化工单元操作

化工单元操作授课教师：李金霜小组成员：林存海李鑫耿玲玲刘海莹第一章：流体输送1：压力的单位转换.不同基准间换算2：流体静止时压差.液位的测量3：流体输送管道直径的确定4：流体的密度和粘度对输送的影响5：流体输送过程中的能量转换第一章：流体输送6：流体输送过程中的阻力测定7：流体输送过程中的流量测量8：管件·阀门拆装与使用训练9：离心泵的停开车操作及流量调节10：离心泵的故障分析与处理11：压缩机的开停车操作与事故处理

压力的单位转换.不同基准间换算

流体静压强的定义和单位：

垂直作用于流体单位面积上的压力称为流体的压强，以p表示，单位为Pa，俗称压力，表示静压力强度，流体作用面上的压强各处相等时，则有：

p——流体的静压强，PaP——垂直作用于流体表面上的压力，NA——作用面的面积，m2

第一章：流体输送压强的不同表示方法与单位换算按压强的定义，压强单位为N/m2或Pa工程上常间接地用液柱高度h表示压强，其关系式：

Ｐ=ρgh

h—液柱的高度，mρ——液体密度，kg/m3g——重力加速度，m/s2不同单位之间的换算关系：1atm=10.33mH2O=760mmHg=1.0133bar=1.0133﹡105Pa1at=1kgf/cm2=10mH2O=735.6mmHg=0.9807bar=9.807﹡104Pa

第一章：流体输送第一章：流体输送流体静止时压差.液位的测量流体静力学基本方程式由于地心引力是可以看做不变的，起变化的是压力，所以实质上是讨论静止流体内部压力（压强）变化的规律，描述这一规律的数字表达式，称为流体静力学基本方程式。

容器内装有密度为ρ的液体，在静止液体中取一段液柱，其截面积为A，以容器底面为基准水平面，液柱的上端面，下端面与基准水平面的垂直距离分别为z1和z2，作用在上，下两端面的压力分别为P1和P2静止流体内的压强分布流体静力学基本方程式：第一章：流体输送

流体输送管道直径的确定稳态流动与非稳态流动

在流体流动体系中，根据流体在任一位置的流动参数如流速，压力，密度等是否有时变性，可将流体分为稳态流动和非稳态流动。即任一点处的流动参数都不随时间而变化，称这种流动为稳态流动，反之，只要有一个流动参数岁时间变化，就属于非稳态流动。第一章：流体输送流量与流速（1）流量：单位时间内流经流通截面的流体量称为流量。体积流量用Vs表示，单位为m3/s，质量流量用Ws表示，单位为kg/s。体积流量与质量流量的关系为：

Ws=Vs･ρ第一章：流体输送流量与流速（2）流速：

流体沿流动方向在单位时间内通过的距离称为流速，常用u表示，单位是m/s，流体的体积流量Vs与流通截面积A的比值称为平均流速，常用u表示，单位是m/s，在不会引起混淆的情况下，习惯上简称为流速，表示为

u=Vs/A第一章：流体输送流体的密度和粘度对输送的影响流体密度：单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，其表达式为：

ρ=ρ——流体的密度，kg/m3m——流体的质量,kgV——流体的体积,m3第一章：流体输送流体的粘度(1)牛顿粘性定律：

对于一定的液体，内摩擦力与两流体层的速度差成正比，与两层之间的垂直距离成反比，与两层间的接触面积成正比。单位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或剪应力，以τ表示，则：

τ=F/S=μ·du/dy

du/dy——速度梯度，即在与流动方向垂直的方向上的速度变化率μ——比例系数，其值随流体的不同而不同，流体的粘度越大，其值越大，也称为粘滞系数或动力粘度，简称粘度。第一章：流体输送流体的流动类型雷诺实验：

在水箱3内装有溢流装置6，以维持水位稳定，水箱的底部安装一个带喇叭型进口的直径相同的玻璃管4，管出口处装有一个阀门5用来调节流量，水箱上方安装有内有颜料的小瓶1，有色液体可经过细管子2注入玻璃管内。在水流经过玻璃管的过程中，同时把有色液体送到玻璃管以后的管中心位置上。第一章：流体输送流动类型——层流和湍流

