《化工原理》[稻谷书店].ppt

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1、化工原理,Principles of Chemical Engineering,1,高级教学,第二章 流体输送机械,2,高级教学,第二章 流体输送机械,流体输送的目的： 提高流体的动能、位能或静压能; 克服沿程的阻力。,从供料点到需料点的截面列柏努利方程：, 输送机械对单位重量流体所做的功,3,高级教学,按输送介质： 液体输送机械泵不可压缩性流体 气体输送机械风机（鼓风机、通风机）、压缩机 按工作原理： 离心式：依靠高速旋转的叶片产生离心力向液体传送机械能。 离心泵、旋涡泵 正位移式（容积式）：利用工作室容积周期性变化，使液体升压把能量 传递给液体。往复泵、旋转泵 喷射式：高速喷射水流带走空气

2、,形成低压。喷射泵 液体输送一般用离心泵和往复泵两类。,流体输送机械分类：,4,高级教学,（1）叶轮：离心泵的核心部件，由4-8片叶片组成。 作用：通过高速旋转，将原动机的能量传给液体。 分类：开式、闭式和半开式。,第一节 离心泵,一 主要部件和工作原理,1主要部件,5,高级教学,（2）泵壳：泵的外壳，包围叶轮，形成一个截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道。将液体的大部分动能转变成静压能。 泵壳作用：汇集液体；能量转化作用。,（3）泵轴：位于叶轮中心且与叶轮所在平面垂直的轴。 轴封：旋转泵轴与固定泵体之间的密封装置。,6,高级教学,2离心泵的工作原理,（1）液体能量转化：泵轴带动叶轮叶片间流体做功，流

3、体获得高速进入泵壳。蜗壳形通道逐渐扩大，流体在壳内减速，动能转化为静压能。,（2）液体吸上原理：叶轮高速旋转使叶轮中心形成低压（真空），低位槽液体依靠压力差被不断地吸入泵内。,气缚现象：离心泵在启动前壳内充满大量气体，叶轮中心处形成的负压小，形不成吸上液体所需的压力差，致槽内液体吸不上来的现象。,7,高级教学,二 离心泵的性能参数与特性曲线,1主要性能参数,转速n：10003000rpm；2900rpm最常见。 流量Q：泵的输液能力，与叶轮结构、尺寸和转速有关。流量计直接测其输出管路。,压头（扬程）H：泵向单位重量流体提供的机械能。与流 量、叶轮结构、尺寸和转速有关。 扬程能量概念；非升举高度

4、 升举高度泵将流体从低位升至高位时，两液面间的高度差。,8,高级教学,b、c所在截面列柏努利方程,两截面间管长很短，阻力损失可忽 略，动能变化小,扬程的测量,9,高级教学,10,高级教学,效率 ：泵对外加能量的利用程度。 = Ne /N,有效功率Ne ：单位时间离心泵对流体做的功。 Ne=gQH ； 轴功率N：单位时间内由电机输入离心泵的功。,2离心泵的性能曲线,H-Q曲线：随着流量的增加，泵的压头下降，此规律对流量很小的情况可能不适用。, N-Q曲线：轴功率随流量的增加而增大，离心泵应在关闭出口阀的情况下启动，使泵启动功率最小，减小电机的启动电流。, -Q曲线：泵的效率先随着流量的增加而上升

5、，达一最大值后下降。生产中选泵，应使泵在最高效率点附近操作，相应的流量范围内效率较高。,功率：,11,高级教学,粘度：粘度增加，泵的流量、压头、效率都下降，但轴功率上升。 故当被流体的粘度有较大变化时，需对特性曲线校正。 粘度210-5m2s-1,影响小可忽略。,3离心泵特性曲线的影响因素,（1）流体的性质： 密度：离心泵的压头和流量均与液体的密度无关，HQ曲线不变。 有效功率和轴功率与密度成正比，使用水的NQ曲线需对密度校正： 效率与密度无关。,12,高级教学,（2）转速 离心泵转速变化时，流量、压头和轴功率都要变化：,（3）叶轮直径 当切割量小于20%时：,切割定律,比例定律,13,高级教

6、学,流体通过管路所需外加压头：,式中的压头损失：,三 离心泵的工作点和流量调节,1管路的特性方程,管路的特性方程,14,高级教学,阻力平方区,管路的特性方程,则上式变为：,令,高阻管路特性曲线较陡； 低阻管路特性曲线较平缓。,大,15,高级教学,2离心泵的工作点,液体流过管路所需压头与泵对液体提供的压头相等时的流量,说明： 泵的工作点由泵特性和管路 特性共同决定，可联立两特性方程得到； 泵的工作点对应的泵压头既是泵提供的，也是管路需要 的； 工作点对应的各性能参数反映一台泵的实际工作状态。,16,高级教学,3离心泵的流量调节 （1）改变管路特性改变出口阀的开度,17,高级教学,（2）改变泵的特

