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医药工程专业基础知识（doc36页）

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晋升工程师第三部分医药工程专业知识——三、制药工程原理与设备

一．流体流动

1.流体的密度、压强、流体静力学基本方程式及应用★

（1）流体的密度：

单位体积流体具有的质量，ρ=m/V单位：

kg/m3

式中，m—流体的质量，kg；V—流体的体积，m3

密度有不同的单位，SI制中单位为kg/m3，物理单位制中为g/cm3，工程单位制中为kgf.s2/m4，其换算关系为：

1g/cm3=103kg/m3=102kgf.s2/m4

①液体的密度：

液体可视为不可压缩流体。

相对密度是液体在某温度时的密度与标准大气压下4℃时水的密度的比值，即s=ρ/ρH2O=ρ/1000

式中，s-液体的相对密度，kg/m3；ρH2O-标准大气压下4℃时水的密度的比值，1000kg/m3

式中，ρm—混合液的密度，kg/m3；ρi—混合液中组分i的密度，kg/m3；xi—混合液中组分i的质量分数。

②气体的密度：

液体为可压缩流体，其密度随温度和压力而变。

当压力不太高（临界压力以下）、温度不太低（临界温度以上）时，气体可视为理想气体，则

则

式中，p—气体的压力，kPa；V—气体的体积，；T—气体的温度，K；n—气体物质的量，kmol；M—气体的摩尔质量，kg/kmol；R—摩尔气体常数，8.314kJ/（kmol.K）

标准状态（T=273.15K，p0=101.325kPa）下，理想气体的密度ρ0为

或

式中，ρm—气体混合物的密度，kg/m3；

ρi—同温同压下组分i单独存在时的密度，kg/m3；

yi—气体混合物中组分i的体积分数；

Mm—气体混合物的平均摩尔质量，

式中，Mi—气体混合物中组分i的摩尔质量，kg/kmol。

（2）流体的压强：

流体垂直作用于单位面积上的力，p=F/A，单位：

Pa

式中，F—垂直作用于流体表面上的压力，N；A—作用面的面积，m2

①在SI制和法定单位制中，压强的单位为Pa，其他单位如物理大气压（atm）、工程大气压（kgf/cm2）、液柱高度（mmHg、mmH2O）、巴（bar）等，其换算关系为

1atm=760mmHg=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=1.0133bar=1.0133×105Pa

