化工单元操作模块一 流体流动及输送

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化工单元操作,流体流动及输送,*,化工原理,?化工单元操作?教学课件,制作:,硫酸铵生产工艺流程图,模块一 流体流动及输送,任务一 认知流体输送设备及管路,硫酸铵生产工艺流程图,硫酸铵生产工艺流程图,一、贮罐,贮罐是一种最典型的化工容器，主要用于,贮存,气体、液体、液化气体等介质，如氢气贮罐、石油贮罐、液氨贮罐等，除贮存作用外，还用作,计量,。,贮罐一般由筒体、封头、支座、法兰 及各种开孔接管组成。,一贮罐类型,1立式圆筒贮罐,固定顶贮罐,浮顶贮罐,立式圆筒贮罐,外浮顶贮罐,内浮顶贮罐,2卧式圆筒形贮罐,适用于贮存容量较小且需有一定压力的液体,适用于贮存容量较大且压力较高的液体,3球形贮罐,二贮罐的选用,贮存介质的性质,贮存量的大小,贮存场地的位置、大小和地基承载能力,二、化工管路,化工管路主要由管子、管件和阀件构成，也包括一些附属于管路的管架、管卡、管撑等辅件。,1化工管路的标准化,化工管路的标准化是指制订化工管路主要构件，包括管子、管件、阀件门、法兰、垫片等的结构、尺寸、联接、压力等的标准并实施的过程。直径标准与压力标准是选择管子、管件、阀件、法兰、垫片等依据，已由国家标准详细规定，使用时可以参阅有关资料。,2管子,生产中使用的管子按管材不同可分金属管、非金属管和复合管。金属管主要有铸铁管、钢管含合金钢管和有色金属管等；非金属管主要有陶瓷管、水泥管、玻璃管、塑料管、橡胶管等；复合管指的是金属与非金属两种材料复合得到的管子，最常见的形式是衬里管，它是为了满足节约本钱、强度和防腐的需要，在一些管子的内层衬以适当的材料，如金属、橡胶、塑料、搪瓷等而形成的。,三管件,大小头,丝堵,盲板, 改变管路方向弯头。, 连接支管“三通、“四通。, 连接两段管子外接头，俗称为“管箍；内接头，俗称为“对丝；活接头，俗称为“油任。, 改变管路的直径大小头；内外螺纹管接头，俗称为内外丝或补芯。, 堵塞管路丝堵和盲板。,注意：选用时必须注意和管子的规格一致。,四阀门,截止阀,闸阀,旋塞阀,球阀,碟阀,五化工管路的布置与安装,1. 化工管路的布置原那么,1在工艺条件允许的前提下，应使管路尽可能短，管件、阀件应尽可能少，以减少投资，使流体阻力降到最低。,2应合理安排管路，使管路与墙壁、柱子、场面、其他管路等之间应有适当的距离，以便于安装、操作、巡查检修。如管路最突出的局部距墙壁或柱边的净空不小于100mm，距管架支柱也不应小于100mm，两管路最突出局部间距净空，中压约保持4060mm，高压保持约7090mm，并排管路上安装手轮操作阀门时，手轮间距约100mm。,3管路排列时，通常使热的在上，冷的在下；无腐蚀的在上，有腐蚀的在下；输气的在上，输液的在下；不经常检修的在上，经常检修的在下；高压的在上，低压的在下；保温的在上，不保温的在下；金属的在上，非金属的在下；在水平方向上，通常使常温管路、大管路、振动大的管路及不经常检修的管路靠近墙或柱子。,4管子、管件与阀门应尽量采用标准件，以便于安装与维修。,5对于温度变化较大的管路要采取热补偿措施，有凝液的管路要安装凝液排出装置，有气体积聚的管路要设置气体排放装置。,6管路通过人行道时高度不得低于2m，通过公路时不得小于4.5m,与铁轨的净距离不得小于6m,通过工厂主要交通干线一般为5m 。,7一般地,化工管路采用明线安装,但上下水管及废水管采用埋地铺设,埋地安装深度应当在当地冰冻线以下。,在布置化工管路时,应参阅有关资料,依据上述原那么制订方案,确保管路的布置科学、经济、合理、平安。,2、化工管路的安装,1化工管路的连接,螺纹连接、法兰连接、承插连接、焊接连接,2化工管路的热补偿,3化工管路的试压与吹洗,4化工管路的保温与涂色,5化工管路的防静电措施,三、输送设备,流体输送机械,提供给流体以足够的能量,液体输送机械泵,气体输送机械机或泵,按照工作原理，流体输送机械可分为以下类型：,类型,液体输送机械,气体输送机械,动力式,离心泵、旋涡泵,离心式通风机、鼓风机、压缩机,容积式,(正位移式),往复式,往复泵、计量泵、隔膜泵,往复式压缩机,旋转式,齿轮泵、螺杆泵,罗茨鼓风机、液环压缩机,流体作用式,喷射泵,喷射式真空泵,一、流体的根本物理量,一密度与相对密度,1.密度：,单位：kg/m3,影响因素：,T：T,p：对液体密度影响不大，对气体密度影响较大，p,任务二 获取流体输送知识,V, 纯液体查表查表时注意温度；,例1-1：20正戊烷和正辛烷的密度分别为626kg/m3和703kg/m3。试求正戊烷含量为70%质量分数的正戊烷-正辛烷溶液的密度。,解：, 混合液体利用公式 为各组分的质量分数根据混合前后体积不变计算。,的求取,1液体,注意方程式中各物理量的单位, 纯气体：查表查表时注意温度和压强或利用气态方程式。,pkPa要用绝压;TK,2气体,理想气体在标准状态下的密度：,由标准状态下的密度求出其他状态下的密度：, 混合气体三种计算方法,a、 为各组分的体积分数或摩尔分数，下同,b、,c、,例1-2：干空气的组成近似为21%的氧气和79%的氮气均为体积分数。试求压力为294kPa、温度为80时空气的密度。,解：,2.相对密度：,某一液体密度和标准液体4时的水的密度的比值。,二压力压强,1.定义：,2.单位,SI制：N/m2Pa,工程制：kgf/m2、kgf/cm2at,用液柱高度表示：mmHg 、mH2O等。