7、性 改变叶轮转速,nAnB，转速增加,流量和压头均增加。,（3）改变泵的特性 切削叶轮直径：,调节范围不大，只能变小，适合长期性调整，操作中调整不可行,P63 例23,18,高级教学,n台完全相同的泵并联，组合泵的特性方程为：,1双泵并联,理论上，H不变，Q加倍；,四 离心泵的组合操作,实际工作流量并未加倍（QB2QA），压头有所增加；,2双泵串联,理论上，Q不变，H加倍； 实际工作压头未加倍（HB2HA），流量却有所增加； n个完全相同的泵串联，组合泵的特性方程：,19,高级教学,高阻管路：22串联比并联时Q增值大，选串联。 低阻管路：11并联比串联时Q增量大，选并联。,3组合方式的选择,压

8、头不够：,流量不够：,采用串联,高阻管路,低阻管路,双串,双并,20,高级教学,安装高度：被吸入液体贮槽的液面到离心泵入口处的垂直距离.,1汽蚀现象,在s-s和K-K间列柏努利方程：,五 离心泵的安装高度,21,高级教学,叶轮中心处汽化产生大量汽泡； 含汽泡液体进入周边高压区，压力剧增使汽泡凝聚，产生局部真空，周围液体以很高的流速冲向真空区域； 当汽泡的冷凝发生在叶片表面附近时，大量液体以高频冲 击力冲击叶片，使叶轮损伤，这种现象称为“汽蚀”。,问题：如何确定Zs的上限？ 泵的实际安装高度低于允许安装高度，操作时不会发生汽蚀。,22,高级教学,防止汽蚀，应pKpV（液体饱和蒸汽压），且pepK

9、 ，,或,气蚀余量 （NPSH）,2汽蚀余量与允许安装高度,全压头,饱和蒸汽压,允许气蚀余量,23,高级教学,泵的允许安装高度：,（1）汽蚀现象的产生的原因： 离心泵的安装高度太高； 被输送流体的温度太高，液体蒸汽压过高； 吸入管路的阻力损失太大。,（2）计算的允许安装高度有时为负值，说明泵应该安装在 液体贮槽液面以下。,（3）允许安装高度的大小与泵的流量有关。,（4）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。,24,高级教学,1、离心泵的类型： （1）清水泵：适用于输送清水或物性与水相近、无腐蚀性且杂质较少的液体。结构简单，操作容易。 （2）耐腐蚀泵：用于输送具有腐

10、蚀性的液体，接触液体的部件用耐腐蚀的材料制成，要求密封可靠。 （3）油泵：输送石油产品的泵，要求有良好的密封性。 （4）杂质泵：输送含固体颗粒的液体、稠厚的浆液，叶轮流 道宽，叶片数少。,单吸泵,双吸泵流量大小； 单级泵,多级泵扬程大小； 卧式泵，立式泵安装条件。,六 离心泵的选用、安装与操作,25,高级教学,2 离心泵的选用 （1）根据被输送液体的性质确定泵的类型 （2）确定输送系统的流量和所需压头。 流量由生产任务来定，所需压头由管路的特性方程来定。 （3）根据所需流量和压头确定泵的型号 查泵的型谱或相关附表，要求流量和压头与管路所需相适应，防止形成大马拉小车（浪费）或小马拉大车（超载）。

11、 若生产中流量有变动，以最大流量为准来查找，无最大流量时，按1.11.15倍正常流量计算；H应以最大流量对应压头的1.051.1倍计。 若H和Q与所需要不符，则应在邻近型号中找H和Q都稍大一点的。 若几个型号都满足，应选一个在操作条件下效率最好的。 为保险，所选泵可以稍大；但若太大，工作点离最高效率点太远，则能量利用程度低。 若被输送液体的性质与标准流体相差较大，则应对所选泵的特性曲线和参数进行校正，确定是否能满足要求。,26,高级教学,3 离心泵的安装与操作 （1）安装： 安装高度不能太高，应小于允许安装高度。 尽量减少吸入管路的阻力， 主要考虑：吸入管路短、直、粗、管件少。 （2）操作：

