体为基准：

z1p12p112u1Hez2u22hf2gg2gg J/N=m

适用条件：（1）两截面间流体连续稳定流动； （2）适于不可压缩流体，如液体；

p1p220%p1 对于气体，当 ，可用两截面的平均密度ρ二、理想流体的柏努利方程

理想流体是指没有黏性（即流动中没有摩擦阻力）的不可压缩流体。

m计算。

12p12pz1gu11z2gu2222 (质量) 12p112p2z1u1z2u22gg2gg（重量）

表明理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数 三、柏努利方程的讨论

（1）当系统中的流体处于静止时，柏努利方程变为



上式即为流体静力学基本方程式。

12pu2（2）在柏努利方程式中， Z1g、、分别表示单位质量流体在某截面上所具有的位

能、动能和静压能；而We、ΣWf是指单位质量流体在两截面间获得或消耗的能量。 输送机械的有效功率： PemsWe

z1gp1z2gp2 输送机械的轴功率：

四、柏努利方程的应用

应用柏努利方程时需注意的问题： （1） 截面的选取

所选取的截面应与流体的流动方向相垂直，并且两截面间流体应是定态连续流动。截面宜选在已知量多、计算方便处。截面的物理量均取该截面上的平均值。 （2） 基准水平面的选取

基准水平面可以任意选取，但必须与地面平行。为计算方便，宜于选取两截面中位置较低的截面为基准水平面。若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选管中心线的水平面。

（3）计算中要注意各物理量的单位保持一致，对于压力还应注意表示方法一致。

第三节 管内流体流动现象

1-3-1 流体的黏度 一、牛顿黏性定律

牛顿黏性定律表明流体在流动中流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度之间的关系，其表达式为

PPeFA

牛顿黏性定律适用于层流。

黏度是度量流体黏性大小的物理量，一般由实验测定。

物理意义：促使流体在与流动相垂直方向上产生单位速度梯度时的剪应力。 单位：Pa·s，cP(厘泊) 1cP=10-3 Pa·s 影响因素：温度与压力

液体：T↑，μ↓；不考虑p的影响。

气体：T↑，μ↑；一般在工程计算中也不考虑p的影响。 剪应力与速度梯度的关系符合牛顿黏性定律的流体，称为牛顿型流体；不符合牛顿黏性定律的流体称为非牛顿型流体。

运动黏度为黏度μ与密度ρ的比值，单位为m2/s，也是流体的物理性质。 1-3-2 流体的流动型态 一、流体流动类型

层流（或滞流） 流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，流体分为若干层平行向前流动，质点之间互不混合；

湍流（或紊流） 流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时发生变化，质点互相碰撞和混合。 二、流型判据——雷诺准数

dududy 或 dy

.. （1-28）

Re为无因次准数，是流体流动类型的判据。

（1） 当Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区； （2） 当Re≥4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；

（3） 当2000< Re <4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。

根据Re准数的大小将流动分为三个区域：层流区、过渡区、湍流区，但流动类型只有两种：层流与湍流。 雷诺准数物理意义：表示流体流动中惯性力与黏性力的对比关系，反映流体流动的湍动程度。

Redu1-3-3 流体在圆管内的速度分布 一、层流时的速度分布

由实验和理论已证明，层流时的速度分布为抛物线形状，管中心处速度为最大，管壁处速度为零。管截面上的平均速度与中心最大流速之间的关系为：

u二、湍流时的速度分布

湍流时速度分布由实验测定，管中心区速度最大，管壁处速度为零。管截面上的平均速度与中心区最大流速之间的关系为

u0.8umax 三、层流内层的概念

当流体在管内处于湍流流动时，由于流体具有黏性和壁面的约束作用，紧靠壁面处仍有一薄层流体作层流流动，该薄层称为层流内层（或层流底层），

层流内层为传递过程的主要阻力。其厚度与流体的湍动程度有关，流体的湍动程度越高，层流内层越薄。层流内层只能减薄，但不能消失。

1umax2

第四节 流体流动阻力

1-4-1 流体在直管中的流动阻力 一、直管阻力的通式 范宁公式的几种形式：

lu2Wfd2 能量损失

Wflu2压头损失 hf gd2lu2pfWfd2 压力损失

二、层流时的摩擦系数

层流时摩擦系数λ是雷诺数Re的函数

流体在直管内层流流动时能量损失的计算式为

64Re

32lud2 32lupfd2 哈根-泊谡叶方程 或 Wf表明层流时阻力与速度的一次方成正比。

三、湍流时的摩擦系数 因次分析法主要步骤：

（1）通过初步的实验和较系统的分析，找出影响过程的主要因素；

（2）通过无因次化处理，将影响因素组合成几个无因次数群，减少变量数和实验工作量； （3）建立过程的无因次数群关联式（通常采用幂函数形式），通过实验确定出关联式中各待定系数。

因次分析法的基础：因次一致性，即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的因次。 因次分析法的基本定理：设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本因次数为m个，则该物理现象可用N＝（n－m）个独立的无因次数群表示。

