项目一-流体流动与输送

化学工业出版社化工基础河南化工职业学院制作人：张传梅项目一：流体流动与输送任务1：了解流体输送在化工生产中的应用•想一想：液体可以自然地从高处向低处流动，如果用泵来驱动，就可以实现从地处向低处向高处流动，也可以克服阻力向远距离输送，这些过程如何实现的呢？【案例1】：高位槽送料•高层住宅的用水是通过顶层的水箱来实现的，我们称之为高位槽。高位槽送料是一种由高处向低处送料的情况，是利用容器、设备之间的位差，将处在高位设备内的液体输送到低位设备内的操作。输送时，只要在两个设备之间用一根管道连接即可。另外，对于要求流体稳定流动的场合，为避免输送机械带来的波动，也常常设置高位槽。如图1-1，是用液体泵将甲醇送到高位储槽。图1-1甲醇汽化流程【案例2】：输送机械送料•我国南水北调、西气东输工程，就是实现把我国南方长江的的水，通过机械设备做功送到我国北方需要的地方；把新疆塔里木轮油田的天然气通过管道送到千家万户等等，都是通过机械设备（泵或风机）加压被输送到所需要的地方。这种通过输送机械来实现流体输送的操作称为输送机械送料。【案例3】：压缩气体送料•化工生产过程中如果需要远距离输送腐蚀性物料，一般采用压缩空气或惰性气体代替输送机械来输送物料，这种通过压缩空气实现物料输送的操作称为压缩空气送料。压缩气体送料是一种由低处向高处送料的情况。通过给上游流体施加一定的压力来完成物料的输送过程。但此操作流量小且不易调节，只能间歇输送物料。压缩空气送料时，空气的压力必须能够保证完成输送任务。如图1-2是压缩空气输送硫酸的输送流程。图1-2压缩空气硫酸的输送流程【案例4】：真空抽料•通过真空系统造成的负压来实现流体输送的操作称为真空抽料。真空抽料是一种由低处向高处送料的情况。通过给下游设备抽真空造成上下游设备之间的压力差来完成流体的输送过程。真空抽料以其结构简单，操作方便、没有动件的优点适用于化工生产中的很多场合；但由于流量调节不方便，需要真空系统，所以不适用于输送挥发性的液体。如图1-3所示，是用真空泵将设备3抽真空，来实现输送碱液的过程。图1-3真空抽料输送流程双边交流：通过上面的学习，仔细观察图1-1，图1-2，图1-3，然后回答下面问题：•1.图1-1中，甲醇是通过方式被送入高位槽，要使高位槽中的液体被送入蒸发器中，要求高位槽的高度必须蒸发器的高度。该流程中采用了送料和送料的方式。•2.图1-2中，酸液贮槽中的酸是通过的方式被送入酸高位槽的，这种送料方式称为送料。•3.图1-3中，烧碱中间槽中的烧碱是通过的方式被送入烧碱高位槽的，真空汽包的作用是，该输送方式称为送料。任务2：学习流体的密度想一想：同样大小的气球，氢气球比空气球轻；相同体积的棉花要比铁块轻得多。为什么相同体积的物体，重量是不同呢？1.密度的定义•流体的密度是指单位体积流体的质量，用ρ符号来表示：国际单位是kg/m3。vm⑴液体的密度①液体密度的获得方法一：实验测取；方法二：查资料。②影响液体密度的因素影响液体密度的因素有压力和温度。但压力的变化对液体密度的影响很小（压力极高时除外），故液体常被称作为不可压缩性流体，工程上常忽略压力对液体密度的影响。温度变化时，绝大多数液体的密度会有所变化，温度升高时，液体密度略有下降，例如，277K时，纯水的密度是1000kg/m3，373K时为958.4kg/m3。双边交流:•1.水池内装有1m3的水，它的质量是1000kg，你知道它的密度吗？•2.通过附录查取下列液体的密度：20℃时：水的密度是，苯的密度是。（2）气体的密度（1）气体密度的获得当温度不太高，压力不太大时，气体可以看作为理想气体，由理想气体状态方程可以得到气体密度的计算式：混合气体的密度•对于混合气体，其密度的计算公式为：•【案例5】：氮气的体积分数为79%，氧气的体积分数为21%的某混合气，当其压力为100kPa，温度为300K时，该混合气的密度是多少？2.