1883年著名的雷诺实验揭示出流动的两种截然不同的型态。雷诺实验观察到：⑴、水流速度不大时，有色细流成一直线，与水不混合。此现象表明：玻璃管内的水的质点是沿着与管轴平行的方向作直线运动。即流体分层流动，层次分明，彼此互不混杂，掺和(唯其如此，才能使有色液体保持直线)这种流型叫层流或滞流。⑵、水流速度增大到某临界值时，有色细流开始抖动，弯曲，继而断裂，细流消失，与水完全混合在一起，整根玻璃管呈均匀颜色，此现象表明，玻璃管内的水的质点除了沿着管道向前运动外，各质点还作不规则的，杂乱的运动，且彼此间相互碰撞，相互混合，质点速度的大小和方向随时发生变化，这种流型叫湍流或紊流。第一章：流体输送

对管流而言，影响流型的因素有，流道的几何尺寸(管径d)流动的平均速度u和流体的物理性质(密度ρ和粘度μ)。

雷诺发现，可以将这些影响因素综合成一个无因次数群duρ/μ，作为流型的判据。此数群称为雷诺(Reynolds)数，以Re表示，即：

Re=duρ/μ流型的判据—雷诺准数第一章：流体输送雷诺指出：

Ⅰ、当Re≤2000，必定出现层流，称为层流区；Ⅱ、当Re＞4000，必定出现湍流，称为湍流区；Ⅲ、当2000＜Re＜4000，或出现层流，或出现湍流，依赖于环境(如管道直径和方向改变，外来的轻微振动都易促成湍流的产生)，此为过度区；Ⅳ.完全断流区（虚线以上的区域）

在此要说明一点，以Re为判据将流动划分为三个区：层流区，过度区，湍流区。但是流型只有两种。过度区并不表示一种过度的流型，它只是表示在此区内可能出现湍流，究竟出现何种流型需视外界扰动而定。伯努利方程

理想正压流体在有势体积力作用下作定常运动时，运动方程（即欧拉方程）沿流线积分而得到的表达运动流体机械能守恒的方程。因著名的瑞士科学家D.伯努利于1738年提出而得名。对于重力场中的不可压缩均质流体，方程为:第一章：流体输送式中p、ρ、v分别为流体的压强、密度和线性速度；h为铅垂高度；g为重力加速度；c为常量。上式各项分别表示单位体积流体的压力能p、重力势能ρgh和动能(1/2)*ρv^2，在沿流线运动过程中，总和保持不变，即总能量守恒。但各流线之间总能量（即上式中的常量值）可能不同伯努利方程的空气动力实验第一章：流体输送以上两式均为伯努利方程其中ρv^2/2项与流速有关，称为动压强，而p和ρgh称为静压强。伯努利方程揭示流体在重力场中流动时的能量守恒。由伯努利方程可以看出，流速大处压强低，流速小处压强高如图所示第一章：流体输送范宁公式

指流体在直管内流动阻力的通式

在流体的物理性质(μ和ρ)、管径d和管长l相同的情况下，流速增大，能量损失亦随之增加，可见流动阻力与流速有关。由于动能u2/2与hf的单位相同，均为J/㎏，经常把hf表示为动能u2/2`的若干倍数的关系。

λ—摩擦系数

把hf与ρ的乘积记作△pf，则第一章：流体输送流体流过管壁面的情况层流湍流第一章：流体输送流体输送过程中的流量测量（1）测速管：测速管又称皮托管，这是一种测量点速度的装置，它由两根弯成直角单位同心套管所组成，外管的管口是封闭的，在外管前端壁面四周开有若干测压小孔，为了减小误差，测速管的前端经常做成半球形以减少涡流，测量时，测速管可以放在管截面的任一位置上，并使其管口正对着管道中流体的流动方向，外管与内管的末端分别与液柱压差计的两臂相连接。（2）孔板流量计：孔板流量计是一种应用很广泛的节流式流量计，在管道里插入一片与管轴垂直并带有通常为圆孔的金属板，孔的中心位于管道中心线上第一章：流体输送测速管示意图图一为静压管；图二为冲压管第一章：流体输送流体输送过程中的流量测量（3）文丘里流量计：为了减少流体流经节流元件时的能量损失，可以用一段渐缩.渐扩管代替孔板，这样构成的流量计称文丘里流量计（4）转子流量计：转子流量计的构造是在一根截面积自下而上逐渐扩大的垂直锥形玻璃管内，装有一个能够旋转自如的由金属或其他材质制成的转子，被测流体从玻璃管底部进入，从顶部流出，转子流量计是变截面定压差流量计，作用在转子上下游的压力差为定值，而转子与锥管间环形截面积随流量而变，转子在锥管中的位置高低即反应流量的大小第一章：流体输送管件·阀门拆装与使用训练

