化工單元操作基礎(chǔ)知識講座之一流體的輸送

阿拉善職業(yè)技術(shù)學(xué)院

2014-6-20

《化工單元操作》

基礎(chǔ)知識講座之

流體流動與輸送1說明：一個化工產(chǎn)品的生產(chǎn)需經(jīng)過若干個物理過程與若干個化學(xué)反應(yīng)過程，一般把不同化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，發(fā)生同樣的物理變化、遵循共同的規(guī)律、使用相似的設(shè)備、具有相同作用的基本物理操作，稱為化工單元操作，我們要學(xué)習(xí)的單元操作包括：第一部分：流體流動與輸送

1第二部分：非均相物系的分離2第三部分：傳熱

3第四部分：液體蒸餾4第五部分：氣體吸收5第六部分：固體干燥6第七部分：蒸發(fā)7第八部分：結(jié)晶、萃取及其它82

第一部分流體流動與輸送流體流動規(guī)律是化工單元操作的重要基礎(chǔ)，主要原因是：2.流體的流動對傳熱、傳質(zhì)以及反應(yīng)過程有著重要的影響。過程進(jìn)行的好壞，動力的消耗及設(shè)備的投資都與流體的流動狀況密切相關(guān)。1.各種流體輸送問題，管路的設(shè)計，輸送機(jī)械的選擇以及所需功率的計算,需要研究流體的流動規(guī)律。強(qiáng)化削弱化工過程3

第一部分流體流動與輸送知識要點(diǎn)：

1.流體、流體流動類型、流體輸送方式等基本概念。

2.流體靜力學(xué)基本方程式，連續(xù)性方程式和柏努利方程及其應(yīng)用。

3.流體流動阻力及其計算原則。

4.流體輸送管路與機(jī)械。4流體輸送的應(yīng)用

①日常生活中流動現(xiàn)象：

第一部分流體流動與輸送5煤氣洗滌塔②工業(yè)生產(chǎn)過程中煤氣煤氣水孔板流量計泵水封填料塔水池

第一部分流體流動與輸送6一、流體的定義、特征與流動類型1、定義：液態(tài)或氣態(tài)下可以流動的物料稱為流體

2、流體的共同特征（氣體與液體的共同點(diǎn)）：

易流動，抗剪和抗張的能力很?。粺o固定形狀，隨容器的形狀而變化；在外力的作用下其內(nèi)部發(fā)生相對運(yùn)動。

把流體視為由無數(shù)個流體微團(tuán)（或流體質(zhì)點(diǎn)）所組成，這些流體微團(tuán)緊密接觸，彼此沒有間隙。這就是連續(xù)介質(zhì)模型。

第一部分流體流動與輸送73、氣體與液體的區(qū)別：1）密度：氣體變化；液體變化不明顯。2）壓縮性：氣體可壓縮，<20%可看成不可壓縮。液體不可壓縮。

第一部分流體流動與輸送4、常見的液體輸送方式：1）重力輸送2）真空輸送3）壓縮空氣輸送4）機(jī)械輸送85、流體流動類型：①穩(wěn)定流動：在流體流動任一截面上，流體的壓力、流量、流速等流動參數(shù)只與位置有關(guān)，與時間的變化無關(guān)的流動。②不穩(wěn)定流動：

第一部分流體流動與輸送9

第一部分流體流動與輸送說明：①在化工生產(chǎn)中，正常運(yùn)行時，各點(diǎn)各處的流量不隨時間變化，近似為常數(shù)，系統(tǒng)流動近似為穩(wěn)態(tài)流動。②只有在出現(xiàn)波動或是開、停車時，為非穩(wěn)態(tài)流動。10二、流體的基本物性1、流體的密度ρ1）定義：單位體積流體所具有的質(zhì)量。Kg/m3影響密度的因素：溫度、壓力不可壓縮流體：流體種類和溫度變化不受壓力影響?？蓧嚎s流體（氣體）：受溫度、壓力影響大。密度的獲取方法：常用的查表用比重計測得、換算

