化工单元操作基础知识讲座之一流体输送课件.ppt

化学工业出版社化学工业出版社 阿拉善职业技术学院 2014-6-20 2014-6-20 化工单元操作化工单元操作 基础知识基础知识讲座讲座之之 流体流动与输送流体流动与输送1化学工业出版社化学工业出版社 说明：一个化工产品的生产需经过若干个物理过程与若干个化学反应过程，一般把不同化工产品生产过程中，发生同样的物理变化、遵循共同的规律、使用相似的设备、具有相同作用的基本物理操作，称为化工单元操作，我们要学习的单元操作包括：第一部分：流体流动与输送 1第二部分：非均相物系的分离2第三部分：传热 3第四部分：液体蒸馏4 第五部分：气体吸收 5第六部分：固体干燥6 第七部分：蒸发 7第八部分：萃取82化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送流体流动流体流动规律规律是化工单元操作的是化工单元操作的重要基础重要基础，主要原因是：主要原因是：2 2.流体的流动对传热、传质以及反应过程有着重流体的流动对传热、传质以及反应过程有着重要的影响。过程进行的好坏，动力的消耗及设备要的影响。过程进行的好坏，动力的消耗及设备的投资都与流体的流动状况密切相关。的投资都与流体的流动状况密切相关。1.1.各种流体输送问题，管路的设计，输送机械的各种流体输送问题，管路的设计，输送机械的选择以及所需功率的计算选择以及所需功率的计算,需要研究流体的流动需要研究流体的流动规律。规律。强化强化削弱削弱化工过程化工过程3化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送知识要点：1.1.流体、流体流动类型、流体输送方式等基本流体、流体流动类型、流体输送方式等基本概念。概念。2.2.流体静力学基本方程式，连续性方程式和柏流体静力学基本方程式，连续性方程式和柏努利方程及其应用。努利方程及其应用。3.3.流体流动阻力流体流动阻力及其及其计算计算原则。原则。4.4.流体输送管路与机械流体输送管路与机械。4化学工业出版社化学工业出版社 流体输送的应用 日常生活中日常生活中流动现象：流动现象：第一部分 流体流动与输送5化学工业出版社化学工业出版社 煤煤 气气 洗洗 涤涤 塔塔工业生产过程中工业生产过程中煤气煤气水孔板流量计泵水封填料塔水池 第一部分 流体流动与输送6化学工业出版社化学工业出版社 一、流体的定义、特征与流动类型一、流体的定义、特征与流动类型1 1、定义：、定义：液态或气态下可以流动的物料称为流体液态或气态下可以流动的物料称为流体 2 2、流体的共同特征（气体与液体的共同点）：流体的共同特征（气体与液体的共同点）：易易流动流动，抗剪抗剪和和抗张抗张的能力很小；无的能力很小；无固定形固定形状状，随容器的，随容器的形状而变化形状而变化；在；在外力外力的作用下其的作用下其内部发内部发生相对运动生相对运动。把流体视为由无数个流体微把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）所组成，这些团（或流体质点）所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没有间流体微团紧密接触，彼此没有间隙。这就是连续介质模型隙。这就是连续介质模型。第一部分 流体流动与输送7化学工业出版社化学工业出版社 3、气体与液体的区别：气体与液体的区别：1 1）密度：气体变化；液体变化不明显。密度：气体变化；液体变化不明显。2 2）压缩性：气体可压缩，压缩性：气体可压缩，20%AA2 2u1u21 11 12 22 2连续性方程连续性方程连续性方程连续性方程E=Const.E=Const.