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1、 化工设备基础知识 本课程介绍化工生产中各种单元操作中典型设备的结构 原理 性能 设备的操作 维护及设备的故障处理 通过学习掌握化工生产过程中相应的设备 进行正确操作和维护 提高设备能力及效率 降低设备投资及其成本 节约能源 防止污染及加速新技术的开发 通过学习掌握化工设备基础知识 提高自己对化工设备知识的运用能力 课程简介及学习目的 本章学习简介 流体输送设备主要应用于为流体提高能量 以便克服输送过程中沿程的机械损失 提高位能 提高流体压强 或减压 流体输送设备有不同类型 但通常按流体的种类分为液体输送设备和气体输送设备 因为流体输送设备广泛应用于化工厂及其它各行业 故统称为通用设备 本章主
2、要介绍化工中常用的流体输送设备的基本结构 工作原理和特性 以便能够依据流体流动的有关原理正确地选择和使用流体输送设备 具体来说就是能根据输送任务要求 正确地选择输送设备的类型和规格 决定输送设备在管路中的位置 计算所消耗的功率及其运行管理 使输送设备能在高效率下可靠地运行 离心泵的基本部件是高速旋转的叶轮和固定的蜗牛形泵壳 具有若干个 通常为6 12个 后弯叶片的叶轮紧固于泵轴上 并随泵轴由电机驱动作高速旋转 叶轮是直接对泵内液体做功的部件 为离心泵的供能装置 泵壳中央的吸入口与吸入管路相连接 吸入管路的底部装有单向底阀 泵壳侧旁的排出口与装有调节阀门的排出管路相连接 蜗形泵壳不仅是汇集由叶轮
3、流出液体的部件 而且又是一个转能装置 离心泵的工作原理 两个过程 吸入过程和排出过程当离心泵启动后 泵轴带动叶轮一起作高速旋转运动 使预先充灌在叶片间的液体旋转 在离心力的作用下 液体自叶轮中心向外周作径向运动 当液体自叶轮中心甩向外周的同时 叶轮中心形成低压区 真空 在贮槽液面与叶轮中心总势能差的作用下 致使液体被吸进叶轮中心 液体在流经叶轮的运动过程获得了能量 静压能增高 流速增大 当液体离开叶轮进入泵壳后 由于壳内流道逐渐扩大而减速 部分动能转化为静压能 最后沿切向流入排出管路 依靠叶轮的不断运转 液体便连续地被吸入和排出 液体在离心泵中获得的机械能量最终表现为静压能的提高 离心泵的特性
4、曲线 由于离心泵的种类很多 前述各种泵内损失难以估计 使得离心泵的实际特性曲线关系 只能靠实验测定 在泵出厂时列于产品样本中以供参考 实验测出的特性曲线如图所示 图中有三条曲线 在图左上角应标明泵的型号 如4B20 及转速 说明该图特性曲线是指该型号泵在指定转速下的特性曲线 若泵的型号或转速不同 则特性曲线将不同 借助离心泵的特性曲线可以较完整地了解一台离心泵的性能 供合理选用和指导操作 离心泵的特性曲线 离心泵的特性曲线 由图可见 一般离心泵扬程随流量的增大而下降 很小时可能例外 当 0时 由图可知也只能达到一定数值 这是离心泵的一个重要特性 轴功率随流量增大而增加 当时 最小 这要求离心泵
5、在启动时 应关闭泵的出口阀门 以减小启动功率 保护电动机免因超载而受损 曲线有极值点 最大值 在此点下操作效率最高 能量损失最小 与此点对应的流量称为额定流量 泵的铭牌上即标注额定值 泵在管路上操作时 应在此点附近操作 一般不应低于92 泵在管路中工作时 由泵的性能曲线和管路特性曲线决定其运行工况 管路特性 管路中通过的流量与所需要消耗的能量之间的关系特性曲线 而管路输送所需的外加总压头称管道阻力Hc Hc Hst qv 这就是管路特性曲线方程 当流量发生变化时 阻力也发生变化 离心泵的工作点及流量控制 泵的工作点 工作点 将泵的特性曲线与管路特性曲线按同一比例绘制在同一张图上 则两条曲线相交