第一部分流體流動與輸送112）氣體密度理想氣體：（溫度不太低也不太高，壓強(qiáng)很小時的氣體）其中R—8.314kJ/kmol·K；M—kg/kmol；

P—kN/m2（kPa）；T—K。

第一部分流體流動與輸送12（2）液體混合物:若混合前后體積不變w—質(zhì)量分率

以1m3混合物為基準(zhǔn)以1kg混合物為基準(zhǔn)3）混合物的密度已知純物質(zhì)的密度及混合物的組成，則（1）氣體混合物：若混合前后壓力與溫度變化不大時，x—摩爾分?jǐn)?shù)在壓力不太高，溫度不太低時，也可用下式計算

第一部分流體流動與輸送132、壓強(qiáng)1）定義：

特性：

①垂直作用于器壁

②在同一流體的相同水平面上各方向的壓強(qiáng)相同pppppp

在流體內(nèi)部由于流體本身的重力而產(chǎn)生的垂直作用在單位面積上的力稱為流體的靜壓強(qiáng)，簡稱壓強(qiáng)或壓力。

第一部分流體流動與輸送142）壓強(qiáng)的單位及換算

壓強(qiáng)的法定單位是Pa：1Pa=1N/m2。常用單位：如：物理大氣壓（atm）、工程大氣壓（at）、米水柱（mH2O）、毫米汞柱（mmHg）、巴（bar）等換算關(guān)系如下：

1atm=1.013×105Pa=760mmHg=1.033at=10.33mH2O

1at=1kgf/cm2=9.81×104Pa=10mH2O=735.6mmHg

第一部分流體流動與輸送153）壓強(qiáng)的表示方法表壓強(qiáng)=絕對壓強(qiáng)-大氣壓強(qiáng)真空度=大氣壓強(qiáng)-絕對壓強(qiáng)壓力大小的兩種表征方法PA,絕PA（表）P大氣壓P（真空度）PB,絕絕對零壓線大氣壓線絕壓/表壓/真空度的關(guān)系

第一部分流體流動與輸送16壓力表17真空表183、粘度μ1）物理意義

衡量流體粘性大小的一個物理量單位1Pa·s=10P=1000cP獲取方法：屬物性之一，由實驗測定；查有關(guān)手冊或資料、用經(jīng)驗公式計算大多數(shù)氣體的粘度遠(yuǎn)小于液體粘度

影響因素：主要有體系、溫度、濃度（壓力的影響可忽略（氣體））

第一部分流體流動與輸送19

uu=0yxy方向上的流體速度分布為線性為什么有分層流動的現(xiàn)象？

流體具有粘性，流動流體內(nèi)部存在內(nèi)摩擦力或粘滯力

dyu+duu粘性2）影響粘度的因素：

液體的粘度隨溫度的升高而下降氣體的粘度溫度的升高而升高204、流量與流速1）流量流體在流動時，每單位時間內(nèi)通過管道任一截面的流體量，稱為流體的流量。如果流體量用流體的質(zhì)量來度量，則稱為質(zhì)量流量，用qm表示，單位是kg/s；如果流體量用流體的體積來度量，則稱為體積流量，用qv表示，單位是m3/s。兩者的關(guān)系是：

qm＝ρqv

式中ρ－－是相同條件下流體的密度，單位是kg/m3。

第一部分流體流動與輸送212）流速單位時間內(nèi)，流體在流動方向上經(jīng)過的距離叫流體的流速。在流體輸送中所說的流速，通常指整個流通截面上流速的平均值，用u表示，單位是m/s。平均流速可以用下式計算：

第一部分流體流動與輸送22由于流體具有粘性，流體在管內(nèi)流動時，同一流通截面上各點(diǎn)的流速是不同的，越靠近管壁，流速越小，中心的流速最大。23

第一部分流體流動與輸送三、流體的流動規(guī)律質(zhì)量守恒定律

能量守恒定律

流體流動

遵循

1、流量方程式：

d=(4qv/πu)1/2

在工程應(yīng)用中經(jīng)常用來測算管道的直徑。

24

第一部分流體流動與輸送2、流體流動的物料衡算—連續(xù)性方程qm1qm211’22’液體在圓管中穩(wěn)定流動時遵循：將上式推廣到任何一個截面對于液體，密度為常數(shù)，可化簡為：qm/ρ=uA=u1A1=u2A2=…=unAn=常數(shù)以上三式均為管內(nèi)穩(wěn)定流動連續(xù)性方程式通式。25

