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化 工 基 础
项目一：流体流动与输送
任务6 ：如何实现流体的输送过程
想一想：我们前面谈到的从高位槽送料、压缩空气送料、真空抽料和输送机械送料等。那么，对于不同的送料方式，如何才能保证完成输送任务呢？
要解决这个问题，我们先来学习流体输送的能量衡算——柏努利方程。
1.柏努利方程
流体在流动过程中总是伴随着能量的变化，例如流体在一定高度处具有的位能，在一定流速下具有的动能，在一定压力下具有的静压能。当流体的位置、流速、压力发生变化时，它的这三种能量也会随之而变，并且它们三者之间是相互转化的。根据能量守恒，得到柏努利方程式：
双边交流:
如图1-9所示，某流体在一变径管内由1-1截面向2-2截面稳定流过，若不计阻力损失，则两截面的压力（P1和P2）之间有什么关系？请将你们分析的原因和讨论的结果写下来。
图1-9异径管
2.学习流体输送问题的解决办法
（1）高位槽送料
高位槽送料是利用容器、设备之间的位差，将处在高位设备内的液体输送到低位设备内的操作。另外，对于要求流体稳定流动的场合，为避免输送机械带来的波动，也常常设置高位槽。那么，高位槽的高度就可以保证输送任务所要求的流量。
【案例7】：如图1-10所示，高位槽内的水经内径114mm、壁厚为4mm的钢管被输送到某一设备，若水在输送过程中的能量损失为20J/kg。当高位槽内水的液面距离管出口的高度为多少吗时，能保证水的流量为90m3/h？
（2）输送机械送料
通过输送机械来实现流体输送的操作称为输送机械送料。此种操作方式具有输送机械类型多、选择范围大、调节方便而广泛适用于化工生产中。采用输送机械输送物料时，输送机械的型号及规格必须满足流体的性质及输送任务的要求。
【案例8】：如图1-11所示，用泵将贮槽中的水送到二氧化碳水洗塔，已知贮槽水面的压力为300KPa，水洗塔内的压力为2100KPa，水管与喷头连接处的压力为2250KPa，输水管的内径为0.052m，输水管与喷头连接处比贮槽水面高20m，输送系统的能量损失为49J/kg，若要完成15m3/h的输送任务，应安装泵的功率为多少？取水的密度为1000kg/m3。
开眼界：
在生产过程中，我们见到过很多伯努利方程的应用。如U型管压差计，液封等。下面我们通过案例来了解一下这方面的问题。
1．U形管压差计
【案例10】：如图1-12示，密度为的液体在管中流过，用U形管压差计测量1.2两点的压力差，指示液的密度为，压差计的读数为，求1.2两点的压力差的值。
2．液位测量
化工生产中，为了了解某容器中的液体储存量，或者控制其液位的高低，必须进行液位的测量。
【案例11】：直径为2mm的圆柱形贮槽内存放着密度为860kg/m3的液体，为测量液位的高低，在槽底部有一测压孔与U形管压差计相连，U形管压差计内指示液为汞，密度为13600kg/m3，读数为150mm。贮槽液面上方为常压，求贮槽内液面高度为多少？槽内液体的质量为多少？
3．液封高度的测量
化工生产过程中，为了操作安全可靠，在某些场合要采用液封装置。
【案例12】 ：如图1-14所示，为了控制乙炔发生炉内的操作压力不超过80mmHg（表压），需要在外面安装水封装置，当炉内压力超过规定值时，乙炔气体从水封管中溢出，经水槽放入大气，求水封管插入水槽的深度？
任务7 ：了解流体阻力
实际流体在流动过程中因为有阻力存在而导致能量损失，流体阻力的产生有两方面的原因，一是流体的黏性，二是流体的流动状态。
黏性是流体阻力产生的根本原因，因为理想流体没有黏性，所以在流动过程中是没有阻力的。黏度做为衡量实际流体黏性大小的物理量，其值越大，表示在同样的流动情况下，流体在流动过程中的阻力就越大。研究发现，同一种流体在同一个管路中流过时，由于流速不同，也会产生不同的阻力，1883年，雷诺通过实验找到了原因：流体在流动过程中，当流速不同时，流体中质点的运动是不同的，从而导致阻力的不同。由于流体有阻力，使得在管内流体形成不同的点速度。
流体在圆管内分层流动示意图
1.流体的流动型态
（1）雷诺实验 雷诺实验装置如图1-15所示，水槽的液位因为溢流而保持恒定，出口管路的流量由阀门来调节。高位槽内为红色液体，有一旋塞用以调节其流量大小，其出口与水平管的中心重合。流体流动型态有两种：层流和湍流。
（1）雷诺实验仿真图
层流 湍流
（2） 流动型态的判定
上面的实验只能说明流速的变化对流动型态的影响，为了找到其它影响因素，雷诺做了大量的实验，如在其它条件不变的情况下，分别改变管子的直径，流体的密度、黏度等，得到影响流动型态的几个因素，并对实验结果进行归纳总结，得到一个准数Re，称为雷诺准数，根据雷诺准数的大小，可以判断其流动型态：
2.流体的阻力
流体阻力的产生是因为流体具有黏性（内因）和流体的流动形态（外因），我们把流体阻力分为两种，即直管阻力和局部阻力。
（1） 直管阻力 流体在直径不变的直管内流过时所产生的阻力。
（2） 局部阻力
流体流过管件、阀件、变径、出入口等局部元件时，因为流通截面积突然变化而产生的阻力。局部阻力的计算有阻力系数法和当量长度法两种计算其大小的方法。
①当量长度法 把流体流经元件所产生的阻力看作是流体流经相同管径的一定长度的直管时所产生的阻力。
②阻力系数法 将流体的阻力看作是流体动能的某一倍数。
③总阻力
（3）减少流体阻力的措施
流体在流动过程中，阻力越大，动力消耗越大，操作费用就越大；另一方面，阻力的增加还会导致系统压力的降低，严重时会影响生产的正常进行。因此，应尽量减少流体的阻力。从以上的讨论可知，要想减少流体阻力，应采取以下几方面的措施：
①减短管路：以减少直管阻力损失；
②减少管件、阀件：尽量减少管道直径的突变等引起的局部阻力损失；
③放大管径：减小流速，可以有效地降低流体的总阻力；
④抗腐蚀：在被输送介质中加入某些药物（如丙烯酰胺、聚氧乙烯氧化物等），以减少介质对管壁的腐蚀和杂质沉淀，从而减少流体的总阻力。
工厂中的化工管路

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