,标准大气压物理大气压：atm,工程大气压：at,3.压强的表示方法,A.绝对大气压：以绝对零压绝对真空为基准算得的压强。,B.表压、真空度需注明：以大气压为基准得到的压力，比大气压高的局部称表压，比大气压低的局部称真空度。,关系：,P,表,=,P,绝,-,P,大,P,真,=,P,大,-,P,绝,注意：,大气压与气温、湿度和所在地的海拔高度有关。,1atm = 1.01310,5,Pa =760mmHg =10.33m H,2,O,绝对零压线,大气压线,表压,真空度,绝对压强,绝对压强,图1-1 绝对压强、表压与真空度的关系,三黏度,1.定义：衡量流体粘性大小的物理量，用表示。黏性是指实际流体流动时流体分子之间产生内摩擦力的特性。黏性越大，流动性越差，流动阻力越大。,2.单位：,SI制: Ns/m2=Pas(帕斯),1 Pas=10P=1000cP=1000m Pas,1cP=1 m Pas,1T:,气体：T，,液体：T，,2P:,气体：在很高或很低时才考虑。,液体：影响很小，不考虑。,4.的求取：,3.影响因素：T和P,纯物质查表、查图；混合物利用经验公式。,注意：运动粘度,一密度与相对密度,混合液体、混合气体密度的求法,二流体的压力压强,绝压、表压、真空度,三黏度,小 结,2、 不变时，静止流体内部任一点的压强 的大小与流体本身的密度和该点距液面的深度有关，当T一定后，,。,1、当 变化时，流体内部各点压强 也发生同样大小的变化；,二、静力学方程及其应用,一静力学方程,p = p0 + g h,3、在静止流体内部，静止、连续、同一流体的同一水平面，压强相等，这个面称为等压面。四个条件缺一不可,例1-3: 此题附图所示的开口容器内盛有油和水。油层高度h1=0.7m、密度1=800kg/m3，水层高度h2=0.6m、密度2=1000kg/m3。,1判断以下两关系是否成立，即 pA=pA pB=pB,2计算水在玻璃管内的高度h。,解：1判断题给两关系式是否成立 pA=pA的关系成立。因A与A两点在静止的连通着的同一流体内，并在同一水平面上。所以截面A-A称为等压面。,pB=pB的关系不能成立。因B及B两点虽在静止流体的同一水平面上，但不是连通着的同一种流体，即截面B-B不是等压面。,2计算玻璃管内水的高度h 由上面讨论知，pA=pA，而pA=pA都可以用流体静力学根本方程式计算，即,pA=pa+1gh1+2gh2,pA=pa+2gh,于是 pa+1gh1+2gh2=pa+2gh,简化上式并将值代入，得,8000.7+10000.6=1000h,解得 h=1.16m,(二)静力学根本方程的应用关键是找等压面,1.,压力及压力差的测量,1U形压差计,设指示液的密度为 ，,被测流体的密度为 。,A,与,A,面,为等压面，即,p,1,p,2,m,R,A,A,水平等径管内流体是流动的，但在软管和U形管压差计内的流体是静止的 。,所以,整理得,若被测流体是气体， ，则有,p,1,p,2,m,R,A,A,而,讨论：,a. U,形压差计可测系统内两点的压力差，当将,U,形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；,表压,真空度,p,1,p,a,p,1,p,a,b. 指示液的选取：,指示液与被测流体不互溶，不发生化学反响；,其密度要大于被测流体密度。,应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。,思考：假设U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数,R反映了什么？,p,1,p,2,z,2,R,A,A,z,1,2微压差计,扩大室内径与,U,管内径之比应大于,10,。,密度接近但不互溶的两种指示,液,A,和,C,；,适用于压差较小的场合。,当P1-P2值较小时，R值也较小，假设希望读数R清晰，可采取三种措施：两种指示液的密度差尽可能减小、采用倾斜U型管压差计、 采用微差压差计。,4 倒U形压差计,指示剂密度小于被测流体密度，,如,空气作为指示剂,5 复式压差计,3 倾斜式压差计,适用于压差较小的情况。,适用于压差较大的情况。,例1-4: 如下图，在一输水异径水平管段两截面1-1、2-2连一倒置U管压差计，其指示剂为空气，压差计读数R=200mm。试求两截面间的压强差。,解：根据流体静力学根本原理，截面a-a为等压面，,那么 pa=pa,又由流体静力学根本方程式可得,pa=p1gM,pa=p2gMRggR,联立上三式，并整理得,p1p2=ggR,由于g?，上式可简化为,p1p2gR,所以p1p210009.810.2=1962Pa,空气,水,例1-5： 如下图，蒸汽锅炉上装置一复式U形水银测压计，截面2、4间充满水。对某基准面而言各点的标高为z0=2.1m， z2=0.9m， z4=2.0m，z6=0.7m， z7=2.5m。试求锅炉内水面上的蒸汽压强。,解：按静力学原理，同一种静止流体的连通器内、同一水平面上的压强相等，故有 p1=p2，p3=p4，p5=p6,对水平面1-2而言，p2=p1，即,p2=pa+igz0z1,对水平面3-4而言，,p3=p4= p2gz4z2,对水平面5-6有,p6=p5=p4+igz4z5,锅炉蒸汽压强 p=p6gz7z6,p=pa+igz0z1+igz4z5gz4z2gz7z6,那么蒸汽的表压为,ppa=igz0z1+ z4z5gz4z2+z7z6,=136009.81(2.10.9+2.00.7)10009.81(2.00.9+2.50.7),=3.05105Pa=305kPa,2.,液位测量,2近距离液位测量装置,压差计读数,R,反映出容器,内的液面高度。