湍流时摩擦系数λ是Re和相对粗糙度d的函数：

(Re,)d λ-Re-d图：

（1）层流区 Re<2000 λ=64/Re， 与d(相对粗糙度)无关 Wf, hf ∝ u1

（2）过渡区 2000< Re <4000 λ=f（Re，d）

（3）湍流区 Re >4000 λ=f（Re，d） Wf, hf ∝ u1~2

（4）完全湍流区 Re > Re c λ=f（d）与Re无关 Wf, hf ∝ u2

(阻力平方区) (虚线以上) 四、非圆形管内的流动阻力

此时仍可用圆管内流动阻力的计算式，但需用非圆形管道的当量直径代替圆管直径。 当量直径 1-4-2 局部阻力 一、阻力系数法

将局部阻力表示为动能的某一倍数，

de4流通截面积A＝4润湿周边

22uu'hfWf'2g 2 或

式中，ζ称为局部阻力系数，一般由实验测定。注意，计算突然扩大与突然缩小局部阻力

时，u为小管中的大速度。

进口阻力系数进口0.5，出口阻力系数出口1。 二、当量长度法

将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为le的直管所产生的阻力即

22lulu'ehfWf'ed2g d2 或

式中le称为管件或阀门的当量长度，也是由实验测定。

1-4-3 流体在管路中的总阻力

当管路直径相同时，总阻力：

'2lulleu2'WfWfWfWfWfWfd2 或 d2

注意：计算局部阻力时，可用局部阻力系数法，亦可用当量长度法，但不能用两种方法重

复计算。

第五节 管路计算

1-5-1 简单管路

在定态流动时, 其基本特点为：

（1）流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变，即

VS1VS2VS3 (2)整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和，即

WfWf1Wf2Wf3 计算可分为两类：设计型和操作型。计算中注意试差法的应用。 1-5-2 复杂管路 一、并联管路 特点：

（1）主管中的流量为并联的各支管流量之和，对于不可压缩性流体，则有 （2）并联管路中各支管的能量损失均相等，即

注意：计算并联管路阻力时，可任选一根支管计算，而绝不能将各支管阻力加和在一起作为并联管路的阻力。

二、分支管路与汇合管路 特点：

（1）总管流量等于各支管流量之和，对于不可压缩性流体，有

VSVS1VS2

（2）虽然各支管的流量不等，但在分支处O点的总机械能为一定值，表明流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和必相等。

VSVS1VS2VS3

Wf1Wf2Wf3WfAB

pB

第六节 流速与流量的测量

p1212zBguBWfOBCzCguCWfOC22

1-6-1 测速管

测速管测得的是流体在管截面某点处的速度，点速度与压力差的关系为：

u.2p用U形压差计测量压差时



2Rg(0)u.

注意测速管安装时的若干问题。 1-6-2 孔板流量计

孔板流量计是利用流体流经孔板前后产生的压力差来实现流量测量。

孔速

u0C02Rg(0)

体积流量

VSu0A0C0A02Rg(0)

质量流量 mSC0A02Rg(0)

式中C0为流量系数或孔流系数，

孔板流量计的特点：恒截面、变压差，为差压式流量计。（空径突变导致能量损失加大） 1-6-3 文丘里（Venturi）流量计

文丘里流量计也属差压式流量计，其流量方程也与孔板流量计相似，即

C0f(Re,A0)A1 ， 常用值为C0＝0.6～0.7。



式中CV为文丘里流量计的流量系数（约为0.98～0.99）。 文丘里流量计的能量损失远小于孔板流量计。（渐变式孔径） 1-6-4 转子流量计

转子流量计是通过转子悬浮位置处环隙面积不同来反映流量的大小。

u0CR环隙流速

VSCVA02Rg(0)2(f)VfgAf

VsCRAR体积流量

式中CR 为流量系数，AR为转子上端面处环隙面积。

转子流量计的特点：恒压差、恒环隙流速而变流通面积，属截面式流量计。 转子流量计的刻度，是用20℃的水（密度为1000kg/m3）或20℃和101.3kPa下的空气（密

3

度为1.2kg/m）进行标定。当被测流体与上述条件不符时，应进行刻度换算。 在同一刻度下，两种流体的流量为

2(f)VfgAf

VS2VS1式中下标1表示标定流体的参数，下标2表示实际被测流体的参数。

注意：转子流量计必须垂直安装；为便于检修，转子流量计应安装支路。

1(f2)2(f1)

第七节 流体输送设备

1-7-1 离心泵

一、离心泵的工作原理与构造

1.工作原理 离心泵启动前，应先将泵壳和吸入管路充满被输送液体。启动后，泵轴带动叶轮高速旋转，在离心力的作用下，液体从叶轮中心甩向外缘。流体在此过程中获得能量，使静压能和动能均有所提高。液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使泵出口处液体的静压能进一步提高，最后以高压沿切线方向排出。液体从叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成低压，在贮槽液面和泵吸入口之间压力差的作用下，将液体吸入叶轮。可见，只要叶轮不停地转动，液体便会连续不断地吸入和排出，达到输送的目的。

气缚现象：离心泵启动前泵壳和吸入管路中没有充满液体，则泵壳内存有空气，而空气的密度又远小于液体的密度，故产生的离心力很小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内液体吸入泵内，此时虽启动离心泵，也不能输送液体，此种现象称为气缚现象，表明离心泵无自吸能力。因此，离心泵在启动前必须灌泵。 2.离心泵的主要部件

