流体流动及输送(2015版).ppt

化工单元操作,教学课件,硫酸铵生产工艺流程图,项目一 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。,1.流体:液体和气体的统称。性质(带声音动画）：液体:不可压缩 气体:可压缩2.流体流动知识的生产应用 流体输送；管内适宜流速、管径及输送设备的选定；压强、流速和流量的测量；为强化传热、传质设备的效能提供适宜的流动条件。,（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，它是为了满足节约成本、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。,管子的规格通常是用公称直径或“外径壁厚”来表示，如382.5mm表示此管子的外径是38mm，壁厚是2.5mm。但也有些管子是用内径来表示其规格的。管子的长度主要有3m、4m和6m，有些可达9m、12m，但以6m最为普遍。(1)铸铁管 主要有普通铸铁管和硅铸铁管(2)钢管 主要有有缝钢管和无缝钢管。(3)有色金属管 主要有铜管、黄铜管、铅管和铝管。(4)非金属管 陶瓷管、水泥管、玻璃管、塑料管、橡胶管等。附录一 管子规格（P291）,3.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。,4.阀门,截止阀(动画1、2）,闸阀（动画1、2）,旋塞阀,球阀,碟阀,(3)阀门的选用阀门种类繁多，选用时应考虑介质的性质、工作压力和工作温度及变化范围、管道的直径及工艺上的特殊要求（节流、减压、放空、止回等）、阀门的安装位置等因素，对双向流的管道，应选用无方向性的阀门，如闸阀、球阀、蝶阀；对只允许单向流的管道，应选止回阀；对需要调节流量的地方多选截止阀。对要求启闭迅速的管道，应选球阀或蝶阀；对要求密封性好的管道，应选闸阀或球阀。对受压容器及管道，视其具体情况设置安全阀，对各种气瓶应在出口处设置减压阀。蒸汽加热设备及蒸汽管道上应设置疏水阀。（4）阀门的维护（自学）,（二）化工管路的布置与安装,1.化工管路的布置原则（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。如管路最突出的部分距墙壁或柱边的净空不小于100mm，距管架支柱也不应小于100mm，两管路最突出部分间距净空，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,依据上述原则制订方案,确保管路的布置科学、经济、合理、安全。,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 化工管路的两端是固定的，当温度发生较大变化时，管路就会因管材的热胀冷缩而承受压力或拉力，严重时将会造成管子弯曲、断裂或接头松脱。因此必须采取措施排除这种应力，这就是管路的热补偿。热补偿的主要方法有两种：其一是依靠弯管的自然补偿，通常，当管路转角不大于150时，均能起到一定的补偿作用；其二是利用补偿器进行补偿，主要有方形、波形及填料三种补偿。,（3）化工管路的试压与吹洗化工管路在投入运行之前，必须保证其强度与严密性符合设计要求，因此，当管路安装完毕后，必须进行压力试验，称为试压。试压主要采用液压试验，少数特殊情况也可以采用气压试验。另外，为了保证管路系统内部的清洁，必须对管路系统进行吹扫与清洗，以除去铁锈、焊渣、土及其他污物，称为吹洗，管路吹洗根据被输送介质的不同，有水冲洗、空气吹扫、蒸汽吹洗、酸洗、油清洗和脱脂等。,（4）化工管路的保温与涂色化工管路通常是在异于常温的条件下操作的，为了维持生产需要的高温或低温条件，节约能源，维护劳动条件，必须采用措施减少管路与环境的热量交换，这就叫管路的保温。保温的方法是在管道外包上一层或多层保温材料。化工厂中的管路是很多的，为了方便操作者区别各种类型的管路，常常在管外表（保护层外或保温层外）涂上不同的颜色，称为管路的涂色。有两种方法，其一是整个管路均涂上一种颜色（涂单色），其二是在底色上每间隔两米涂上一个50100mm的色圈。常见化工管路的颜色可参阅手册，如给水管为绿色，饱和蒸汽为红色。,（5）化工管路的防静电措施静电是一种常见的带电现象。在化工生产中，电解质之间、电解质与金属之间都会因为磨擦而产生静电，如当粉尘、液体和气体电解质在管路中流动，或从容器中抽出或注入容器时，都会产生静电。这些静电如不及时消除，很容易因产生电火花而引起火灾或爆炸。管路的抗静电措施主要是静电接地和控制流体的流速。,(6)化工管路的防腐管道无论在地下还是在地面，其表面都会受到周围土壤或大气不同程度的腐蚀，使管道使用寿命减少，因此对管道应采取适当的防腐措施。对普通的地面架空管道，如果不需要保温，则采用涂料使金属与周围大气、水分、灰尘等腐蚀性介质相隔绝，通常是管外壁先除锈，再涂刷一层红丹底漆，然后再刷一遍醇酸磁漆；如果需要保温，则在保温层外再加一层玻璃布或镀锌铁皮，铁皮表面刷两遍醇酸磁漆。埋于地下的管道受到土壤的腐蚀，主要是电化学腐蚀，应根据土壤的性质采用不同的措施，最常用的是涂沥青防腐层。,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：,一、流体的基本物理量（一）密度与相对密度1.密度：单位：kg/m3影响因素：T：Tp：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已知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。,2、的求取（1）液体,注意：方程式中各物理量的单位pkPa（要用绝压）;TK,纯气体：查表（查表时注意温度和压强）或利用气态方程式。,（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,a、（为各组分的体积分数或摩尔分数，下同）,b、,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。液体的相对密度值可用比重计测定，也可查有关手册。（二）压力（压强）1.定义：2.单位 SI制：N/m2（Pa）；kPa、MPa 工程制：kgf/m2、kgf/cm2（at）；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.绝对压强：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，比大气压高的部分称表压，比大气压低的部分称真空度。,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=1.013105Pa=760mmHg=10.33m H2O,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,【例1-3】某设备进、出口测压仪表的读数分别为3kpa（真空）和67kpa（表压），求两处的绝对压强差？解：已知：进口真空度p1=3kPa；出口表压p2=67kPa则：所以：,（三）黏度1.定义：衡量流体黏性大小的物理量，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=1000 m Pas 1cP（厘泊）=1 m Pas,（1）T:气体：T，液体：T，（2）P: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.影响黏度的因素：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:本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）判断下列两关系是否成立，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基本方程式计算，即 pA=pa+1gh1+2gh2 pA=pa+2gh于是 pa+1gh1+2gh2=pa+2gh简化上式并将已知值代入，得 8000.7+10000.6=1000h解得 h=1.16m,(二)静力学基本方程的应用（关键是找等压面）,1.