,液面越高，h越小，压差计读数R越小；当液面到达最高时，h为零，R亦为零。,1最简单的液位计就是在容器壁上、下部开二小孔，接一玻璃管，玻璃管内液位上下就是容器液位的上下。,2远距离液位测量装置,管道中充满氮气，其密度较小，近似认为,而,所以,A,B,3.,液封高度的计算,液封作用：,液封高度：,确保设备平安：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出；,防止气柜内气体泄漏,例1-6：为控制乙炔发生炉内的压强不大于10.7kPa(表压)，在炉外装有平安液封(水封)，如下图。求水封中水应比气体出口管高出多少米？,解：由等压面的判定条件知：,故,小 结,一、静力学方程,二、静力学方程的应用,U形管压差计、测液位、液封,关键是找等压面,三、连续性方程式及其应用,一流量与流速：,1、定义：单位时间内流经有效截面的流体量称为流量。,2、相互关系：,体积流量与质量流量间关系：,ws = Vs,流量与流速之间的关系：,Kg/s,m,3,/s,m/s,二连续性方程式,流体在1-1和2-2截面间作稳定流动，流体从1-1截面流入，从2-2截面流出。,不可压缩流体,1,=,2，,或,假设流通截面又为圆形管路，那么,对系统作物料衡算 ，由质量守衡定律 得：,或,1、管道直径的估算：,当Vs,ws一定 ，d=fu,u，d，设备费降低，阻力大，操作费用大,u，d，设备费降高，阻力小，操作费用小,例1-7：某管道流量为50000kg/h,料液的性质与水相近,密度为960kg/m3,求管道的直径?,三连续性方程式的应用管子的选用,=960kg/m,3,取u=1.8m/s,d=0.101m的管子在市面上不一定有买,需进行,圆整,查附录十九,可选用,108,4mm的无缝钢管,其内径,d=(108,2,4)=100mm。,而实际管内流速,四、柏努利方程式及其应用 一柏努利方程式,流体在1-1和2-2截面间作稳定流动，流体从1-1截面流入，从2-2截面流出。,或：,对系统作能量衡算。由能量守衡定律得：,注意：,当流体静止时，流速等于零，此时也肯定无外加机械能，也无能量损失。因此，柏努利方程式就为静力学根本方程式。,对于气体，一般不可以使用柏努利方程式，但当两截面间的压力差不是很大 时，可近似使用柏努利方程式，不过其中的密度要用两截面的平均密度 。,二柏努利方程式的应用,1. 柏努利方程式的解题要点,(1) 作图与确定衡算范围 根据题意画出流动系统的示意图，并指明流体的流动方向，定出上、下游截面，以明确流动系统的衡算范围。,(2) 截面的选取 两截面均应与流动方向相垂直，并且在两截面间的流体必须是连续的。所求的未知量应在截面上或在两截面之间，且截面上的Z、u、p等有关物理量，除所需求取的未知量外，都应该是的或能通过其它关系式计算出来。,两截面上的u、p、Z与两截面间的hf都应相互对应一致。,(3) 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。如衡算系统为水平管道，那么基准水平面通过管道的中心线，Z=0。,(4) 单位必须一致 在用柏努利方程式解题前，应把有关物理量全部换算成SI制单位，然后进行计算。,(5) 两截面上的压强 两截面上的压强除要求单位一致外，还要求表示方法一致。由柏努力方程式知，式中两截面的压强为绝对压强，但由于式中所反映的是压强差( )的数值，且绝对压强大气压表压，因此两截面的压强也可以同时用表压强来表示，真空度可写为负表压强。,2. 应用实例,(1) 确定管路中流体的流速或流量,例18 在常压下用虹吸管从高位槽向反响器内加料，高位槽与反响器均通大气。如下图。高位槽液面比虹吸管出口高出2.09，虹吸管内径为20mm。阻力损失为20J/kg。试求虹吸管内流速和料液的体积流量m3/h为多少？,解：取高位槽液面为11截面，虹吸管出口为22截面，以22截面为基准水平面，条件有Z1=2.09m,Z2=0,u1=0,p1=p2=0(表压),We=0，hf =20J/kg,柏努利方程简化后得,此式说明在此条件下，位能转化为动能和克服阻力损失,即,故,体积流量,(2)确定设备之间的相对位置,解:取高位槽水面为11截面,出水管口为22截面,基准水平面通过22截面的中心,那么条件有,Z1=h,u1=0,p1=p2=0(表压), u2=2.5m/s,Z2=0,He=0, Hf=5.68m,柏努利方程式简化为,所以,例19 如下图的高位槽,要求出水管内的流速为2.5m/s，管路的损失压头为5.68。试求高位槽稳定水面距出水管口的垂直高度为多少米?,(3)确定流体流动所需的压力,例110 某车间用压缩空气压送98%浓硫酸,从底楼储罐压至4楼的计量槽内,如下图,计量槽与大气相通。每批压送量为10分钟内压完0.3m3，硫酸的温度为20，机械能损失为7.66J/kg,管道内径为32mm。试求所需压缩空气的表压为多少？,解：取硫酸储槽液面为11截面，管道出口为22截面，以11截面为基准水平面，那么条件有,Z1=0,u1=0,We=0，Z2=15m,p2=0(表压),hf =7.66J/kg,查附录得硫酸的密度,柏努利方程式简化为,此式说明在此条件下，静压能转化为位能、动能和克服阻力损失,即,为了保证压送量，实际表压略大于283.9kPa。