制药工程_7_流体输送

1、第七章第七章 流体输送设备流体输送设备为流体提供能量的机械称为流体输送机械。为流体提供能量的机械称为流体输送机械。 在制药生产过程中，常常需要将流体在制药生产过程中，常常需要将流体q从低处输送到高处；从低处输送到高处；q从低压送至高压；从低压送至高压；q沿管道送至较远的地方。沿管道送至较远的地方。 为达到此目的，必须对流体加入外功，以克服流体阻力为达到此目的，必须对流体加入外功，以克服流体阻力及补充输送流体时所不足的能量。及补充输送流体时所不足的能量。第一节 概 述 泵；泵； 输送液体输送液体风机风机;压缩机；压缩机；真空泵。真空泵。输送气体输送气体常用的流体输送机械常用的流体输送机械泵的分类

2、泵的分类按工作原理分按工作原理分叶片式泵叶片式泵 有高速旋转的叶轮。有高速旋转的叶轮。 如离心泵、轴流泵、涡流泵。如离心泵、轴流泵、涡流泵。往往 复复 泵泵 靠往复运动的活塞排挤液体。如活塞泵、柱塞泵等。靠往复运动的活塞排挤液体。如活塞泵、柱塞泵等。旋转式泵（转子泵）旋转式泵（转子泵） 靠旋转运动的部件推挤液体。如齿轮泵、螺杆泵等。靠旋转运动的部件推挤液体。如齿轮泵、螺杆泵等。（一）离心泵（一）离心泵（centrifugal pumpcentrifugal pump）的特点：的特点：v 结构简单；结构简单；v 流量大而且均匀；流量大而且均匀；v 操作方便。操作方便。 第一节 泵一、一、 离心泵

3、的结构和工作原理离心泵的结构和工作原理叶轮叶片（+盖板）（二）（二） 离心泵的结构离心泵的结构叶轮叶轮 轴轴 68片叶片片叶片机壳等。机壳等。蜗牛形通道；蜗牛形通道；叶轮偏心放；叶轮偏心放；可减少能耗，有利于动可减少能耗，有利于动能转化为静压能。能转化为静压能。叶轮叶轮机壳机壳底阀底阀(防止防止“气缚气缚”)滤网滤网(阻拦阻拦固体杂质固体杂质)1 1离心泵的主要部件离心泵的主要部件（1 1）叶轮叶轮：叶轮是离心泵的核心部件，由：叶轮是离心泵的核心部件，由6-86-8片的叶片组成，片的叶片组成，构成了液体通道。构成了液体通道。（2 2）泵壳泵壳：泵体的外壳，它包围叶轮，在叶轮四周开成一：泵体的外

4、壳，它包围叶轮，在叶轮四周开成一个截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道。此外，泵壳还设有与叶个截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道。此外，泵壳还设有与叶轮所在平面垂直的入口和切线出口。轮所在平面垂直的入口和切线出口。（3 3）泵轴泵轴：位于叶轮中心且与叶轮所在平面垂直的一根轴。：位于叶轮中心且与叶轮所在平面垂直的一根轴。它由电机带动旋转，以带动叶轮旋转。它由电机带动旋转，以带动叶轮旋转。 （三）离心泵的工作原理（三）离心泵的工作原理（1 1）叶轮被泵轴带动旋转，对位于叶片间的流体做功，流体受离）叶轮被泵轴带动旋转，对位于叶片间的流体做功，流体受离心力的作用，由叶轮中心被抛向外围。当流体到达叶轮外周时，心力的作

5、用，由叶轮中心被抛向外围。当流体到达叶轮外周时，流速非常高。流速非常高。（2 2）泵壳汇集从各叶片间被抛出的液体，这些液体在壳内顺着蜗）泵壳汇集从各叶片间被抛出的液体，这些液体在壳内顺着蜗壳形通道逐渐扩大的方向流动，使流体的动能转化为静压能，减壳形通道逐渐扩大的方向流动，使流体的动能转化为静压能，减小能量损失。所以泵壳的作用不仅在于汇集液体，它更是一个能小能量损失。所以泵壳的作用不仅在于汇集液体，它更是一个能量转换装置。量转换装置。（3 3）液体吸上原理：依靠叶轮高速旋转，迫使叶轮中心的液体以）液体吸上原理：依靠叶轮高速旋转，迫使叶轮中心的液体以很高的速度被抛开，从而在叶轮中心形成低压，低位槽