一部分静压能转变为动能一部分静压能转变为动能（火车通过时（火车通过时)第一部分 流体流动与输送5 5）静止流体规律）静止流体规律）静止流体规律）静止流体规律静力学方程式静力学方程式如果系统里的流体是静止的，则如果系统里的流体是静止的，则u=0,没有运动，自没有运动，自然就没有阻力，即然就没有阻力，即hf=0；由于流体保持静止状态，；由于流体保持静止状态，也就不会有外功加入，即也就不会有外功加入，即We=0,则柏努力方程变为：则柏努力方程变为：这就是静止流体遵循的规律这就是静止流体遵循的规律33化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送6 6）工程应用）工程应用）工程应用）工程应用a、利用静力学方程，测量或确定管道的压强或不同截、利用静力学方程，测量或确定管道的压强或不同截面上的压强差。面上的压强差。b、利用静力学方程测量或确定贮罐的液位。、利用静力学方程测量或确定贮罐的液位。c、利用静力学方程确定液封的高度。、利用静力学方程确定液封的高度。d、利用柏努利方程确定管道中流体的流量。、利用柏努利方程确定管道中流体的流量。e、利用柏努利方程确定容器间的相对位置。、利用柏努利方程确定容器间的相对位置。f、利用柏努利方程确定输送设备的有效功率。、利用柏努利方程确定输送设备的有效功率。g、利用柏努利方程确定管路中流体的压强。、利用柏努利方程确定管路中流体的压强。应用时注意：应用时注意：单位统一；单位统一；基准统一；基准统一；选择界面，条件充分，垂直流动方向；选择界面，条件充分，垂直流动方向；原则上沿流动方向上任意两截面原则上沿流动方向上任意两截面,只要满足连续性方程均可。只要满足连续性方程均可。34化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送案例分析案例分析：如图所示，已知：如图所示，已知：qv=15m3/h，d=53mm，hf=40J/kg，=0.6求：求：We、Pe、P解：取截面如图，并以解：取截面如图，并以1 1截面为基准水平面。在截面为基准水平面。在1-21-2间列间列BEBE式中：式中：Z1=0Z1=0，Z2=20mZ2=20m，p1=0p1=0（表），（表），p2=50010p2=500103 3PaPa，u1=0u1=0，u2=1.89m/su2=1.89m/s，hfhf=40J/kg=40J/kg，上式简化为，上式简化为外加功为：外加功为：泵的有效功率：泵的有效功率：泵的轴功率为：泵的轴功率为：联系其它参数，由此可以对泵进行联系其它参数，由此可以对泵进行选型选型20mp2=500kPa（表）（表）35化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送四、化工管路与管路阻力四、化工管路与管路阻力 管路是化工、石油、环保等许多行业生产中所涉及的路是化工、石油、环保等许多行业生产中所涉及的各种管路形式的总称各种管路形式的总称.这是生产装置不可缺少的部分，只有管路通畅，阀这是生产装置不可缺少的部分，只有管路通畅，阀门调节得当，才能保证各车间及整个工厂生产的正常门调节得当，才能保证各车间及整个工厂生产的正常进行。因此了解管路的构成与作用、合理布置管路，进行。因此了解管路的构成与作用、合理布置管路，是非常重要的。是非常重要的。1、管路的分类：、管路的分类：简单管路按是否分出支管来分按是否分出支管来分 树状网 复杂管路 环状网36化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送2 2、管路的基本构成管路的基本构成管路是由管路是由管子管子、管件管件和和阀门阀门等按一定的排列方式构成。等按一定的排列方式构成。管子按管材不同可分为管子按管材不同可分为金属管金属管、非金属管非金属管和和复合管复合管，管子的规格通常是，管子的规格通常是用用“外径外径壁厚壁厚”来表示，如来表示，如382.5mm。金属管主要有铸铁管、钢管（含合金钢管）和有色金属管等。金属管主要有铸铁管、钢管（含合金钢管）和有色金属管等。