,(4)确定流体流动所需的外加机械能,例111 某厂用泵将密度为1100kg/m3的碱液从碱池输送至吸收塔，经喷头喷出，如下图。泵的吸入管是 1084mm，排出管是 762.5mm钢管，在吸入管中碱液的流速为1.5m/s。碱液池中碱液液面距地面1.5m，进液管与喷头连接处的表压为29.4kPa，距地面20，碱液流经管路的机械能损失为30J/kg。试求输送机械的有效功率。,解：取碱液池液面为1-1截面，管道与喷头连接处为22截面，以地面为基准水平面，那么条件有,Z1=1.5m,u1=0,p1=0(表压),Z2=20m,吸入管内径,排出管内径,吸入管内流速,柏努利方程式简化为：,故,五、流体流动阻力及降低措施,一雷诺数与流动型态,1.雷诺数与流动型态,( b ),a. 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，质点无径向脉动，质点之间互不混合；,b. 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变化，质点互相碰撞和混合。,判断依据,Re 2000 时，流体是层流流动；,Re 4000 时，流体是湍流流动；,在2000Re4000时，是一种不稳定流动，称为过渡区。,Re标志流体流动的湍动程度,。其值愈大，流体的湍动愈剧烈。,雷诺进一步实验发现，流体的流动型态与u、de有关，以Re表示,称为,雷诺数,。,b、湍流：湍流时，流速分布,类似于抛物线。,u = 0.8u,max,2.圆管中流速分布：,a、层流：层流时流速是一个,正规的抛物线,，而,平时所说的流速是整个截面的平均流速。,u = 0.5u,max,层流和湍流的比较,层流和湍流的根本区别在于内部质点运动方式不同，层流时质点做轴向运动，湍流时质点不仅做轴向运动还做径向运动，即有脉动。但应指出：湍流时质点运动方向和速度随时改变。,从输送流体的角度考虑，湍流流动增加了能量消耗，因此输送流体时不宜采用太高的流速。但从传质和传热的角度考虑，湍流时质点运动速度加大使层流内层厚度减小，有利于加大传质和传热的传递速率，所以在传质和传热过程中，往往在输送条件的允许下尽可能提高流体的流速。,3. 层流内层,不管管内流体湍流程度有多大，总有一层紧靠壁面的在一薄层流体在作层流流动,这种作层流运动的流体称为,层流内层,，它的厚度随Re值增大而减小。自该层向管中心推移速度逐渐增大，出现了介于层流和湍流间的过渡流，称为,过渡层或缓冲层,，再向管中心移动才是,湍流主体,。,层流内层虽然很薄，但却对传热和传质过程都有较大影响，是传递过程的主要阻力。,(a)突起的壁面后缘：如粗糙外表、翅片管、挡板等,(b)截面的突然扩大：如管出口,(c)截面的突然缩小：如管进口,(d)流道方向变化：如折流、蛇管等,当处于稳定、直线流动的层流流体因流动方向或流道尺寸突然改变时，原来紧贴壁面前进的边界层会离开壁面，发生边界层别离，如下图：,小 结,流体流型,Re 2000 时，流体是层流流动；,Re 4000 时，流体是湍流流动层流内层、过渡,区、湍流主体,2000Re4000时，是一种不稳定流动，称为过渡区。,雷诺准数,故管路总的能量损失h,f,= h,f,+h,f,1、直管阻力：,式中：,l, 直管长度，m；,d, 直管内径，m；,u,流体流速，m/s；,比例系数，摩擦系数，无因次。,范宁公式,二流体流动阻力,生产用管路主要由直管和管件、阀门等两局部组成，流体流动阻力也相应分为直管阻力和局部阻力两类。,与流体的流动形态Re有关，还与管子粗糙度有关。, 管子粗糙度：,管子根据材质，加工方法可分：,光滑管：玻璃管、铜管、塑料管等,粗糙管：钢管、水泥管等,绝对粗糙度：指壁面凸出局部的平均高度。,相对粗糙度：/d指壁面凸出局部的平均高度与直径的比。, 的计算：,由于与流动型态有关，而液体的流动型态有两种，分别讨论。,a、层流时的计算：,层流时，流体是平行流动的，层流内层的厚度完全恢盖了管壁凸凹不平的壁面，流体的质点与管壁凹凸局部不会发生碰撞，所以层流时，与管子的粗糙度无关，只与Re有关，实验证明或理论推导：=64/ Re ，它们为线性关系。,b、湍流时的计算：,湍流时，流体的层流内层的厚度很薄，它不能恢盖管壁凸凹不平的壁面，流体的质点与管壁凹凸局部会发生碰撞使湍流程度加剧，此时对的影响相当大，= fRe、/d，的计算：经验式和查图两种方法。,双对数坐标图,a),层流区：,Re2000，,与,Re,成直线关系，,=64/Re,。,c)湍流区：Re4000且在图中虚线以下处时，值随Re数的,增大而减小。,d)完全湍流区：图中虚线以上的区域，摩擦系数根本上不随Re的变化而变化，值近似为常数。,b),过渡区：,2000Re4000，管内流动随外界条件的影响而出现不同的流型，摩擦系数也因之出现波动。,根据范宁公式，假设l/d一定，那么阻力损失与流速的平方成正比，称作阻力平方区 。,h,f,是单位质量流体在流动过程中所损失的机械能，对,于h,f,还可以用不同的衡算基准，故能量损失的计算式也有,不同的表达形式：,用单位重量流体作为衡算基准：,用单位体积流体作为衡算基准,：,用单位体积流体作为衡算基准：,2.局部阻力：,流体通过管道的管件、阀件、扩大口、流量计等局部障碍时，因流通截面积发生了改变，流体的流动方向、速度变化很大，产生大量的旋涡从而消耗很大的能量，比通过同等长度的直管损失能量要大得多。因管路复杂、种类繁多，难经精确计算，,局部阻力,能量损失的计算有二种,近似公式,进行计算。