12、启动前应灌泵； 应在关闭出口阀的情况下启动泵； 停泵前先关闭出口阀；,27,高级教学,第二节 其它类型泵,一 、往复泵：往复工作的容积式 泵，依靠活塞的往复运动周期性改 变泵腔容积将液体吸入和压出。,1往复泵的结构 吸入阀和排出阀均为单向阀。 活塞与阀间的空间称为工作室。,往复泵装置简图 1泵缸; 2活塞; 3活塞杆; 4吸入阀; 5排出阀,单动泵：一侧装有吸入阀和排出阀.,28,高级教学,活塞与电机相连，在泵缸内作往复运动； 活塞自左向右移动时，排出阀关闭，吸入 阀打开，液体进入泵缸，直至活塞移至最右端。 活塞由右向左移动，吸入阀关闭而排出阀开启，将液体以高压排出。 活塞移至左端，排液完毕，

13、完成一个工作循环，周而复始实现送液。 说明： 冲程：活塞在两端点间的移动距离。 单动泵：活塞往复运动一次，吸液和排液各一次，交替进行，输送液体不连续。由于活塞的往复运动是不等速的，瞬间流量不均匀，形成的流量曲线：,2.工作原理：,29,高级教学,双动泵：活塞左右两侧都有阀门，吸液和排液同时进行。 活塞自左向右移动时，工作室左侧吸入液体，右侧排出液体，活塞自右向左移动时，工作室右侧吸入液体，左侧排出液体，活塞的每一次行程都在吸液和排液，每一个工作循环吸液和排液各两次，因而供液流量连续，但仍有起伏。,采用三台双动泵并联工作，其送液量较均匀。,为提高流量的均匀性，左右两排出阀上方增设空气室，利用空气

14、的压缩和膨胀来存放和排出部分液体，对液流波动起缓冲作用 稳压装置,30,高级教学,3.往复泵特点： 流量只与泵缸尺寸、冲程、活塞往复次数有关，与泵的压头、管路等无关。 理论上 单动泵的流量：QTASnr 双动泵的流量：QT(2A-a)S nr 式中： QT 往复泵理论流量，m3/s； A 活塞截面积，m2； a 活塞杆截面积，m2； S 活塞的冲程(在泵缸内移动的距离)，m； nr 活塞往复频率，1/s。,31,高级教学,(3)往复泵提供的压头只与管路的情况有关，与泵的几何尺 寸、流量无关; (4)往复泵具有自吸能力; (5)启动和停车时须开出口阀门（与离心泵相反）。流量调节 不能用排出管路上

15、的阀门; (6)往复泵的理论流量是由单位时间内活塞扫过的体积决定的，排液能力只与活塞位移有关，与管路无关，这种泵称为正位移泵。,实际流量小于理论流量，仍为常数，压头高时会稍变小。 瞬时流量不均匀而一段时间内流量的固定性。,32,高级教学,4、往复泵的工作点与流量调节,流量调节方法：,支路调节：在排出管上安装支路。 支路作用：使排出液体部分流回吸入管路，即使主管中的流量发生变化，泵送流量不变。支路还设安全阀，当泵出口压力超过规定值，安全阀被顶开，使出口减压。 改变曲柄转速：通过改变曲柄转速，来改变活塞往复运动的频率，达到调节流量的目的。,工作点：泵特性与管特性的交点。,33,高级教学,按压缩比分

16、为四类： 通风机：终压（表压）不大于15kPa,压缩比1至1.15 鼓风机：终压15300kPa，压缩比小于4。 压缩机：终压在300kPa以上，压缩比大于4。 真空泵：终压为大气压，压缩比由真空度决定。 按工作原理分为: 离心式、旋转式、往复式及喷射式。,第三节 气体输送机械,34,高级教学,一 概述 1气体输送机械在工业生产中的应用 气体输送：气体输送往往输送量很大，动力消耗相当大,气体输送用通风机和鼓风机。 产生高压气体：有些化学反应过程或分离过程需要在高压下进行，如合成氨反应，气体的液化与分离，得到高压气体用压缩机。 产生真空:真空泵从设备中抽出气体以产生真空。,35,高级教学,动力消

17、耗大：气体输送流速比液体大得多，流速1525m/s，阻力损失大。 体积庞大：出口压力越高，体积越庞大。 气体压缩机需设冷凝器：输送机械内部气体压力变化的同时，体积和温度也将随之变化。,2气体输送机械的特点,36,高级教学,1结构特点 通风机的叶轮直径比较大； 叶轮上叶片的数目比较多； 叶片有平直的、前弯的、后 弯的； 机壳内逐渐扩大的通道及出 口截面常为矩形。,二、离心式通风机,37,高级教学,2离心通风机的性能参数和特性曲线 （1）风量：按入口状态计的单位时间通过的气体体积。 单位： m3/s，m3/h （2）风压：单位体积气体通过风机时获得的能量，J/m3，Pa 在风机进、出口之间列柏努利

