第一章化工管路

1第一章流体输送技术知识目标：●了解化工管路的组成及管路布置原则；了解流体输送机械的结构、原理及应用；●理解稳定流动的基本概念；流动阻力产生的原因；●掌握连续性方程式、柏努力程式和流体流动阻力的计算；能力目标：●能正确选择流体输送机械和管子的直径；●能拆装化工管路；会流体输送机械的操作和简单故障的分析、排除。化工生产中所处理的物料，大多为流体（包括液体和气体）。为了满足工艺条件的要求，保证生产的连续进行，需要把流体从一个设备输送至另一个设备。实现这一过程要借助管路和输送机械。流体输送机械是给流体增加机械能以完成输送任务的机械。管路在化工生产中就相当于人体的血管，流体输送机械相当于人的心脏，作用非常重要。因此，了解管路的构成，确定输送管路的直径，了解输送机械的工作原理，选择合理的输送机械，学会合理布置和安装管路，正确使用输送机械非常重要。第一节流体输送管路一、管路的分类化工生产过程中的管路通常以是否分出支管来分类，见表1-1。表1-1管路的分类类型结构简单管路单一管路单一管路是指直径不变、无分支的管路，如图1-1(a)所示串联管路虽无分支但管径多变的管路，如图1-1(b)所示复杂管路分支管路流体由总管分流到几个分支，各分支出口不同，如图1-2(a)所示并联管路并联管路中，分支最终又汇合到总管，如图1-2(b)所示对于重要管路系统，如全厂或大型车间的动力管线（包括蒸汽、煤气、上水及其他循环管道等），一般均应按并联管路铺设，以有利于提高能量的综合利用、减少因局部故障所造成的影响。2图1-1简单管路图1-2复杂管路二、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，也包括一些附属于管路的管架、管卡、管撑等辅件。由于生产中输送的流体是各种各样的，输送条件与输送量也各不相同，因此，管路也必然是各不相同的。工程上为了避免混乱，方便制造与使用，实现了管路的标准化。书后附录摘录了部分管材的规格。管子是管路的主体，由于生产系统中的物料和所处工艺条件各不相同，所以用于连接设备和输送物料的管子除需满足强度和通过能力的要求外，还必须耐温、耐压、耐腐蚀以及导热等性能的要求。根据所输送物料的性质(如腐蚀性、易燃性、易爆性等)和操作条件(如温度、压力等)来选择合适的管材，是化工生产中经常遇到的问题之一。（一）化工管材管材通常按制造管子所使用的材料来进行分类。可分为金属管、非金属管和复合管，其中以金属管占绝大部分。复合管指的是金属与非金属两种材料组成的管子，最常见的化工管材见表1-2。表1-2常见的化工管材种类及名称结构特点用途金属管钢管有缝钢管有缝钢管是用低碳钢焊接而成的钢管，又称为焊接管。易于加工制造、价格低。主要有水管和煤气管，分镀锌管和黑铁管（不镀锌管）两种。目前主要用于输送水、蒸汽、煤气、腐蚀性低的液体和压缩空气等。因为有焊缝而不适宜在0.8MPa（表压）以上的压力条件下使用。无缝钢管无缝钢管是用棒料钢材经穿孔热轧或冷拔制成的，它没有接缝。用于制造无缝钢管的材料主要有普通碳钢、优质碳钢、低合金钢、不锈钢和耐热铬钢等。无缝钢管的特点是质地均匀、强度高、管壁薄，少数特殊用途的无缝钢管的壁厚也可以很厚。无缝钢管能用于在各种压力和温度下输送流体，广泛用于输送高压、有毒、易燃易爆和强腐蚀性流体等。3铸铁管有普通铸铁管和硅铸铁管。铸铁管价廉而耐腐蚀，但强度低，气密性也差，不能用于输送有压力的蒸汽、爆炸性及有毒性气体等。一般作为埋在地下的给水总管、煤气管及污水管等，也可以用来输送碱液及浓硫酸等。有色金属管铜管与黄铜管由紫铜或黄铜制成。导热性好，延展性好，易于弯曲成型。适用于制造换热器的管子；用于油压系统、润滑系统来输送有压液体；铜管还适用于低温管路，黄铜管在海水管路中也广泛使用。铅管铅管因抗腐蚀性好，能抗硫酸及10﹪以下的盐酸，其最高工作温度是413K。由于铅管机械强度差、性软而笨重、导热能力小，目前正被合金管及塑料管所取代。