1Mpa=103kPa=106Pa=109mPa

②压强大小常以绝对真空或外界大气压为基准来计量。

以绝对真空（零压）为基准测得的压力称为绝对压力，它是流体的真实压力。

ⅰ）当被测流体的压强高于外界的大气压强时，采用压强表进行测量，其读数反映了被测流体高于外界大气压强的数值，称为表压强，即：

表压（强）=绝对压强-大气压强

ⅱ）当被测流体的压强低于外界大气压强时，采用真空表进行测量，其读数反映了被测流体的绝对压强低于外界大气压强的数值，称为真空度，即：

真空度=大气压强-绝对压强

（3）流体静力学基本方程式：

描述静止流体内部压力变化规律的数学表达式。

如右图所示，容器内装有密度为ρ的液体，液体可认为是不可压缩流体，其密度不随压力变化。

在静止液体中取一段液柱，其截面积为A，以容器底面为基准水平面，液柱的上、下端面与基准水平面的垂直距离分别Z1为和Z2。

作用在上、下两端面的压强分别为p1和p2。

重力场中在垂直方向上对液柱进行受力分析：

①上端面所受总压力P1=p1A，方向向下；②下端面所受总压力P2=p2A，方向向上；③液柱的重力G=ρgA（Z1-Z2），方向向下。

液柱处于静止时，上述三项力的合力应为零，即：

p2A-p1A-ρgA（Z1-Z2）=0

则p2=p1+ρg（Z1-Z2）

若将液柱的上端面取在容器内的液面上，设液面上方的压力为p0，液柱高度为h，

则p2=p0+ρgh

（3）流体静力学基本方程式的应用

①压强与压强差的测量：

U形管压差计、斜管压差计、微差压差计

②液位测量

a.近距离液位测量：

式中，h1—平衡小室内的液位，即容器内页面允许到达的最高液位，m；

h2—容器内的液位，m；

ρA—指示液的密度，kg/m3；

ρA—容器内液体的高度，kg/m3；

b.近距离液位测量：

式中，ρA—U形管压差计内指示液的密度，kg/m3；

ρB—贮罐内液体的高度，kg/m3；

③液封高度的计算

式中，h—液封管插入页面下的深度；

p1—设备内允许操作压力，即表压

2.流量、流速的概念及公式，稳态流动与非稳态流动★

（1）流量

①体积流量Vs：

单位时间内流体流经管道任一截面的体积，单位为m3/s。

②质量流量Ws：

单位时间内流体流经管道任一截面的质量，单位为kg/s。

两者关系为Ws=ρVs

（2）流速

①平均流速μ：

单位时间内流体在流动方向上流过的距离，单位为m/s。

μ=Vs/A=Ws/ρA式中，A—与流动方向相垂直的管道截面积，m2。

②质量流速G：

单位时间内流体流经管道单位截面积的质量，单位为kg/m2.s。

两者关系为G=Ws/A=ρVs/A=ρμ

（3）稳态流动：

在流体流动系统中，若任一点的温度、压力、流速等与流动有关的参数仅随位置而变，而不随时间而变，这种流动即为稳态流动。

（4）非稳态流动：

在流体流动系统中，若任点的温度、压力、流速等与流动有关的参数有部分或全部随时间而变，这种流动即为非稳态流动。

3.牛顿黏性定律与流体黏度，流体在管道速度分布的要求，流体类型，层流内层★

（1）牛顿黏性定律

水在管内流动时，管内任一截面上各点的速度并不相同，中心处的速度最大，愈靠近管壁速度愈小，在管壁处水的质点附于管壁上，其速度为零。

所以，流体在圆管内流动时，实际上是被分割成无数极薄的圆筒层，一层套着一层，各层以不同的速度向前运动，这种运动着的流体内部相邻两流体层间的相互作用力，称为流体的内摩擦力，是流体粘性的表现，所以又称为粘滞力或粘性摩擦力。

流体在流动过程中，相邻流体层之间所产生的内摩擦力F与两流体层间的速度差Δu成正比，与两层之间的垂直距离Δy成反比，与两层间的接触面积S成正比，即：

或

式中，τ—单位面积上的内摩擦力（剪切力），Pa

F—两相邻流体层之间的内摩擦力，其方向与作用面平行，N；

S—两相邻流体层之间的接触面积，m2；

μ—比例系数，及流体的粘度,Pa.s；

du/dy—垂直于流体流动方向上流体速度的变化率，即速度梯度1/s。

牛顿黏性定律表明：

流体的粘度越大，流动时产生一定速度梯度的剪切应力就越大，且剪应力与速度梯度成正比，而与压力无关。

流体流动时若服从牛顿粘性定律，则称为牛顿型流体。

（2）流体的粘度

①动力粘度（粘度）的物理意义：

促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。

即

②单位：

法定单位制中,粘度的单位为:

Pa•s

物理单位制中,粘度的单位为:

g/（cm•s），称为P（泊）

不同单位之间的换算关系:

1cP=0.01P=0.001Pa•s。

手册中粘度的单位常用cP（厘泊）表示。

（3）流动类型与雷诺准数

雷诺实验揭示出管道中流体流动有两种截然不同的类型：

层流（或滞流）和湍流（或紊流）。

①a.层流：

流体的质点仅沿着与管轴线平行的方向作直线运动，质点无径向运动，质点之间互不相混，所以有色液体在管轴线方向成一条清晰的细直线。

b.湍流：

流体的质点除了沿管轴线方向向前流动外，还有径向运动，各质点的速度在大小和方向上随时都有变化，即质点作不规则的杂乱运动，质点之间相互碰撞，产生大大小小的旋涡，所以管内的流体呈现出颜色均一的情况。

