流体输送过程的安全分析

,5、流体输送过程的安全分析,2,流体输送过程中的危险性： 流动的物性； 流动过程中工艺参数及压缩流动状态下的我变化与装备技术。 流体的输送动力来自于流体的压缩能、相变能或位能，在流动过程中，具有一定的流速、压力、压头等工艺条件；,3,5.1 流体输送在化工中的应用,流体： 气体（可压缩）、液体（不可压缩） 声速以下，气体有液体相同的性质 应用： 生产工艺要求，物料在设备间，车间间传输 传热、传质、反应等单元操作在液体环境下进行 流体的安全输送对于保证工艺任务的完成及提高化工过程的速率都是十分重要的。,4,5.2常见流体的输送方式及危险性分析,5.2.1高位槽送料 原理：流体由高位向低位流动 使用场合： 工艺要求，由高位向低位设备输送 要求特别稳定的场合，设置高位槽，避免机械的波动 例：甲醇回收方案流程,5,危险分析： 液体向高位槽提升时，因流体摩擦易在高位槽产生静电火花而引燃物系 解决方法： 控制流速 流体入口管插入液下 接地,6,5.2.2 真空抽料 原理：通过真空系统的负压来实现流体输送 特点：结构简单，操作方便，没有动件，流量调节不方便。 使用场合： 主要用于间歇送料 不适用于输送易挥发的液体 例：真空抽送烧碱,7,危险分析： 静电积累，引燃物系 空气混入，遇明火爆炸 解决方法： 接地，输送管线采用金属 物料如是易燃液体，注意过程的密闭性,8,负压操作，主要出于安全考虑。 防止易燃易爆气体或粉尘大量抽入真空泵，真空泵前应有洗涤或过滤装置； 恢复常压时应小心，一般应待温度降低后再缓慢放进空气，以防氧化燃烧； 设备不得漏气，以免爆炸； 强度符合要求，以防抽瘪。,9,5.2.3 压缩空气送料 压缩空气送料结构简单无动件，可间歇输送腐蚀性大不易燃易爆的流体，流量小且不易调节，只能间歇输送流体。 空气的压力必须满足输送任务对扬程的要求。 危险性分析： 爆炸 静电,10,5.2.4 流体输送机械送料 流体输送机械送料是指借助流体输送机械对流体做功，实现流体输送的操作。 该方法是化工生产中最常见的流体输送方法。 例：酸贮槽送酸,11,流体输送中几方面的问题 流体的性质 流体流动的特征 流体流动的基本规律 流体阻力 化工管路 输送机械,12,5.3 流体的物理性质,流体输送过程，流体的状态与规律都与物理性质有关。 流体的物理性质： 密度、压力、黏度、挥发性、燃烧爆炸极限、闪点、最小引燃能量、燃烧值等。,13,在研究流体流动时，常将流体视为由无数流体微团组成的连续介质。 所谓流体微团或流体质点是指这样的小块流体：它的大小与容器或管道相比是微不足道的，但是比起分子自由程长度却要大得多，它包含足够多的分子，能够用统计平均的方法来求出宏观的参数（如压力、温度），从而可以观察这些参数的变化情况。 连续性的假设首先意味着流体介质是由连续的液体质点组成的；其次还意味着质点运动过程的连续性。 例如，高度真空下的气体，就不再视为连续性介质了。,14,流体的体积如果不随压力及温度变化，这种流体称为不可压缩流体；如果随压力及温度变化，则称为可压缩流体。实际流体都是可压缩的，当流体的体积随压力及温度变化很小时，一般把它看作不可压缩流体； 气体比液体有较大的压缩性，当压力及温度改变时，气体的体积会有很大的变化，应当属于可压缩流体。但是，如果压力或温度变化很小时，气体通常也可以当作不可压缩流体处理。,15,5.3.1 密度与相对密度 单位体积流体的质量，称为流体的密度，用表示，属于物性 影响因素： 气体-种类、压力、温度、浓度 液体-种类、温度、浓度 获得方法： （1）查物性数据手册 （2）公式计算,16,液体：,影响小,T 影响大,可看作是温度的函数,理想气体：,可看作是温度和压力的函数,17,液体：,纯,混合,气体：,纯,混合,-理想气体状态方程,质量分数,体积分数,18,相对密度：是一种流体的密度相对于另一种标准流体的密度的大小，是一个无因次的量。 对于液体来说，常先277K的纯水作为标准液体，此时水的密度为1000千克/立方米。,19,5.3.2 压力 定义：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强，习惯上称为压力。 在静止流体中，从各方向作用于某一点的压力大小均相等。