主要用于硫酸及稀盐酸的输送，但不适用于浓盐酸、硝酸和乙酸的输送。铝管铝管也有较好的耐酸性，其耐酸性主要由其纯度决定，但耐碱性差。铝管广泛用于输送浓硫酸、浓硝酸、甲酸和醋酸等。小直径铝管可以代替铜管来输送有压流体。当温度超过433K时，不宜在较高的压力下使用。非金属管非金属管是用各种非金属材料制作而成的管子的总称，主要有陶瓷管、水泥管、玻璃管、塑料管和橡胶管等。塑料管的用途越来越广，很多原来用金属管的场合逐渐被塑料管所代替。（二）管件管件是用来连接管子以达到延长管路、改变管路方向或直径、分支、合流或封闭管路的附件的总称。最基本的管件如图1-3所示，其用途有如下几种。180º回弯管三通四通异径管90º弯头法兰卡箍活接头管帽45º弯头图1-3常用管件①用以改变流向：90º弯头、45º弯头、180º回弯头等；②用以堵截管路：管帽、丝堵(堵头)、盲板等；4③用以连接支管：三通、四通，有时三通也用来改变流向，多余的一个通道接头用管帽或盲板封上，在需要时打开再连接一条分支管；④用以改变管径：异径管、内外螺纹接头(补芯)等；⑤用以延长管路：管箍(束节)、螺纹短节、活接头、法兰等。法兰多用于焊接连接管路，而活接头多用于螺纹连接管路。在闭合管路上必须设置活接头或法兰，尤其是在需要经常维修或更换的设备、阀门附近必须设置，因为它们可以就地拆开，就地连接。（三）阀门阀门是用来启闭和调节流量及控制安全的部件。通过阀门可以调节流量、系统压力、及流动方向，从而确保工艺条件的实现与安全生产。化工生产中阀门种类繁多，常用的有以下几种，见表1-3。表1-3常见阀门名称结构特点用途闸阀主要部件为一闸板，通过闸板的升降以启闭管路。这种阀门全开时流体阻力小，全闭时较严密，如图1-4。多用于大直径管路上作启闭阀，在小直径管路中也有用作调节阀的。不宜用于含有固体颗粒或物料易于沉积的流体，以免引起密封面的磨损和影响闸板的闭合。截止阀主要部件为阀盘与阀座，流体自下而上通过阀座，其构造比较复杂，流体阻力较大，但密闭性与调节性能较好，如图1-5。不宜用于粘度大且含有易沉淀颗粒的介质。止回阀止回阀是一种根据阀前、后的压力差自动启闭的阀门，其作用是使介质只作一定方向的流动，它分为升降式和旋启式两种。升降式止回阀密封性较好，但流动阻力大，旋启式止回阀用摇板来启闭。安装时应注意介质的流向与安装方向。如图1-6。止回阀一般适用于清洁介质，球阀阀芯呈球状，中间为一与管内径相近的连通孔，结构比闸阀和截止阀简单，启闭迅速，操作方便，体积小，重量轻，零部件少，流体阻力也小。如图1-7。适用于低温高压及粘度大的介质，但不宜用于调节流量。旋塞阀其主要部分为一可转动的圆锥形旋塞，中间有孔，当旋塞旋转至90º时，流动通道即全部封闭。需要较大的转动力矩，如图1-8。温度变化大时容易卡死，不能用于高压。安全阀是为了管道设备的安全保险而设置的截断装置，它能根据工作压力而自动启闭，从而将管道设备的压力控制在某一数值以下，从而保证其安全。如图1-9。主要用在蒸汽锅炉及高压设备上。5图1-4闸阀1-5截止阀图1-6止回阀图1-7球阀图1-8旋塞阀图1-9全启式安全阀活动建议进行现场教学，让学生到实训基地或工厂去观察化工管路、管件及阀门等实物，除了教材介绍的之外，如阀门还有隔膜阀、蝶阀、疏水阀及减压阀等，了解其构造与作用。第二节流体流动的基础知识一、连续性方程1．稳定流动系统根据流体在管路系统中流动时各种参数的变化情况，可以将流体的流动分为稳定流动和不稳定流动。若流动系统中各物理量的大小仅随位置变化、不随时间变化，则称为稳定流动。若流动系统中各物理量的大小不仅随位置变化、而且随时间变化，则称为不稳定流动。工业生产中的连续操作过程，如生产条件控制正常，则流体流动多属于稳定流动。连续操作的开车、停车过程及间歇操作过程属于不稳定流动。本章所讨论的流体流动为稳定流动过程。多观察有溢流装置的恒位槽系统流体的流动；若没有流体的补充，槽内的液位不断下降时流体的流动。2．