[图文]化工基础课第三章 流体流动及流体输送设备

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流体流动与输送(课 件)
目 录
• 流体流动基础 • 流体动力学 • 流体输送设备 • 流体输送工艺 • 流体流动与输送的优化设计
01
流体流动基础
流体的定义与分类
总结词
流体的定义与分类
详细描述
流体是指在受外力作用下，能够流动的物质。根据流体是否具有粘性，可以将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。 牛顿流体是指在剪切力作用下，其剪切应力与剪切速率成正比的流体，如水和空气等；非牛顿流体是指在剪切力 作用下，其剪切应力与剪切速率不成正比的流体，如高分子溶液、悬浮液等。
。
流体流动的能量损失
流动损失的原因
介绍了流体在流动过程中由于摩擦和局部阻力所造成的能量损失 。
流动损失的计算
提供了计算流体流动损失的方法和公式。
减小流动损失的措施
介绍了一些减小流体流动损失的措施和技术，如减小流道粗糙度 、采用减阻剂等。
03
流体输送设备
泵
离心泵
利用离心力使流体获得 能量，从而克服管道阻 力，实现液体的输送。
重力输送
利用重力将粉体从一个地方输送到 另一个地方，常用于高度落差较大 的情况。
05
流体流动与输送的优化设 计
流体流动与输送的能效优化
01
02
03
节能设计
通过优化流体输送管道的 结构和材料，降低流体输 送过程中的阻力，减少能 量损失，提高能效。
高效泵送技术
采用高效、低能耗的泵送 设备，提高流体输送的效 率，降低运行成本。
管道输送
通过管道将液体从一个地方输 送到另一个地方，具有输送效

2．管子
生产中使用的管子按管材不同可分金属管、非金属管和 复合管。金属管主要有铸铁管、钢管（含合金钢管）和有色 金属管等；非金属管主要有陶瓷管、水泥管、玻璃管、塑料 管、橡胶管等；复合管指的是金属与非金属两种材料复合得 到的管子，最常见的形式是衬里管，它是为了满足节约成本、 强度和防腐的需要，在一些管子的内层衬以适当的材料，如 金属、橡胶、塑料、搪瓷等而形成的。
三、输送设备
液体输送机械——泵
流体输送机械 （提供给流体以足够的能量）
气体输送机械——机或泵
按照工作原理，流体输送机械可分为以下类型：
类型
动力式
容积式
(正位移 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、计量泵、隔膜泵 齿轮泵、螺杆泵
喷射泵
气体输送机械 离心式通风机、鼓风机、压缩
• （7）一般地,化工管路采用明线安装,但上下水管及废水管采用埋地铺设,
埋地安装深度应当在当地冰冻线以下。
• 在布置化工管路时,应参阅有关资料,依据上述原则制订方案,确保管路的布
置科学、经济、合理、安全。
• 2、化工管路的安装
• （1）化工管路的连接
螺纹连接、法兰连接、承插连接、焊接连接
• （2）化工管路的热补偿 • （3）化工管路的试压与吹洗 • （4）化工管路的保温与涂色 • （5）化工管路的防静电措施
《化工单元操作》教学课件 制作:
模块一 流体流动及输送
任务一 认知流体输送设备及管路
硫酸铵生产工艺流程图
硫酸铵生产工艺流程图
一、贮罐
贮罐是一种最典型的化工容器，主要用于贮 存气体、液体、液化气体等介质，如氢气贮罐、 石油贮罐、液氨贮罐等，除贮存作用外，还用作 计量。

