化工单元操作基础知识讲座之一流体输送课件.ppt

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1、1,阿拉善职业技术学院 2014-6-20,化工单元操作 基础知识讲座之 流体流动与输送,2,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,8,3,第一部分 流体流动与输送,流体流动规律是化工单元操作的重要基础，主要原因是：,2.流

2、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，动力的消耗及设备的投资都与流体的流动状况密切相关。,1.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,需要研究流体的流动规律。,强化,削弱,化工过程,4,第一部分 流体流动与输送,知识要点：1.流体、流体流动类型、流体输送方式等基本概念。2.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。3.流体流动阻力及其计算原则。4.流体输送管路与机械。,5,流体输送的应用, 日常生活中,流动现象：,第一部分 流体流动与输送,6,煤 气 洗 涤 塔,工业生产过程中,第一部分 流体流动与输送,7,一、流体的定义、特征与

3、流动类型1、定义：液态或气态下可以流动的物料称为流体,2、流体的共同特征（气体与液体的共同点）：,易流动，抗剪和抗张的能力很小；无固定形状，随容器的形状而变化；在外力的作用下其内部发生相对运动。,把流体视为由无数个流体微团（或流体质点）所组成，这些流体微团紧密接触，彼此没有间隙。这就是连续介质模型。,第一部分 流体流动与输送,8,3、气体与液体的区别：,1）密度：气体变化；液体变化不明显。2）压缩性：气体可压缩，20%可看成不可压缩。液体不可压缩。,第一部分 流体流动与输送,4、常见的液体输送方式： 1）重力输送 2）真空输送 3）压缩空气输送 4）机械输送,9,5、流体流动类型：,稳定流动：

4、在流体流动任一截面上，流体的压力、流量、流速等流动参数只与位置有关，与时间的变化无关的流动。不稳定流动：,第一部分 流体流动与输送,10,第一部分 流体流动与输送,说明： 在化工生产中，正常运行时，各点各处的流量不随时间变化，近似为常数，系统流动近似为稳态流动。 只有在出现波动或是开、停车时，为非稳态流动。,11,二、流体的基本物性,1、流体的密度1）定义：单位体积流体所具有的质量。 Kg/m3,影响密度的因素：温度、压力不可压缩流体：流体种类和温度变化不受压力影响。可压缩流体（气体）：受温度、压力影响大。密度的获取方法：常用的查表 用比重计测得、换算,第一部分 流体流动与输送,12,2）气体

5、密度理想气体：（温度不太低也不太高，压强很小时的气体）其中R8.314kJ/kmolK ； Mkg/kmol； PkN/m2 （kPa）； TK。,第一部分 流体流动与输送,13,（2）液体混合物:若混合前后体积不变,w质量分率,以1m3混合物为基准,以1kg混合物为基准,3）混合物的密度,已知纯物质的密度及混合物的组成，则,（1）气体混合物：若混合前后压力与温度变化不大时，,x 摩尔分数,在压力不太高，温度不太低时，也可用下式计算,第一部分 流体流动与输送,14,2、压强,1）定义：,特性：,垂直作用于器壁,在同一流体的相同水平面上 各方向的压强相同,在流体内部由于流体本身的重力而产生的垂直

6、作用在单位面积上的力称为流体的静压强，简称压强或压力。,第一部分 流体流动与输送,15,2）压强的单位及换算 压强的法定单位是Pa：1Pa=1N/m2。常用单位：如：物理大气压（atm）、工程大气压（at）、米水柱（mH2O）、毫米汞柱（mmHg）、巴（bar）等换算关系如下： 1atm=1.013105Pa=760mmHg =1.033at=10.33mH2O 1at=1kgf/cm2=9.81104Pa=10mH2O =735.6mmHg,第一部分 流体流动与输送,16,3）压强的表示方法,表压强=绝对压强-大气压强真空度=大气压强-绝对压强,压力大小的两种表征方法,绝压/表压/真空度的关

7、系,第一部分 流体流动与输送,17,压力表,18,真空表,19,3、粘度,1）物理意义,衡量流体粘性大小的一个物理量,单位,1Pas=10P=1000cP,获 取方法：属物性之一，由实验测定；查有关手册或资料、用经验公式计算,大多数气体的粘度远小于液体粘度,影响因素：主要有体系、温度、浓度（压力的影响可忽略（气体）,第一部分 流体流动与输送,20,u=0,y方向上的流体速度分布为线性,u+du,u,2）影响粘度的因素： 液体的粘度随温度的升高而下降 气体的粘度温度的升高而升高,21,4、流量与流速,1）流量流体在流动时，每单位时间内通过管道任一截面的流体量，称为流体的流量。如果流体量用流体的质