非金属管非金属管:陶瓷管、水泥管、玻璃管、塑料管、橡胶管等。陶瓷管、水泥管、玻璃管、塑料管、橡胶管等。管件是用来连接管子、改变管路方向或直径、接出支路和封闭管路的管管件是用来连接管子、改变管路方向或直径、接出支路和封闭管路的管路附件的总称。路附件的总称。阀件是用来开启、关闭和调节流量及控制安全的机械装置，也称阀门、阀件是用来开启、关闭和调节流量及控制安全的机械装置，也称阀门、截门或节门。化工生产中，通过阀门可以调节流量、系统压力、流截门或节门。化工生产中，通过阀门可以调节流量、系统压力、流动方向，从而确保工艺条件的实现与安全生产。动方向，从而确保工艺条件的实现与安全生产。37化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送38化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送3、管路阻力、管路阻力 流体在管路中流动时均有阻力，阻力产生的原流体在管路中流动时均有阻力，阻力产生的原流体在管路中流动时均有阻力，阻力产生的原流体在管路中流动时均有阻力，阻力产生的原因是由于内摩擦（粘性），内摩擦力是由于流体的因是由于内摩擦（粘性），内摩擦力是由于流体的因是由于内摩擦（粘性），内摩擦力是由于流体的因是由于内摩擦（粘性），内摩擦力是由于流体的粘性而产生的，这种内摩擦力总是起着阻止流体间粘性而产生的，这种内摩擦力总是起着阻止流体间粘性而产生的，这种内摩擦力总是起着阻止流体间粘性而产生的，这种内摩擦力总是起着阻止流体间发生相对运动的作用。粘度是表征粘性大小的物理发生相对运动的作用。粘度是表征粘性大小的物理发生相对运动的作用。粘度是表征粘性大小的物理发生相对运动的作用。粘度是表征粘性大小的物理量，其值越大，说明在同样流动条件下，流体阻力量，其值越大，说明在同样流动条件下，流体阻力量，其值越大，说明在同样流动条件下，流体阻力量，其值越大，说明在同样流动条件下，流体阻力就会越大。就会越大。就会越大。就会越大。直管阻力直管阻力粘性阻力粘性阻力hfhf 流动阻力流动阻力局部阻力局部阻力粘性阻力粘性阻力hfhf形体阻力形体阻力hfhf39化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送直管阻力：直管阻力：流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦而流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦而产生的阻力损失，用产生的阻力损失，用hf表示。表示。范宁公式范宁公式，适用于一切流动型式（层适用于一切流动型式（层流与湍流）流与湍流）局部阻力：局部阻力：在管路系统中，流体经在管路系统中，流体经进口进口、出口出口、弯头弯头、阀门阀门等管件部分时，由于流道截面大小和方向发生急剧变化，使等管件部分时，由于流道截面大小和方向发生急剧变化，使得流体湍动程度加强、边界层分离，造成大量旋涡等导致机得流体湍动程度加强、边界层分离，造成大量旋涡等导致机械能损失。工程上一般采用两种方法计算。械能损失。工程上一般采用两种方法计算。直管阻力与局部阻力的总和，构成了柏努利方程中的总管路直管阻力与局部阻力的总和，构成了柏努利方程中的总管路能量损失，即能量损失，即hf=hf+h f 40化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送A、阻力系数法：、阻力系数法：近似认为局部阻力服从速度平方近似认为局部阻力服从速度平方定律，即表示为：定律，即表示为：式中式中:阻力系数，与管件形状有关，当流道突然阻力系数，与管件形状有关，当流道突然扩大扩大/缩小缩小，不同的变径对阻力产生的影响不同。，不同的变径对阻力产生的影响不同。