τ=F／A=μ(Δu/Δy)
当流体在管内流动时，径向速度的变化并不是 直线关系，而是曲线关系，则有： τ =μ(du/dy) du/dy——速度梯度，即在与流动方向相垂直的y方 向上流体速度的变化率 μ——比例系数，亦称为粘性系数，简称粘度。 凡符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体， 所有气体和大多数液体都属于牛顿型流体。 液体的粘度随着温度的升高而减小，气体的粘 度随着温度的升高而增加。 压力变化时，液体的粘度基本上不变，气体的 粘度随压力的增加而增加得很少。
意义：剪应力的大小与速度梯度成正比。 描述了任意两层流体间剪应力大小的关系。 物理意义:
du dy
— 动力粘度，简称粘度
平板间的流体剪应力与速度梯度
[μ]=[τ/(du/dy)]=(N· m-2)/(m· s-1· m-1)=N· s· m-2=Pa· s
1 P=100cP（厘泊）=10-1Pa· s 流体的粘度还用粘度 μ与密度ρ的比值来表示，称为 运动粘度，以v表示之： v =μ/ρ
压力有两种表达方式。一是以绝对零压为起点 而计量的压力；另一是以大气压力为基准而计量的 压力，当被测容器的压力高于大气压时，所测压力
称为表压，当测容器的压力低于大气压时，所测压
力称为真空度。
两种表达压力间的换
算关系为 表压=绝对压力-大气压力 真空度＝大气压力-绝对压力
用图3—1来表示其关系
流体压力的重要特性: ① 流体压力处处与它的作用面垂直,并且总是 指向流体的作用面 ② 流体中任一点压力的大小与所选定的作用面 在空间的方位无关
单位为m2· s-1
1st—100 cst(厘沲)=10-4m2· s-1
在工业上常常遇到各种流体的混合物。 对于低压气体混合物的粘度，可采用下式进行计

三、管路的试压与吹扫 管路安装完毕后，应作强度与严密度试验，检验管路是否符合设计要求
，试验是否有漏气或漏液现象，称为试压。管路的操作压力不同，输送的物 料不同，试压的要求也不同。试压主要采用液压试验，少数也可采用气压试 验。当管路系统进行水压试验，试验压力（表压）为294KPa，在试验压力 下维持5分钟，未发生渗漏现象，则水压试验为合格。
10. 在焊接或螺纹连接的管路上应适当配置一些法兰或活接头，以利于安 装、拆卸和检修。
11. 阀门的仪表的安装高度主要考虑操作的安全和方便。 12. 某些不能耐高温的材料（如聚四氟乙烯管、橡胶管）制成的管路应避 开热管路，输送冷流体（如冷冻盐水）的管路应与热流体的管道相互避开。
因此在布置管路时，应参阅有关资料，依据上述原则制订方案，确保 管路的布置安全、科学、合理、经济。
7. 一般情况下，管路采用明线安装，但上下水管及废水管采用埋地铺设， 埋地安装深度应当在当地冰冻线以下。（为方便安装、检修和管理，管路尽 量架空敷设）
8．输送有毒或腐蚀性介质的管道，不得在人行道上空设置阀件、法兰等 ，以免泄露时发生事故；输送易燃易爆介质的管道，一般应设有防火、防爆 安全装置。
9. 管道不应挡门、挡窗；应避免通过电动机、配电盘、仪表盘的上空；在 有吊车的情况下，管道的布置不应妨碍吊车工作。管路的布置不应妨碍设备 、管件、阀门、仪表的检修。塔和容器的管路不应从人孔正前方通过，以免 影响打开人孔。
六、管路的防腐 在化工管路中使用的管材，一般大都采用金属材料。由于各种外界环境
因素和通过介质的作用，都会引起金属的腐蚀。金属腐蚀分为化学腐蚀和电 化学腐蚀两种。为了延长管路的使用寿命，确保化工生产安全运行，必须采 取有效的防腐措施。
管路的主要防腐措施，是在金属表面涂上不同的防腐材料，经过固化而 形成油漆，牢固地结合在金属表面上。由于油漆把金属表面同外界严密隔绝 ，阻止金属与外界介质进行化学反应或电化学反应，从而防止了金属的腐蚀 。

液体密度对特性曲线的影响
离心泵的流量等于叶轮周边 出口截面积与液体在周边处 的径向速度之乘积。
qV 2 r2b2c2r
所以，泵的流量与密度无关。
离心力 物质的质量 为单位体积液体的质量 离心力 液体在离心力作用下，从低压p1变为高压p 2而排出 2 -p1） （p p2 -p1 p -p 与 无关，由于H 2 1 ，所以H与 无关。 g g
流体输送机械Βιβλιοθήκη 烟气脱硫流程概 述
生产过程中的流体输送一般有以下几种情况： 低压 低处 近处 高压 高处 远处 流体物性不同 操作条件各异
对于这些情况，都必须通过向流体提供机械能的方法 来实现。向流体提供机械能的设备称为流体输送机械。
概 述
流体输送设备分类：
按流体类型
输送液体—泵(pumps) 输送气体—通风机、鼓风机、压缩机、真 空泵
qV n qV ' n ' n 2 n 2 2 n' 2 2 ( ) H ' A B( ) qV ' H ' A( ) BqV ' n' n' n H n 2 ( ) H ' n'
4、离心泵的并联操作
H
H并 =H
' 单
管路特性曲线
C A
B
H单
泵性能实验装置示意图
讨论：
(1)H~qV线: qV↑, H↓
(2)P~qV线: qV↑, P↑ qV = 0→P=Pmin 所以，离心泵启动 时，关闭出口阀。 (3)η~qV线: qV↑,η先↑后↓ η最高点：泵的设计工况点。 注意：实际生产中，泵不可能正好在设计工况下运 转，一般取最高效率以下7%范围内为高效区。