第一部分流體流動與輸送連續(xù)性方程式反映了穩(wěn)態(tài)下，流量一定時管路各截面流速的變化規(guī)律。在工程應(yīng)用中，常用來求管路中不同截面積下液體在管內(nèi)的流速或求在不同流速下管路的截面積或管道的直徑。液體在圓管中流動時，存在下列關(guān)系式當(dāng)管徑相同時：即則26在任一流動系統(tǒng)中總能量包括兩部分，流體本身所具有的能量及系統(tǒng)與外部交換的能量1）流體本身所具有的能量如右圖所示，流動系統(tǒng)中任一位置（如圖中1-1截面處），流體均具有一定的能量，能量的形式有以下幾種:（1）內(nèi)能U

物質(zhì)內(nèi)部的能量總和。是原子與分子運(yùn)動及其相互作用的結(jié)果。與溫度有關(guān)。1kg流體的內(nèi)能用U表示，單位：J/kg。

第一部分流體流動與輸送3、流體流動的能量守恒規(guī)律1.換熱設(shè)備；2.輸送設(shè)備27（2）位能即勢能

mkg流體的位能相當(dāng)于將其從基準(zhǔn)面升舉到其所在高度Z處消耗的功。位能=mgZ

單位：[mgZ

]=kg（m/s2）m=Nm=J1kg流體的位能為gZ單位：J/kg。位能是個相對值，高于基準(zhǔn)面時為正，低于者為負(fù)。若不選基準(zhǔn)水平面，只講位能絕對值是沒意義的。

第一部分流體流動與輸送動能

單位：[

]=kg（m/s）2=Nm=J有流速的流體才有動能.1kg流體動能為[J/kg]。（3）動能28（4）靜壓能

流動著的流體內(nèi)部各點(diǎn)都對應(yīng)有靜壓能，質(zhì)量為m（kg），壓力為p（Pa）的流體的靜壓能=mp/ρ,1kg流體的靜壓力單位為J/kg。位能、動能和靜壓能又稱為機(jī)械能，它們的總和稱為“總機(jī)械能（總能量）E”，這三種能量可以相互轉(zhuǎn)換。

第一部分流體流動與輸送292）系統(tǒng)與外界交換的能量（1）熱能換熱器向1kg流體提供/取走的熱量為±Q，[J/kg]。（2）外功（凈功）

1kg流體通過泵等通用機(jī)械獲得的功——也稱有效功。用We表示，[J/kg]。（3）損失能量由于流體具有粘性，在流動過程中要克服各種阻力，使一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能而無法利用，故稱損失能。1kg流體的損失能量用,其單位為J/Kg

第一部分流體流動與輸送30

第一部分流體流動與輸送U1gZ11/2u12P1/ρU2gZ21/2u22P2/ρWeQeQe3）能量守恒定律：

ΣQ輸入=ΣQ輸出即：上式為總能量衡算式式中有兩種能量——機(jī)械能、內(nèi)能和熱，機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)變，也可變?yōu)闊岷蛢?nèi)能；而內(nèi)能和熱，不可變?yōu)闄C(jī)械能。31

第一部分流體流動與輸送4）流動系統(tǒng)的機(jī)械能衡算—柏努利方程對于穩(wěn)定流動，設(shè)流體是不可壓縮的，系統(tǒng)中無熱交換器，Q=0，流體等溫流動，系統(tǒng)內(nèi)的能量積累為零，即內(nèi)能U1=U2，則能量守恒方程式變式為柏努利方程：流體作穩(wěn)定流動時，每kg流體流過系統(tǒng)內(nèi)任意截面的總機(jī)械能恒為常數(shù)，而每個截面上的不同機(jī)械能的數(shù)值卻不一定相等。這說明各種機(jī)械能形式之間在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)換的，此減彼增，但總量保持不變。32例如：水平管道（Z1=Z2）A1>A2u1<u21122連續(xù)性方程E=Const.一部分靜壓能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽ɑ疖囃ㄟ^時)