6、中的液体很高的速度被抛开，从而在叶轮中心形成低压，低位槽中的液体因此被源源不断地吸上。因此被源源不断地吸上。（4 4）叶轮外周安装导轮，使泵内液体能量转换效率高。导轮是位）叶轮外周安装导轮，使泵内液体能量转换效率高。导轮是位于叶轮外周的固定的带叶片的环。引导液体在泵壳通道内平稳地改于叶轮外周的固定的带叶片的环。引导液体在泵壳通道内平稳地改变方向，使能量损耗最小，动压能转换为静压能的效率高。变方向，使能量损耗最小，动压能转换为静压能的效率高。（5 5）后盖板上的平衡孔消除轴向推力。离开叶轮周边的液体压力）后盖板上的平衡孔消除轴向推力。离开叶轮周边的液体压力已经较高，有一部分会渗到叶轮后盖板后侧，

7、而叶轮前侧液体入口已经较高，有一部分会渗到叶轮后盖板后侧，而叶轮前侧液体入口处为低压，因而产生了将叶轮推向泵入口一侧的轴向推力。这容易处为低压，因而产生了将叶轮推向泵入口一侧的轴向推力。这容易引起叶轮与泵壳接触处的磨损，严重时还会产生振动。平衡孔使一引起叶轮与泵壳接触处的磨损，严重时还会产生振动。平衡孔使一部分高压液体泄露到低压区，减轻叶轮前后的压力差。但由此也会部分高压液体泄露到低压区，减轻叶轮前后的压力差。但由此也会此起泵效率的降低。此起泵效率的降低。（6 6）轴封装置保证离心泵正常、高效运转。离心泵在工作是泵轴）轴封装置保证离心泵正常、高效运转。离心泵在工作是泵轴旋转而壳不动，其间的环隙

8、如果不加以密封或密封不好，则外界的旋转而壳不动，其间的环隙如果不加以密封或密封不好，则外界的空气会渗入叶轮中心的低压区，使泵的流量、效率下降。严重时流空气会渗入叶轮中心的低压区，使泵的流量、效率下降。严重时流量为零量为零气缚。通常，可以采用机械密封或填料密封来实现轴与气缚。通常，可以采用机械密封或填料密封来实现轴与壳之间的密封。壳之间的密封。离心泵的工作原理 原动机轴叶轮，旋转（1）离心力 叶片间液体中心外围液体被做功动能高速离开叶轮（2）泵壳：液体的汇集与能量的转换（动静）（3）吸上原理与气缚现象叶轮中心低压的形成泵入口压力液体不能吸上气缚启动前灌泵液体高速离开（4）轴封的作用（5）平衡孔的

9、作用消除轴向推力（6）导轮的作用减少能量损失气缚现象：气缚现象：如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后如果离心泵在启动前壳内充满的是气体，则启动后叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽叶轮中心气体被抛时不能在该处形成足够大的真空度，这样槽内液体便不能被吸上。这一现象称为内液体便不能被吸上。这一现象称为气缚气缚。为防止气缚现象的发生，离心泵启动前要用外来的液体将泵壳为防止气缚现象的发生，离心泵启动前要用外来的液体将泵壳内空间灌满。这一步操作称为内空间灌满。这一步操作称为灌泵灌泵。为防止灌入泵壳内的液体。为防止灌入泵壳内的液体因重力流入低位槽内，在泵吸入管路的入口处装有因重力

10、流入低位槽内，在泵吸入管路的入口处装有止逆阀（底止逆阀（底阀）阀）；如果泵的位置低于槽内液面，则启动时无需灌泵。；如果泵的位置低于槽内液面，则启动时无需灌泵。 离心泵压头的大小取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，离心泵压头的大小取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况等）、转速及流量。叶片的弯曲情况等）、转速及流量。二、 离心泵泵的主要性能参数参数 离心泵泵的主要性能参数参数有流量、扬扬程、功率和效率。 流量 Q Q ，/或m m3 3/ /泵泵的流量（又称称送液能力）是指单单位时间内泵时间内泵所输输送的液体体积积。取决决于泵泵的结构结构、叶轮轮直径径、叶片宽宽度及转转速等。 扬扬程，米