②雷诺准数：

决定流体流动类型的因素是管道内径d、流体的流速u、流体的粘度μ及流体的密度ρ，这四个物理量所组成的数群是判别流体流动类型的一个判据，称为雷诺（Reynolds）准数，以符号Re表示，

Re准数是一个无因次数群。

组成数群的物理量，只要所用的单位制统一，计算出的Re数值必定相同。

根据Re准数的大小可将其分为三个区域：

层流区、过渡区、湍流区，但是流体的流动类型只有两种：

层流和湍流，过渡区不是流动类型。

a.当Re≤2000时，流动为层流，此区称为层流区。

层流是一种稳定的流动类型，若出现扰动，可能暂时发生偏离层流的现象，一旦扰动因素消失，层流状态必将恢复。

b.当Re＞4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区。

c.当2000＜Re＞4000时，可能是层流，也可能湍流，究竟出现哪种流动类型，与外界干扰有关，故通常将Re值为2000~4000的区域称为不稳定的过渡区。

在生产操作条件下，常将Re＞3000的情况即按湍流考虑。

（4）流体在圆形管内的速度分布

实际上流体流经管道时在同一截面不同点上速度都不相同，即速度随位置的变化而变化，这种变化关系称为速度分布。

对圆形直管而言，由于液化在管内流动是轴向对称的，所以速度分布可用点速度与该点在径向的位置来表示。

无论层流或湍流，管壁处流体均为零，越靠近管中心流速越大，管中心流速最大。

不同的流型，速度分布情况亦不同。

①层流时：

速度沿管直径按抛物线的规律分布，流体的平均速度u是管中心最大速度umax的1/2。

即u=0.5umax

②湍流时：

此时速度分布不再呈抛物线形状；靠近管壁处速度梯度较大，管中心附近速度分布均匀。

因流体质点的剧烈分离与混合使截面上各点的速度彼此扯平所致。

流体的平均速度u是管中心最大速度umax的0.82，即u=0.82umax

（5）层流内层

当管内流体是湍流时，管壁处速度也为零，靠近管壁处的流体仍为层流流动，将这一作层流流动的流体薄层称为层流内层（或称层流底层）。

自层流内层向管中心推移，流体的速度逐渐增大，经过渡层后，到达湍流主体。

层流内层的厚度是Re数的函数，随着数Re的增大而减小，但决不会消失。

4.测速管、流量计的类型和原理■

（1）测速管：

又称皮托管，测量时其前端管口正对流体流动方向，而U形管压差计两端分别与测速管的内管和套管环隙相连。

测得的流速实际上是流体在管截面上某点处的轴向线速度（局部流速），而非平均流速。

使用时应注意以下几点：

ⅰ）必须安装在管路的稳定段内。

一般情况下，测量点前的直管长度应大于管道内径的50倍，而测量点后的直管长度应不小于（8-12）管道内径；ⅱ）外径不应超过管道内径的1/50；ⅲ）前端管口截面必须与流体流动方向相垂直，任何偏离都将导致负偏差；ⅳ）对流体产生的阻力较小，常用于测量大直径管道中清洁气体的流速，但不适用于含尘气体的测量。