6、于一点M点 M点就叫作泵在管路中的工作点 泵在M点工作时能达到平衡 稳定 离心泵工况运行的调节 流量调节 运行工况调节 泵在运行时 由于外界负荷的变化而要求改变其工况 用人为的方法改变其工况点 而工况点的调节则是流量的调节 离心泵的运行工况调节 有三种方法 切割外圆法 变速调节法 离心泵出口调节法 前两种方法改变了泵的特性曲线 后一种方法则改变了泵的管路特性 改变泵的特性曲线法 1 切割叶轮外圆法 叶轮切割后直径变小 可以改变泵的qv H曲线 泵的工作点也随之改变 用这种方法调节流量 一台基本型号的离心泵可配备几台不同直径的叶轮 可按需选用 此法较经济 2 变速调节 在管路特性不变时 用改变转
7、速来改变泵的性能曲线 从而改变它们的工作点 当转速改变后 扬程和流量都会发生改变 随着转速的提高 流量和扬程都会增大 用此方法来调节流量和扬程不会产生附加的能量损失 这种方法是最经济的 但原动机应是可调速的 一般中小型泵不采用 改变管路特性曲线法 最常用的方法是调节离心泵的出口开度阻力大小与流量有直接的关系 用这种方法调节流量 有额外的能量损失 是不经济的 但由于方法简单 调节方便 尤其对于小流量 高扬程的离心泵 在启动瞬间 关闭出口阀门 还可以减少启动功率 离心泵的串 并联操作 同型号泵的串联 串联 指前一台泵的出口向另一台泵或风机的入口输送流体的工作方式 串联的目的是在流量相同时增加压头
8、两台泵串联工作时所产生的总扬程小于泵单独工作时扬程的2倍 而大于串联前单独运行的扬程 且串联后的流量也比一台泵单独工作时大了 组合后 泵的特性曲线由单泵同一Q下H的倍数确定 同型号泵的并联 并联 指两台或两台以上的泵向同一压力管路输送流体的工作方式 并联的目的是在压头相同时增加流量 两台泵并联运行时的流量等于并联时的各台泵流量之和 并联总流量小于两单机单独运行的流量和 而并联后的扬程却比一台泵单独工作时要高些 组合后 泵的特性曲线由单泵同一H下Q的倍数确定 由组合泵的特性曲线可以看出 经组合后 串联未使压头翻倍 并联未使流量翻倍 而是压头 流量均有提高 生产中究竟采用何种组合方式比较经济合理
9、则决定于管路曲线的形状 对于管路特性曲线较平坦的低阻管路 如图中曲线a所示 采用并联组合 可获得较串联组合为高的流量和压头 对于管路特性曲线较陡的高阻管路 图中曲线b 采用串联组合 可获得较并联组合高的流量和压头 对于值高于单泵所能提供最大压头的特定管路 则必须采用串联组合方式 离心泵的类型与选用 1 离心泵的类型 清水泵旧型号 B型新型号 IS型IS型泵是根据国际标准ISO2858规定的性能和尺寸设计的 其效率比B型泵平均提高3 67 IS80 65 16080 泵入口直径 mm 65 泵出口直径 mm 160 泵叶轮名义直径 mm 离心泵的类型与选用 如果要求的压头 扬程 较高 可采用多级
10、离心泵 其系列代号为 D 其结构如图所示 如要求的流量很大 可采用双吸收式离心泵 其系列代号 Sh 耐腐蚀泵 F 系列 非 F 系列 油泵 单吸 Y 系列 双吸式 YS 系列 液下泵 FY 系列 屏蔽泵 杂质泵 P 系列 离心泵的类型与选用 离心泵的类型与选用 2 离心泵的选用 根据被输送液体的性质确定泵的类型 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 根据所需流量和压头确定泵的型号 A 查性能表或特性曲线 要求流量和压头与管路所需相适应 B 若生产中流量有变动 以最大流量为准来查找 H也应以最大流量对应值查找 C 若H和Q与所需要不符 则应在邻近型号中找
11、H和Q都稍大一点的 离心泵的类型与选用 D 若几个型号都满足 应选一个在操作条件下效率最好的 E 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 F 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 看是否能满足要求 思考 如何正确操作离心泵 开车前要做哪些准备工作 如何开车 停车 检查地脚螺栓有无松动 检查是否灌好泵 润滑油是否合格 油液面是否达到高度 检查冷却水供应情况 检查压力表 电流表运行情况 手动盘车数圈 检查防护网是否完好 待一切完好则可开车 开车前的准备 离心泵的常见故障及处理 表1 1离心泵设备故障及处理措施表 表1 2离心