11、液柱 泵泵的扬扬程（又称泵称泵的压头压头）是指单单位重量液体流经经泵泵后所获获得的能量。泵内部损失主要有三种：泵内部损失主要有三种：容积损失容积损失水力损失水力损失机械损失机械损失3 效率有效功率与轴与轴功率的比值值。 容积损失是由于泵的泄漏造成的。离心泵在容积损失是由于泵的泄漏造成的。离心泵在运转过程中，有一部分获得能量的高压液体，通运转过程中，有一部分获得能量的高压液体，通过叶轮与泵壳之间的间隙流回吸入口。过叶轮与泵壳之间的间隙流回吸入口。 从泵排出的实际流量要比理论排出流量为从泵排出的实际流量要比理论排出流量为低，其比值称为容积效率低，其比值称为容积效率1 1。p容积损失 原因：水力损失

12、是由于流体流过叶轮、泵原因：水力损失是由于流体流过叶轮、泵壳时，由于流速大小和方向要改变，且发生壳时，由于流速大小和方向要改变，且发生冲击，而产生的能量损失。冲击，而产生的能量损失。 泵的实际压头要比泵理论上所能提供的压泵的实际压头要比泵理论上所能提供的压头为低，其比值称为水力效率头为低，其比值称为水力效率2 2。p水力损失 原因：机械损失是泵在运转时，在轴承、原因：机械损失是泵在运转时，在轴承、轴封装置等机械部件接触处由于机械磨擦而消轴封装置等机械部件接触处由于机械磨擦而消耗部分能量。耗部分能量。 泵的轴功率大于泵的理论功率。理论功率与泵的轴功率大于泵的理论功率。理论功率与轴功率之比称为机械

13、效率轴功率之比称为机械效率3 3。p机械损失泵在运转时可能发生超负荷，所配电动机的功率应泵在运转时可能发生超负荷，所配电动机的功率应比泵的轴功率大。比泵的轴功率大。在机电产品样本中所列出的泵的轴功率，除非特殊在机电产品样本中所列出的泵的轴功率，除非特殊说明以外，均系指输送清水时的数值。说明以外，均系指输送清水时的数值。 eNN 轴功率指泵轴所获得的功率。轴功率指泵轴所获得的功率。 由于有容积损失、由于有容积损失、水力损失与机械损失，故泵的轴功率要大于液体实际水力损失与机械损失，故泵的轴功率要大于液体实际得到的有效功率，即得到的有效功率，即 注意：注意：4 轴功率N特性曲线特性曲线（charac

14、teristic curves）：在固定的转速下，离在固定的转速下，离心泵的基本性能参数（流量、压头、功率和效率）之间的关系心泵的基本性能参数（流量、压头、功率和效率）之间的关系曲线。曲线。强调：特性曲线是在固定转速下测出的，只适用于该转速，强调：特性曲线是在固定转速下测出的，只适用于该转速，故特性曲线图上都注明转速故特性曲线图上都注明转速n n的数值。的数值。图上绘有三种曲线图上绘有三种曲线Q Q曲线曲线P PQ Q曲线曲线Q Q曲线曲线三、 离心泵的特性曲线04812 16 20 24 28 320204060 80100 120101214161820222426024680102030

15、40506070804B20n=2900r/minPH,l/sm3/s离心泵的特性曲线离心泵的特性曲线 变化趋势变化趋势：离心泵的压头在较大流量范围内是离心泵的压头在较大流量范围内是随流量增大而减小的。不同型号的离心泵，随流量增大而减小的。不同型号的离心泵，Q Q曲线的形状有所不同。曲线的形状有所不同。较平坦的曲线，适用于压头变化不大而流量变化较平坦的曲线，适用于压头变化不大而流量变化较大的场合；较大的场合；较陡峭的曲线，适用于压头变化范围大而不允许较陡峭的曲线，适用于压头变化范围大而不允许流量变化太大的场合。流量变化太大的场合。1 Q曲线 变化趋势：变化趋势：P PQ Q曲线表示泵的流量曲线