8、量来度量，则称为质量流量，用qm表示，单位是kg/s；如果流体量用流体的体积来度量，则称为体积流量，用qv表示，单位是m3/s。两者的关系是： qmqv 式中 是相同条件下流体的密度，单位是kg/m3。,第一部分 流体流动与输送,22,2）流速单位时间内，流体在流动方向上经过的距离叫流体的流速。在流体输送中所说的流速，通常指整个流通截面上流速的平均值，用u表示，单位是m/s。平均流速可以用下式计算：,第一部分 流体流动与输送,23,由于流体具有粘性，流体在管内流动时，同一流通截面上各点的流速是不同的，越靠近管壁，流速越小，中心的流速最大。,24,第一部分 流体流动与输送,三、流体的流动规律,质

9、量守恒定律,能量守恒定律,流体流动,1、流量方程式： d=(4qv/u)1/2在工程应用中经常用来测算管道的直径。,25,第一部分 流体流动与输送,2、流体流动的物料衡算连续性方程,液体在圆管中稳定流动时遵循：,将上式推广到任何一个截面对于液体，密度为常数，可化简为：qm/=uA=u1A1=u2A2=unAn=常数以上三式均为管内稳定流动连续性方程式通式。,26,第一部分 流体流动与输送,连续性方程式反映了稳态下，流量一定时管路各截面流速的变化规律。在工程应用中，常用来求管路中不同截面积下液体在管内的流速或求在不同流速下管路的截面积或管道的直径。液体在圆管中流动时，存在下列关系式,当管径相同时

10、：即 则,27,在任一流动系统中总能量包括两部分，流体本身所具有的能量及系统与外部交换的能量1）流体本身所具有的能量如右图所示，流动系统中任一位置（如图中1-1截面处），流体均具有一定的能量，能量的形式有以下几种:（1）内能 U 物质内部的能量总和。是原子与分子运动及其相互作用的结果。与温度有关。1kg流体的内能用U表示，单位：J/kg。,第一部分 流体流动与输送,3、流体流动的能量守恒规律,1.换热设备；2.输送设备,28,（2）位能 即势能 mkg流体的位能相当于将其从基准面升举到其所在高度Z处消耗的功。 位能= mgZ 单位： mgZ =kg （m/s2）m=Nm=J 1kg流体的位能为

11、 gZ单位：J/kg。位能是个相对值，高于基准面时为正，低于者为负。若不选基准水平面，只讲位能绝对值是没意义的。,第一部分 流体流动与输送,动能 单位： = kg（m/s） 2=Nm=J有流速的流体才有动能.1kg流体动能为 J/kg。,（3）动能,29,（4）静压能 流动着的流体内部各点都对应有静压能，质量为m（kg），压力为p（Pa）的流体的静压能=mp/,1kg流体的静压力单位为J/kg。位能、动能和静压能又称为机械能，它们的总和称为“总机械能（总能量） E ”，这三种能量可以相互转换。,第一部分 流体流动与输送,30,2）系统与外界交换的能量（1）热能 换热器向1kg流体提供/取走的热

12、量为Q，J/kg。（2）外功（净功） 1kg流体通过泵等通用机械获得的功也称有效功。用We 表示， J/kg。（3）损失能量 由于流体具有粘性，在流动过程中要克服各种阻力，使一部分能量转化为热能而无法利用，故称损失能。 1kg流体的损失能量用 ,其单位为J/Kg,第一部分 流体流动与输送,31,第一部分 流体流动与输送,3）能量守恒定律： Q输入=Q输出即： 上式为总能量衡算式式中有两种能量机械能、内能和热，机械能可以相互转变，也可变为热和内能 ；而内能和热，不可变为机械能。,32,第一部分 流体流动与输送,4）流动系统的机械能衡算柏努利方程对于稳定流动，设流体是不可压缩的，系统中无热交换器，

13、Q=0 ， 流体等温流动，系统内的能量积累为零， 即内能U1=U2，则能量守恒方程式变式为柏努利方程：,流体作稳定流动时，每kg流体流过系统内任意截面的总机械能恒为常数，而每个截面上的不同机械能的数值却不一定相等。这说明各种机械能形式之间在一定条件下是可以相互转换的，此减彼增，但总量保持不变。,33,例如：水平管道（Z1=Z2）A1A2,u1u2,E=Const.,一部分静压能转变为动能（火车通过时),第一部分 流体流动与输送,5）静止流体规律静力学方程式如果系统里的流体是静止的，则u=0,没有运动，自然就没有阻力，即hf=0；由于流体保持静止状态，也就不会有外功加入，即We=0,则柏努力方程