（2）孔板流量计：

在管道上安装一片与管轴相垂直的开有圆孔的金属板，且孔的中心位于管轴上，称为孔板流量计。

孔板流量计的优点是结构简单，制造、安装和使用较方便。

缺点是流体流经孔板时阻力较大，因而能量损失较大。

此外，孔板流量计也必须安装在管路的稳定段内，孔板前的直管长度应不小于管道直径的（40-50）倍，孔板后的直管长度应不小于管道内径的（10-20）倍。

（3）文丘里流量计：

用一段渐缩、渐扩管代替孔板，即成为文丘里流量计，其最小流通截面称为文氏喉。

测量时上游测压口距截面开始收缩处的长度应不小于管道内径1/2倍，而下游测压口应设在文氏喉处。

其测量原理与孔板流量计基本相同。

文丘里流量计具有渐缩段和渐扩段，其内的流体流速较为平缓，产生的涡流较少，因而能量损失较小。

缺点是各部分尺寸要求严格，需要精细加工，因而造价较高。

（4）转子流量计：

主要由一根上粗下细的锥形玻璃管和一个浮子组成。

必须垂直安装，且流体必须下进上出，转子的最大截面所对应的刻度即为流量计的读书。

优点是阻力损失小，读书方便，且精确度较高，并可用于腐蚀性流体的测量。

缺点是锥形管常为玻璃管，不能承受高温或高压，因而在安装和使用过程中容易破碎。

二．输送设备

1.离心泵结构、工作原理、性能参数和特性曲线★

（1）离心泵的结构和工作原理

①结构：

叶轮安装在泵壳2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动。

泵壳中央有一液体吸入4与吸入管5连接。

液体经底阀6和吸入管进入泵内。

泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。

②工作原理：

在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。

在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。

在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。

液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。

可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。

③气缚现象：

当泵壳内存有空气，因空气的密度比液体的密度小得多而产生较小的离心力。

从而，贮槽液面上方与泵吸入口处之压力差不足以将贮槽内液体压入泵内，即离心泵无自吸能力，使离心泵不能输送液体，此种现象称为“气缚现象”。

（2）性能参数

①流量Q：

是指离心泵在单位时间内输送至管路系统中的液体体积，单位为m3/h。

其取决于泵的结构、尺寸和转速。

②扬程H：

是指离心泵能够向单位重量的液体提供的有效机械能，又称压头，单位为m。

其取决于泵的结构、转数和流量。

式中，h0—两表间垂直距离；

p2—泵出口处压力表的读数（Pa）；p1—为泵进口处真空表的读数（负表压值，Pa）。

③效率η：

离心泵运转时机械能损失的大小可用效率来表示，即η=Ne/N×100%

式中，η—离心泵的效率，无因次；Ne—泵的有效功率，kW；N—泵的轴功率，kW。

④功率

a.轴功率N：

是指原动机传给泵轴的功率，单位为W或kW。

b.有效功率Ne：

是指所排送的液体从叶轮所获得的净功率，是离心泵对液体所作的净功率，即Ne=HgQρ=QHρ/102N=Ne/η=HQρ/102η

式中，Q—泵的流量，m3/s；H—泵的压头或扬程，m；ρ—被输送液体的密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2。

（3）特性曲线：

离心泵的压头、功率、效率与流量之间的关系曲线，称为特性曲线。

①H-Q曲线：

即离心泵的扬程曲线，反映了离心泵所提供的扬程与流量之间的关系。

离心泵的扬程随流量的增加而下降，且当流量为零时，扬程也能达到一定的数值。

②N-Q曲线：

即离心泵的轴功率与流量之间的关系曲线。

功率随流量的增加而平缓上升，且当流量为零时，功率最小。

③η-Q曲线：

即离心泵的效率曲线，反映了离心泵的效率与流量之间的关系。

效率先随流量的增加而上升，至最大值后，再随流量的增加而下降。

在一定转速下，离心泵有一最高效率点，此点称为设计点。

选用离心泵时，应使泵尽量在设计点附近的流量和压头下工作，这样最为经济。

离心泵铭牌上标出的性能参数就是指该泵在最高效率点下运行时的性能参数。

④设计点：

离心泵特性曲线上的效率最高点称为～，泵在该点对应的压头和流量下工作最为经济。

离心泵铭牌上标出的性能参数即为最高效率点上的工况参数。

2.离心泵的气蚀现象和安装高度、工作点和流量调节、类型与选型★

（1）离心泵的汽蚀现象：

是指被输送液体由于在输送温度下饱和蒸汽压等于或低于泵入口处（实际为叶片入口处的）的压力而部分汽化，引起泵产生噪音和震动，严重时，泵的流量、压头及效率的显著下降，显然，汽蚀现象是离心泵正常操作所不允许发生的。