压力及压力差的测量,（1）U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,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,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,b.指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；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：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数 R反映了什么？,（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，若希望读数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。,（3）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,（4）复式压差计,适用于压差较大的情况。,R=R1+R2,例:如图所示，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：根据流体静力学基本原理，截面a-a为等压面，则 pa=pa又由流体静力学基本方程式可得 pa=p1gM pa=p2g（MR）ggR联立上三式，并整理得 p1p2=（g）gR由于g，上式可简化为 p1p2gR所以p1p210009.810.2=1962Pa,空气,水,例：如图所示，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。已知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+ig（z0z1）对水平面3-4而言，p3=p4=p2g（z4z2）对水平面5-6有 p6=p5=p4+ig（z4z5）锅炉蒸汽压强 p=p6g（z7z6）p=pa+ig（z0z1）+ig（z4z5）g（z4z2）g（z7z6）则蒸汽的表压为 ppa=ig（z0z1+z4z5）g（z4z2+z7z6）=136009.81(2.10.9+2.00.7)10009.81(2.00.9+2.50.7)=3.05105Pa=305kPa,2.液位测定,【例】容器内存有密度为800 kg/m3的油品，U形管压差计中指示液为汞，读数为200mm。求容器内油面高度？解：,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,【例】有一地下对硝基氯苯贮槽，用图示装置测量其液位。自管口通入压缩氮气，通过观察罩观察到氮气在贮槽内鼓泡时，吹气管上安装的U形管压差计的读数稳定为R。已知压差计中指示液为汞，读数为R=100mm，对硝基氯苯的密度为1250 kg/m3，贮槽上方通大气。试求贮槽液面至吹气管口的垂直距离h？解：由于通过观察罩可以得知吹气管内氮气在鼓泡状态下通过，所以氮气压力与吹气管底等高的槽内流体压力相等。即：,3.液封高度的计算,液封作用：,液封高度：,确保设备安全：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)，在炉外装有安全液封(水封)，如图所示。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:,作业 工艺计算题：P67页2、3,三、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,m3/s,m/s,（二）连续性方程式（带声音动画）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,若流通截面又为圆形管路，则,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=f（u）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：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/m3,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,查附录一,可选用1084mm的无缝钢管,其内径d=(10824)=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：,J/kg,J/N=m,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基本方程式。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，都应该是已知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，则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。,作业 工艺计算题：P67页4,2.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应器内加料，高位槽与反应器均通大气。如图所示。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，已知条件有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,则已知条件有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 如图所示的高位槽,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,如图所示,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，则已知条件有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，如图所示。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，则已知条件有 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,作业 工艺计算题：P67页5、6,五、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,雷诺实验,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。,（无单位）,层流和湍流的比较（带声音）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。,例：求20时煤油在圆形直管内流动时的Re值，并判断其流型。已知管内径为50mm，煤油的流量为6m3/h，20时煤油的密度为810kg/m3，黏度为3mPas。,解：,湍流,当量直径对于非圆形截面的通道，可以用一个与圆形管直径d相当的“直径”来代替，称作当量直径，用de表示。de=4流通截面积/润湿周边长度,（）套管换热器环隙当量直径de=d1-d2 式中 d1套管换热器外管的内径，m；d2套管换热器内管的外经，m。,（）矩形截面的当量直径,不能用当量直径来计算流体通过的截面积、流速和流量。,b、湍流：湍流时，流速分布类似于抛物线。