第一部分流體流動與輸送5）靜止流體規(guī)律——靜力學(xué)方程式如果系統(tǒng)里的流體是靜止的，則u=0,沒有運(yùn)動，自然就沒有阻力，即∑hf=0；由于流體保持靜止?fàn)顟B(tài)，也就不會有外功加入，即We=0,則柏努力方程變?yōu)椋哼@就是靜止流體遵循的規(guī)律33

第一部分流體流動與輸送6）工程應(yīng)用a、利用靜力學(xué)方程，測量或確定管道的壓強(qiáng)或不同截面上的壓強(qiáng)差。b、利用靜力學(xué)方程測量或確定貯罐的液位。c、利用靜力學(xué)方程確定液封的高度。d、利用柏努利方程確定管道中流體的流量。e、利用柏努利方程確定容器間的相對位置。f、利用柏努利方程確定輸送設(shè)備的有效功率。g、利用柏努利方程確定管路中流體的壓強(qiáng)。應(yīng)用時注意：①單位統(tǒng)一；②基準(zhǔn)統(tǒng)一；③選擇界面，條件充分，垂直流動方向；④原則上沿流動方向上任意兩截面,只要滿足連續(xù)性方程均可。34

第一部分流體流動與輸送案例分析：如圖所示，已知：qv=15m3/h，d=53mm，∑hf=40J/kg，η=0.6求：We、Pe、P解：取截面如圖，并以1截面為基準(zhǔn)水平面。在1-2間列BE式中：Z1=0，Z2=20m，p1=0（表），p2=500×103Pa，u1=0，u2=1.89m/s，∑hf=40J/kg，上式簡化為外加功為：泵的有效功率：泵的軸功率為：聯(lián)系其它參數(shù)，由此可以對泵進(jìn)行選型20mp2=500Pa（表）35

第一部分流體流動與輸送四、化工管路與管路阻力管路是化工、石油、環(huán)保等許多行業(yè)生產(chǎn)中所涉及的各種管路形式的總稱.這是生產(chǎn)裝置不可缺少的部分，只有管路通暢，閥門調(diào)節(jié)得當(dāng)，才能保證各車間及整個工廠生產(chǎn)的正常進(jìn)行。因此了解管路的構(gòu)成與作用、合理布置管路，是非常重要的。1、管路的分類：簡單管路按是否分出支管來分樹狀網(wǎng)復(fù)雜管路環(huán)狀網(wǎng)36

第一部分流體流動與輸送2、管路的基本構(gòu)成管路是由管子、管件和閥門等按一定的排列方式構(gòu)成。管子按管材不同可分為金屬管、非金屬管和復(fù)合管，管子的規(guī)格通常是用“Φ外徑×壁厚”來表示，如Φ38×2.5mm。金屬管主要有鑄鐵管、鋼管（含合金鋼管）和有色金屬管等。非金屬管:陶瓷管、水泥管、玻璃管、塑料管、橡膠管等。管件是用來連接管子、改變管路方向或直徑、接出支路和封閉管路的管路附件的總稱。閥件是用來開啟、關(guān)閉和調(diào)節(jié)流量及控制安全的機(jī)械裝置，也稱閥門、截門或節(jié)門。化工生產(chǎn)中，通過閥門可以調(diào)節(jié)流量、系統(tǒng)壓力、流動方向，從而確保工藝條件的實現(xiàn)與安全生產(chǎn)。37

第一部分流體流動與輸送38

第一部分流體流動與輸送3、管路阻力流體在管路中流動時均有阻力，阻力產(chǎn)生的原因是由于內(nèi)摩擦（粘性），內(nèi)摩擦力是由于流體的粘性而產(chǎn)生的，這種內(nèi)摩擦力總是起著阻止流體間發(fā)生相對運(yùn)動的作用。粘度是表征粘性大小的物理量，其值越大，說明在同樣流動條件下，流體阻力就會越大。