影响气体密度的因素影响气体密度的因素有温度和压力，通过以上学习可以知道，气体密度随压力的增大而增大，随温度的增大而减小。任务3：学习流体的压力•想一想：我们都听说锅炉内温度过高会爆炸，是因为锅炉内压力太高而材料承受不了而引起爆炸。什么是压力？回答上述问题，并结合实际举出因压力过高而引起爆炸的实例1.压力的定义•压力是指流体垂直作用于单位面积上的力，也称压强，其定义式为：•2.压力的测量①压力测量仪表分类：压力表、真空表、压力真空表。②表压的读数的意义：所反映的是设备内部实际压力比大气压力所高出的数值，而真空度所反映的是设备内部实际压力比大气压力所低的数值。在表示压力大小时，必须注明其表示方法，否则默认为绝对压力。绝对压强、表压强、真空度之间的关系几种常见的测压仪表（a）压力表（b）真空表（c）压力真空表双边交流：要想测量一个设备内部的压力，什么情况下安装压力表，什么情况下安装真空表？回答上述问题并结合实际举出生活或生产中压力测量的应用任务4：学习流体的黏度•想一想：把一桶水倒出来花费的时间，与倒出一桶油的花费的时间相比，时间一样吗？是不是倒出油花费的时间长一些？为什么？1.流体黏度的定义•实际流体流动时流体内部分子之间都会有内摩擦力，衡量内摩擦力的特性称为流体的黏性。黏性大的流体，分子间的内摩擦力大，流动性差，流动阻力大；反之则小。衡量流体黏性大小的物理量称之为黏度，用符号来表示，黏度是流体本身的一种属性，只有实际流体才具有黏性，理想流体是没有黏性的。2.流体黏度的获得•流体的黏度通过图表查取或通过实验测定，其国际单位为，它与其物理制单位泊（P）或厘泊（CP）之间的换算关系为：双边交流：•通过附录查取下列液体的黏度：•20℃时：水的黏度是；50℃时，水的黏度是。•20℃时：空气的黏度是；50℃时，空气的黏度是。液体黏度共线图气体黏度共线图3.影响流体黏度的因素•由以上练习我们可以发现：温度变化时，流体黏度变化很大，温度升高，液体黏度减小，而气体黏度增大。反之，当温度降低时，液体黏度增大，而气体黏度减小。但压力对液体黏度的影响可以忽略，当压力极高或极低时，气体的黏度才有变化，一般情况下不予考虑。任务5：学习流体的流量和流速•想一想：生活用水管里的水，在水压高的时候流得快，水压低的时候，流得很慢，甚至于呈滴状，所以水流有快有慢。那么，怎样衡量流体快慢？回答上述问题，并结合实际举出因压力过高而引起爆炸的实例。1.流量•流量的定义:流量是指单位时间内所流过的流体的量，分为体积流量和质量流量。二者之间的关系式为：•流体流量的测量•常用测量流体流量的仪表：•①转子流量计•②孔板流量计•③文丘里流量计①转子流量计•①结构：转子流量计是由一支上粗下细的倒微锥形玻璃管及直径略小于玻璃管直径的转子（浮子）构成，转子材料的密度应大于被测流体的密度。•②安装状态：必须垂直安装在管路上，而且流体必须下进上出，操作时应该缓慢开启阀门，以免转子突然升降击碎玻璃管。图1-5转子流量计转子流量计照片②孔板流量计•孔板流量计是在管道中装有一块中央开有圆孔的金属板，要求孔板中心线与管道中心线重合。•孔板流量计具有结构简单、更换方便，价格低廉的优点；其缺点是阻力损失大，不适用于流量变化较大的场合。•孔板流量计安装时，要注意孔板的中心线必须与被测管路的中心线重合，而且孔板的前后都必须有稳定段，即一段大于50倍管路直径的直管。孔板流量计照片③文丘里流量计•文丘里流量计用文丘里管代替了孔板，其它与孔板相同，但克服了孔板流量计阻力大的缺点。双边交流：•目前工业上所用到的流量计有很多，通过网络或其它相关资料查一下，然后同学们之间相互交流，了解流量计的不同种类、技术及各种应用情况。2.流速•流速的定义：流体在单位时间内流过的距离，用u表示。•u=qv/A•当流体在内径为d的圆形直管内以速度u流过时，其流量可以表示为：双边交流：•生活观察：当我们站在河边观察水的流动时，发现河中间水的流速与靠近岸边水的流速有什么不同吗？任务6：如何实现流体的输送过程•想一想：我们前面谈到的从高位槽送料、压缩空气送料、真空抽料和输送机械送料等。