叶轮 其作用为将原动机的能量直接传给液体，以提高液体的静压能与动能（主要为静压能）。

泵壳 具有汇集液体和能量转化双重功能。（还有泵轴）

轴封装置 其作用是防止泵壳内高压液体沿轴漏出或外界空气吸入泵的低压区。常用 的轴封装置有填料密封和机械密封两种。 二、离心泵的性能参数与特性曲线 1. 性能参数

流量Q 离心泵单位时间内输送到管路系统的液体体积， m3/s或m3/h。

压头（扬程）H 单位重量的液体经离心泵后所获得的有效能量，J /N或m液柱。 效率η 反映泵内能量损失，主要有容积损失、水力损失、机械损失。 轴功率P 离心泵的轴功率是指由电机输入离心泵泵轴的功率， W或kW。 离心泵的有效功率Pe是指液体实际上从离心泵所获得的功率。

Pe100%P

QHPe102 泵的有效功率： PeQHg 或

QHgQHPP 或 102 泵的轴功率为

 2. 特性曲线

离心泵特性曲线是在一定转速下，用20℃水测定，由H-Q、P-Q、η-Q三条曲线组成。 （1）H-Q曲线：离心泵的压头在较大流量范围内随流量的增大而减小。不同型号的离心泵，H-Q曲线的形状有所不同。

（2）P-Q曲线：离心泵的轴功率随流量的增大而增大，当流量Q＝0时，泵轴消耗的功率最小。因此离心泵启动时应关闭出口阀门，使启动功率最小，以保护电机。

（3）-Q曲线：开始泵的效率随流量的增大而增大，达到一最大值后，又随流量的增加而下降。这说明离心泵在一定转速下有一最高效率点，该点称为离心泵的设计点。一般离心泵出厂时铭牌上标注的性能参数均为最高效率点下之值。高效率区通常为最高效率的92％左右的区域。

P 3. 影响离心泵性能的主要因素

密度：ρ↑→Q不变，H不变，η基本不变，P↑；

黏度：μ↑→Q↓，H↓，η↓，P↑；

Q1n1H1nPn;(1)2;1(1)3n2P2n2 转速：比例定律 Q2n2H2 叶轮直径：切割定律

三、离心泵的工作点与流量调节

1. 管路特性曲线

管路特性曲线表示在特定的管路系统中，输液量与所需压头的关系，反映了被输送液体对输送机械的能量要求。

管路特性方程 HeABQ

H管路特性曲线2Q1D1H1DPD;(1)2;1(1)3Q2D2H2D2P2D2

AzH~QMHMHe~Q泵特性曲线其中

管路特性曲线仅与管路的布局及操作条件有关，而与泵的性能无关。曲线的截距A与两贮槽间液位差

8llepB2πgd5 g，

z及操作压力差p有关，曲线的陡度B与管路的阻

力状况有关。高阻力管路系统的特性曲线较陡峭，低

阻力管路系统的特性曲线较平坦。

QMQ2. 工作点

泵安装在特定的管路中，其特性曲线H-Q与管路特

性曲线He-Q的交点称为离心泵的工作点。若该点所对应的效率在离心泵的高效率区，则该工作点是适宜的。

工作点所对应的流量与压头，可利用图解法求取，也可由也可由

管路特性方程：Hef(Q) 泵特性方程：H(Q) 联立求解。

3. 流量调节

（1）改变管路特性曲线

最简单的调节方法是在离心泵排出管线上安装调节阀。改变阀门的开度，就是改变管路的阻力状况，从而使管路特性曲线发生变化。管路的阻力状况，从而使管路特性曲线发生变化。 这种改变出口阀门开度调节流量的方法，操作简便、灵活，流量可以连续变化，故应用较广，尤其适用于调节幅度不大，而经常需要改变流量的场合。但当阀门关小时，不仅增加了管路的阻力，使增大的压头用于消耗阀门的附加阻力上，且使泵在低效率下工作，经济上不合理。

（2）改变泵特性曲线

通过改变泵的转速或直径改变泵的性能。由于切削叶轮为一次性调节，因而通常采用改变泵的转速来实现流量调节。

这种调节方法，不额外增加阻力，且在一定范围内可保持泵在高效率下工作，能量利用率高。

4. 离心泵的组合操作 （1）并联操作

两泵并联后，流量与压头均有所提高，但由于受管路特性曲线制约，管路阻力增大，两台泵并联的总输送量小于原单泵输送量的两倍。 （2）串联操作

两泵串联后，压头与流量也会提高，但两台泵串联的总压头仍小于原单泵压头的两倍。 （3）组合方式的选择

(z如果单台泵所提供的最大压头小于管路两端对于低阻输送管路，并联组合优于串联； 对于高阻输送管路，串联组合优于并联。 四、离心泵的汽蚀现象与安装高度 1. 汽蚀现象