B、当量长度法、当量长度法流体流过局部地方产生的阻力相当于流过等径直管流体流过局部地方产生的阻力相当于流过等径直管长度为长度为le时的直管阻力，则局部阻力可表示为：时的直管阻力，则局部阻力可表示为：式中：式中：、d、ub与管件或与管件或 阀门连接的直管内的值，阀门连接的直管内的值，Le管件的当量长度，可由有关手册查取。管件的当量长度，可由有关手册查取。41化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送五、流体输送机械五、流体输送机械（一）常见流体输送机械：1、流体输送设备的作用：为流体提供动力，以满足输送要求为流体提供动力，以满足输送要求为工艺过程创造必要的压力条件。为工艺过程创造必要的压力条件。2、输送设备名称：液体输送设备：泵，以离心泵最常见 气体输送设备：风机、压缩机或真空泵42化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送3、流体输送机械的类型-离心式离心式往复式往复式旋转式旋转式流体作用流体作用式式液体液体输送输送机械机械离心泵、离心泵、旋涡泵旋涡泵往复泵、往复泵、隔膜泵、隔膜泵、计量泵、计量泵、柱塞泵柱塞泵齿轮泵、齿轮泵、螺杆泵螺杆泵轴流泵轴流泵喷射泵、喷射泵、酸式空气酸式空气升液器升液器气体气体输送输送机械机械离心通风离心通风机、离心机、离心鼓风机、鼓风机、离心压缩离心压缩机机往复压缩往复压缩机、往复机、往复真空泵、真空泵、隔膜压缩隔膜压缩机机罗茨通风罗茨通风机、液环机、液环压缩机、压缩机、水环真空水环真空泵泵蒸汽喷射蒸汽喷射泵、水喷泵、水喷射泵射泵43化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送鼓（通）风机鼓（通）风机空压机空压机罗茨鼓风机罗茨鼓风机蒸汽喷射泵蒸汽喷射泵水环式真空泵水环式真空泵气体压缩机气体压缩机44化学工业出版社化学工业出版社 液体输送的设备液体输送的设备离心泵离心泵油泵油泵旋涡泵旋涡泵齿轮泵齿轮泵螺杆泵螺杆泵往复泵往复泵 第一部分 流体流动与输送45化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送（二）离心泵：1、离心泵的基本构件：泵壳，叶轮，吸液口，排液口，轴，轴承与轴封装置，其它附助构件46化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送2、离心泵的基本构件的作用：1）泵壳（蜗壳）作用作用：汇集液体汇集液体 转能装置转能装置2 2）叶轮：把电机的机械能，传递给液体，提高液体的）叶轮：把电机的机械能，传递给液体，提高液体的动能和静压能。叶轮形式：敞式、半闭式、闭式。动能和静压能。叶轮形式：敞式、半闭式、闭式。3)3)轴与轴封装置：离心泵工作时是泵轴旋转而泵壳不动，轴与轴封装置：离心泵工作时是泵轴旋转而泵壳不动，泵轴是将外力传递给叶轮的装置，轴封是轴与泵壳之泵轴是将外力传递给叶轮的装置，轴封是轴与泵壳之间的密封，防止高压液体从泵壳内沿间隙漏出，或外间的密封，防止高压液体从泵壳内沿间隙漏出，或外界空气漏入泵内。常用的密封方式有两种，即填料函界空气漏入泵内。常用的密封方式有两种，即填料函密封与机械密封。密封与机械密封。敞开式叶轮敞开式叶轮半闭式叶轮半闭式叶轮闭式叶轮闭式叶轮47化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送3 3、离心泵的工作原理、离心泵的工作原理(1)排出阶段 电机输入能量泵轴带动叶轮旋转(产生离心力，使液体获得能量）叶轮带动液体旋转流体流入涡壳(动能静压能)流体输出管路。（2）吸入阶段 叶轮周围液体自叶轮中心高速被甩向外缘 叶轮中心形成低压区 贮槽液面与泵入口形成压差液体吸入泵内。