16、表示泵的流量Q Q和轴功率和轴功率P P的关系，的关系，P P随随Q Q的增大而增大。显然，当的增大而增大。显然，当Q=0Q=0时，泵轴消时，泵轴消耗的功率最小。耗的功率最小。启动离心泵时，为了减小启动功率，启动离心泵时，为了减小启动功率，应将出口阀关闭应将出口阀关闭。2 PQ曲线 变化趋势变化趋势：开始：开始随随Q Q的增大而增大，达到最的增大而增大，达到最大值后，又随大值后，又随Q Q的增大而下降。的增大而下降。 QQ曲线最大值相当于效率最高点。泵在该点所曲线最大值相当于效率最高点。泵在该点所对应的压头和流量下操作，其效率最高，故该点为对应的压头和流量下操作，其效率最高，故该点为离心泵的设

17、计点。离心泵的设计点。3 Q曲线四、 离心泵泵的安装高度和气蚀现气蚀现象1 气蚀现气蚀现象 当离心泵的进口压力小于环境温度下的液体的饱和蒸汽当离心泵的进口压力小于环境温度下的液体的饱和蒸汽压时，将有大量的蒸汽液体从中逸出，并与气体混合形成许压时，将有大量的蒸汽液体从中逸出，并与气体混合形成许多小气泡。当气泡到达高压区时，蒸汽凝结，气泡破裂，液多小气泡。当气泡到达高压区时，蒸汽凝结，气泡破裂，液体质点快速冲向气泡中心，质点相互碰撞，产生很高的局部体质点快速冲向气泡中心，质点相互碰撞，产生很高的局部压力。如果气泡在金属表面破裂凝结，则会以较大的力打击压力。如果气泡在金属表面破裂凝结，则会以较大的力

18、打击金属表面，时其遭到破坏，并产生震动，这种现象称为金属表面，时其遭到破坏，并产生震动，这种现象称为“气气蚀现象蚀现象”。气蚀现象一旦发生，会造成很大的破坏作用，应。气蚀现象一旦发生，会造成很大的破坏作用，应尽量避免。尽量避免。为避免发生气蚀现象，应限制为避免发生气蚀现象，应限制p p1 1不能太低，不能太低，或或H Hg g不能太大，即泵的安装高度不能太高。不能太大，即泵的安装高度不能太高。2 安装高度泵的类型：单吸、双吸；水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂质泵；泵的类型：单吸、双吸；水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂质泵；单级、多级泵。单级、多级泵。（1 1）确定输送系统的流量与压头）确定输送系统的流量与压头

19、 流量一般为生产任务所规定。流量一般为生产任务所规定。 根据输送系统管路的安排，用柏努利方程式计算管路所根据输送系统管路的安排，用柏努利方程式计算管路所需的压头。需的压头。 选择离心泵的基本原则，是以能满足液体输送的工艺选择离心泵的基本原则，是以能满足液体输送的工艺要求为前提的。要求为前提的。选择步骤为：选择步骤为：五、 离心泵的选择（2 2）选择泵的类型与型号）选择泵的类型与型号 根据输送液体性质和操作条件确定泵的类型；根据输送液体性质和操作条件确定泵的类型；按确定的流量和压头从泵样本产品目录选出合适的型号；按确定的流量和压头从泵样本产品目录选出合适的型号；如果没有适合的型号，则应选定泵的压

20、头和流量都稍大的如果没有适合的型号，则应选定泵的压头和流量都稍大的型号；型号；如果同时有几个型号适合，则应列表比较选定；如果同时有几个型号适合，则应列表比较选定；按所选定型号，进一步查出其详细性能数据。按所选定型号，进一步查出其详细性能数据。（3）校核泵的特性参数）校核泵的特性参数 如果输送液体的粘度和密度与水相差很大，则应核算泵如果输送液体的粘度和密度与水相差很大，则应核算泵 的流量与压头及轴功率。的流量与压头及轴功率。 往复泵往复泵（reciprocating pumpreciprocating pump）是利用活塞的往是利用活塞的往复运动，将能量传递给液体，以完成液体输送任务。复运动，将