汽蚀现象是指当泵入口处压力等于或小于同温度下液体的饱和蒸气压时，液体发生汽化，气泡在高压作用下，迅速凝聚或破裂产生压力极大、频率极高的冲击，泵体强烈振动并发出噪声，液体流量、压头（出口压力）及效率明显下降。这种现象称为离心泵的汽蚀。 2. 汽蚀余量

p)g，则只能采用串联操作。

p1u12pVNPSHg2gg 实际汽蚀余量

p1允u12pV(NPSH)允g2gg 允许汽蚀余量

(NPSH)允一般由泵制造厂通过汽蚀实验测定。泵正常操作时，实际汽蚀余量NPSH必

须大于允许汽蚀余量(NPSH)允，标准中规定应大于0.5m以上。

3. 离心泵的允许安装高度

离心泵的允许安装高度是指贮槽液面与泵的吸入口之间所允许的垂直距离。

Hg允Hg允p0p1允gu12hf012g

p0pV（NPSH）允hf01g

根据离心泵样本中提供的允许汽蚀余量(NPSH)允，即可确定离心泵的允许安装高度。 实际安装时，为安全计，应再降低0.5～1m。

判断安装是否合适：若Hg实低于Hg允，则说明安装合适，不会发生汽蚀现象，否则，需调整安装高度。

欲提高泵的允许安装高度，必须设法减小吸入管路的阻力。泵在安装时，应选用较大的吸入管路，管路尽可能地短，减少吸入管路的弯头、阀门等管件，而将调节阀安装在排出管线上。

五、离心泵的类型与选用 1.离心泵的类型

按输送液体性质和使用条件，离心泵可分为以下几种类型：

（1）清水泵：适用于输送各种工业用水以及物理、化学性质类似于水的其它液体。 （2）耐腐蚀泵：用于输送酸、碱、浓氨水等腐蚀性液体。 （3）油泵：用于输送石油产品。

（4）液下泵：通常安装在液体贮槽内，可用于输送化工过程中各种腐蚀性液体。 （5）屏蔽泵：用于输送易燃易爆或剧毒的液体。 2. 离心泵的选用 基本步骤：

（1）确定输送系统的流量和压头

一般液体的输送量由生产任务决定。如果流量在一定范围内变化，应根据最大流量选泵，并根据情况，计算最大流量下的管路所需的压头。 （2）选择离心泵的类型与型号

根据被输送液体的性质及操作条件，确定泵的类型；再按已确定的流量和压头从泵样本中选出合适的型号。若没有完全合适的型号，则应选择压头和流量都稍大的型号；若同时有几个型号的泵均能满足要求，则应选择其中效率最高的泵。 （3）核算泵的轴功率

若输送液体的密度大于水的密度，则要核算泵的轴功率，以选择合适的电机。 1-7-2 其它类型化工用泵 一、往复式泵 1. 往复泵

（1） 往复泵的构造及工作原理

主要部件：泵缸、活塞、活塞杆、吸入阀和排出阀。 工作原理：依靠活塞的往复运动，吸入并排出液体。 （2）往复泵的流量与压头

单动泵流量 QTASn 当活塞直径、冲程及往复次数一定时，往复泵的理论流量为一定值。 往复泵的压头与泵的几何尺寸无关，与流量也无关。

往复泵具有正位移特性，即流量仅与泵特性有关，而提供的压头只取决于管路状况。 （3）往复泵的流量调节

多采用旁路调节或改变活塞冲程或往复次数。

往复泵适用于输送小流量、高压头、高黏度的液体，但不适于输送腐蚀性液体及有固体颗粒的悬浮液。 2．计量泵

计量泵也为往复式泵，适用于要求输送量十分准确的液体或几种液体按比例输送的场合。 3．隔膜泵

为输送腐蚀性液体或悬浮液的往复式泵。 二、旋转泵

旋转泵包括齿轮泵和螺杆泵，其工作原理是依靠泵内一个或多个转子的旋转来吸液和排出液体。

旋转泵与往复泵一样，也具有正位移特性，因此也采用旁路调节或改变旋转泵的转速，

以达调节流量的目的。 1-7-3 气体输送设备 一、 离心式通风机 1. 工作原理与结构

离心式通风机的结构和单级离心泵相似，工作原理也与离心泵完全相同，藉蜗壳中叶轮旋转所产生的离心力将气体压力提高而排出。 2. 性能参数与特性曲线 流量（风量）Q 是指单位时间内通风机输送的气体体积，以通风机进口处气体的状态计， 33

m/s或 m/h。

风压pT是指单位体积的气体流经通风机后获得的能量， J/m3或Pa。

2

静风压 ps＝(p2p1)

pT(p2p1)2u2动风压 pk＝22u2

全风压 pTpspk 轴功率与效率

P特性曲线

一定型号的离心式通风机的特性曲线以20℃、101.3kPa的空气作为工作介质进行测定，包括全风压与流量pT-Q静风压与流量ps-Q轴功率与流量P-Q和效率与流量- Q四条线。 3.离心式通风机的选用

离心式通风机的选用与离心泵相仿，即根据输送气体的风量与风压，由通风机的产品样本来选择合适的型号。但应注意，通风机的风压与密度成正比，当使用条件与通风机标定条件（20℃、101.3kPa，空气的密度0＝1.2kg/m3）不符时，需将使用条件下的风压换算为标定条件下的风压，才能选择风机。换算关系为

pTQ1000

pT0pT二、 往复式压缩机

1. 往复压缩机的工作过程

压缩机的一个工作过程是由膨胀、吸气、压缩和排出四个阶段组成的。 余隙系数：余隙体积VA与一个行程活塞扫过的体积（VC—VA）之比

01.2pT

容积系数λ0：在一个压缩循环中，气体吸入的体积（VC—VB）与活塞扫过的体积（VC—

VA）之比

VAVCVA VCVBVCVA

0对于多变压缩过程，二者关系

1kp2011p1

容积系数λ0与压缩机的余隙系数及压缩比（p2p1）有关。

 余隙系数一定时，压缩比越大，容积系数越小；  压缩比一定时，余隙系数越大，容积系数越小。 2．多级压缩

压缩比大于8时，宜采用多级压缩多级压缩，每级适宜压缩比为3～5。 三、真空泵

真空泵用于从设备内或系统中抽出气体，使其处于低于大气压下的状态

第二章 非均相物系分离

第一节 概述

混合物可以分为均相混合物和非均相混合物。

非均相混合物的特点是在物系内部存在两种以上的相态，如悬浮液、乳浊液、含尘气体等。其中固体颗粒、微滴称为分散相或分散物质；而气体、液体称为连续相或分散介质。 非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有不同的物理性质，因此可以用机械的方法将两相分离。操作方式分为两种：