48化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送4 4、离心泵的主要性能参数与性能曲线1）性能参数：流量、扬程、功率、效率2）离心泵性能曲线对性能曲线说明：对性能曲线说明：A、随、随Q增加，增加，H下降。下降。B、随、随Q增加，增加，P逐渐增加，即能耗增加，可以看出在零流逐渐增加，即能耗增加，可以看出在零流量时，功率最小。故离心泵开车与停车时，由于流量变化量时，功率最小。故离心泵开车与停车时，由于流量变化大，要关闭出口阀，可降低功率，保护电机。大，要关闭出口阀，可降低功率，保护电机。C、随、随Q增加，增加，先增加后下降。先增加后下降。49化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送5 5、影响离心泵性能参数的因素1）密度：离心泵的压头和流量均与液体的密度无关，有效功率和轴功率随密度的增加而增加，这是因为离心力及其所做的功与密度成正比，但效率又与密度无关2）粘度：当液体的粘度增加时，液体在泵内运动时的能量损失增加，从而导致泵的流量、扬程和效率均下降，但轴功率增加。所以，当被输送流体的粘度有较大变化时，泵的特性曲线也要发生变化。3）叶轮转数与叶轮直径：同一台离心泵，转速改变或者叶轮直径发生变化，特性曲线也发生变化。50化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送6 6、离心泵的选择要点1 1）根据被输送液体的性质及操作条件，确定泵的类型。）根据被输送液体的性质及操作条件，确定泵的类型。2 2）确定流量。如果流量是变化的，应以最大值为准。）确定流量。如果流量是变化的，应以最大值为准。3)3)确定完成输送任务需要的压头。确定完成输送任务需要的压头。4)4)通过流量与压头在相应类型的系列中选取合适的型通过流量与压头在相应类型的系列中选取合适的型号。号。5)5)校核轴功率。当液体密度大于水的密度时，必须校校核轴功率。当液体密度大于水的密度时，必须校核轴功率。核轴功率。6 6）列出泵在设计点处的性能。）列出泵在设计点处的性能。工程观点：选择时，要留有一定裕度工程观点：选择时，要留有一定裕度。51化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送7 7、生产过程中离心泵常见故障原因与处理方法1）气缚现象：当启动离心泵时，若泵内未能灌满液体而存在大量气体，则由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转产生的惯性离心力很小，因而叶轮中心处不能形成吸入液体所需的真空度，这种虽启动离心泵，但不能输送液体的现象，即为离心泵气缚现象。说明：离心泵无自吸能力，启动前必须将泵体内充满液体。52化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送特别注意：特别注意：在离心泵启动前必须先开启出口阀在离心泵启动前必须先开启出口阀进行灌泵排气。灌液完毕后，此时应关闭出口进行灌泵排气。灌液完毕后，此时应关闭出口阀后启动泵，这时所需的泵的轴功率最小，启阀后启动泵，这时所需的泵的轴功率最小，启动电流较小，以保护电机。启动后渐渐开启出动电流较小，以保护电机。启动后渐渐开启出口阀。口阀。而离心泵停机前，为防止出口管路中的高压而离心泵停机前，为防止出口管路中的高压流体向泵体内倒灌（因叶轮中心在停机瞬间尚流体向泵体内倒灌（因叶轮中心在停机瞬间尚处真空状态），以致对设备造成破坏，需先关处真空状态），以致对设备造成破坏，需先关闭出口阀后方可停机。闭出口阀后方可停机。53化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送2）气蚀现象：离心泵的吸液是靠吸入液面与吸入口间的压差完成的。当吸入液面压力一定时，泵的安装高度越大，则吸入口处的压力将越小。