流体压力具有以下两个重要特性： （）流体压力处处与它的作用面垂直，并总是指向流体的作用面； （）流体中任一点压力的大小与所选定的作用面在空间的方位无关。 例如，当测定流体内某点的压力时，不论将测压管按水平、垂直还是其他方向插入，只要管的管端正好与该点接触，则压力表上所显示的读数都是相同的。,20,压力的单位和单位换算在国际单位制中，压力的单位是 N/，称为帕斯卡，以 Pa表示。但长期以来采用的单位为 atm(标准大气压）、某流体柱高度或 kgf/cm2等。 压力的基准压力可以有不同的计量基准，如果以绝对真空（即零大气压）为基准，称为绝对压力，若以当地大气压为基准，则称为表压。,21,22,5.3.3 黏度 流体具有黏性，表征流体粘性的物理性质称为粘滞系数，简称黏度。 流体的黏度影响流体的流动状况和状态，决定在一定动力或流速状态下，流体与管壁之间的摩擦，黏度大的流体容易粘壁，结垢而导致堵塞或结焦，影响安全生产。,23,流体的黏度是流体种类及状态的函数，气体的黏度比液体小得多。 液体的黏度随温度升高而减小，气体的黏度则随温度升高而增大。 压强变化时，液体的黏度基本不变；气体的黏度随压强增加而增加得很少，在一般工程计算中可忽略不计，只有在极高或极低的压强下，才需考虑压强对气体粘度的影响。,24,国际单位制中粘度的单位为 Pa.s，厘米克秒制中粘度的单位为 P（泊）和 cP（厘泊），它们的换算关系如下： Pa.s=10P=1000cP 黏度与密度之比称为运动粘度，即：,25,5.4 流体流动安全技术分析,化工生产中流体大多是沿密闭的管道流动，因此研究管内流体流动的规律是十分必要的。反映管内流体流动规律的基本方程式有连续性方程式和伯努利方程式，本节主要围绕这两个方程式进行讨论。,26,5.4.1 流量方程式 5.4.1.1流量 单位时间内流过管道某一截面的物质量称为流量。一般有体积流量和质量流量两种表示方法。 体积流量 qv:由于气体的体积与其状态有关，因此对气体的体积流量，须说明它的温度t和压强p； 质量流量qm: （Kg/s或Kg/h）。 qm = qv,27,5.4.1.2平均流速（简称流速）u 单位时间内流体在流动方向上所流过的距离称为流速u（m/s）。 流体在管截面上的速度分布规律较为复杂，如在工程上为计算方便起见，流体的流速通常指整个管截面上的平均流速,28,5.4.1.3流量方程式 描述流体流量、流速、流通面积三者之间的关系式。 流量一定的情况下，面积越小，流速越大。 流量方程式主要用来确定管子规格和设备直径。,29,通常流量由输送任务决定的，因此，管子的规格取决于流速的大小。 流速越大，管径越小，管路投入（设备费用）越小，但同时，流体输送的动力消耗（操作费用）也越大。 流速越小，管径越大，管路投入（设备费用）越大，但同时，流体输送的动力消耗（操作费用）也越小。 确定流速时还要考虑静电积累问题。,30,31,5.4.2 稳定流动与不稳定流动 流体在 管道 中 流 动时，在任一点上的流速、压力等有关物理参数都不随时间而改变，这种流动称为稳定流动。若流动的流体中，任一点上的物理参数，有部分或全部随时间而改变，这种流动称为不稳定流动。,32,根据流体流动过程中流动参数的变化情况，可以将流体的流动分为稳定流动和非稳定流动。 化工生产中的连续操作过程，多属于稳定流动，连续操作的开车、停车及间歇操作过程属于不稳定流动。,33,34,5.4.3 稳定流动系统的物料衡算连续性方程 单位时间内，通过任一截面的液体质量相等。,35,36,5.4.4 稳定流动系统的能量衡算柏努利方程 （一）能量衡算,37,38,39,40,柏努利方程:,41,机械能衡算方程（柏努利方程）讨论：,（1）适用条件：不可压缩、连续、均质流体、等温流动,-静力学方程,这说明流体能自动从高（机械能）能位流向低（机械能）能位,42,习题:,使用机械能衡算方程时，应注意以下几点：,控制体的选取：,控制体内的流体必须连续、均质； 有流体进出的那些控制面（流通截面）应与流动方向相垂直，且已知条件最多； 包含待求变量。,基准水平面的选取,压力,用绝压或表压均可，但两边必须统一。,43,1,44,hf,hf =,45,由本题可知，应用伯努利方程式解题时，需要注意下列事项： 选取截面选取截面时应考虑到流体输送系统应在连续、稳定的范围内。在本例中，截面 2-2一定要选在管内侧，这样才可以求出流速，并与阻力损失的大小相对应。