18、方程：,单位重量流体为基准,通常表示成压力形式：,单位体积流体为基准,全风压,静风压,动风压,风压,38,高级教学,（3）轴功率和效率,N 轴功率，单位kW,离心式通风机特性曲线,（4）特性曲线：,39,高级教学,3离心式通风机的选型 （1）根据气体种类和风压范围，确定风机的类型 （2）确定所要求的风量和全风压。风量根据生产任务来定；全风压按柏努利方程来求，但要按标准状况校正，即,根据按入口状态计的风量和校正后的全风压在产品系列表中查找合适的型号。,P64 例26,40,高级教学,三 离心式的鼓风机 离心式鼓风机的结构特点： 离心式鼓风机的外形与离心泵相似，内部结构也有许多相同之处 如：离心式

19、鼓风机的蜗壳形通道亦为圆形；但外壳直径与厚度之 比较大；叶轮上叶片数目较多；转速较高；叶轮外周都装有导轮 单级出口表压多在30kPa以内；多级可达0.3MPa。 离心式鼓风机的选型方法与离心式通风机相同。,41,高级教学,四 离心式压缩机 1结构定子与转子 转子：主轴、多级叶轮、 轴套及平衡元件 定子：气缸和隔板 2工作原理：气体沿轴向进 入各级叶轮中心处，被旋转的叶 轮做功，受离心力的作用，以很 高的速度离开叶轮，进入扩压器。 气体在扩压器内降速、增压。 经扩压器减速、增压后气体进入弯道，使流向反转180度后进入 回流器，经过回流器后又进入下一级叶轮。显然，弯道和回流器 是沟通前一级叶轮和后

20、一级叶轮的通道。如此，气体压力在多个 叶轮中被增加数次，能以很高的压力能离开。,42,高级教学,3特性曲线 离心式压缩机的HQ曲线与离心式通风机在形状上相似。在小 流量时都呈现出压力随流量的增加而上升的情况。 4特点 优点：体积和重量都很小而流量很大；供气均匀；运转平稳；易损部件少、维护方便。因此，除非压力要求非常高，离心式压缩机已有取代往复式压缩机的趋势。而且，离心式压缩机已经发展成为非常大型的设备，流量达几十万立方米/时，出口压力达几十兆帕。,43,高级教学,五、 往复式压缩机 1操作原理与理想压缩循环 单动压缩机结构简图。吸入活门S、排出活门D。 其结构和工作原理与往复泵类似。 开始时刻

21、：当活塞位于最右端时，缸内气体 体积为，压力为，用图中1点表示； 压缩阶段：当活塞由右向左运动时，由于D活门所在管线有一定压力，所 以D活门是关闭的，活门S受压也关闭。因此，在这段时间里气缸内气体体 积下降而压力上升，所以是压缩阶段。直到压力上升到，活门D被顶开为 止。此时的缸内气体状态如2点表示。 排气阶段：活门D被顶开后，活塞继续向左运动，缸内气体被排出。这一 阶段缸内气体压力不变，体积不断减小，直到气体完全排出体积减至零。这 一阶段属恒压排气阶段。此时的状态为3点表示。 吸气阶段：活塞从最左端退回，缸内压力立刻由降到，状况达到4。此时D 活门受压关闭，S活门受压打开，气缸又开始吸入气体，

22、体积增大，压力不变， 因此为恒压吸气阶段，直到1点为止。,44,高级教学,2压缩类型 等温压缩；绝热压缩；多变压缩。 等温压缩是指压缩阶段产生的热量随时从气体中完全取出，气 体的温度保持不变。绝热压缩是另一种极端情况，即压缩产生 的热量完全不取出。实际是压缩过程既不是等温的，也不是绝 热的，而是介于两者之间，称为多变压缩。 3压缩功： 实际过程为多变过程，每一循环多变压缩的功为（J）：,其中m称为多变指数，对于等温压缩，m=1，但压缩功另有算法。对于绝热压缩，m等于定压比热与定容比热之比。,45,高级教学,4有余隙的压缩循环 上述压缩循环之所以称为理想的，除了假定过程皆属可逆之 外，还假定了压缩阶段终了缸内气体一点不剩地排尽。实际上 此时活塞与气缸盖之间必须留有一定的空隙，以免活塞杆受热 臌胀后使活塞与气缸相撞。这个空隙就称为余隙。 余隙系数=余隙体积/活塞推进一次扫过的体积 容积系数=实际吸气体积/活塞推进一次扫过的体积,根据上述定义：,余隙的存在使一个工作循环的吸、排气量减小，这不仅是因为活塞推进一次扫过的体积减小了，还因为活塞开始由左向右运动时不是马上有气体吸入，而是缸内剩余气体的膨,46,高级教学,