（1）沉降分离 颗粒相对于流体（静止或运动）运动的过程称沉降分离。 分为重力沉降、离心沉降。

（2）过滤 流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称过滤。 分为重力过滤、离心过滤、加压过滤和真空过滤，也可分为恒压过滤、先恒速后恒压过滤。 2-1-1 非均相分离在工业中的应用 一、回收分散相 二、净化连续相

三、环境保护和安全生产 2-1-2 颗粒与颗粒群的特性 颗粒的特性 1、球形颗粒

π体积 V=d3

表面积 S=πd2

比表面积 S/V=6/d 2、非球形颗粒

工业上遇到的固体颗粒大多是非球形颗粒

 SP表面积当量直径des des =

体积当量直径de de=

36VPS球形度（形状系数）φs＝SP

颗粒群的特性

由大小不同的颗粒组成的集合体称为颗粒群。 1、颗粒群粒径分布

颗粒群的粒度组成情况即粒径分布。可用筛分分析法测定各种尺寸颗粒所占的分率。 2、颗粒的平均粒径

da1nxiGii1di xi＝G

3、颗粒的密度

颗粒的真密度：当不包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒群体积内颗粒的质量，kg/m3。 堆积密度（表观密度）：当包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒群体积内颗粒的质量，kg/m3。 4、颗粒的粘附性和散粒性

第二节 颗粒沉降

2-2-1 颗粒在流体中的沉降过程

颗粒与流体在力场中作相对运动时，受到三个力的作用：质量力F、浮力Fb、、曳力Fd 。 对于一定的颗粒和流体，重力Fg、浮力Fb一定，但曳力Fd却随着颗粒运动速度而变化。当颗粒运动速度u等于某一数值后达到匀速运动，这时颗粒所受的诸力之和为零

2-2-2重力沉降及设备 球形颗粒的自由沉降

颗粒在重力沉降过程中不受周围颗粒和器壁的影响，称为自由沉降。 固体颗粒在重力沉降过程中，因颗粒之间的相互影响而使颗粒不能正常沉降的过程称为干扰沉降。

球形颗粒在静止流体中沉降时，颗粒受到的作用力有重力、浮力和阻力。

当合力为零时，颗粒相对于流体的运动速度u=ut，ut称为沉降速度，又称为“终端速度”。

FFFbFd0

4gd(s)3ut =

其中是颗粒沉降时的阻力系数。并且是颗粒对流体作相对运动时的雷诺数Ret的函数

dut=f(Ret)= f()

与Ret的关系可由实验测定，如图2-2所示。图中将球形颗粒（φs=1）的曲线分为三个

区域，即

24（1）滞流区 （ 10-4< Ret≤2） =Ret

d2(s)g18）滞流区 ut =

d(s)g(2)过渡区 ut =0.27

Ret0.6

d(s)g（3）湍流区 ut ＝1.74

在计算沉降速度 ut 时，可使用试差法，即先假设颗粒沉降所属那个区域，选择相对应的计算公式进行计算，然后再将计算结果进行Ret校核。 影响重力沉降速度的因素 （1）颗粒形状

同一性质的固体颗粒，非球形颗粒的沉降阻力比球形颗粒的大的多，因此其沉降速度较球形颗粒的要小一些。 （2）干扰沉降

当颗粒的体积浓度>0.2% 时，干扰沉降不容忽视。 （3）器壁效应

当容器较小时，容器的壁面和底面均能增加颗粒沉降时的曳力，使颗粒的实际沉降速度较自由沉降速度低。 重力沉降设备 1、降尘室

籍重力沉降从气流中除去尘粒的设备称为降尘室。

l气体的停留时间为 θ＝u

htut 颗粒沉降所需沉降时间为

lh沉降分离满足的基本条件为 θ≥θt 或uut 降尘室的生产能力为 Vsblut

多层降尘室的生产能力为 Vs(n1)blut 2、沉降槽

籍重力沉降从悬浮液中分离出固体颗粒（1的设备称为沉降槽。如用于低浓度悬浮液分离时亦称为澄清器；用于中等浓度悬浮液的浓缩时，常称为浓缩器或增稠器。

沉降槽适于处理颗粒不太小、浓度不太高，但处理量较大的悬浮液的分离。这种设备具有结构简单，可连续操作且增稠物浓度较均匀的优点，缺点是设备庞大，占地面积大、分离效率较低。