,1阻力系数法：,将所有影响局部阻力的因素全归结到一个系数来，即,动能的一个倍数。,管出口,管出口相当于突然扩大,管进口,相当于突然缩小，,A,2,/A,1,0,，管进口,c,=0.5,。,式中：,局部阻力系数，有表可查。,只要根据管件、阀件的名称去查相关的数据。,2当量长度法：,把流体通过某一局部障碍所损失的能量，折算成流体,流过相同管径一定长度直管的能量损失。,如：90。标准弯头，它的当量长度不是弯头本身的长,度，而是流体流过弯头时产生的阻力损失与通过等管径直,管产生相等的阻力损失直管的长度。用“le表示。,式中：le当量长度,有表可查。,因阻力系数法或当量长度法计算都是近似计算，而管件、阀件加工精度、材质及使用的时间长短不同，对局部损失的大小也就不同，教材上的有关数据不可能考虑这么细，所以只是一个粗略计算或估算，采用不同的方法计算的出来的结果难免会有差异。,3. 系统的总能力损失,2减少阻力损失的途径,根据 可知,管路尽可能走直线，,l,；,h,f,管路尽可能减少管件、阀件，,le,，,；,h,f,适当增加管径；,在化工生产中，流体的流动一般都处在湍流区和完全湍流区，在此时的d和u的变化对h,f,的影响是很大的。,当,V,s,一定，管径增大一倍，,2,d,1,=,d,2,，,从上分析可知：,管径增大二倍，阻力损失减少了32倍。,但事物总是存在矛盾，,d,所消耗的金属材料就，投资,费用；,d,，,u,h,f,，操作费用,适宜管径确实定；,之间的关系，算出总费用，总费用最低处对应的,u,，就是最适宜的流速，根据,V,s,、,u,算出的,d,，就是适宜的管径。,一些流体在一般管路中有常用流速范围。,管子直径如何选择，应根据经济核算来确定。通过核算，找出,u,与设备投资费用、操作费用,六、流体的根本物理量的检测,化工生产正常运行必须对流体输送过程的工艺参数进行检测。流体输送过程常见的工艺参数有温度T、压力P、液位L、流量F。,一温度检测,热电偶,热电阻,二压力检测,液柱式、弹性式、活塞式和电气式,三流量检测,1、孔板流量计,a、结构及测量原理：,属变压差型流量计,结构简单，使用、安装方便，适用范围广，因流体流,动变化大，能量损失大，为防止阀件、管件带来的扰动而,影响测量结果的准确性，孔板前后要有一定的距离的直管,段。且孔板中心要在管路中心线上。,改进：采用文氏流量计。,2、文氏管流量计,为了减少流体流经节流元件时的能量损失，可以用一,段渐缩、渐扩管代替孔板，这样构成的流量计称为文丘里,流量计或文氏流量计。,属变差压型流量计,能量损失小，造价高,从转子的悬浮高度直接读取流量数值。,特点：直接读数、流体流动阻力小、精度高但易破碎、不耐高温和高压，必须,垂直安装,。,属,变截面型流量计。,3、转子流量计,4、其它类型的流量计,四液位检测,任务三 熟悉流体输送机械,一、液体输送机械,一离心泵,1、离心泵的结构,1叶轮,叶片+盖板,4-8个叶片前弯、后弯、径向,液体通道。,前盖板、后盖板，无盖板,闭式叶轮,半开式,开式,液体入口中心,2泵体,泵壳：泵体的外壳，包围叶轮,截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道,出口切线,泵轴：,垂直叶轮面,叶轮中心。,3轴封装置,A 轴封的作用,为了防止高压液体从泵壳内沿轴的四周而漏出，或者外界空气漏入泵壳内。,B 轴封的分类,轴封装置,填料密封：,机械密封：,端面密封,主要由填料函壳、软填料和填料压盖组成，普通离心泵采用这种密封。,主要由装在泵轴上随之转动的动环和固定于泵壳上的静环组成，两个环形端面由弹簧的弹力互相贴紧而作相对运动，起到密封作用。,2、离心泵的工作原理动画解说,离心泵装置简图：,叶轮、泵壳、泵轴、吸入口、吸入管、排出口、排出管、底阀、出口阀,1排液：灌液启动高速旋转的叶轮带动叶片间的液体作旋转运动抛出从叶轮中心至边缘，获得机械能，静压能、动能增加蜗牛形通道流道加宽，流速降低，静压能增加离心泵出口,2吸液：,3泵壳：,液体的聚集与能量的转换,动静,4平衡孔的作用,消除轴向推力,5导轮的作用,动,静、,减少能量损失,抛出从叶轮中心至边缘形成真空叶轮中心压强差吸入管贮槽液面与叶轮中心吸入,离心泵启动时，如果泵壳内存在空气，由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转所产生的离心力很小，叶轮中心处产生的低压缺乏以造成吸上液体所需要的真空度，这样，离心泵就无法工作，这种现象称作“气缚。,为了使启动前泵内充满液体，在吸入管道底部装一止逆阀。此外，在离心泵的出口管路上也装一调节阀，用于开、停车和调节流量。,3、离心泵的主要性能参数,离心泵铭牌,流量：指单位时间内泵能排出的液体量，即体积流量(Q)，单位m3/h，泵流量的大小与结构有关，与叶轮的直径、转速成正比。,扬程外加压头：泵给予1N液体的有效能量(H),单位m,A扬程不等于升扬高度，升扬高度为两截面间的垂直距离。,B扬程与叶轮的直径、转速成正比，受流量的影响。,C实验测定流量和扬程：,设p表为压力表读数即表压、p真为真空表读数,即真空度、负表压；在1-1和2-2间列柏努利方程：,能量损失hf可忽略,功率和效率：,每秒钟泵对输出液体所作的功，称为有效功率,即Ne，单位为W。,泵的轴功率即泵轴从电机获得的功率N。由,于泵运转时，泵内高压液体局部回流到泵入口，甚至,漏到泵外；液体在泵内流动时，要克服摩擦阻力和,局部阻力；泵轴转动时，有机械摩擦。使N大于Ne，,有一效率：,泵的效率主要与制造质量和流量有关，一般为5070，大型泵达90。