连续性方程稳定流动系统如图1-10所示，流体充满管道，并连续不断地从截面1-'1流入，从截面2-'2流出。图1-10流体流动的连续性6以管内壁、截面1-'1与2-'2为衡算范围，以单位时间为衡算基准，依质量守恒定律，进入截面1-'1的流体质量流量与流出截面2-'2的流体质量流量相等。即qm1=qm2（1-1）因为qm=uA式中qm——流体的质量流量，指单位时间内流经管道有效截面积的流体质量，kg/s；u——流体在管道任一截面的平均流速，m/s；A——管道的有效截面积，m2；——流体的密度，kg/m3。故qm=u1A11=u2A22（1-2）若将上式推广到管路上任何一个截面，即qm=uA=常数（1-3）上述方程式表示在稳定流动系统中，流体流经管道各截面的质量流量恒为常量，但各截面的流体流速则随管道截面积和流体密度的不同而变化。若流体为不可压缩流体，即=常数，则qv=uA=常数（1-4）式中qv——流体的体积流量，指单位时间内流经管道有效截面积的流体体积，m3/s；上式说明不可压缩流体不仅流经各截面的质量流量相等，而且它们的体积流量也相等。而且管道截面积A与流体流速u成反比，截面积越小，流速越大。若不可压缩流体在圆管内流动，因24dA，则2121221ddAAuu（1-5）上式说明不可压缩流体在管道内的流速u与管道内径的平方d2成反比。式（1-1）至式（1-5）称为流体在管道中作稳定流动的连续性方程。连续性方程反映了在稳定流动系统中，流量一定时管路各截面上流速的变化规律，而此规律与管路的安排以及管路上是否装有管件、阀门或输送设备等无关。7【例1-1】如图1-10所示的串联变径管路中，已知小管规格为φ57×3mm，大管规格为φ89×3.5mm，均为无缝钢管，水在小管内的平均流速为2.5m/s，水的密度可取为1000kg/m3。试求：⑴水在大管中的流速；⑵管路中水的体积流量和质量流量。解⑴小管直径d1=57－2×3=51mm，u1=2.5m/s大管直径d2=89－2×3.5=82mm967.0)8251(5.2)(222121121dduAAuum/s⑵0051.0)051.0(785.05.24221111duAuqvm3/sqm=qv=0.0051×1000=5.1kg/s二、柏努利方程在化工生产中，解决流体输送问题的基本依据是柏努力方程，因此柏努力方程及其应用极为重要。根据对稳定流动系统能量衡算，即可得到柏努力方程。（一）流动系统的能量流动系统中涉及的能量有多种形式，包括内能、机械能、功、热、损失能量，若系统不涉及温度变化及热量交换，内能为常数，则系统中所涉及的能量只有机械能、功、损失能量。能量根据其属性分为流体自身所具有的能量及系统与外部交换的能量。1．流体所具有的能量——机械能(1)位能位能是流体处于重力场中而具有的能量。若质量为m（kg）的流体与基准水平面的垂直距离为z（m），则位能为mgz（J），单位质量流体的位能则为gz（J/kg）。位能是相对值，计算须规定一个基准水平面。(2)动能动能是流体具有一定速度流动而具有的能量。m（kg）流体，当其流速为u（m/s）时具有的动能为221mu（J），单位质量流体的动能为221u(J/kg)。(3)静压能静压能是由于流体具有一定的压力而具有的能量。流体内部任一点都有一定的压力，如果在有液体流动的管壁上开一小孔并接上一个垂直的细玻璃管，液体就会在玻璃管内升起一定的高度，此液柱高度即表示管内流体在该截面处的静压力值。管路系统中，某截面处流体压力为p，流体要流过该截面，则必须克服此压力作功，于是流体带着与此功相当的能量进入系统，流体的这种能量称为静压能。质量为m（kg）的流体8的静压能为pV（J），单位质量流体的静压能为p（J/kg）2．压力的表示方法以绝对真空为基准测得的压力称为绝对压力。以大气压力为基准测得的压力称为表压力或真空度。如若系统压力高于大气压，则超出的部分称为表压力，所用的测压仪表称为压力表；如若系统压力低于大气压，则低于大气压的部分