2-2-3 离心沉降及设备 离心沉降速度

与颗粒在重力场中相似，颗粒在离心力场中也受到三个力的作用，即惯性离心力、向心力和阻力。当三力平衡时，颗粒在径向上相对于流体的速度极为颗粒在此位置上的离心沉降速度ur

ur重力沉降速度计算式及所对应的流动区域仍可用于离心沉降，仅需将重力加速度g改为离

2

心加速度 uT/R即可。

2d2(s)uT18R 如颗粒沉降过程属于层流 ut =

24d(s)uT3R

应注意离心沉降速度ur随旋转半径R的变化而变化。

离心分离因数Kc是离心分离设备的重要性能指标

2uruTKcutRg

Kc值愈高，离心沉降效果愈好。 离心沉降设备 1、旋风分离器 构造及工作原理

主体的上部为圆柱形筒体，下部为圆锥形。

含尘气体切向进入旋风分离器，旋转过程中，颗粒在离心力的作用下被抛向器壁，与器壁撞击失去能量而落入锥底后，由排灰口排出。净化后的气体由顶部排气管排出。 性能指标

（1）临界粒径dc

旋风分离器能够分离出的最小颗粒直径称为临界粒径。

dc标准旋风分离器，可取N=5。 （2）分离效率η

9BπNsui

C1C2C1 总效率

CC2ii1iC1i粒级效率 0ixi （3）压降Δpf

0气体流经旋风分离器的压降是由气体流经器内时的膨胀、压缩、旋转、转向及对器壁的摩擦而消耗的能量。

2

对标准旋风分离器，＝8.0 。 2、旋液分离器

旋液分离器是分离悬浮液的离心沉降设备，其构造及工作原理与旋风分离器类似。与后者不同的是直径小而圆锥部分长，这样的构造既可以增大离心力，又可以延长停留时间。由于液体的进口速度大，所以流动阻力也大，对器壁的磨损较严重。

pfui2第三节 过滤

2-3-1 概述

过滤方式

深层过滤与饼层过滤 过滤介质

作用是使滤液通过，截留固体颗粒并支撑滤饼。要求其具有多孔性、耐腐蚀性及足够的机械强度。

工业常用的过滤介质有织物介质、多孔性固体介质及堆积的粒状介质等。 滤饼与助滤剂

滤饼可分为可压缩滤饼和不可压缩滤饼两种。 对于不可压缩滤饼，为了减少过滤阻力可加入一些助滤剂。助滤剂是能形成多孔饼层的刚性颗粒，具有良好的物理、化学性质。 使用的方法多用预涂法和掺滤法。 2-3-2 过滤基本方程式

过滤速率是指单位时间内通过的滤液体积。

过滤基本方程式表示过滤过程中某一瞬间的过滤速率与各有关因素的关系。

恒压过滤基本方程式

恒压过滤的特点是过滤操作的总压差恒定，随着过滤时间的延长，滤饼厚度增大，过滤阻力增加，过滤速率降低。

V2VeVKAt

q2qeqKt 过滤常数K、qe测定

过滤常数一般在恒压条件下测定。 在已知过滤面积的过滤设备上，用待测悬浮液在恒压

2dVA2pdtrv(VVe)

22条件下实验测定。

2-3-3 过滤设备 一、板框压滤机 生产能力为 二、 转鼓真空过滤机

2qt1qeqKK

Q3600VT

60ΨKA22Q60nVeVen生产能力为

三、过滤离心机

第三章 传 热

第一节 概 述

1－1 传热的基本方式

热传递三种基本方式：传导、对流和辐射。 传导 是物体中温度较高部分分子，通过碰撞或振动将热能以动能形式传给相邻温度较低部分的分子，这种物体内分子不发生宏观位移的传热方式。 对流 是流体之间的宏观相对位移所产生的对流运动，将热量由空间中一处传到他处的现象。