14、变为： 这就是静止流体遵循的规律,34,第一部分 流体流动与输送,6）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面上的压强差。b、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。d、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。f、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。应用时注意： 单位统一； 基准统一； 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,只要满足连续性方程均可。,35,第一部分 流体流动与输送,案例分析：如图所示，已知：qv=15m3/h，d=53mm，h

15、f=40J/kg，=0.6求：We、Pe、P解：取截面如图，并以1截面为基准水平面。在1-2间列BE式中：Z1=0，Z2=20m，p1=0（表），p2=500103Pa，u1=0，u2=1.89m/s，hf=40J/kg，上式简化为外加功为：泵的有效功率：泵的轴功率为： 联系其它参数，由此可以对泵进行选型,36,第一部分 流体流动与输送,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，是非常重要的。1、管路的分类：

16、简单管路按是否分出支管来分 树状网 复杂管路 环状网,37,第一部分 流体流动与输送,2、管路的基本构成管路是由管子、管件和阀门等按一定的排列方式构成。管子按管材不同可分为金属管、非金属管和复合管，管子的规格通常是用“外径壁厚”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。非金属管: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、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。

17、,38,第一部分 流体流动与输送,39,第一部分 流体流动与输送,3、管路阻力 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量，其值越大，说明在同样流动条件下，流体阻力就会越大。 直管阻力粘性阻力hf,粘性阻力hf形体阻力hf,40,第一部分 流体流动与输送,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产生的阻力损失，用hf表示。,范宁公式 ， 适用于一切流动型式（层流与湍流）,局部阻力：在管路系统中，流体经进口、出口、弯头、阀门等管件部分时，由于流道截面大

18、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能量损失，即hf=hf+h f,41,第一部分 流体流动与输送,A、阻力系数法：近似认为局部阻力服从速度平方定律，即表示为： 式中:阻力系数，与管件形状有关，当流道突然扩大/缩小 ，不同的变径对阻力产生的影响不同。,B、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长度为le时的直管阻力，则局部阻力可表示为： 式中：、d、ub与管件或 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。,42,第一部分 流体流动与

19、输送,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,43,第一部分 流体流动与输送,3、流体输送机械的类型,44,第一部分 流体流动与输送,鼓（通）风机,空压机,罗茨鼓风机,蒸汽喷射泵,水环式真空泵,气体压缩机,45,液体输送的设备,离心泵,油泵,旋涡泵,齿轮泵,螺杆泵,往复泵,第一部分 流体流动与输送,46,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

20、构件,47,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：汇集液体 转能装置2）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。3)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，即填料函密封与机械密封。,敞开式叶轮,半闭式叶轮,闭式叶轮,48,第一部分 流体流动与输送,3、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

21、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。,49,第一部分 流体流动与输送,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：A、随Q增加，H下降。B、随Q增加，P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，由于流量变化大，要关闭出口阀，可降低功率，保护电机。C、随Q增加，先增加后下降。,50,第一部分 流体流动与输送,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

22、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。,51,第一部分 流体流动与输送,6、离心泵的选择要点1）根据被输送液体的性质及操作条件，确定泵的类型。 2）确定流量。如果流量是变化的，应以最大值为准。 3)确定完成输送任务需要的压头。 4)通过流量与压头在相应类型的系列中选取合适的型号。 5)校核轴功率。

23、当液体密度大于水的密度时，必须校核轴功率。 6）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。,52,第一部分 流体流动与输送,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。,53,第一部分 流体流动与输送,特别注意：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，此时应关闭出口阀后启动泵，这时

24、所需的泵的轴功率最小，启动电流较小，以保护电机。启动后渐渐开启出口阀。 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。,54,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

25、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,55,第一部分 流体流动与输送,工程上当扬程下降3时就认为进入了气蚀状态。 气蚀原因：离心泵的安装高度太高(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。吸入管路的阻力或压头损失太造成破坏，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：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 ）、

26、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。,56,第一部分 流体流动与输送,8、离心泵的操作要点1）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； 2）盘车用手使泵轴绕运转方向转动的操作，每次以180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，是否有堵塞或冻结现象等。备用泵也要经常盘车。3）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，以免泵内液体因摩擦而发热，发生气蚀现象。4）调节流量缓慢打开出口阀，调节到指定流量。5）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。 6）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，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。,57,Thanks!,