流体输送是化工生产过程中重要的单元操作之一。由于在化工生产中常采用流体状态的物料进行操作，所以在产品加工过程中就需要将流体送入反应器或其他化工设备，或将流体从一处送往另一处，优势还需提高流体的压力或将设备造成真空，以满足化学反应过程或单元操作的要求。第一章：流体输送

化工管路主要由阀门.管子和其他附属管架.管撑组成这就是管路拆装啊第一章：流体输送阀门的分类：按作用和用途分类：(1)截断阀：截断阀又称闭路阀，其作用是接通或截断管路中的介质。截断阀类包括闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀、蝶阀和隔膜等。(2)止回阀：止回阀又称单向阀或逆止阀，其作用是防止管路中的介质倒流。水泵吸水关的底阀也属于止回阀类。(3)安全阀：安全阀类的作用是防止管路或装置中的介质压力超过规定数值，从而达到安全保护的目的。(4)调节阀：调节阀类包括调节阀、节流阀和减压阀，其作用是调节介质的压力、流量等参数。(5)分流阀：分流阀类包括各种分配阀和疏水阀等，其作用是分配、分离或混合管路中的介质。第一章：流体输送阀门的分类：按公称压力分类：(1)真空阀：指工作压力低于标准大气压的阀门。(2)低压阀：指公称压力PN≤1.6Mpa的阀门。(3)中压阀：指公称压力PN为2.5、4.0、6.4Mpa的阀门。(4)高压阀：指工称压力PN为10～80Mpa的阀门。(5)超高压阀：指公称压力PN≥100Mpa的阀门。第一章：流体输送阀门的分类：按工作温度分类：(1)超低温阀：用于介质工作温度t<－100℃的阀门。(2)低温阀：用于介质工作温度－100℃≤t≤－40℃的阀门。(3)常温阀：用于介质工作温度－40℃≤t≤120℃的阀门。(4)中温阀：用于介质工作温度120℃(5)高温阀：用于介质工作温度t>450℃的阀门。思考一下1：软管起什么作用？2：管径的确定根据是什么？你们是这样认为的么？回答1：软管的作用是：（1）可以调节容器出口和泵入口之间的高度差（2）方便连接，拆卸（3）软管可以起到缓冲动作，在设备震动或基础下沉的情况下，保证安全（4）防止和容器相连的管线膨胀或收缩你们是这样认为的么？回答2：管径的确定根据是流速大小。一般管道的截面均为圆形，若以d表示管道内径，则有：

A=d2，d=提示：A表示流通截面积Vs表示流体的体积流量u表示流体流速第一章：流体输送2：离心泵的停开车操作及流量调节泵的含义：指通常输送液体的机械流体输送机械按工作原理分为:（1）动力式：又称叶轮式，包括离心式.轴流式输送机械.它们是借高速旋转的叶轮使流体获得能量的（2）容积式：包括往复式.旋转式输送机械.它们是利用活塞或转子的挤压使流体升压以获得能量的（3）其他类型泵：不属于上述两种类型的其他型式的泵，如喷射式泵，空气升液泵，电磁泵等第一章：流体输送离心泵的工作原理：

离心泵一般由电动机带动，当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时，在中心处形成低压区，这时贮槽液面上方在大气压力的作用下，液体便经过滤网和底阀沿吸入管进入泵壳内，以填充被排除液体的位置，这就是离心泵吸液过程的工作原理。只要叶轮不断地转动，液体便不断地被吸入和排出，由此可见，离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮产生的离心力，使液体在离心力的作用力下获得了能量，这就是离心泵排液过程的工作原理。第一章：流体输送离心泵的主要部件：