那么，对于不同的送料方式，如何才能保证完成输送任务呢？•要解决这个问题，我们先来学习流体输送的能量衡算——柏努利方程。1.柏努利方程•流体在流动过程中总是伴随着能量的变化，例如流体在一定高度处具有的位能，在一定流速下具有的动能，在一定压力下具有的静压能。当流体的位置、流速、压力发生变化时，它的这三种能量也会随之而变，并且它们三者之间是相互转化的。根据能量守恒，得到柏努利方程式：双边交流:•如图1-9所示，某流体在一变径管内由1-1截面向2-2截面稳定流过，若不计阻力损失，则两截面的压力（P1和P2）之间有什么关系？请将你们分析的原因和讨论的结果写下来。图1-9异径管2.学习流体输送问题的解决办法•（1）高位槽送料•高位槽送料是利用容器、设备之间的位差，将处在高位设备内的液体输送到低位设备内的操作。另外，对于要求流体稳定流动的场合，为避免输送机械带来的波动，也常常设置高位槽。那么，高位槽的高度就可以保证输送任务所要求的流量。•【案例7】：如图1-10所示，高位槽内的水经内径114mm、壁厚为4mm的钢管被输送到某一设备，若水在输送过程中的能量损失为20J/kg。当高位槽内水的液面距离管出口的高度为多少吗时，能保证水的流量为90m3/h？mm4114（2）输送机械送料•通过输送机械来实现流体输送的操作称为输送机械送料。此种操作方式具有输送机械类型多、选择范围大、调节方便而广泛适用于化工生产中。采用输送机械输送物料时，输送机械的型号及规格必须满足流体的性质及输送任务的要求。•【案例8】：如图1-11所示，用泵将贮槽中的水送到二氧化碳水洗塔，已知贮槽水面的压力为300KPa，水洗塔内的压力为2100KPa，水管与喷头连接处的压力为2250KPa，输水管的内径为0.052m，输水管与喷头连接处比贮槽水面高20m，输送系统的能量损失为49J/kg，若要完成15m3/h的输送任务，应安装泵的功率为多少？取水的密度为1000kg/m3。开眼界：•在生产过程中，我们见到过很多伯努利方程的应用。如U型管压差计，液封等。下面我们通过案例来了解一下这方面的问题。•1．U形管压差计•【案例10】：如图1-12示，密度为的液体在管中流过，用U形管压差计测量1.2两点的压力差，指示液的密度为，压差计的读数为，求1.2两点的压力差的值。2．液位测量•化工生产中，为了了解某容器中的液体储存量，或者控制其液位的高低，必须进行液位的测量。•【案例11】：直径为2mm的圆柱形贮槽内存放着密度为860kg/m3的液体，为测量液位的高低，在槽底部有一测压孔与U形管压差计相连，U形管压差计内指示液为汞，密度为13600kg/m3，读数为150mm。贮槽液面上方为常压，求贮槽内液面高度为多少？槽内液体的质量为多少？3．液封高度的测量•化工生产过程中，为了操作安全可靠，在某些场合要采用液封装置。•【案例12】：如图1-14所示，为了控制乙炔发生炉内的操作压力不超过80mmHg（表压），需要在外面安装水封装置，当炉内压力超过规定值时，乙炔气体从水封管中溢出，经水槽放入大气，求水封管插入水槽的深度？任务7：了解流体阻力•实际流体在流动过程中因为有阻力存在而导致能量损失，流体阻力的产生有两方面的原因，一是流体的黏性，二是流体的流动状态。•黏性是流体阻力产生的根本原因，因为理想流体没有黏性，所以在流动过程中是没有阻力的。黏度做为衡量实际流体黏性大小的物理量，其值越大，表示在同样的流动情况下，流体在流动过程中的阻力就越大。研究发现，同一种流体在同一个管路中流过时，由于流速不同，也会产生不同的阻力，1883年，雷诺通过实验找到了原因：流体在流动过程中，当流速不同时，流体中质点的运动是不同的，从而导致阻力的不同。由于流体有阻力，使得在管内流体形成不同的点速度。流体在圆管内分层流动示意图1.流体的流动型态•（1）雷诺实验雷诺实验装置如图1-15所示，水槽的液位因为溢流而保持恒定，出口管路的流量由阀门来调