化工设计-6 泵

1、化工设计 任课教师：张宇 合理性合理性可靠性、先进性可靠性、先进性 安全性安全性经济性经济性 需满足工艺要求，能够需满足工艺要求，能够 最大限度保证工艺的合最大限度保证工艺的合 理和优化并运行可靠。理和优化并运行可靠。 要求安全可靠、操作稳要求安全可靠、操作稳 定、无事故隐患。定、无事故隐患。 在设备运行可靠的基础在设备运行可靠的基础 上考虑其先进，便于连上考虑其先进，便于连 续化和自动化生产。续化和自动化生产。 尽量采用国产设备，节尽量采用国产设备，节 约投资；选用设备易于约投资；选用设备易于 加工、维修、更新，减加工、维修、更新，减 少运行成本。少运行成本。 设备工艺设计与选型原则设备工艺

2、设计与选型原则 第五章第五章 流体输送设备工艺设计流体输送设备工艺设计 单位质量的液体通过泵获得的有效能量，单位质量的液体通过泵获得的有效能量，单单 位为位为m。泵技术指标中指的是清水扬程。泵技术指标中指的是清水扬程。 扬程扬程 泵在单位时间内输送液体的体积数，单位泵在单位时间内输送液体的体积数，单位 为为m3/h或或kg/h。 流量流量 必需汽必需汽 蚀余量蚀余量 功率与功率与 效率效率 使泵在工作时不产生汽蚀现象所必须具有使泵在工作时不产生汽蚀现象所必须具有 的富余能量，单位为的富余能量，单位为m。 轴功率指原动机传给泵的功率。有效功率轴功率指原动机传给泵的功率。有效功率 指单位时间内泵对

3、液体所做的功；效率指指单位时间内泵对液体所做的功；效率指 泵的有效功率与轴功率之比。泵的有效功率与轴功率之比。 5.1 泵的仿真设计泵的仿真设计 1、使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀、使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀 流量、吸程等工艺参数的要求。流量、吸程等工艺参数的要求。 2、必须满足介质特性的要求。、必须满足介质特性的要求。 a. 对输送易燃、易爆有毒或贵重介质的泵，要求轴封可靠或采用无对输送易燃、易爆有毒或贵重介质的泵，要求轴封可靠或采用无 泄漏泵。泄漏泵。 b. 对输送腐蚀性介质的泵，要求对流部件采用耐腐蚀性材料。对输送腐蚀性介质的泵，要

4、求对流部件采用耐腐蚀性材料。 c. 对输送含固体颗粒介质的泵，要求对流部件采用耐磨材料对输送含固体颗粒介质的泵，要求对流部件采用耐磨材料。 3、机械方面可靠性高、噪声低、振动小。、机械方面可靠性高、噪声低、振动小。 4、经济上要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的最低。、经济上要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的最低。 5、尽可能选用离心泵、尽可能选用离心泵，其具有转速高、体积小、重量轻、效率高、，其具有转速高、体积小、重量轻、效率高、 流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等 特点。特点。 泵的选型

5、原则泵的选型原则 1. 泵泵Pump 2. 压缩机压缩机Compr 3. 多级压缩机多级压缩机MCompr 4. 阀门阀门Valve 5. 管道管道Pipe 6. 管线管线Pipeline 在在ASPEN Plus中流体输送单元归属压力改变器中流体输送单元归属压力改变器 (Pressure Changers)类别，共六种模型：类别，共六种模型： Pump 泵模型泵模型 1、泵、泵(Pump) 2、水轮机、水轮机(Hydraulic Turbine) Pump 模型用于模拟泵和水轮机模型用于模拟泵和水轮机 两种单元设备两种单元设备 Pump 连接连接 Pump 模型的连接图如下：模型的连接图如下

6、： Pump 模型参数模型参数 Pump 模型有五种工作方式：模型有五种工作方式： 指定模型参数指定模型参数 计算结果参数计算结果参数 排出压力排出压力所需所需( (产产) )功率功率 压力增量压力增量所需所需( (产产) )功率功率 压力比率压力比率所需所需( (产产) )功率功率 所需所需( (产产) )功率功率排出压力排出压力 特性曲线特性曲线所需所需( (产产) )功率功率 最 简 单 的 用 法 是 指 定 出 口 压 力最 简 单 的 用 法 是 指 定 出 口 压 力 (Discharge pressure)，并给定泵的水力，并给定泵的水力 学效率学效率(Pump Efficie

