阿拉善職業技術學院

2014-6-20

《化工單元操作》

基礎知識講座之

流體流動與輸送1說明：一個化工產品的生產需經過若干個物理過程與若干個化學反應過程，一般把不同化工產品生產過程中，發生同樣的物理變化、遵循共同的規律、使用相似的設備、具有相同作用的基本物理操作，稱為化工單元操作，我們要學習的單元操作包括：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7第八部分：結晶、萃取及其它82

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

第一部分流體流動與輸送知識要點：

1.流體、流體流動類型、流體輸送方式等基本概念。

2.流體靜力學基本方程式，連續性方程式和柏努利方程及其應用。

3.流體流動阻力及其計算原則。

4.流體輸送管路與機械。4流體輸送的應用

①日常生活中流動現象：

第一部分流體流動與輸送5煤氣洗滌塔②工業生產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：液態或氣態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）：

易流動，抗剪和抗張的能力很小；無固定形狀，隨容器的形狀而變化；在外力的作用下其內部發生相對運動。

把流體視為由無數個流體微團（或流體質點）所組成，這些流體微團緊密接觸，彼此沒有間隙。這就是連續介質模型。

第一部分流體流動與輸送73、氣體與液體的區別：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）機械輸送85、流體流動類型：①穩定流動：在流體流動任一截面上，流體的壓力、流量、流速等流動參數只與位置有關，與時間的變化無關的流動。②不穩定流動：

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在化工生產中，正常運行時，各點各處的流量不隨時間變化，近似為常數，系統流動近似為穩態流動。②只有在出現波動或是開、停車時，為非穩態流動。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。可壓縮流體（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—質量分率

以1m3混合物為基準以1kg混合物為基準3）混合物的密度已知純物質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—摩爾分數在壓力不太高，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相同pppppp

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

第一部分流體流動與輸送142）壓強的單位及換算

壓強的法定單位是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）壓強的表示方法表壓強=絕對壓強-大氣壓強真空度=大氣壓強-絕對壓強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；查有關手冊或資料、用經驗公式計算大多數氣體的粘度遠小于液體粘度

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象？

流體具有粘性，流動流體內部存在內摩擦力或粘滯力

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量來度量，則稱為質量流量，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，流體在流動方向上經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，流體在管內流動時，同一流通截面上各點的流速是不同的，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、流體的流動規律質量守恒定律

能量守恒定律

流體流動

遵循

1、流量方程式：

d=(4qv/πu)1/2

在工程應用中經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—連續性方程qm1qm211’22’液體在圓管中穩定流動時遵循：將上式推廣到任何一個截面對于液體，密度為常數，可化簡為：qm/ρ=uA=u1A1=u2A2=…=unAn=常數以上三式均為管內穩定流動連續性方程式通式。25

第一部分流體流動與輸送連續性方程式反映了穩態下，流量一定時管路各截面流速的變化規律。在工程應用中，常用來求管路中不同截面積下液體在管內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，存在下列關系式當管徑相同時：即則26在任一流動系統中總能量包括兩部分，流體本身所具有的能量及系統與外部交換的能量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）內能U

物質內部的能量總和。是原子與分子運動及其相互作用的結果。與溫度有關。1kg流體的內能用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律1.換熱設備；2.輸送設備27（2）位能即勢能

mkg流體的位能相當于將其從基準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，高于基準面時為正，低于者為負。若不選基準水平面，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

流動著的流體內部各點都對應有靜壓能，質量為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械能，它們的總和稱為“總機械能（總能量）E”，這三種能量可以相互轉換。

第一部分流體流動與輸送292）系統與外界交換的能量（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——機械能、內能和熱，機械能可以相互轉變，也可變為熱和內能；而內能和熱，不可變為機械能。31

第一部分流體流動與輸送4）流動系統的機械能衡算—柏努利方程對于穩定流動，設流體是不可壓縮的，系統中無熱交換器，Q=0，流體等溫流動，系統內的能量積累為零，即內能U1=U2，則能量守恒方程式變式為柏努利方程：流體作穩定流動時，每kg流體流過系統內任意截面的總機械能恒為常數，而每個截面上的不同機械能的數值卻不一定相等。這說明各種機械能形式之間在一定條件下是可以相互轉換的，此減彼增，但總量保持不變。32例如：水平管道（Z1=Z2）A1>A2u1<u21122連續性方程E=Const.一部分靜壓能轉變為動能（火車通過時)

第一部分流體流動與輸送5）靜止流體規律——靜力學方程式如果系統里的流體是靜止的，則u=0,沒有運動，自然就沒有阻力，即∑hf=0；由于流體保持靜止狀態，也就不會有外功加入，即We=0,則柏努力方程變為：這就是靜止流體遵循的規律33