1.1.1.连续介质的假定
质点指的是一个含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于 设备尺寸、但比分子自由程却大的多。
连续介质假定：假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间 没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。
工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究流体。
1.1.2.流体的压缩性
不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液 体；
（5）流体输送设计型和操作型问题的定量计算。 ∮基本内容：
（1）密度、比容、比重及影响因素；压力、压力的不同表示方法， 流体静止的基本方程；U型管压差计、皮托管、液位计、液封、 流体流动的基本方程、连续性方程、柏努里方程；
（2）粘度、牛顿粘性定律、雷诺数、边界层效应、边界层形成、 边界层分离。
（3）直管阻力、局部阻力、当量长度、当量直径、因次分析法。 （4）简单管路计算，各流量计的结构及测定原理； （5）离心泵基本原理、构造；离心泵基本方程式；离心泵主要特 性参数、特性曲线、安装高度、工作点与流量调节；
17
1 流体流动与输送机械——1.2 流体静力学
（2）双液体U管压差计
适用于压差较小的场合。
密度接近但不互溶的两种指示液A和
C
(A C ) ；
扩大室内径与U管内径之比应大于
10 。
p1 p2 Rg( A C )
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1 流体流动与输送机械——1.2 流体静力学
（3） 倒U形压差计 指示剂密度小于被测流体密度，
如空气作为指示剂
p1 p2 Rg( 0 ) Rg
（4） 倾斜式压差计 适用于压差较小的情况。
（5） 复式压差计 适用于压差较大的情况。
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1 流体流动与输送机械——1.2 流体静力学

1.1.1.连续介质的假定
质点指的是一个含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于 设备尺寸、但比分子自由程却大的多。
连续介质假定：假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间 没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质。
工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究流体。
1.1.2.流体的压缩性
不可压缩性流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液 体；
M m M 1 y 1 M 2 y 2 M n y n
y1, y2yn——气体混合物中各组分的摩尔(体积)分数。
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1 流体流动与输送机Байду номын сангаас——1.1 流体基本性质
1.1.5.压力
流体的压力（p）是流体垂直作用于单位面积上的力，严格 地说应该称压强。称作用于整个面上的力为总压力。
压力（小写）
p
P
A
力（大写） 面积
N [p] m2 Pa
记：常见的压力单位及它们之间的换算关系
1atm =101300Pa=101.3kPa=0.1013MPa
=10330kgf/m2=1.033kgf/cm2
=10.33mH2O =760mmHg
12
1 流体流动与输送机械——1.1 流体基本性质
压力的大小常以两种不同的基准来表示：一是绝对真空， 所测得的压力称为绝对压力；二是大气压力，所测得的压强称 为表压或真空度。一般的测压表均是以大气压力为测量基准。
第1章 流体流动与输送机械
1.1 流体基本性质 1.2 流体静力学 1.3 流体动力学 1.4 流体流动的内部结构 1.5 流体流动阻力 1.6 1.7 流速与流量的测量 1.8 流体输送机械
1
∮计划学时：12学时
∮基本要求：