7、ncy)和驱动机效率和驱动机效率 (Driver Efficiency)，计算得到出口流体，计算得到出口流体 状态和所需的轴功率和驱动机电功率。状态和所需的轴功率和驱动机电功率。 Pump 特性曲线特性曲线 标准的设计方法是使用泵特性曲线标准的设计方法是使用泵特性曲线 (Performance curve)。特性曲线有三种输。特性曲线有三种输 入方式：入方式： 列表数据列表数据Tabular Data 多项式多项式Polynomials 用户子程序用户子程序User Subroutines 列表数据是最常用的输入方式。列表数据是最常用的输入方式。 首先选择特性曲线的单位：首先选择特性曲线的单位

8、： 然后选择特性曲线的数目，有三个选项：然后选择特性曲线的数目，有三个选项： 1、操作转速下的单根曲线、操作转速下的单根曲线 Single cueve at operating speed； 2、参考转速下的单根曲线、参考转速下的单根曲线 Single curve at reference speed； 3、不同转速下的多条曲线、不同转速下的多条曲线 Mutiple curves at different speeds. 在在Curve Data表单中输入具体数据：表单中输入具体数据： 1、特性曲线变量的单位、特性曲线变量的单位 Units of curve variables； 2、每根曲线

9、特性数据表、每根曲线特性数据表 如如 Head vs. flow tables； 3、每根曲线的对应转速、每根曲线的对应转速 Curve speeds； 在在Efficiencies表单输入效率数据：表单输入效率数据： 当泵的操作转速与特性曲线的转速不同当泵的操作转速与特性曲线的转速不同 时，还要输入操作转速数据：时，还要输入操作转速数据： Pump QNPSHR 表表 设计泵的安装位置时，应核算设计泵的安装位置时，应核算“必需汽必需汽 蚀余量蚀余量” NPSHR Net Positive Suction Head Required 10( )NPSHRHsm 其中：其中：Hs 为允许吸上真空

10、度为允许吸上真空度 汽蚀过程：汽蚀过程：液体在一定温度下，压力降低至该温度下的汽化压力时产生汽泡；液体在一定温度下，压力降低至该温度下的汽化压力时产生汽泡； 产生的气泡流动到高压处时易于破裂；在破裂的同时液体以很高的速度填充产生的气泡流动到高压处时易于破裂；在破裂的同时液体以很高的速度填充 空穴，瞬间产生很强的水击作用使部件遭受到破坏。空穴，瞬间产生很强的水击作用使部件遭受到破坏。 NPSHR越小抗汽蚀性能越好。越小抗汽蚀性能越好。 在在NPSHR表单中输入表单中输入NPSHR数据数据 Pump NPSHA 1.3NPSHANPSHR 根据安装和流动情况可以算出泵进口处的根据安装和流动情况可以

11、算出泵进口处的 “有效汽蚀余量有效汽蚀余量” NPSHA Net Positive Suction Head Available 在实际使用条件下，选择的泵应该满足在实际使用条件下，选择的泵应该满足 NPSHA越大越不易汽蚀。越大越不易汽蚀。 Pump 结果查看结果查看 从数据浏览器从数据浏览器Pump对象下选择对象下选择Results查看结果查看结果 Pump 示例示例 1 一水泵将压强为一水泵将压强为1.5 bar 的水加压到的水加压到6 bar， 水的温度为水的温度为25 C，流量为，流量为100 m3/h。泵的效。泵的效 率为率为 0.68，驱动电机的效率为，驱动电机的效率为0.95。

12、求：泵。求：泵 提供给流体的功率、泵所需要的轴功率、以提供给流体的功率、泵所需要的轴功率、以 及电机消耗的电功率各是多少？及电机消耗的电功率各是多少？ Pump 示例示例 2 一离心泵输送流量为一离心泵输送流量为 100 m3/hr 的水，水的压强为的水，水的压强为 1.5 bar，温度为，温度为 25 C。泵的特性曲线如下：。泵的特性曲线如下： 流量流量(m3/hr) 70.0 90.0 109.0 120.0 扬程扬程(m) 59.0 54.2 47.8 43.0 效率效率(%) 64.5 69.0 69.0 66.0 求：求： 泵的出口压力、提供给流体的功率、泵所需要的轴泵的出口压力、提