避免汽蚀现象发生的关键是泵的安装高度要正确，尤其是当输送温度较高的易挥发性液体时，更要注意。

（2）离心泵的安装高度Hg：

是指泵的吸入口与贮槽液面之间的最大垂直距离Hg。

①气蚀余量△h：

为防止气蚀现象发生，离心泵入口附近的液体静压头（p1/ρg）与动压头（u12/2g）之和必须大于操作温度下液体的饱和蒸汽压头（pv/ρg）的某一最小值，即

Δh=p1/ρg+u12/2g-pυ/ρg

②安装高度Hg：

Hg=p0/ρg-pυ/ρg-△h-Hf,0-1

为安全起见，泵的实际安装高度应比计算值低0.5-1m，以免产生汽蚀现象。

（3）工作点：

离心泵的特性曲线H-Q与其所在管路的特性曲线He-Qe的交点M，称为泵在该管路系统中的工作点。

工作点所示的流量与压头既是泵提供的流量和压头，又是管路所需要的流量和压头。

其中管路特性曲线为管路所需压头与流量的关系曲线，He=A+BQe2

（4）流量调节：

对一台泵而言，特性曲线不会变，而管路特性曲线可变。

当泵的工作点所提供的流量不能满足新条件下所需要的流量时，即应设法改变泵工作点的位置，即需要进行流量调节。

流量调节的方法有：

①在离心泵出口管路上装一调节阀，改变阀门开度，即改变管路特性曲线He=A+BQe2中之B值，阀门开大，工作点远离纵轴；阀门关小，工作点靠近纵轴。

这种调节方法的优点是，操作简便、灵活。

其缺点是，阀门关小时，管路中阻力增大，能量损失增大，从而使泵不能在最高效率区域内工作，是不经济的。

用改变阀门开度的方法来调节流量多用在流量调节幅度不大、而经常需要调节的场合。

②改变泵的转速，即改变泵的特性曲线。

③车削叶轮外径也改变泵的特性曲线。

采用以上两种方法均可改变泵的我曲线。

用这些方法调节流量在一定范围内可保证泵在高效率区内工作，能量利用较经济，但不方便，流量调节范围也不大，故应用不广泛。

（5）类型与选型

①离心泵按被输送液体的性质可分为：

a.水泵（B型、D型、sh型）：

用于输送清水及物理、化学性质类似于水的清洁液体。

b.耐腐蚀泵（F型）：

用于输送酸、碱等腐蚀性液体。

c.油泵（Y型）：

用于输送石油产品。

d.杂质泵（P型）：

用于输送含固体颗粒的悬浮液及粘度较大的浆液。

②离心泵的选用

a.根据被输送液体的性质及操作条件，确定泵的类型；

b.确定输送系统的流量（由生产任务确定）和扬程（根据管路的布置情况，由伯努利方程计算）；

c.根据流量及计算管路中所需压头，确定泵的型号；

d.若被输送液体的粘度和密度与水相差较大时，应核算泵的特性参数：

流量、压头和轴功率。

3.离心式通风机的工作原理、性能参数和选择★

（1）性能参数

①风量Q：

是单位时间内通过通风机的气体体积，单位为m3/s或m3/h。

②风压HT：

是单位体积气体流经风机所获得的机械能，单位为J/m3，即Pa。

HT=（p2-p1）+ρμ22/2

式中，（p2-p1）为静风压；ρμ22/2为动风压。

静风压与动风压之和称为全风压。

③轴功率N：

（2）离心通风机的选用

a.由伯努利方程计算输送系统所需的实际风压HT，并换算成实验条件下的风压HT0=1.2HT/ρ

b.根据被输送气体的性质和风压范围，确定风机的类型；

c.根据实际风量和实验条件下的风压，从风机样本的特性曲线或性能参数表中选择合适的风机型号；

d.若被输送气体的密度大于1.2kg/m3，则重新计算轴功率，并作为选择电机的依据。

4.典型气体输送设备的类型、特点和技术要求■

（1）鼓风机

①离心式鼓风机：

送风量较大，但出口风压不高。

由于压缩比不大，气体压缩过程中产生热量较少，不需冷却装置。

②罗茨鼓风机：