,出厂的新泵一般都有电机。假设需自配电机，应按实际工作的最大流量计算轴功率N，取(1.11.2)N作为选电机的依据。,泵铭牌上注明的性能，是以常温清水为试验液体，其密度为1000Kg/m3。如输送液体的密度较大，应重新核算电机功率，看是否满足。, 汽蚀余量,是一个便于用户计算安装高度的参数，其意义将在以后介绍。,4、离心泵性能的影响因素,(1)液体密度的影响,离心泵的扬程、流量、机械效率均与液体的密度无关。但泵的轴功率与输送液体的密度有关，随液体密度而改变。因此，当被输送液体的密度与水的不同时，原离心泵特性曲线中的N-Q曲线不再适用，此时泵的轴功率可按式1-33重新计算。,2 黏度的影响,假设被输送液体的黏度大于常温下清水的黏度，那么泵体内部液体的能量损失增大，因此泵的扬程、流量都要减小，效率下降，而轴功率增大。,(3)转速对离心泵特性的影响,(4)叶轮直径的影响,5、离心泵的特性曲线与流量调节,1特性曲线,H,Q,N,Q,Q,厂家实验测定,产品说明书,20C清水,离心泵特性曲线,说明：,HQ,曲线：,Q,，H,。,Q很小时可能例外,NQ,曲线,：,Q,，N ,。,大流量大电机,关闭出口阀启动泵，启动电流最小,Q,曲线,：小,Q,， ；,大Q,， ,。,max,泵的铭牌,与,max,对应的性能参数,选型时,max,例1-12：以20的水为介质，在泵的转速为2900r/min,时，测定某台离心泵性能时，某次实验的数据如下：,流量12m3/h,泵出口处压强表的读数为0.37MPa，泵入,口处真空表读数为0.027MPa，轴功率为2.3KW。假设压,强表和真空表两测压口间垂直距离为0.4m，且泵的吸,入管路和排出管路直径相同。,求：这次实验中泵的扬程和效率。,解：1泵的压头以真空表和压强表所在的截面为1,1和22，列出以单位重量为衡算基准的柏努利,方程，即,其中 ，p1=-2.7104Pa表,压， p2=3.7105Pa表压,因测压口之间距离较短，流动阻力可忽略，即,Hf，1-20；故泵的扬程为：,2泵的效率,分析说明：在本实验中，假设改变出口阀的开度，,测出不同流量下的假设干组有关数据，可按上述方法计,算出相应的H及值，并将H-Q、N-Q、-Q关系标绘在,坐标纸上，即可得到该泵在n2900r/min下的特性曲,线。,2工作点,a.管路特性曲线,流体通过某特定管路时所需的压头与液体流量的关系曲线。,管路的特性,方程,在特定管路中输送液体时，管路所需的压头随所输送液体流量,Q,的平方而变,。,b.工作点,离心泵的特性曲线与管路的特性曲线的交点,M,，,就是离心泵在管路中的,工作点。,M,点,所对应的流量,Qe,和压头,He,表示离心泵在该特定管路中实际输送的流量和提供的压头。,(3),离心泵的流量调节,a.,改变管路特性曲线,改变出口阀开度,阀门关小时：,管路局部阻力加大，管路特性曲线变陡，工作点由原来的,M,点移到,M,1,点，流量由,Q,M,降到,Q,M1,；,阀门开大时：,管路局部阻力减小，管路特性曲线变得平坦一些，工作点由,M,移到,M,2,流量加大到,Q,M2,。,优点：,调节迅速方便，流量可连续变化；,缺点：,流量阻力加大，要多消耗动力，不经济。,b.改变泵的特性曲线改变泵的转速,假设把泵的转速提高到n1：那么HQ线上移，工作点由M移至M1 ，流量由QM 加大到QM1；,假设把泵的转速降至n2：那么HQ线下移，工作点移至M2,流量减小到QM2,优点：,流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低；,缺点：,需要变速装置或价格昂贵的变速电动机，难以做到流量连续调节，化工生产中很少采用,。,6、离心泵的联用,1串联组合泵的特性曲线,两台相同型号的离心泵串联组合，在同样的流量下，其提供的压头是单台泵的两倍,。,2并联组合泵的特性曲线,两台相同型号的离心泵并联，假设其各自有相同的吸入管路，那么在相同的压头下，并联泵的流量为单泵的两倍。,7. 离心泵的选用,1离心泵的类型,按输送液体的性质可分为水泵、耐腐蚀泵、油泵和杂质泵等；按叶轮吸入方式可分为单吸泵和双吸泵；按叶轮数目又可分为单级泵和多级泵。,1清水泵,清水泵是化工生产最常用的泵型，适宜输送清水或粘度与水相近、无腐蚀以及无固体颗粒的液体。,IS 5032200型泵，IS表示单级单吸离心泵的型式；50代表吸入口径，mm；32代表排出口径，mm；200为叶轮的直径，mm。,多级泵 D12253型：D表示多级离心泵；12表示公称流量公称流量是指最高效率时流量的整数值；25表示该泵在效率最高时的单级扬程，m ；3表示级数，即该泵在效率最高时的总扬程为75m。,双吸泵 100Sh90型：100表示吸入口的直径，mm；Sh表示泵的类型为双吸式离心泵；90表示最高效率时的扬程，m。,2耐腐蚀泵F型、IH型泵,25FB16A：25代表吸入口的直径，mm；F代表耐腐蚀泵；B代表所用材料；16代表泵在最高效率时的扬程，m；A为叶轮切割序号，表示该泵装配的是比标准直径小一号的叶轮。,3油泵,50Y60A：其中50表示泵的吸入口直径为50mm；Y表示离心式油泵；60表示公称扬程，m，即在最高效率时扬程的整数值；A为叶轮切割序号，表示该泵装配的是比标准直径小一号的叶轮。,4液下泵,它的泵体通常置于贮槽液面以下，实际上是一种将泵轴伸长并竖直安置的离心泵。缺点是泵的效率不高。,5磁力泵,用于输送液体时能保证一滴不漏。,驱动装置采用主动磁铁联轴器直接装在电机轴上。泵室完全封闭。