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1、化 工 基 础项目一: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
2、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
3、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,
4、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
5、。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,用符号来表示:国际单位是kg/m3。 液体的密度 液体密度的获得方法一:实验测取;方法二:查资料。 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
6、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
7、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.压力的测量压力测量仪表分类:压力表、真空表、压 力真空表。 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
8、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
9、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
10、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: 转子流量计 孔板流量计 文丘里流量计转子流量计 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。 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-
11、5 转子流量计转子流量计照片孔板流量计 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
12、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
13、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,
14、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?(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
15、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。 1U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 。 【