第一部分流體流動與輸送6）工程應用a、利用靜力學方程，測量或確定管道的壓強或不同截面上的壓強差。b、利用靜力學方程測量或確定貯罐的液位。c、利用靜力學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備的有效功率。g、利用柏努利方程確定管路中流體的壓強。應用時注意：①單位統一；②基準統一；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：聯系其它參數，由此可以對泵進行選型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、環保等許多行業生產中所涉及的各種管路形式的總稱.這是生產裝置不可缺少的部分，只有管路通暢，閥門調節得當，才能保證各車間及整個工廠生產的正常進行。因此了解管路的構成與作用、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復雜管路環狀網36

第一部分流體流動與輸送2、管路的基本構成管路是由管子、管件和閥門等按一定的排列方式構成。管子按管材不同可分為金屬管、非金屬管和復合管，管子的規格通常是用“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、關閉和調節流量及控制安全的機械裝置，也稱閥門、截門或節門。化工生產中，通過閥門可以調節流量、系統壓力、流動方向，從而確保工藝條件的實現與安全生產。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，阻力產生的原因是由于內摩擦（粘性），內摩擦力是由于流體的粘性而產生的，這種內摩擦力總是起著阻止流體間發生相對運動的作用。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：流體流經一定管徑的直管時，由于流體的內摩擦而產生的阻力損失，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：在管路系統中，流體經進口、出口、彎頭、閥門等管件部分時，由于流道截面大小和方向發生急劇變化，使得流體湍動程度加強、邊界層分離，造成大量旋渦等導致機械能損失。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、阻力系數法：近似認為局部阻力服從速度平方定律，即表示為：式中:ζ－阻力系數，與管件形狀有關，當流道突然擴大/縮小，不同的變徑對阻力產生的影響不同。B、當量長度法流體流過局部地方產生的阻力相當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的值，Le－管件的當量長度，可由有關手冊查取。41

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

第一部分流體流動與輸送3、流體輸送機械的類型-離心式往復式旋轉式流體作用式液體輸送機械離心泵、旋渦泵往復泵、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械離心通風機、離心鼓風機、離心壓縮機往復壓縮機、往復真空泵、隔膜壓縮機羅茨通風機、液環壓縮機、水環真空泵蒸汽噴射泵、水噴射泵43

第一部分流體流動與輸送鼓（通）風機空壓機羅茨鼓風機蒸汽噴射泵水環式真空泵氣體壓縮機44液體輸送的設備離心泵油泵旋渦泵齒輪泵螺桿泵往復泵

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、離心泵的基本構件：泵殼，葉輪，吸液口，排液口，軸，軸承與軸封裝置，其它附助構件46

第一部分流體流動與輸送2、離心泵的基本構件的作用：1）泵殼（蝸殼）作用：：①匯集液體②轉能裝置2）葉輪：把電機的機械能，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沿間隙漏出，或外界空氣漏入泵內。常用的密封方式有兩種，即填料函密封與機械密封。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

電機輸入能量→泵軸帶動葉輪旋轉(產生離心力，使液體獲得能量）→葉輪帶動液體旋轉→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→貯槽液面與泵入口形成壓差→液體吸入泵內。48

第一部分流體流動與輸送4、離心泵的主要性能參數與性能曲線1）性能參數：流量、揚程、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，要關閉出口閥，可降低功率，保護電機。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的因素1）密度：離心泵的壓頭和流量均與液體的密度無關，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2）粘度：當液體的粘度增加時，液體在泵內運動時的能量損失增加，從而導致泵的流量、揚程和效率均下降，但軸功率增加。所以，當被輸送流體的粘度有較大變化時，泵的特性曲線也要發生變化。3）葉輪轉數與葉輪直徑：同一臺離心泵，轉速改變或者葉輪直徑發生變化，特性曲線也發生變化。50

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

第一部分流體流動與輸送7、生產過程中離心泵常見故障原因與處理方法1）氣縛現象：當啟動離心泵時，若泵內未能灌滿液體而存在大量氣體，則由于空氣的密度遠小于液體的密度，葉輪旋轉產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象，即為離心泵氣縛現象。

說明：離心泵無自吸能力，啟動前必須將泵體內充滿液體。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行灌泵排氣。灌液完畢后，此時應關閉出口閥后啟動泵，這時所需的泵的軸功率最小，啟動電流較小，以保護電機。啟動后漸漸開啟出口閥。而離心泵停機前，為防止出口管路中的高壓流體向泵體內倒灌（因葉輪中心在停機瞬間尚處真空狀態），以致對設備造成破壞，需先關閉出口閥后方可停機。53

第一部分流體流動與輸送2）氣蝕現象：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。當吸入口處壓力小于操作條件下被輸送