往复泵性能实验
研究往复泵在不同工况下的性能参数，并分析其 与离心泵的差异。
通风机性能实验
通过通风机性能实验，了解通风机的性能参数和 实际应用。
流体阻力实验
直管阻力实验
测量流体在直管中的阻力损失，研究流速、管径和流体性质对阻 力的影响。
局部阻力实验
研究不同形状的管件对流体阻力的影响，如阀门、弯头和三通等。
式等。
回转式压缩机
利用转子在气缸内回转来压缩 气体，包括滑片式、螺杆式和
罗茨式等。
离心式压缩机
利用高速旋转的叶轮使气体获 得动能，然后通过扩压器将动
能转化为压力能。
特殊类型压缩机
如轴流式、喷射式和组合式等 。
04
管路计算与流体阻力
管路计算
确定管路的长度和连接方式
确定管路中流体的流速和流 量
计算管路的直径和流通截面 积
03
流体输送机械
泵的类型与特性
叶片泵
利用旋转的叶轮将能量传递给流体， 使流体获得压力能和动能。包括离 心泵、混流泵和轴流泵等。
容积泵
通过改变泵内工作容积的形状和 大小，将能量传递给流体。包括 往复泵、齿轮泵、螺杆泵等。
流体动力泵
利用流体的能量来输送流体， 如水锤泵和气升泵等。
特殊类型泵
如计量泵、喷射泵和磁力泵等 。
管道直径的选择
01
根据流量和流速确定管道直径
02
根据流体阻力计算结果修正管道直径
考虑管道的经济性及安装空间等因素，最终确定管道直径
03
05
流体输送过程分析
流体输送过程中的压力变化
01
压力是流体输送过程中的重要参数，它决定了流体的流动状 态和输送能力。
02

注意：测定条件一般是20℃清水，转速固定
18
1） qv—He曲线：表示泵的扬程与流量的关系，离心泵的扬 程普遍是随流量的增大而下降（流量很小时可能有例外） 2） qv ～Ne曲线：表示泵的功率与流量的关系，离心泵的 功率随流量的增加而上升，流量为零时功率最小。
离心泵启动时，应关闭出口阀，使启动电流最小，以保 护电机。 3） qv ～η曲线：表示泵的效率与流量的关系，随着流量 的增大，泵的效率将上升并达到一个最大值，以后流量再 增大，效率便下降。
有效功率可表达为 Ne qVgHe
16
④效率
离心泵输送液体时，通过电机的叶轮将电机的能量传给液 体。在这个过程中，不可避免的会有能量损失，也就是说泵 轴转动所做的功不能全部都为液体所获得，通常用效率η来 反映能量损失。泵的效率与泵的大小、类型、制造精密程度 和所输送液体的性质有关
Ne /Na
17
（3）离心泵ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ特性曲线
30
离心泵的允许安装高度
HgHs"u12 hf 2g
安装泵时，为保险计，实际安装高度比允许安装高度还要 小0.5至1米。（如考虑到操作中被输送流体的温度可能会升 高；或由贮槽液面降低而引起的实际安装高度的升高）。
31
离心泵的选择
1）选择泵的类型：首先根据被输送液体的性质和操作条件 确定泵的类型。 2）选择泵的型号：用柏努利方程计算出在最大流量下管路 所需压头。按已确定的流量和压头从泵样本或产品目录中 选出适合的型号。
化工基础3.5-流体输送设备
流体输送设备分类
按输送的介质分类： 液体——泵 气体——风机、压缩机
按工作原理分类： 离心式 正位移式(容积式)：往复式、旋转式 其它（如喷射式）
4

为 1.5m，管路阻力损失可按 hf = 5.5u2
计算（不包括导管出口的局部阻力），溶 液密度为 1100kg/m3。
试计算：送液量每小时为 3m3 时，容器 B 内应保持的真空度。
pa
1
22
p真
抽真空
1.5m
B
1
A
解：取容器A的液面1-1截面为基准面，导液管出口为2-2截面， 在该两截面间列柏努利方程，有
z2 g
u22 2
5.5u22
1.5 9.81 6.01.182 1100 2.54104 Pa
ZYNC 化学系
3.3流体压力和流量的测量
1．流体压力的测量---U形管压力计 2．流体流量的测量---孔板流量计、文丘里流量计、
转子流量计
ZYNC 化学系
1．流体压力的测量---U形管压力计
ZYNC 化学系
⑴ 粘度μ的物理意义：
y
设有上、下两块平行放置、 面积很大、相距很近的夹板，板 间充满流体，下板固定，以一推 动力F推动上平板以u恒速运动。
y y
经实验证明，此时： 引入比例系数μ，有：
F u A y
F u A
y
ZYNC 化学系
⑵ 粘度 : 单位：Pa·s，泊P：g·cm-1·s-1
量，其原理与孔板流量计相同。
结构：采取渐缩后渐扩的流道，避免使流体出现边界层分离而
产生旋涡，因此阻力损失较小。
qv u0S0 cvS0
2gR(i )
ZYNC 化学系
文丘里流量计
ZYNC 化学系
⑶ 转子流量计 原理：
流体出口
转子上下截面由于压差（p1－p2）所形成的
向上推力与转子的重力相平衡。稳定位置与流