当吸入口处压力小于操作条件下被输送液体的饱和蒸汽压时，液体将会化产生气泡，含有气泡的液体进入泵体后，在离心力的作用下，进入高压区，气泡在高压的作用下，又液化为液体，由于原气泡位置的空出造成局部真空，周围液体在高压的作用下迅速填补原气泡所占空间。这种高速冲击频率很高，可以达到每秒几千次，冲击压强可以达到数百个大气压甚至更高，这种高强度高频率的冲击，轻的能造成叶轮的疲劳，重的则可以将叶轮与泵壳破坏，甚至能把叶轮打成蜂窝状。这种因为被输送液体在泵体内气化再液化的现象叫离心泵的气蚀现象54化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送工程上当扬程下降工程上当扬程下降3 3时就认为进入了气蚀状态时就认为进入了气蚀状态。气蚀原因：气蚀原因：离心泵的安装高度太高离心泵的安装高度太高(相对于吸入口液面高度）。相对于吸入口液面高度）。被输送流体的温度太高，液体蒸气压过高。被输送流体的温度太高，液体蒸气压过高。吸入管路的吸入管路的阻力或压头损失太阻力或压头损失太造成破坏，需先关闭出口阀后方可停机。造成破坏，需先关闭出口阀后方可停机。防止气蚀发生可以采取的方法：防止气蚀发生可以采取的方法：增加吸入液面的压力，减小液体的密度、降低液体温度（通过增加吸入液面的压力，减小液体的密度、降低液体温度（通过降低液体的饱和蒸汽压来降低降低液体的饱和蒸汽压来降低 ）、增加吸入管直径（从而使流）、增加吸入管直径（从而使流速降低）和减少吸入管内流体阻力均有利于允许安装高度的提速降低）和减少吸入管内流体阻力均有利于允许安装高度的提高，在其它条件都确定的情况下，如果流量增加，将造成动能高，在其它条件都确定的情况下，如果流量增加，将造成动能及阻力的增加，安装高度会减少，气蚀的可能性增加及阻力的增加，安装高度会减少，气蚀的可能性增加。55化学工业出版社化学工业出版社 第一部分 流体流动与输送8 8、离心泵的操作要点1 1）灌泵）灌泵启动前，使泵体内充满被输送液体的操作。用来避免气缚现象；启动前，使泵体内充满被输送液体的操作。用来避免气缚现象；2）盘车盘车用手使泵轴绕运转方向转动的操作，每次以用手使泵轴绕运转方向转动的操作，每次以180180为宜，并不得反为宜，并不得反转。其目的是检查润滑情况，密封情况，是否有卡轴现象，是否有堵塞或转。其目的是检查润滑情况，密封情况，是否有卡轴现象，是否有堵塞或冻结现象等。备用泵也要经常盘车。冻结现象等。备用泵也要经常盘车。3 3）关闭出口阀，启动电机）关闭出口阀，启动电机 为了防止启动电流过大，要在最小流量，从而在为了防止启动电流过大，要在最小流量，从而在最小功率下启动，以免烧坏电机。但对耐腐蚀泵，为了减少腐蚀，常采用最小功率下启动，以免烧坏电机。但对耐腐蚀泵，为了减少腐蚀，常采用先打开出口阀的办法启动。但要注意，关闭出口阀运转的时间应尽可能短，先打开出口阀的办法启动。但要注意，关闭出口阀运转的时间应尽可能短，以免泵内液体因摩擦而发热，发生气蚀现象。以免泵内液体因摩擦而发热，发生气蚀现象。4 4）调节流量）调节流量缓慢打开出口阀，调节到指定流量缓慢打开出口阀，调节到指定流量。5 5）检查）检查要经常检查泵的运转情况，比如轴承温度、润滑情况、压力表及真要经常检查泵的运转情况，比如轴承温度、润滑情况、压力表及真空表读数等等，发现问题应及时处理。在任何情况下都要避免泵内无液体空表读数等等，发现问题应及时处理。在任何情况下都要避免泵内无液体的干转现象，以避免干摩擦，造成零部件损坏。的干转现象，以避免干摩擦，造成零部件损坏。6 6）停车时，要先关闭出口阀，再关电机）停车时，要先关闭出口阀，再关电机以免高压液体倒灌，造成叶轮反转，以免高压液体倒灌，造成叶轮反转，引起事故。在寒冷地区，短时停车要采取保温措施，长期停车必须排净泵引起事故。在寒冷地区，短时停车要采取保温措施，长期停车必须排净泵内及冷却系统内的液体，以免冻结胀坏系统内及冷却系统内的液体，以免冻结胀坏系统。56化学工业出版社化学工业出版社 57