需要说明的是，只要在连续稳定的范围内，任意两个截面均可选用。不过，为了计算方便，截面常取在输送系统的起点和终点的相应截面，因为起点和终点的已知条件多。另外，两截面均应与流动方向垂直，如图所示的输送系统，下游截面应选截面 2-2 ，而不能选截面 3-3 。 确定基准面基准面是用以衡量位能大小的基准。为了简化计算，通常取相应于所选定的截面之中较低的一个水平面为基准，如上图的截面 2-2为基准面比较合适。 压力压力的概念已在前面说明了。这里需要强调的是，伯努利方程式中的压力 p1、p2只能同时使用表压或绝对压力，不能混合使用。,46,例 轴功的计算,管道尺寸为1144mm， 流量为85m3/h， 水在管路中流动时的总摩擦损失为10J/kg（不包括出口阻力损失）， 喷头处压力较塔内压力高20kPa， 水从塔中流入下水道的摩擦损失可忽略不计。 求泵的有效轴功率。,解：在1-1面和2-2面间,47,48,5.4.5流体阻力 流体阻力成为化工生产管路堵塞、管系和罐壁结垢沉淀、甚至影响传热系数的主要原因之一。 实际流体流动时，会因为流体自身不同质点之间以及流体与管壁之间的相互摩擦而产生阻力，造成能量损失，这种在流体流动过程中因为克服阻力而消耗的能量叫阻力损失。 阻力的大小与流体输送的安全性有很大的关系。,49,5.4.5.1流体阻力产生的原因 理想流体无阻力损失，实际流体才会有。 黏性是流体阻力产生的根本原因，其值越大，阻力越大。 不同流体在同一条管路中流动时，流体阻力大小不同； 同一种流体在同一条管路中流动时，也能产生大小不同的阻力损失。 决定阻力大小的因素：内因（黏性），外因（边界条件），流体的流动形态（层流与湍流）。,50,雷诺数,(1)雷诺实验,51,直管内流动时，Re2000 层流 Re=20004000 过渡区 Re4000 湍流,(2)流动形态的判断,52,(2)层流内层与流动主体,化工生产中液体的流动多为湍流，但无论流体的湍动程度有多高，由于流体与壁面间的摩擦作用，在靠近壁面的地方，总有一层流体在做层流流动，湍流流动的液体中，做层流流动的流体层称为层流内层或层流底层或层流边界层，而层流边界层处的流体称为流动主体或湍动主体。,53,机械能衡算方程,摩擦损失的计算目前主要靠经验式,摩擦损失分为两类：,5.4.5.3流体阻力的计算原则,54,-直管摩擦损失计算通式,主要依靠实验研究,关于摩擦损失的计算,1、直管摩擦损失计算通式,55,使用时注意经验式的适用范围,几个光滑管内湍流经验公式：,56,几个粗糙管内湍流经验公式：,57,2、非圆形管摩擦损失的计算式,58,由于流体的流速或流动方向突然发生变化而产生涡流，从而导致形体阻力。,3、局部摩擦损失的计算式,59,3、局部摩擦损失的计算式,60,61,总结： 管路系统的总阻力损失为,二、关于摩擦损失的计算,62,5.4.5.4减少流体阻力的措施 流体阻力的危害： 流体阻力越大，输送流体的动力消耗也越大，介质有可能在高压的危险状况下输送流体； 流体阻力的增加还可能造成系统压力的下降，严重时将影响工艺的过程的正常进行，破坏系统的压力平衡。,63,减少流体阻力的措施 在满足工艺要求的前提下，应尽可能减短管路； 在管路长度确定的前提下，应尽可能减少管件、阀件，尽量避免管路直径的改变； 在可能的情况下，适当放大管径； 改善固壁对流动的影响： 减小管壁粗糙度，防止或推迟流体与壁面的分离 加极少量的添加剂，影响流体运动的内部结构。,64,65,常见阀门的结构 截止阀 止回阀 闸阀 旋阀 球阀,常见流量计 皮托管 孔板流量计 文丘里管流量计 转子流量计,66,什么是不可压缩流体和可压缩流体？ 影响流体密度的因素有哪些？气体的密度如何计算？ 简述压强（压力）的定义。压力的常用单位有哪些？它们之间如何换算？ 什么是绝对压力、表压和真空度？它们之间有何关系？ 何谓稳定流动和不稳定流动？ 说明流体的体积流量、质量流量、流速（平均流速）及质量流速的定义及相互关系。,67,写出连续性方程式的各种形式，说明各自的物理意义及应用条件。 分别写出理想流体和实际流体的伯努利方程式，说明各项单位及物理意义。 应用伯努利方程式时，应注意哪些问题？如何选取基准面和截面？ 应用伯努利方程式可以解决哪些问题？ 流体的流动类型有哪几种？如何判断？ 雷诺数（Re）的物理意义是什么？如何计算？ 写出流体在直管中流动时流动阻力的计算式。,