属于正位移型，其风量与转速成正比，而与出口压力无关，风量范围2～500m3/min，出口表压强低于80kPa。

出口应安装气体稳压罐和安全阀，流量采用旁路调节，且出口阀不能完全关闭；操作温度不能超过85℃，否则转子因热膨胀卡死。

（2）压缩机

①离心式压缩机（透平压缩机）：

流量可达几十万m3/h，并具有体积小、重量轻、运行平稳、维修方便、无润滑油污染等优点。

②液环式压缩机（纳氏泵）：

表压强可达0.5～0.6Mpa，可作为真空泵使用。

③往复式压缩机：

包括吸气、压缩、排气和膨胀四个过程。

（3）真空泵

①水环式真空泵：

优点是结构简单、紧凑，易于制造和维修，最高真空度可达83kPa，适用于抽吸有液体的气体及腐蚀性或爆炸性气体；缺点是效率低（30%～50%），且产生的真空度受泵内水温的控制。

②旋片式真空泵：

可达较高的真空度，但抽气速率较小，常用于抽气量较小的真空系统。

③喷射泵：

利用流体流动时动能与静压能之间的相互转换来吸入和排除流体。

缺点是蒸汽消耗量较大且效率低，一般不作为输送设备用。

④往复式真空泵：

由于排气量不均、结构复杂、维修费用高，不常用。

5.典型固体输送设备的类型、原理和特点■

（1）带式输送机：

结构简单、工作可靠、使用维修方便；输送过程平稳、噪音小，且不损伤物料，并可长距离连续输送，输送能力强、效率高。

缺点是输送不密封，易使轻质粉状物料飞扬、设备成本高，且输送带易磨损、跑偏。

适用于各种块状和颗粒状物料的输送。

（2）链式输送机

①链板式输送机：

输送能力大、运行平稳可靠、适用范围广。

②斗式提升机：

结构简单、工作安全可靠，可以垂直或接近垂直方向向上提升，提升高度大。

占地面积小、并有良好的密封性，可减少灰尘污染。

缺点是不能水平输送，必须均匀供料，过载能力较差。

适用于大块和磨损性大的物料。

（3）螺旋式输送机：

适用于需要密封运输的物料，易变质、粘性大及易结块物料。

（4）气力输送装置

①吸送式：

结构简单、工作时系统内始终保持一定负压，因而不致灰尘飞扬、但动力消耗较大，不宜大容量和长距离输送，特别适于粉状药粉。

②压送式：

采用正压输送，工作压力大，适用于大容量和长距离输送，适用范围大；缺点是供料设备的结构复杂，必须有完善的密封措施。

③混合式：

适于从几点吸料而同时又分散输送至不同地点的场合，但系统组成复杂，风机易受磨损，工作条件较差。

三．液体搅拌

1.液体搅拌要求，搅拌器的分类、特点及适用对象，搅拌器的选型★

搅拌注重的是釜内物料的运动方式和剧烈程度，分为机械搅拌和气流搅拌。

A.搅拌器的分类、特点及适用对象

根据搅拌器的旋转直径和转速，常用搅拌器可分为两类，即小直径高转速搅拌器和大直径低转速搅拌器。

（1）小直径高转速搅拌器：

此类搅拌器主要用于低粘度液体的搅拌，其特点是叶片面积小、转速高，常用的有推进式和涡轮式两种。

①推进式搅拌器：

又称螺旋桨式搅拌器。

叶轮直径较小（仅为釜径的0.2-0.5倍），但转速较高（可达100-500r/min），叶端圆周速度较大（5-15m/s）。

工作时，推进式搅拌器如同一台无外壳的轴流泵，高速旋转的叶轮使液体作轴向和切向运动。

液体的轴向分速度使液体沿轴向向下流动，流至釜底时再沿釜壁折回，并重新返回旋桨入口，从而形成总体循环流动，起到混合液体的作用。

推进式搅拌器的特点是液体循环量较大，但产生的湍动程度不高，常用于低粘度（<2Pa.s）液体的反应、混合、传热以及固液比较小的溶解和悬浮等过程。

②涡轮式搅拌器：

叶轮直径较小（仅为釜径的0.2-0.5倍），转速10-500r/min，叶端圆周速度4-10m/s。

工作时，涡轮式搅拌器如同一台无外壳的离心泵，高