辐射 是一种以电磁波传递热量的方式。

工业的换热方法：间壁式换热、混合式换热和蓄热式换热。 1－2 稳定传热与不稳定传热

稳定传热 若传热系统中各点的温度仅随位置变而不随时间变，则此传热过程为稳定传热。

不稳定传热 若传热系统中各点的温度既随位置变又随时间而变，则此传热过程为不稳定传热。

第二节 热传导

2－1热传导的基本概念和付立叶定律 付立叶定律∶

dQdS 式中负号表示热流体方向与温度梯度方向相反，即热量从高温传向低温。 2－2 导热系数

tn

 付立叶定律中的比例系数

示了物质导热能力的大小，是表征物质导热性能的参数，称为导热系数。 2－3 平壁的热传导

1．仅限于讨论以下条件的热传导 ⑴稳定导热；

⑵平壁面积与平壁厚度相比很大，热量只沿垂直壁面的Ｘ方向作一维传导；

⑶单层或多层平壁中每层都为均质材料，各层导热系数均为不随温度而变化的常数。 2．通过单层平壁的导热速率方程式为：

dtdSn，其值等于温度梯度下的热通量。因此，λ值表

Q

导热通量表达式为：

QttqbSR

3．通过多层平壁的导热速度方程，根据串联过程的概念，利用速率与推动力和阻力之间的关系可以表示为：

t1t2tbRS

导热通量可表示为：

i1ttQ1nn1biSitR 2－4 圆筒壁的导热

1．讨论仅限于如下条件：稳定导热、热量只沿径向传递的一维导热、无内热源、导热系数为常数。

2．单层圆筒壁的导热速率方程：

Q

圆筒内外壁面的平均值

Sm(t1t2)r2r1

Smr2r1r2rSS1rrln2rm21Sm2r1对于工程计算，当r1≤2时，可取2或2 其中

3．多层圆筒壁导热速率方程

rm2πL(r2r1)2πrmLr2lnr1

Q

应该注意，对于多层圆筒壁传导，通过各层的导热速率都相同，但热通量则由于各层平均传热面积不等而各不相同。

4．导热速率与导热温差及热阻的关系

导热温度差t导热阻力R 导热速率

对于定态传热过程，通过各层的导热速率均相等。

t1tn1nbii1iSmi

第三节 对流传热

1.对流传热速率方程

流体与壁面间的对流传热速率由牛顿冷却定律表达式：

dQ对流传热系数和传热面积以及温度差相对应。

TTw(TTw)dS1dS

2. 对流传热系数的物理意义

称为对流传热系数，表示流体与壁面间温差为１℃时，单位时间通过单位面积以对流传热方式传递的热量。表示了对流传热的强度。

Q(TTw)Si Q(twt)S0

第四节 传热计算

4－1 热负荷Ｑ的确定

根据能量衡算，单位时间内热流体放出之热量等于冷流体吸收的热量，即 两流体均无相变化，则

QWk(Hk1Hk2)Wc(Hc2Hc1)

若热流体只有相变化而无温度的变化，例如饱和蒸气冷凝时，

4－2 总传热速率方程 冷、热流体通过间壁的传热过程是热流体与壁面的对流传热，壁内的导热和另一侧壁面与冷流体的对流传热三个环节的串联过程。对于稳定传热过程，冷、热流体间的传热速率： 4－3 平均温度差 1．恒温传热：

2．变温传热：逆流或并流

QWkcpk(T1T2)Wccpc(t2t1)

QWkrWccpc(t2t1)

tmTt tmt2t1tln2t1

≤2时

当

tmt2t12

3．错流和折流时的tm

按逆流计算，加以校正，即

'ttmtm

' 式中 tm－—按逆流计算的对数平均温差，

t－—温差校正系数，t=f(P，R) ， 4－4 总传热系数

1.外表面为基准的总传热系数计算式为：

Pt2t1TT;R12T1t1t2t1

18.5（2）过渡区 （ 2< Ret <10 ） =Ret

（3）湍流区 （ 103≤Ret <2×105） =0.44

3

0.6dbdd1100Rsi0Rs0ididm0di对应各区的沉降速度 ut的计算式为：K0

2.热面积

传热面积 S0πd0Ln

式中：So－—换热器传热的外表面积， L－—换热器管长，

n－—换热器的管子根数。

第五节 对流传热系数关联式

5－1影响对流传热系数的因数

⑴流体物性，主要是比热容、导热系数、密度和黏度； ⑵流体的流动状态；

⑶流动的原因是强制对流还是流体自然对流； ⑷传热面的形状、位置和大小； ⑸传热过程中有无相态变化。

5－2无相变时对流传热系数的关联式

由对流传热过程的因次分析知，与对流传热有关的准数有：

lul 努塞尔特准数 Nu=； 雷诺准数 Re=；

gtl322 普兰特准数 Pr=； 格拉斯霍夫准数Gr=。

对不同的传热情况，需选用不同的对流传热的关联式，注意关联式的使用条件：适用范围、定性温度、特征尺寸。 1． 流体在管内作强制对流

（1） 流体在圆管内作强制湍流 ① 低黏度流体 (2常温水) Nu=0.023Re0.8Prn

流体被加热时，n=0.4；流体被冷却时，n=0.3。 应用范围Re＞10000，0.7＜Pr＜120 Ret 0.7cpL0.8ndi60,0.023RePr1didiL 若

特征尺寸管内径di 。

定性温度流体进、出口温度的算数平均值。 ② 高黏度流体 (2常温水)