离心泵由两个主要部分构成：一是包括叶轮和泵轴的旋转部件；一是由泵壳.填料函和轴承组成的静止部件，但其中最主要的部件是叶轮（如图2-2）和泵壳（图2-1）。图2-1离心泵的叶壳第一章：流体输送离心泵的性能参数：1、流量离心泵的流量是指单位时间内排到管路系统的液体体积，一般用Q表现，常用单位为L/s、m3/s或m3/h等。离心泵的流量与泵的结构、尺寸和转速以及所送液体的性质有关。由于离心泵总是和特定的管路相连，泵的流量还与管路特性有关。2、压头(扬程)离心泵的压头是指离心泵对单位重量(1N)液体所供给的有效能量，一般用H表现，单位为J/N或m。压头的大小与泵的结构.转速及流量有关。3、效率离心泵在实际运转中，由于存在各种能量丧失，致使泵的实际(有效)压头和流量均低于理论值，而输进泵的功率比理论值为高。反应能量丧失大小的参数称为效率。第一章：流体输送离心泵的能量丧失包含以下三项：(1)容积丧失即泄漏造成的丧失，无容积丧失时泵的功率与有容积丧失时泵的功率之比称为容积效率ηv。闭式叶轮的容积效率值在0.85～0.95(2)水力丧失由于液体流经叶片、蜗壳的沿程阻力，流道面积和方向变更的局部阻力，以及叶轮通道中的环流和旋涡等因素造成的能量丧失。这种丧失可用水力效率ηh来反应。额定流量下，液体的运动方向恰与叶片的进口角相一致，这时丧失最小，水力效率最高，其值在0.8～0.9的范畴。(3)机械效率由于高速旋转的叶轮表面与液体之间摩擦，泵轴在轴承、轴封等处的机械摩擦造成的能量丧失。机械丧失可用机械效率ηm来反应，其值在0.96～0.99之间。

离心泵的总效率由上述三部分构成，即

η=ηvηhηm

离心泵的效率与泵的类型、尺寸、加工精度、液体流量和性质等因素有关。通常，小泵效率为50～70%，而大型泵可达90%。第一章：流体输送泵的轴功率：由电机输进泵轴的功率称为泵的轴功率，单位为W或kW。离心泵的有效功率是指液体在单位时间内从叶轮获得的能量，则有

Ne=HgQp式中Ne——离心泵的有效功率，W;Q——离心泵的实际流量，m3/s;p——流体密度，kg/m3H——离心泵的有效压头，m。由于泵内存在上述的三项能量丧失，轴功率必大于有效功率，即N——轴功率，kW第一章：流体输送离心泵的特性曲线：离心泵压头H.轴功率N效率η均随流量Q而变，它们之间的关系可用泵的特性曲线或离心泵工作性能曲线表示（如右图）。

不同型号泵的特性曲线不同，但均有以下三条曲线：(1)H-Q线表示压头和流量的关系;(2)N-Q线表示泵轴功率和流量的关系;(3)η-Q线表示泵的效率和流量的关系;离心泵的特性曲线第一章：流体输送离心泵的工作点和流量调节1.管路特性曲线：当离心泵安装到特定的管路系统中操作时，若贮槽与受液槽两液面保持恒定，则泵对单位重量（1N）流体所做的净功为：He——输送机械对1N流体做的静功，J/N或m∆z——下游与上游截面间的位压头差，m∆p/ᵨg——下游与上游截面间的静压头差，m∆u2/2g——下游与上游截面间的动压头差，mHf——两截面之间压头损失，m第一章：流体输送离心泵的工作点离心泵在管路中正行运行时，泵所提供的流量和压头应与管路系统所要求的数值一致，此时，安装于管路中的离心泵必须同时满足管路特性方程与泵的特性方程，即：

管路特性方程：He=K+Q2e泵的特性方程：H=f（Q）联解上述两方程所得到两特性曲线的交点，即离心泵的工作点M，对所选定的泵以一定转速在此管路系统操作时，只能在此点工作，在此点，H=He，Q=Qe，该点所对应的流量和压头既能满足管路系统的要求，又为离心泵所能提供，管路特性曲线与泵的工作点如图所示：第一章：流体输送离心泵的流量调节（1）改变管路特性曲线——改变泵出口阀开度