12、泵常见操作事故及防止措施 1 作用原理如图所示为曲柄连杆机构带动的往复泵 它主要由泵缸 活柱 或活塞 和活门组成 活柱在外力推动下作往复运动 由此改变泵缸内的容积和压强 交替地打开和关闭吸入 压出活门 达到输送液体的目的 由此可见 往复泵是通过活柱的往复运动直接以压强能的形式向液体提供能量的 往复泵的作用原理和类型 往复泵的作用原理和类型 2 往复泵的类型按照往复泵的动力来源可分类如下 电动往复泵电动往复泵由电动机驱动 是往复泵中最常见的一种 电动机通过减速箱和曲柄连杆机构与泵相连 把旋转运动变为往复运动 汽动往复泵汽动往复泵直接由蒸汽机驱动 泵的活塞和蒸汽机的活塞共同连在一根活塞杆上 构成一
13、个总的机组 往复泵的作用原理和类型 按照作用方式可将往复泵分类如下 单动往复泵活柱往复一次只吸液一次和排液一次 双动往复泵活柱两边都在工作 每个行程均在吸液和排液 往复泵的流量调节 由知仅与活塞每次扫过的体积AS及活塞往复次数n关 而与管路的特性无关 实际H不太高时 随H的变化很小 H大时 减小 而往复泵的压头则只决定于管路特性曲线与泵的特性曲线的交点 工作点确定 1 往复泵的特性曲线与工作点 往复泵的流量调节 2 流量调节 用旁路阀调节流量 泵的送液量不变 只是让部分被压出的液体返回贮池 使主管中的流量发生变化 显然这种调节方法很不经济 只适用于流量变化幅度较小的经常性调节 改变曲柄转速 因
14、电动机是通过减速装置与往复泵相连的 所以改变减速装置的传动比可以很方便地改变曲柄转速 从而改变活塞自往复运动的频率 达到调节流量的目的 气体压缩与输送机械 气体输送机械在工业生产中的应用 1 气体输送 为了克服管路中的阻力 需要提高气体的压力 纯粹为了输送的目的而对气体加压 压力一般都不高 但气体输送往往输送量很大 需要的动力往往相当大 2 产生高压气体 化学工业中一些化学反应过程需要在高压下进行 如合成氨反应 乙烯的本体聚合 一些分离过程也需要在高压下进行 如气体的液化与分离 这些高压进行的过程对相关气体的输送机械出口压力提出了相当高的要求 3 产生真空 相当多的单元操作是在低于常压的情况下
15、进行 这时就需要真空泵从设备中抽出气体以产生真空 气体输送机械 气体输送的特点 动力消耗大 对一定的质量流量 由于气体的密度小 其体积流量很大 因此气体输送管中的流速比液体要大得多 前经济流速 15 25m s 约为后者 1 3m s 的10倍 这样 以各自的经济流速输送同样的质量流量 经相同的管长后气体的阻力损失约为液体的10倍 因而气体输送机械的动力消耗往往很大 气体输送机械 气体输送机械体积一般都很庞大 对出口压力高的机械更是如此 由于气体的可压缩性 故在输送机械内部气体压力变化的同时 体积和温度也将随之发生变化 这些变化对气体输送机械的结构 形状有很大影响 因此 气体输送机械需要根据出
16、口压力来加以分类 按工作原理分为 离心式 往复式 旋转式以及喷射式等 按出口压力 终压 或压缩比 气体压缩后与压缩前压强之比 不同分为 气体输送机械的分类 通风机 工业上常用的通风机有轴流式和离心式两类 1 轴流式通风机轴流式通风机的结构与轴流泵类似 轴流式通风机排送量大 所产生的风压甚小 一般只用来通风换气 而不用来输送气体 化工生产中 在空冷器和冷却水塔的通风方面 轴流式通风机的应用还是很广的 2 离心式通风机 离心式通风机的结构特点离心式通风机工作原理与离心泵相同 结构也大同小异 1 离心式风机的构造 叶轮 由前盘 后盘 叶片和轮毂所组成 还曾指出叶片可分为前向 径向和后向三种类型 机壳 它的作用是收集来自叶轮的气体 并将部分动压转换为静压 最后将气体导向出口 导流器 导流器又称为进口风量调节器 在风机的入口处一般都装置有导流器 运行时 通过改变导流器叶片的角度 开度 来改变风机的性能 扩大工作范围和提高调节的经济性 进气箱 进气箱的作用是当进风口需要转弯时才采用的 用以改善进口气流流动状况 减少因气流不均匀进入叶轮而产生的流动损失 进气箱一般用在大型或双吸入的风机上 吸入口 吸