直管阻力—粘性阻力hf流動阻力局部阻力粘性阻力hf形體阻力hf’39

第一部分流體流動與輸送直管阻力：流體流經(jīng)一定管徑的直管時，由于流體的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力損失，用hf表示。——范寧公式，適用于一切流動型式（層流與湍流）局部阻力：在管路系統(tǒng)中，流體經(jīng)進(jìn)口、出口、彎頭、閥門等管件部分時，由于流道截面大小和方向發(fā)生急劇變化，使得流體湍動程度加強(qiáng)、邊界層分離，造成大量旋渦等導(dǎo)致機(jī)械能損失。工程上一般采用兩種方法計算。直管阻力與局部阻力的總和，構(gòu)成了柏努利方程中的總管路能量損失，即∑hf=hf+hf′40

第一部分流體流動與輸送A、阻力系數(shù)法：近似認(rèn)為局部阻力服從速度平方定律，即表示為：式中:ζ－阻力系數(shù)，與管件形狀有關(guān)，當(dāng)流道突然擴(kuò)大/縮小，不同的變徑對阻力產(chǎn)生的影響不同。B、當(dāng)量長度法流體流過局部地方產(chǎn)生的阻力相當(dāng)于流過等徑直管長度為le時的直管阻力，則局部阻力可表示為：

式中：λ、d、ub－與管件或閥門連接的直管內(nèi)的值，Le－管件的當(dāng)量長度，可由有關(guān)手冊查取。41

第一部分流體流動與輸送五、流體輸送機(jī)械（一）常見流體輸送機(jī)械：1、流體輸送設(shè)備的作用：①為流體提供動力，以滿足輸送要求②為工藝過程創(chuàng)造必要的壓力條件。2、輸送設(shè)備名稱：液體輸送設(shè)備：泵，以離心泵最常見氣體輸送設(shè)備：風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)或真空泵42

第一部分流體流動與輸送3、流體輸送機(jī)械的類型-離心式往復(fù)式旋轉(zhuǎn)式流體作用式液體輸送機(jī)械離心泵、旋渦泵往復(fù)泵、隔膜泵、計量泵、柱塞泵齒輪泵、螺桿泵軸流泵噴射泵、酸式空氣升液器氣體輸送機(jī)械離心通風(fēng)機(jī)、離心鼓風(fēng)機(jī)、離心壓縮機(jī)往復(fù)壓縮機(jī)、往復(fù)真空泵、隔膜壓縮機(jī)羅茨通風(fēng)機(jī)、液環(huán)壓縮機(jī)、水環(huán)真空泵蒸汽噴射泵、水噴射泵43

第一部分流體流動與輸送鼓（通）風(fēng)機(jī)空壓機(jī)羅茨鼓風(fēng)機(jī)蒸汽噴射泵水環(huán)式真空泵氣體壓縮機(jī)44液體輸送的設(shè)備離心泵油泵旋渦泵齒輪泵螺桿泵往復(fù)泵

第一部分流體流動與輸送45

第一部分流體流動與輸送（二）離心泵：1、離心泵的基本構(gòu)件：泵殼，葉輪，吸液口，排液口，軸，軸承與軸封裝置，其它附助構(gòu)件46

第一部分流體流動與輸送2、離心泵的基本構(gòu)件的作用：1）泵殼（蝸殼）作用：：①匯集液體②轉(zhuǎn)能裝置2）葉輪：把電機(jī)的機(jī)械能，傳遞給液體，提高液體的動能和靜壓能。葉輪形式：敞式、半閉式、閉式。3)軸與軸封裝置：離心泵工作時是泵軸旋轉(zhuǎn)而泵殼不動，泵軸是將外力傳遞給葉輪的裝置，軸封是軸與泵殼之間的密封，防止高壓液體從泵殼內(nèi)沿間隙漏出，或外界空氣漏入泵內(nèi)。常用的密封方式有兩種，即填料函密封與機(jī)械密封。敞開式葉輪半閉式葉輪閉式葉輪47