21、能量传递给液体，以完成液体输送任务。往复泵输送流体的流量只与活塞的位移有关，而往复泵输送流体的流量只与活塞的位移有关，而与管路情况无关；与管路情况无关；往复泵的压头只与管路情况有关。往复泵的压头只与管路情况有关。往复泵的特点：往复泵的特点： 上述特性称为正位移特性，具有这种特性的泵称上述特性称为正位移特性，具有这种特性的泵称为正位移泵。为正位移泵。二 其他类类型泵泵1 往复泵复泵活塞（或柱塞）活塞（或柱塞）活塞杆活塞杆 冲程冲程S：活塞移动距离活塞移动距离泵缸泵缸活门活门联动装置联动装置 基本结构及原理：基本结构及原理： 单动往复泵单动往复泵 双动往复泵双动往复泵其他类型泵其他类型泵计量泵与隔

22、膜泵计量泵与隔膜泵通过调节柱塞的冲程改变流量通过调节柱塞的冲程改变流量1. 正位移泵：正位移泵：2. 旋转泵旋转泵：齿轮泵、齿轮泵、 螺杆泵螺杆泵齿轮泵转子旋转吸入排出液转子旋转吸入排出液体，体，Q与与H 无关无关螺杆泵螺杆泵 吸入口与排出口相对吸入口与排出口相对 吸入腔与排出腔间隔开吸入腔与排出腔间隔开3. 旋涡泵：旋涡泵： 特殊离心泵。特殊离心泵。第二节第二节 气体输送和压缩设备气体输送和压缩设备 特点：特点： 可压缩，可压缩，V，T有变化有变化 结构：主要部件有气缸、活塞、吸入和压出活门。工作原理：与往复泵相似，依靠活塞往复运动和活门的交替动作将气体吸入和压出。气体在压缩过程中体积缩小、

23、密度增大、温度升高。p1p2VaVbVcVdABCDpV(a)(b)(c)(d)单动往复压缩机活塞运行位置及对应的气体 P-V 状态变化图工作循环分析：余隙的存在不仅减少气体吸入量而且增加压缩机能量损耗。根据所输送气体性质确定压缩机的类型（如空气压缩机、氨气压缩机、氢气压缩机等），再根据生产能力和排出压强选择合适的型号。注意：一般标出的排气量是以 20，101.33 kPa 状态下的气体体积表示的。 往复式压缩机的排气是脉动的，可在出口处安装贮气罐，既可使气体平稳输出，又可使压缩机气缸带出的油沫和水分离。 111222333工业上常用通风机按其结构形式有轴流式和离心式两类。轴流式通风机排风量大

24、而风压很小，一般仅用于通风换气，而不用于气体输送。离心式通风机的应用十分广泛，按其产生风压可分为： 低压离心通风机：出口风压小于1.0 kPa（表压）中压离心通风机：出口风压1.03.0 k Pa（表压）高压离心通风机：出口风压3.015.0 k Pa（表压）1机壳2叶轮3吸入口4排出口结构和工作原理：与离心泵基本相同，主要由蜗壳形机壳和叶轮组成。差异在于离心通风机为多叶片叶轮，且因输送流体体积大（密度小），叶轮直径一般较大而叶片较短。叶片有平直、前弯和后弯几种形式。平直叶片一般用于低压通风机；前弯叶片的通风机送风量大，但效率低；高效通风机的叶片通常是后弯叶片。蜗壳的气体通道截面有矩形和圆形两

25、种，一般低、中压通风机多为矩形。 9-19D高压离心通风机GY4-73 型锅炉离心通、引风机DKT-2系列低噪声离心通风机B30防爆轴流通风机高温离心通风机工作原理：与齿轮泵相似。结构：由机壳和腰形转子组成。两转子之间、转子与机壳之间间隙很小，无过多泄漏。改变两转子的旋转方向，则吸入与排出口互换。工业上常用的鼓风机主要有旋转式和离心式两种类型。 特点：风量与转速成正比而与出口压强无关，故出口阀不可完全关闭，流量用旁路调节。应安装稳压气罐和安全阀。工作温度不能超过 85，以防转子因热膨胀而卡住。罗茨鼓风机的出口压强一般不超过 80 kPa（表压）。出口压强过高，泄漏量增加，效率降低。 L6LD 系列L10WDA 系列L4LD 系列3R5WD 系列工作原理：与离心泵相同。单级风机的风压较低，风压较高的离心鼓风机采用多级，其结构也与多级离心泵类似。离心鼓风机的送气量大，但出口压强仍不高，一般不超过 0.3 MPa（表压），即压缩比不大，因而无需冷却装置，各级叶轮的直径大小也大致相同。 结构示意图多级低速