13、供给流体的功率、泵所需要的轴 功率各是多少？功率各是多少？ 气体输送、压缩设备按出口压力和用途分类气体输送、压缩设备按出口压力和用途分类 1. 通风机：通风机：压力在压力在0.115Mpa以下，压缩比为以下，压缩比为1-1.5，主要用于通风、，主要用于通风、 产品干燥等过程。产品干燥等过程。 2. 鼓风机：鼓风机：压力为压力为0.115-0.4Mpa，压缩比小于，压缩比小于4，用于要求相当压，用于要求相当压 力的原料气的压缩、液体物料的压送、固体物料的气流输送。力的原料气的压缩、液体物料的压送、固体物料的气流输送。 3. 压缩机：压缩机：压力在压力在0.4Mpa以上，压缩比大于以上，压缩比大于

14、4，用于工艺空气、气，用于工艺空气、气 动仪表用气、压缩过滤及吹扫管道等方面。动仪表用气、压缩过滤及吹扫管道等方面。 4. 制冷机：制冷机：压力和压缩比与压缩机相同，用于为低温生产系统提压力和压缩比与压缩机相同，用于为低温生产系统提 供冷量。供冷量。 5. 真空泵：真空泵：用于减压，出口极限压力接近用于减压，出口极限压力接近0Mpa。 5.2 压缩机的仿真设计压缩机的仿真设计 Compr 压缩机模型压缩机模型 1.多变离心压缩机多变离心压缩机(Polytropic Centrifugal Compressor) 2.多变正排量压缩机多变正排量压缩机(Polytropic Positive Di

15、splacement Compressor) 3.等熵压缩机等熵压缩机(Isentropic Compressor) 4.等熵汽轮机等熵汽轮机(Isentropic Turbine) Compr 模型用于模拟四种单元设备模型用于模拟四种单元设备 Compr 连接连接 Compr 模型的连接图如下：模型的连接图如下： Compr 计算模型计算模型 Compr 模块提供八种计算模型：模块提供八种计算模型： 等熵模型等熵模型 Isentropic (Mollier-based methods) ASME等熵模型等熵模型 Isentropic using ASME method GPSA等熵模型等熵模

16、型 Isentropic using GPSA method ASME多变模型多变模型 Polytropic using ASME method GPSA多变模型多变模型 Polytropic using GPSA method 分片积分多变模型分片积分多变模型 Polytropic using piecewise integration 正排量模型正排量模型 Positive displacement 分片积分正排量模型分片积分正排量模型 Positive displacement using piecewise integration ASME：美国机械工程师协会：美国机械工程师协会 GP

17、SA：天然气加工供应商协会：天然气加工供应商协会 等熵等熵：将：将压缩过程近似为绝热等熵过程，即不考虑对外传热，也压缩过程近似为绝热等熵过程，即不考虑对外传热，也 不考虑摩擦损失，把压缩过程近似为一个等熵绝热过程不考虑摩擦损失，把压缩过程近似为一个等熵绝热过程。 多变多变：一般实际过程中，气体状态变化往往遵循一定规律。通过一般实际过程中，气体状态变化往往遵循一定规律。通过 实验，测定过程中一些状态点的实验，测定过程中一些状态点的p、v值而近似整理成：值而近似整理成：pvn=常数常数 的形式。这样的过程称为多变过程，式中指数的形式。这样的过程称为多变过程，式中指数n为为多变指数。多变指数。 热力

18、工程中常遇到理想气体定容变化、定压变化、定温变化、绝热力工程中常遇到理想气体定容变化、定压变化、定温变化、绝 热变化热变化(定熵定熵)四个变化过程，可视为多变过程的特例之一四个变化过程，可视为多变过程的特例之一 。 正排量正排量：指通过体积变化指通过体积变化(压缩或膨胀压缩或膨胀)来产生流量的来产生流量的。 Compr 模型参数模型参数 Compr 模型有五种工作方式：模型有五种工作方式： 指定模型参数指定模型参数 计算结果参数计算结果参数 排出压力排出压力所需所需( (产产) )功率功率 压力增量压力增量所需所需( (产产) )功率功率 压力比率压力比率所需所需( (产产) )功率功率 制动马力制动马力排出压力排出压力 特性曲线特性曲线所需所需( (产产) )功率功率 1、等熵效率、等熵效率 Isentropic Efficiency 2、