第一部分流體流動與輸送3、離心泵的工作原理(1)排出階段

電機(jī)輸入能量→泵軸帶動葉輪旋轉(zhuǎn)(產(chǎn)生離心力，使液體獲得能量）→葉輪帶動液體旋轉(zhuǎn)→流體流入渦殼(動能→靜壓能)→流體輸出管路。（2）吸入階段

葉輪周圍液體自葉輪中心高速被甩向外緣→葉輪中心形成低壓區(qū)→貯槽液面與泵入口形成壓差→液體吸入泵內(nèi)。48

第一部分流體流動與輸送4、離心泵的主要性能參數(shù)與性能曲線1）性能參數(shù)：流量、揚(yáng)程、功率、效率2）離心泵性能曲線對性能曲線說明：A、隨Q增加，H下降。B、隨Q增加，P逐漸增加，即能耗增加，可以看出在零流量時，功率最小。故離心泵開車與停車時，由于流量變化大，要關(guān)閉出口閥，可降低功率，保護(hù)電機(jī)。C、隨Q增加，η先增加后下降。49

第一部分流體流動與輸送5、影響離心泵性能參數(shù)的因素1）密度：離心泵的壓頭和流量均與液體的密度無關(guān)，有效功率和軸功率隨密度的增加而增加，這是因為離心力及其所做的功與密度成正比，但效率又與密度無關(guān)2）粘度：當(dāng)液體的粘度增加時，液體在泵內(nèi)運(yùn)動時的能量損失增加，從而導(dǎo)致泵的流量、揚(yáng)程和效率均下降，但軸功率增加。所以，當(dāng)被輸送流體的粘度有較大變化時，泵的特性曲線也要發(fā)生變化。3）葉輪轉(zhuǎn)數(shù)與葉輪直徑：同一臺離心泵，轉(zhuǎn)速改變或者葉輪直徑發(fā)生變化，特性曲線也發(fā)生變化。50

第一部分流體流動與輸送6、離心泵的選擇要點(diǎn)1）根據(jù)被輸送液體的性質(zhì)及操作條件，確定泵的類型。2）確定流量。如果流量是變化的，應(yīng)以最大值為準(zhǔn)。3)確定完成輸送任務(wù)需要的壓頭。4)通過流量與壓頭在相應(yīng)類型的系列中選取合適的型號。5)校核軸功率。當(dāng)液體密度大于水的密度時，必須校核軸功率。6）列出泵在設(shè)計點(diǎn)處的性能。工程觀點(diǎn)：選擇時，要留有一定裕度。51

第一部分流體流動與輸送7、生產(chǎn)過程中離心泵常見故障原因與處理方法1）氣縛現(xiàn)象：當(dāng)啟動離心泵時，若泵內(nèi)未能灌滿液體而存在大量氣體，則由于空氣的密度遠(yuǎn)小于液體的密度，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力很小，因而葉輪中心處不能形成吸入液體所需的真空度，這種雖啟動離心泵，但不能輸送液體的現(xiàn)象，即為離心泵氣縛現(xiàn)象。

說明：離心泵無自吸能力，啟動前必須將泵體內(nèi)充滿液體。52

第一部分流體流動與輸送特別注意：在離心泵啟動前必須先開啟出口閥進(jìn)行灌泵排氣。灌液完畢后，此時應(yīng)關(guān)閉出口閥后啟動泵，這時所需的泵的軸功率最小，啟動電流較小，以保護(hù)電機(jī)。啟動后漸漸開啟出口閥。而離心泵停機(jī)前，為防止出口管路中的高壓流體向泵體內(nèi)倒灌（因葉輪中心在停機(jī)瞬間尚處真空狀態(tài)），以致對設(shè)備造成破壞，需先關(guān)閉出口閥后方可停機(jī)。53

第一部分流體流動與輸送2）氣蝕現(xiàn)象：離心泵的吸液是靠吸入液面與吸入口間的壓差完成的。當(dāng)吸入液面壓力一定時，泵的安裝高度越大，則吸入口處的壓力將越小。當(dāng)吸入口處壓力小于操作條件下被輸送