Nu0.023Re0.8Pr3w

10.14

L 应用范围Re＞10000，0.7＜Pr＜16700，di＞60

特征尺寸管内径di。

定性温度除w取壁温外，均取流体进、出口温度的算数平均值。

令，为了避免试差，u项可取近似值，液体被加热时取1.05；液体被冷却时取0.95；气体被加热和冷却时均用1.0。 （2）流体在圆形直管内作强制滞流

＝w0.14dNu1.86Re1/3Pr1/3iL1/3w0.14

dRePriL 应用范围Re＜2300，0.6＜Pr＜6700， 特征尺寸管内径di。

＞100。

定性温度除w取壁温外，均取流体进、出口温度的算数平均值。 （3）流体在弯管内作强制对流

式中 ′－—弯管中的对流传热系数； －—直管中的对流传热系数； d－—管内径； R－—弯管的弯曲半径。

（4）流体在非圆形管中作强制对流

仍可采用圆形直管内强制对流关联式，管内径改为当量直径： 流体力学当量直径

de4流通截面积润湿周边

传热当量直径

在传热计算中，采用流体力学当量直径还是传热当量直径，由具体的关联式决定。 2． 流体在管外作强制对流

列管式换热器壳方流体在管间流动时，对流传热系数：

当列管式换热器装有圆缺型挡板时（缺口面积为25%的桥题解面积）

de4流通截面积传热周边

0.36dedeu00.55Pr1/3w

0.14

应用范围Re=2×～1× 特征尺寸管内径de。

定性温度除w取壁温外，均取流体进、出口温度的算数平均值。 当量直径的计算

4(t2de 管子为正方形排列

π2d0)4

πd04(de 管子为正三角形排列

式中 t－—相邻两管之中心距； do－—管外径。

雷诺准数中的速度需根据流过管间的最大截面积A计算，即

式中 h－—两挡板间的距离； D－—换热器外壳直径。

5－3 流体有相变时对流传热系数

32π2td0)24πd0

1． 蒸气在管外膜状冷凝的传热系数

（1） 饱和蒸气在垂直管或垂直板上膜状冷凝

r2g31/41.13()Lt Re＜1800

2g31/30.40.007(72)Re Re＞1800

特征尺寸取垂直管长或板的高度

定性温度蒸气冷凝潜热r取饱和温度ts下的值，其余物性取液膜平均温度

tm(twts)/2下的值。

（2） 蒸气在水平管外冷凝 第六节 辐射传热

6－1黑体、镜体、透热体和灰体的概念 １．黑体：能全部吸收辐射能的物体，其吸收率Ａ＝１。黑体又称为绝对黑体。 ２．镜体：又称绝对白体，是指能全部反射辐射能，即反射率Ｒ＝１的物体。

３．透热体：能透过全部辐射能，即透过全部辐射能，即透过率Ｄ＝１的物体。 ４．灰体：能以相同的吸收率且部分地吸收由零到∞所有波长范围的辐射能物体。 6－2斯蒂芬－波尔茨曼定律

１.物体的辐射能力指物体在一定温度下，单位时间内所发射的全部波长的总能量Ｅ（Ｗ／m2）。

２．黑体的辐射能力 的表达式－斯蒂芬－波尔茨曼定律：

6－3灰体的辐射能力及黑度

１．黑度：ε灰体的辐射能力E与同温度下黑体辐射能力之比。即

２．灰体的辐射能力E可由下式表达

第七节 换热器

1．各种类型的换热器的结构及特点 套管式换热器

套管式换热器是由两种大小不同的标准管连接或焊接而成的同心圆套筒，根据换热要求，可将几段套筒连接起来组成换热器。 夹套式换热器

夹套式换热器主要用于反应器的加热或冷却。夹套安装在容器外部，通常用钢或铸铁制成，可以焊在器壁上或者用螺钉固定在反应器的法兰盘或者器盖上。在用蒸气进行加热时，蒸气由上部连接管进入夹壁，冷凝水由下部连接管流出。在进行冷却时，则冷却水由下部进入，而由上部流出。 板式换热器

主要由一组长方形的薄金属板平行排列、夹紧组装于支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后可达到密封的目的，且可用垫片的厚度调节两板间流体通道的大小。每块板的四个角上，各开一个圆孔，其中有两个圆孔和板面上的流道相通，另外两个圆孔则不相通，它们的位置在相邻板上是错开的，以分别形成两流体的通道。冷、热流体交替地在板片两侧流过，通过金属板片进行换热。

翅片式换热器

翅片换热器的构造特点是在管子表面上有径向或轴向翅片。管外装置翅片，既可扩大传热面积，又可增加流体的湍动，从而提高换热器的传热效果。 板翅式换热器

板翅式换热器的结构型式很多，但其基本结构元件相同，即在两块平行的薄金属板(平隔板)间，夹入波纹状的金属翅片，两边以侧条密封，组成一个单元体。将各单元体进行不同的叠积和适当地排列，再用钎焊给予固定，即可得到常用的逆、并流和错流的板翅式换热器 板翅式换热器的主要优点有：

(1)总传热系数高，传热效果好。(2)结构紧凑、轻巧牢固。(3)适应性强、操作范围广。 板翅式换热器的缺点有：

(1)设备流道小，易堵塞，压力降大；清洗和检修很困难。 (2)隔板和翅片由薄铝片制成，故要求介质对铝不发生腐蚀。

2．列管式换热器传热计算的主要内容及方法；选适当的换热器。 试算并初选设备规格

(1)确定流体在换热器中的流动途径； (2)根据传热任务计算热负荷Q；

(3)确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的型式；计算定性温度，并确定在定性温度下的流体物性；

(4)计算平均温度差，并根据温度差校正系数不应小于0.8的原则，决定壳程数； (5)依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选定总传热系数K值； (6)由总传热速率方程QKStm，初步算出传热面积S，并确定换热器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列标准选择设备规格。 计算管程、壳程压强降

根据初定的设备规格，计算管程、壳程流体的流速和压力降，检查计算结果是否合理或满足工艺要求。若压力降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的换热器，重新计算压力降直至满足要求为止。 核算总传热系数

计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻Rsi和Rso，再计算总传热系数K’比较K的初设值和计算值，若K’／K＝1.15～1.25，则初选的换热器合适，否则需另设K值，重复以上计算步骤。

上述计算步骤仅为一般原则，设计换热器时，视具体情况可以灵活变动。 3．传热过程的强化途径

(１)增大传热面积；增大换热器单位体积的传热面积。

(２)增大平均传热温差。平均温差的大小取决于两流体的温度和流动方式，采用逆流操作可获得较大的传热温差。

(３)增大总传热系数。提高Ｋ值必须减少各项热阻。减少热阻的方法有：提高对流传热系数（加大流速）；防止结垢或及时清除垢层等。 由于各项热阻在总热阻中所占的比重不同，只有设法大幅度减少对Ｋ值影响较大的热阻才能有效地增加总传热系数。