,u=0.8umax,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=0.5umax,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：如粗糙表面、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，发生边界层分离，如图所示：,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hf=hf+hf1、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、阀门等两部分组成，流体流动阻力也相应分为直管阻力和局部阻力两类。,J/Kg,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：指壁面凸出部分的平均高度。相对粗糙度：/d指壁面凸出部分的平均高度与直径的比。,J/N=m,J/m3=Pa,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部分不会发生碰撞，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部分会发生碰撞使湍流程度加剧，此时对的影响相当大，=f（Re、/d），的计算：经验式和查图两种方法。,双对数坐标的使用,（1）双对数坐标的特点 不均分、前疏后密、首数19固定不能变，但能以10n递增。（2）功能：相当于对数运算。（3）使用：将坐标值直接描绘。,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，摩擦系数基本上不随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，若l/d一定，则阻力损失与流速的平方成正比，称作阻力平方区。,例1-13 在一 1084mm、长20m的钢管中输送油品。已知该油品的密度为900kg/m3,粘度为0.072Pas，流量为32t/h。试计算该品流经管油道的能量损失及压力降。,解：,例1-14 20的水在603.5mm的有缝钢管中以1m/s的速度流动。求水通过100m长水平直管的压力降？,解：由题意知 d=0.053m,l=100m,u=1m/s查附录知 20的水的=998.2kg/m3,=1.00510-3Pas,查图得=0.03,对水平直管,作业 工艺计算题：P68页7,2.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，A2/A10，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别。3.系统的总能力损失,例1-15如附图130所示，料液由常压高位槽流入精馏塔中。进料处塔中的压力为20kPa(表压)，送液管道为452.5mm、长8m的钢管。管路中装有180回弯头一个，全开标准截止阀一个，90标准弯头一个。塔的进料量要维持在5m3/h，试计算高位槽中的液面要高出塔的进料口多少米？操作温度下料液的物性数据：=900m3/kg；=1.3mPas,解 11截面：z 1=Z，p1=pa=0（表压），u1022截面：z2=0，p2=2104Pa（表压），,直管阻力,取管壁粗糙度=0.3mm，则 d=0.3/40=0.0075,由图查出摩擦系数=0.039,局部阻力 由表115查得阻力系数：进口 1=0.5180回弯头 2=1.590标准弯头 3=0.75全开标准截止阀 4=6.4,总阻力 hf=hf+hf=4.72+5.54=10.26J/kg 故,（三）流体流动阻力的降低措施 欲降低流动阻力，可采取如下的措施：（1）合理布局，尽量减少管长，少装不必要的管件、阀门；（2）适当加大管径并尽量选用光滑管；（3）在允许条件下，将气体压缩或液化后输送；（4）高黏度液体长距离输送时，可用加热方法（蒸汽伴管）或强磁场处理，以降低黏度；（5）允许的话，在被输送液体中加入减阻剂，如可溶的高分子聚合物、皂类的溶液、适当大小的固体颗粒稀薄悬浮物；（6）管壁上进行预处理：低表面能涂层或小尺度肋条结构。而有时为了其它工程目的，需人为地造成局部阻力或加大流体湍动（如液体搅拌，传热、传质过程的强化等）。,作业 工艺计算题：P68页9,六、流体的基本物理量的检测 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：,式中 C0孔板的流量系数(或称孔流系数),由实验测定。常用C0的值为0.60.7；S0孔口的截面积，m2；RU形管压差计的读数，m；AU形管压差计的指示液的密度，kg/m3；被测流体的密度，kg/m3。,特点：(1)属变压差型流量计。(2)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，为避免阀件、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。,2、C0的获取 用角接取压法安装的孔板流量计，其C0与Re、A0/A1的关系，如图132所示。由图可见，对于某一A0/A1值，当Re值超过某一限度值Rec时，C0就不再改变而为定值。流量计所测的流量范围，最好是落在C0为定值的区域里，这时流量s便与压强差（papb）(或压差计读数)的平方根成正比。设计合适的孔板流量计，其C0值为0.60.7。,孔板流量计的C0与Re、A0/A1的关系曲线,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,动画展示,（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,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1、2）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：,液体的汇集与能量的转换,（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,离心泵的工作原理（带声音）：,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不足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。,作业 思考题：P67页5、6,3、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，泵内高压液体部分回流到泵入口，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。若需自配电机，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 若被输送液体的黏度大于常温下清水的黏度，则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,作业 计算题：P68页10,5、离心泵的特性曲线与流量调节（1）特性曲线,HQ,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：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。若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11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，若改变出口阀的开度，测出不同流量下的若干组有关数据，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