改变离心泵出口管路上阀门开度，便可改变管路特性方程式中的G值，从而使管路特性曲线发生变化，例如关小阀门，使G值变大，特性曲线变陡，工作点由M移至M1点，流量由QM2降至QM1，流量变小，如下图：其缺点是当阀门关小时，因流动阻力加大，需要额外多消耗一部分能量，使泵的效率下降，不够经济。第一章：流体输送离心泵的流量调节（2）改变泵的转速改变泵的转速，实质上是改变泵的特性曲线，泵原来的转速为n，工作点为M，若将泵的转速提高到n1，泵的特性曲线H-Q向上移，工作点由M变至M1，流量由QM加大到QM3，这种调节方法能保持管路特性曲线不变，由比例定律可知，流量随转速下降而减小，动力消耗也相应降低，因此从能量消耗来看是比较合理的，如右图所示：（3）改变叶轮直径减小叶轮直径也可以改变泵的特性曲线从而使泵的流量变小，但一般可调节范围不大且直径减小不当，还会降低泵的效率，故生产上很少采用第一章：流体输送离心泵的故障分析与处理1.离心泵的操作中有两种现象应当避免：气缚和气蚀（1）气缚是指在启动泵前泵内没有灌满被输送的液体，或在运转过程中泵内渗入了空气，因为气体的密度小于液体的密度，产生的离心力小，无法把空气甩出去，导致叶轮中心所形成的真空度不足以将液体吸入泵内，尽管此时叶轮在不停的旋转，却由于离心泵失去了自吸能力而无法输送液体，这种现象称为气缚。第一章：流体输送离心泵的故障分析与处理（2）气蚀是指当贮槽液面的压力一定时，如叶轮中心的压力降低到等于被输送液体当前温度下的饱和蒸汽压时，液体将在此处汽化或者是溶解在液体中的气体析出并形成气泡，这些气泡随液体进入高压区后又迅速被压碎而凝结，致使气泡所在空间形成真空，周围的液体质点以极大的速度冲向气泡中心，造成瞬间冲击压力，在巨大冲击压力反复作用下，使叶片表面材质疲劳，从开始点蚀到形成裂缝，导致叶轮或泵壳破坏，同时伴有泵体震动，发出噪声，泵的流量.扬程和效率明显下降，这种现象称为气蚀。第一章：流体输送离心泵的故障分析与处理2离心泵的并联操作和串联操作（1）离心泵的并联：设将两台型号的泵并联于管路系统，且各自的吸入管路相同，则两台泵的各自流量和压头必定相同，显然，在同一压头下，并联泵的流量为单台泵的两倍，并联泵的工作点由并联特性曲线与管路特性曲线的交点决定，由于流量加大，使管路流动阻力加大，因此，并联后的总流量必低于单台泵流量的两倍，而且并联压头略高于单台泵的压头，并联泵的总效率与单台泵的效率相同，

离心泵并联特性曲线如下图所示：第一章：流体输送离心泵的故障分析与处理（2）离心泵的串联：两台型号相同的泵串联操作时，每台泵的流量和压头也各自相同，因此，在同一流量下，串并联的压头为单台泵压头的两倍，同样，串并联的工作点由合成特性曲线与管路特性曲线的交点决定，两台泵串联操作的总压头必低于单台泵压头的两倍流量大于单台泵的。串联泵的效率为Q串下单台泵的效率。如右图所示：离心泵串联的特性曲线第一章：流体输送离心泵的常见故障及排除方法故障现象产生故障的原因排除方法泵灌不满（1）底阀已坏（2）吸液管路泄露（1）修理或更换底阀（2）检查吸液管路的联解，消除泄露泵吸不上液体（1）底阀未打开或滤网淤塞（2）吸液管阻力大或泵安装过高（1）打开底阀，清洗滤网（2）清洗洗液管，降低泵的安装高度压力表显示虽有压力，但排液管不出液（1）排液阀未打开或排液管阻力大（2）排液罐内压力过高或叶轮转向不对（1）打开排液阀，清洗滤网（2）调整排液罐内压力，检查电动机接线方式填料函泄漏量过大（1）填料磨损或压盖太松（2）填料安装错误或平衡盘失效（1）更换填料，拧紧压盖（2）重新安装填料，修理平衡盘第一章：流体输送离心泵的常见故障及排除方法故障现象产生故障的原因排除方法流量不足（1）叶轮流通部分堵塞或密封环经向间隙过大（2）底阀太小或排液阀开度不够（3）吸液管内空气排不出去或输送液体温度过高，泵发生气蚀（1）清洗叶轮，更换密封环（2）更换底座，开大排液阀（3）重新安装吸液管，降低液体温度，消除气蚀填料过热（1）填料压得过紧（2）填料内冷却水不疏通（3）泵轴或轴套表面不够光洁（1）适当放松填料压盖（2）疏通冷却水道（3）修理泵轴，更换轴套轴承过热（1）润滑油不洁或油量不足（2）泵轴与电动机轴不同心（3）轴承磨损，滚珠失圆（1）更换新油，加足油量（2）重新找正（3）更换轴承和滚珠泵体震动（1）叶轮不对称磨损（2）轴承弯曲（3）联轴器结合不良或地脚螺栓松动（1）对叶轮做平衡校正（2）校直或更换泵轴（