化肥生产工艺技术资料汇编二分公司工艺科二零一零年十一月份第一部分化工基础知识计算一、流体密度的计算：流体的密度：单位体积流体所具有的质量称为流体的密度。

其数学表达式为：ρ=M/V式中：ρ-----流体的密度，kg/m3；M-----流体的质量，kg；V-----流体的体积，m3；流体的密度一般可在物理化学手册或有关资料中查得，如果查得的数据不是以SI制表示的，可换算为SI制。

(1) 液体的密度：a.纯液体的密度ρ若知比重为d，则ρ=1000d；如：d笨=0.88，则ρ苯=880kg/m3b.液体混合物的密度ρm若某种液体是由N种不同的液体混合而成，其密度ρm可由下式计算：1/ρm=x A/ρA + x B/ρB+……+ x N/ρN (2--2)式中：x A、x B、……x N-----各组分的质量分率。

ρA、ρB、……ρN------各组分的密度。

例2-1：已知20°C时水、甘油的密度分别为998kg/m3、1260kg/m3求50%甘油水溶液的密度。

解：1/ρm=0.5/998 + 0.5/1260 ρm=1114kg/m3(2)气体的密度：a.纯气体的密度ρ在气体的温度不太低，压力不太高的情况下，气体的密度可按理想气体状态方程式计算：ρ= PM/RT式中：M-----气体分子量；P-----气体的绝对压强；T-----气体的绝对温度；R-----气体常数，8.314kJ/kmol·Kb.气体混合物的密度ρm气体混合物的密度ρm的计算与纯气体的密度计算式类似，只不过将M改为M m即可，而M m为平均分子量，即ρm=PM m/RT 而M m=M A Y A+M B Y B+……+M N Y N式中：M A、M B、……M N----各组分的分子量；Y A、Y B、……Y N-----各组分的摩尔分率；二.流体静压强的计算：流体垂直作用于单位面积上的压力，称谓流体的静压强，其数学表达式为：P=F/A （2--5）式中：P-----流体的压强，N/m2或Pa；A-----作用面的面积，m2；F-----面积A上的作用力，N；在工业生产上，有时把压强也称为压力，请予以注意。

在工业生产上，经常用到标准大气压和工程大气压，它们与常见的压强单位换算关系如下：1atm=101325Pa=760mmHg柱=10.33mH2O柱。

1at=1kgf/cm2=9.81×104Pa=735.6mmHg柱=10mH2O柱。

流体压强P除采用不同的单位来计量外还可根据不同的情况，用不同的方法来表示。

绝对压强，或称为真实压，是以绝对零压为起点计算的压强。

或真空为起点计算的压强。

本课程中所有公式、方程中所指的压强，均为绝对压强，简称绝压。

表压强，简称表压，是指以当时当地大气压为起点计算的压强。

当所测量的系统的压强等于当时当地的大气压时，压强表的指针指零。

即表压为零。

真空度，当被测量的系统的绝对压强小于当时当地的大气压时，当时当地的大气压与系统绝对压之差，称为真空度。

此时所用的测压仪表称为真空表。

系统P>大气压时绝对压=大气压+表压系统P<大气压时绝对压=大气压-真空度三.流体比容的计算：单位质量流体的体积，称为流体的比容，数学表达式为：υ=V/M式中：υ----液体的比容，m3/kg ；M-----流体的质量，kg； V-----流体的体积，m3显然，流体的比容是其密度的倒数，即：υ=1/ρ四、流体流量、流速及管径的计算：1、流量单位时间流过管道任一截面的流体量，称为流量。

一般有体积流量和质量流量两种表示方法。

体积流量：单位时间流过管道任一截面的流体体积，以符号V表示，单位为m3/s质量流量：单位时间流过管道任一截面的流体质量，以符号w表示，单位为kg/s.2、流速单位时间流体的质点在流动方向上流过的距离称为流速，以符号u表示，单位为m/s。

粘性流体在管流动时，任一截面上各点的流速沿管径而变化，管中心处流速最大，越靠近管壁，流速越小，在管壁处流速为零。

为计算方便，通常所说的流速是指整个管道截面的平均流速，其表达式为：u=V/A式中：A-----与流动方向垂直的管道截面积，m2；V-----此截面的体积流量，m3/s；3、质量流量w,体积流量V，平均流速间的关系。

质量流量与体积流量之间的关系为：w=Vρ而u=V/A 即V=uA 代入（2-13）有w=Vρ=Auρ即w、V、u之间的关系，它是流体流动的计算中常用的关系式之一。

4、管径的选择=d=式中：d-----管道径，m； V------流体体积流量，m3/s； u------流体在管道的流速，m/s；根据流量和流速，可算得管道径，其中流量通常是为生产任务所决定，所以关键在于选择合适的流速。

当流量V一定时，流速u越大，管径d越小，设备费用可减小，但此时流体流速相应增大，其在管道中流动阻力也越大，使操作费用（动力消耗）增加。

反之，流速减小，阻力降低，操作费用减少，但管径增大，设备费用增加。

设计管道时，尤其是输送距离较长时，需要综合考虑这两个相互矛盾的因素，确定适宜的流速，使操作费用与设备费用之和为最低。

表2-1 流体在管道中的常用流速围水及一般液体1～3 压力较高的气体15～25粘度较大的液体0.5～1 8大气压以下饱和水蒸汽40～60 低压气体8～15 3大气压以下饱和水蒸气20～40易燃、易爆的低压气体（如乙炔等）<8 过热水蒸汽30～50五、流体流动阻力的计算：1、流动类型：大量的实验结果表明，流体在直管流动时的形态如下：管径 d 、平均流速u、密度ρ、粘度μ，对流型的变化有很大影响，用雷诺系数表示Re=d·u·ρ/μ{ ≤2000 层流(滞流)Re= 2000～4000 过渡流≥4000 湍流雷诺数Re的大小，除了作为判别流体流动形态的依据，它还反映了流动中液体质点湍动的程度。