通过磁力偶合间接驱动泵轴上带磁铁的叶轮旋转。, 由于传动轴不需穿入泵壳，因此从根本上消除了轴封的泄漏通道，实现了完全密封。, 传递动力时有过载保护作用。, 受到材料及磁性传动的限制，国内一般只用于输送100以下、1.6MPa以下的介质。由于隔离套材料的耐磨性一般较差，因此磁力泵一般输送不含固体颗粒的介质。, 磁力泵的效率比普通离心泵低；磁力泵的维护和检修工作量小。,6屏蔽泵,屏蔽泵属于离心式无密封泵，泵和驱动电机都被封闭在一个被泵送介质充满的压力容器内，此压力容器只有静密封。这种结构取消了传统离心泵具有的旋转轴密封装置，能做到完全无泄漏。,7杂质泵,杂质泵P型泵用于输送悬浮液及稠厚的浆液等，其系列代号为P，又细分为污水泵PW、砂泵PS、泥浆泵PN等。对这类泵的要求是：不易被杂质堵塞、耐磨、容易拆洗。所以它的特点是叶轮流道宽，叶片数目少，常采用半闭式或开式叶轮。,2离心泵的选用, 确定泵的类型 根据输送液体的性质和操作条件确定泵的类型。, 选择泵的型号 首先应确定输送系统的流量与扬程，然后按已确定的流量和外加压头从泵的样本或产品目录中选出适宜的型号。在选择泵的型号规格时，要考虑到操作条件的变化并备有一定的余量，应处在泵的最高效率范围内。, 核算泵的轴功率 假设输送液体的密度大于水的密度时，应核算泵的轴功率，以指导合理选用电机。,贮槽液面0-0,与入口处1-1,两截面间列柏努利方程,假设贮槽上方与大气相通，那么P0即为大气压强Pa,(1)允许安装高度,离心泵的允许吸上高度又称为允许安装高度，指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可允许到达的最大垂直距离，以Hg表示。,8.离心泵的安装,(2)气蚀现象,气蚀产生的条件叶片入口附近K处的压强P,K,等于或小于输送温度下液体的饱和蒸气压。,气蚀,产生的后果：,气蚀发生时产生噪音和震动，叶轮局部在巨大冲击的反复作用下，外表出现斑痕及裂纹，甚至呈海棉状逐渐脱落,液体流量明显下降，同时压头、效率也大幅度降低，严重时会输不出液体。,(3)气蚀余量,为防止气蚀现象发生，在离心泵入口处液柱的静压头,与动压头,之和必需大于液体在操作温度下,的一个最小值。,的饱和蒸汽压头,气蚀余量定义式,当流量一定且流体流动为阻力平方区时，气蚀余量仅与泵的结构和尺寸有关，是泵抗气蚀性能参数。,将,代入,允许安装高度的计算式,离心泵的气蚀余量,值也是由生产泵的工厂通过实验测定的,h,随,Q,增大而增大,计算允许安装高度时应取高流量下的,h,值。,泵性能表上所列的h值也是按输送20的清水测定的，当输送其它液体时应乘以校正系数予以校正，但因一般校正系数小于1，故把它作为外加的平安系数，不再校正。,离心泵的实际安装高度,离心泵的实际安装高度应小于允许安装高度，一般比允许值小,0.5,1,m,。,注意：,1允许气蚀余量值是与其流量有关的，大流量下h较大，因此，必须注意使用最大额定流量值进行计算。,2离心泵安装时，应注意选用较大的吸入管路，减少吸入管路的弯头、阀门等管件，以减少吸入管路的阻力。,3当液体输送温度较高或液体沸点较低时，可能出现允许安装高度为负值的情况，此时，应将离心泵安装于贮槽液面以下，使液体利用位差自流入泵内。,(二往复泵,1、往复泵的结构,往复泵是一种容积泵，它依靠作往复运动的活塞依次开启吸入阀和排出阀从而吸入和排出液体。,泵的主要部件有泵缸、活塞、活塞杆、吸入单向阀和排出单向阀。,活塞经传动和机械在外力作用下在泵缸内作往复运动。活塞与单向阀之间的空隙称为工作室。,结构,请看flash动画,往复泵的工作原理是什么,2、工作原理,当活塞自左向右移动时,，工作室的容积增大，形成低压，贮池内的液体经吸入阀被吸入泵缸内，排出阀受排出管内液体压力作用而关闭。当活塞移到右端时，工作室的容积最大。,活塞由右向左移动时,，泵缸内液体受挤压，压强增大，使吸入阀关闭而推开排出阀将液体排出，活塞移到左端时，排液完毕，完成了一个工作循环，此后开始另一个循环。,活塞从左端点到右端点的距离叫,冲程或位移,。,活塞在往复一次中，只吸入和排出液体各一次的泵，称为,单动泵,。,由于单动泵的吸入阀和排出阀均装在活塞的一侧，吸液时不能排液，因此排液不是连续的。,为了改善单动泵流量的不均匀性，多采用,双动泵或三联泵,。,请看flash动画,往复泵的工作原理与离心泵不同，具有以下特点：,1往复泵的流量只与泵本身的几何形状和活塞的往复次数有关，而与泵的扬程无关。无论在什么压头下工作，只要往复一次，泵就排出一定量的液体。,其理论流量：,对单动泵,对双动泵,其实际流量：,2往复泵的扬程与泵的几何尺寸无关，只要泵的机械强度,及原动机的功率允许，输送系统要求多高的压头，往复泵就,能提供多大的压头。,3往复泵的允许气蚀余量也随泵安装地区的大气压强、输送,液体的性质和温度而变，所以往复泵的安装高度也有一定的,限制。但往复泵的低压是靠工作室的扩张来造成的，所以在,开动之前，泵内无须充满液体，往复泵有自吸作用。,4往复泵不能简单地用排出管路阀门来调节流量，一般采用旁路调节。,往复泵适用于小流量、高压强的场合，输送高粘度液体时的效果也比离心泵好，但不能输送腐蚀性液体和固体粒子的悬浮液。,二、计量泵,计量泵是往复泵的一种。通过偏心轮把电机的旋转运动变成柱塞的往复运动。偏心轮的偏心距离可以调整，使柱塞的冲程随之改变。这样就到达控制和调节流量的目的。,例2-5 教材P69,三、旋转泵,旋转泵靠泵内一个或多个转子的旋转来吸入或排出液体，又称转子泵 。,1、齿轮泵,泵壳内有两个齿轮。