化工单元操作基础知识讲座之一流体的输送

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1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：结晶、萃取及其它82

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3

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。4流体输送的应用

①日常生活中流动现象：

第一部分流体流动与输送5煤气洗涤塔②工业生产过程中煤气煤气水孔板流量计泵水封填料塔水池

第一部分流体流动与输送6一、流体的定义、特征与流动类型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73、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85、流体流动类型：①稳定流动：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。②不稳定流动：

第一部分流体流动与输送9

第一部分流体流动与输送说明：①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。②只有在出现波动或是开、停车时，为非稳态流动。10二、流体的基本物性1、流体的密度ρ1）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112）气体密度理想气体：（温度不太低也不太高，压强很小时的气体）其中R—8.314kJ/kmol·K；M—kg/kmol；

P—kN/m2（kPa）；T—K。

第一部分流体流动与输送12（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132、压强1）定义：

特性：

①垂直作用于器壁

②在同一流体的相同水平面上各方向的压强相同pppppp

在流体内部由于流体本身的重力而产生的垂直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142）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=1.013×105Pa=760mmHg=1.033at=10.33mH2O

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

第一部分流体流动与输送153）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PA,绝PA（表）P大气压P（真空度）PB,绝绝对零压线大气压线绝压/表压/真空度的关系

第一部分流体流动与输送16压力表17真空表183、粘度μ1）物理意义

衡量流体粘性大小的一个物理量单位1Pa·s=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19

uu=0yxy方向上的流体速度分布为线性为什么有分层流动的现象？

流体具有粘性，流动流体内部存在内摩擦力或粘滞力

dyu+duu粘性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204、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：

qm＝ρqv

式中ρ－－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212）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22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。23

第一部分流体流动与输送三、流体的流动规律质量守恒定律

能量守恒定律

流体流动

遵循

1、流量方程式：

d=(4qv/πu)1/2

在工程应用中经常用来测算管道的直径。

24

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qm1qm211’22’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/ρ=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。25

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：即则26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27（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=J1kg流体的位能为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28（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/ρ,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292）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30

第一部分流体流动与输送U1gZ11/2u12P1/ρU2gZ21/2u22P2/ρWeQeQe3）能量守恒定律：

ΣQ输入=ΣQ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。31

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，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。32例如：水平管道（Z1=Z2）A1>A2u1<u21122连续性方程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,则柏努力方程变为：这就是静止流体遵循的规律33

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：①单位统一；②基准统一；③选择界面，条件充分，垂直流动方向；④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。34

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，∑hf=40J/kg，η=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=500×103Pa，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20mp2=500Pa（表）35

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：简单管路按是否分出支管来分树状网复杂管路环状网36

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“Φ外径×壁厚”来表示，如Φ38×2.5mm。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。37

第一部分流体流动与输送38

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流动阻力局部阻力粘性阻力hf形体阻力hf’39

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+hf′40

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:ζ－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：λ、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。41

第一部分流体流动与输送五、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：①为流体提供动力，以满足输送要求②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42

第一部分流体流动与输送3、流体输送机械的类型-离心式往复式旋转式流体作用式液体输送机械离心泵、旋涡泵往复泵、隔膜泵、计量泵、柱塞泵齿轮泵、螺杆泵轴流泵喷射泵、酸式空气升液器气体输送机械离心通风机、离心鼓风机、离心压缩机往复压缩机、往复真空泵、隔膜压缩机罗茨通风机、液环压缩机、水环真空泵蒸汽喷射泵、水喷射泵43

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44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45

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，其它附助构件46

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：：①汇集液体②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47

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。48

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，η先增加后下降。49

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。50

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。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。51

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。52

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。53

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