Re 值越大，表示流体部质点湍动的越厉害，质点在流动时的碰撞与混合越剧烈，摩擦也越大，因此流体流动的阻力也越大。

在实际生产中，除了输送某些粘度很大的流体外，为了提高流体的输送量或传热传质速率，流体的流动形态一般都要求处在湍流的情况。

Re值差不多都大于104数。

2、流体在圆管流动时的阻力流体在管路中流动时的阻力可分为直管阻力和局部阻力。

直管阻力又称为沿程阻力，是流体在直管中流动时，由于流体的摩擦而产生的能量损失。

局部阻力是流体通过管路中的管件、阀门、突然扩大，突然缩小等局部障碍，产生漩涡而造成的能量损失。

（1）直管阻力的计算通式：压头损失：ΔP=ρw= λ(L/d)( ρu2/2)其中：λ-为摩擦系数；L-为直管长度；d -为直管径；ρ-为流体密度；u-为流体流速层流时的摩擦系数：λ=64/Re 湍流时的摩擦系数：摩擦系数λ与雷诺准数Re及相对粗糙度ε/ d有关。

可通过下表可查出湍流时的摩擦系数。

某些工业管道的绝对粗糙度（2）直管阻力的计算（当量长度法）：将流体流过管件或阀门的局部阻力，拆合成直径相同、长度为L e的直管所产生的阻力即W f=λ(L e u2)/2d式中L e称为管件或阀门的当量长度。

同样，管件现阀门的当量长度也是由实验测定，有时也以管道直径的倍数L e/d表示。

下表列出了一些管件阀门的当量长度。

（2）流体在管路中的总阻力计算：化工管路系统是由直管和管件，阀门等构成，因此流体流径管路的总阻力应是直管阻力和所有局部阻力之和。

当管路直径相同时，总阻力=直管阻力+局部阻力六、泵的扬程计算（5 - 9）泵的扬程计算是选择泵的重要依据，这是由管网系统的安装和操作条件决定的。

计算前应首先绘制流程草图，平、立面布置图，计算出管线的长度、管径及管件型式和数量。

一般管网如下图所示，（更多图例可参考化工工艺设计手册）。

D——排出几何高度，m；取值：高于泵入口中心线：为正；低于泵入口中心线：为负；S——吸入几何高度，m；取值：高于泵入口中心线：为负；低于泵入口中心线：为正；P d、P s——容器操作压力，m液柱（表压）；取值：以表压正负为准H f1——直管阻力损失，m液柱；H f2——管件阻力损失，m液柱；H f3——进出口局部阻力损失，m液柱；h ——泵的扬程，m液柱。

h＝D+S+h f1+h f2+h3+ P d－P sh= D－S+h f1+h f2+h f3+ P d－P sh= D＋S+h f1+h f2+h f3+ P d－P s表5-7：常用管件和阀1工程一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re≤2000时为层流；当Re≥4000时为湍流；当Re在2000～4000范围内，为过渡状态。

过渡状态计算λ时，工程上按湍流公式计算。

七、传热的相关计算：1、化工生产中的传热过程在化工生产中，无论是化学反应过程或是精馏等物理过程，都要控制在一定的温度下进行。

为了达到和保持所要求的温度，常需要对无聊供给或取出热量。

此外，化工设备的保温，生产中热能的合理利用以及废热的回收等也都涉及热量的传递问题。

化工生产对传热过程的要求有以下两种情况：1.强化传热过程，例如，氮肥生产中，氮、氢混合气要在500℃左右的高温下，才能合成氨，再通过冷却和冷凝把反应气中的氨以液体形式分离出来。

因此，就有原料气体的加热和反应气体的冷却等过程，上述过程要求加速传热以提高生产能力。

2.削弱传热过程，化工生产中，许多设备和管道是在高温或低温下操作的，为了减少热量（或冷量）的损失，需要保温以阻碍传热的进行。

2、传热过程的强化途径（1）.增大传热面积A从各型换热器的介绍可知，增大传热面积不能单靠加大设备的尺寸来实现，必须改进设备的结构，使单位体积的设备提供较大的传热面积。

当间壁两侧对流给热系数相差很大时，增大α小的一侧的传热面积，会大大提高传热速率。

例如，用螺纹管或翅片管代替光滑管可显著提高传热效果。

（2）.增大传热平均温度差平均温度差大小要有冷热流体的温度条件所决定。

从节能的观点出发，近年来的趋势是尽可能在低温条件下传热。

因此，当两边流体均为变温时，应尽可能从结构上采用逆流或接近逆流，以达到较大的m t∆。

如螺旋板换热器就有m t∆大的特点。

（3）.增大传热系数K提高传热系数，是强化传热过程的最现实和有效的途径。

应着重考虑无相变流体一侧的热阻和污垢热阻。

（1）加大流速、增大湍动程度，减小层流层厚度，可有效地提高无相变流体的对流给热系数。

例如，列管换热器中增加管程数，壳体中增加折流挡板等。

但随着流速提高，阻力增大很快，故提高流速受大一定的限制。

（2）增大对流体的扰动通过设计特殊的传热壁面，使流体在流动中不断改变方向，提高湍动程度。

如管装扭曲的麻花铁片、螺旋圈等添加物；采用各种凹凸不平的波纹状或粗糙的换热面，均可提高传热系数，但这样也往往伴有压降增加。