一个用电机带动旋转，另一个被啮合着向相反方向旋转，吸入腔内两轮的齿互相拨开，形成低压而吸入液体，被吸入的液体被齿嵌住，随齿轮转动而到达排出腔 ，排出腔内两轮的齿互相合拢，形成高压而排出液体。,齿轮泵可以产生较高的压头，但流量较小，用于输送黏稠的液体，但不能输送含颗粒的悬浮液。,2、螺杆泵,螺杆泵分为单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵、五螺杆泵等。 图a为单螺杆泵，螺杆在具有内罗纹的泵壳中偏心转动，将液体沿轴向推进，最终沿排出口排出。b为双螺杆泵，工作原理与齿轮泵十分相似，利用两根相互啮合的螺杆来输送液体。,螺杆泵的压头高，效率高，无噪音，适用于高黏度液体的输送。,往复泵、旋转泵均属于正位移泵。,3、旋涡泵,旋涡泵是一种特殊类型的离心泵，它是由叶轮和泵体组成。叶轮是一个圆盘，四周由凹槽构成的叶片成辐射状排列。叶轮在泵壳内转动，其间有引水道，吸入管接头和排出管接头之间为间壁，间壁与叶轮只有很小的缝隙，用来分隔吸腔和排出腔。泵内液体在随叶轮旋转的同时，又在引水道与各叶片间作漩涡形运动。因而，被叶片拍击屡次，获得较多的能量。液体在叶片与引水道之间的反复迂回是靠离心力的作用。因此，旋涡泵在开动前也要灌满液体。旋涡泵适用于要求输送量小，压头高而黏度不大的液体。,1气体输送机械在工业生产中的应用,气体输送：,压力不高，但量大，动力消耗大,产生高压气体：,终到设备压力高,生产真空：,上游设备负压操作,2气体输送机械的一般特点,动力消耗大,二、气体输送机械,设备体积庞大,特殊性气体的可压缩性,1按终压与压缩比分为：,通风机：,鼓风机：,压缩机：,真空泵：,终压不大于,14.7,10,3,Pa,(,表压,),终压为,14.7,10,3,294,10,3,Pa,，压缩比小于,4,。,终压在,294,10,3,Pa,以上，压缩比大于,4,。,将低于大气压强的气体沉着器或设备内抽至大气中。,2按结构与工作原理分为：,离心式、往复式、旋转式和流体作用式,3气体输送机械的分类,一通风机,1、离心式通风机,离心式通风机按所产生的风压不同，分为：,低压,离心通风机：,中压,离心通风机：,高压,离心通风机,：,出口风压低于,0.9807,10,3,Pa,(,表压,),；,出口风压为：,0.9807,10,3,Pa2.942,10,3,Pa,出口风压为：,2.942,10,3,Pa14.7,10,3,Pa,(1离心式通风机的结构,a.风量：,指气体通过,进风口的体积流量,，以,Q,表示，单位为,m,3,/h,或,m,3,/s,。气体的体积按进口状态计。,b.风压：,指单位体积的气体通过通风机时所获得的能量，单位为,J/m,3,=Pa,，与压强单位相同，以,H,T,表示。取决于风机的结构，叶轮尺寸，转速与进入风机的气体的密度。,2离心通风机的性能参数,在通风机的进口截面,1-1,和出口截面,2-2,间列柏努力方程：,简化为,p2p1称为静风压，以Hst表示。,称为动风压, 以,H,k,表示。,离心通风机的风压为静风压和动风压之和，称为全风压。,风压与被输送气体的密度成正比，风机性能表上列出风压是按20，1.01105Pa下的空气密度测定的，为1.2kg/m3。假设实际操作条件与上述试验条件不同，应将操作条件下的风压HT换算为试验条件下的风压HT，然后按HT的数值来选择风机。,c.轴功率和效率,离心通风机的轴功率为：,3离心通风机的选用,选择离心通风机的主要步骤为：,a.根据工艺条件计算系统所需风量与风压。,b.根据气体的种类清洁空气、易燃气体、腐蚀性气体、含尘气体、高温气体等与风压范围，确定风机的类型。,c.据所要求的风量与全压，从产品样本或规格目录中的特性曲线或性能表格中查得适宜的类型与机号。,二鼓风机,1离心鼓风机,离心鼓风机外形与离心泵相象。蜗壳形的通道为圆形，但其外壳直径与宽度之比较大，叶轮上数目较多，转速较高并且有一固定的导轮。图为一台五级离心鼓风机的示意图。气体由吸入口进入后，经过第一级的叶轮和导轮，然后转入第二级叶轮入口，再依次逐级通过以后的叶轮和导轮，最后由排气口排出。,离心通风机的送气量大，但所产生的风压仍不太高，出口表压强一般不超过294103Pa。由于在离心鼓风机中，气体的压缩比不高，所以无需设置冷却装置，各级叶轮的直径也大致上相等。,三压缩机,1、离心压缩机,又称透平压缩机。它的主要结构和工作原理与离心鼓风机相似。离心压缩机的特点是叶轮级数多，通常在10级以上，叶轮转速高，一般为5000r/min以上。这样可以产生很大的出口压强，且由于压缩比高，气体体积缩小很多，温度升高大。因此压缩机都分成几段，每段包括假设干级。叶轮的直径逐级缩小。叶轮宽度也逐级略有缩小，在各段之间设有中间冷却器。,优点：流量大而均匀，体积小，运转平稳，容易调节，维护方便。,2、往复式压缩机,与往复泵有什么不同,膨胀阶段,排气阶段,吸气阶段,压缩阶段,四真空泵,喷射泵,从设备中或系统中抽出气体，使其处于绝对压强低于外界大气压的状态，所用的输送机械称为真空泵。实质上真空泵也是气体压缩机械，只是它入口压强低，出口为常压。,喷射泵是利用高速流体射流时静压能转换为动能而造成的真空将气体吸入泵体，在泵内与射流流体混合，气体及工作流体一并排出泵体。,喷射泵的工作流体可以是水，也可以是蒸汽。单级蒸汽喷射泵可以到达90%的真空度，为要获得更高的真空度，可以采用多级蒸汽喷射泵。喷射泵结构简单，无运动部件，但效率很低，工作流体消耗很大。,任务四 离心泵的操作,一